CN105884161A - 一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，包括以下步骤：对畜禽粪便进行除砂预处理，并将除砂后畜禽粪便的含固率控制在2‑9％；对发酵装置中温度进行恒温控制；将预处理后的畜禽粪便和接种污泥一起放入恒温的发酵装置中，畜禽粪便的进料负荷为10‑20g·VS/L，接种污泥投加量以VS计为畜禽粪便进料负荷的1‑4倍；并在发酵装置中加入养殖废水、污泥上清液或自来水至反应器有效容积；搅拌，并定时测量发酵装置的日产气量和甲烷含量；当发酵装置中的甲烷含量稳定，日产气量的第二个高峰值出现，且日产气量曲线出现逐渐降低趋势时，在发酵装置中继续加入预处理后的畜禽粪便，并同时将发酵后渣液排出；当发酵装置的日产气量和甲烷含量稳定后，启动完成。

Description

一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化处理技术领域，具体涉及一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置。
背景技术
目前，我国已成为世界上最大的肉蛋生产国，猪肉、禽肉、鸡蛋的生产量均居于世界首位，随着畜牧业的发展，畜禽粪便对环境造成的污染越来越严重，大量的畜禽养殖粪便得不到及时的处理很容易引起土壤、水体及大气的污染，甚至威胁到人类的安全与健康。
以畜禽粪便为原料，进行厌氧发酵产生沼气，沼气可直接发电或提纯为生物天然气供车用、民用或企业使用，同时沼渣、沼液还可以制备良好的有机肥。目前，不同规模的养殖场都配套了粪污厌氧消化处理系统，但由于厌氧微生物驯化的周期长，一般需3-6个月，甚至更长，而且发酵过程一旦出现问题，需要进行清罐处理时，反应器要重新启动，面临同样的问题。对于大型沼气工程来说，反应器的启动速度和投入成本，在某种程度上直接影响了厌氧发酵技术及工程的推广及应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置，以解决使用畜禽粪便为原料的厌氧消化系统启动困难，启动周期长及外加营养物质导致成本过高的问题。
为实现上述目的，本发明的一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置的具体技术方案为：
一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，包括以下步骤：对畜禽粪便进行除砂预处理，并将除砂后畜禽粪便的含固率控制在2-9％；对发酵装置中的温度进行恒温控制；将预处理后的畜禽粪便和接种污泥一起放入恒温的发酵装置中，畜禽粪便的进料负荷为10-20g·VS/L，接种污泥的投加量以VS计为畜禽粪便的进料负荷的1-4倍；并在发酵装置中加入养殖废水、污泥上清液或自来水至反应器有效容积；搅拌，并定时测量发酵装置的日产气量和甲烷含量；当发酵装置中的甲烷含量稳定，日产气量的第二个高峰值出现，且日产气量曲线出现逐渐降低趋势时，在发酵装置中继续加入预处理后的畜禽粪便，并同时将发酵后的渣液排出；当发酵装置的日产气量和甲烷含量稳定后，启动完成。
一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，包括发酵罐体，发酵罐体的侧壁上部形成有进料口，侧壁下部形成有出料口，顶部形成有沼气出口，发酵罐体包括内胆和外壁，内胆的内壁面上设置有至少三个竖直放置的挡板，内胆中设置有用于搅拌接种污泥和预处理后的畜禽粪便的搅拌组件，内胆和外壁之间形成有保温夹层，保温夹层与热水循环组件相连通，外部热水可通过热水循环组件流入保温夹层中，以调节发酵罐体中的发酵环境温度。
本发明的一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置具有以下优点：
1)本发明很好的解决了以畜禽粪便为原料进行厌氧发酵系统启动过程中存在的问题，整个启动过程仅需25-30天，启动过程中无需外添加额外的营养元素和调控酸碱度的物质，节约运行成本，操作简便；
2)本发明的反应器中内壁上设有三片挡板，可实现中心搅拌器在搅拌时，外侧物料局部进行循环搅拌，加强了反应器的搅拌和匀料的功能；
3)本发明可以实现反应器中的发酵温度恒定，热水保温更便捷且热水循环使用，节能减排。
附图说明
图1为本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置的结构示意图；
图2为本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置的俯视图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法及装置做进一步详细的描述。
参照图1，本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法包括以下步骤：
第一步，对畜禽粪便进行预处理。其中，主要包括以下步骤：对畜禽粪便进行除砂预处理，以除去畜禽粪便中的固态砂砾，将除砂预处理后的畜禽粪便的含固率控制在一定的范围内，以等待放入发酵装置中。具体来说，对畜禽粪便经过水解除砂预处理后，将畜禽粪便的含固率控制在2-9％之间，最佳值为5％，畜禽粪便的含固率在此浓度范围内，启动阶段的效果较好。
第二步，对发酵装置中的温度进行调节，以使发酵环境温度维持在预定的温度。其中，可利用循环热水对发酵装置中的温度进行控制，以使发酵环境温度维持在30-40℃，优选为36±1℃。
第三步，将接种污泥和预处理后的畜禽粪便放入发酵装置中，并加入养殖废水、污泥上清液或自来水至反应器的有效容积处。其中，预处理后的畜禽粪便的进料负荷为10-20g·VS/L，优选为15g·VS/L；接种污泥的投加量按VS计(VS为挥发性有机固体)为预处理后的畜禽粪便的进料负荷的1-4倍，优选为1.5倍。
第四步，搅拌。其中，主要包括以下步骤：1)在发酵装置的预处理后畜禽粪便和接种污泥中加入养殖废水、污泥上清液或自来水至反应器有效容积后搅拌均匀；2)再每隔3小时搅拌1-5分钟，优选为3分钟。此外，本发明中可使用搅拌电机进行搅拌操作，搅拌电机的转速为50-100r/min，优选为70r/min。
第五步，定时测量发酵装置的日产气量和甲烷含量。
第六步，每经过24小时测定一次发酵装置中的日产气量和甲烷含量，当发酵装置中的甲烷含量稳定，日产气量的第二个高峰值出现，且日产气量曲线出现逐渐降低趋势时，在发酵装置中继续加入预处理后的畜禽粪便，并同时将发酵后的渣液排出。其中，预处理后的畜禽粪便的进料负荷为0.5-2g·VS/L·d，优选为1g·VS/L·d(启动完成后，畜禽粪便的正常运行的负荷优选为1-3.5g·VS/L·d)。此外，应注意的是，第一个产气高峰一般是在上料后的第1天出现，第二个产气高峰一般是在上料后的第10-15天出现。
第七步，当发酵装置的日产气量和甲烷含量稳定后，启动完成。
本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法有效的节约了厌氧发酵系统启动的时间，整个启动过程仅需25-30天，启动过程中无需外添加额外的营养元素和调控酸碱度的物质，节约运行成本，操作简便。
如图1和图2所示，本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置包括发酵罐体，发酵罐体包括内胆和外壁。其中，发酵罐体的顶部形成有沼气出口2，发酵罐体内产生的沼气通过沼气出口排出发酵罐体；发酵罐体的顶部还设置有测温口3，测温口3内设置有用于测量发酵罐体内部温度的测温装置。
此外，发酵罐体的内胆侧壁上形成有进料口4和出料口11，进料口4设置在发酵罐体的侧壁顶部上，出料口11设置在发酵罐体的侧壁底部上，物料通过顶部的进料口4进入发酵罐体内，通过底部的出料口11排出发酵罐体。此外，进料口和出料口分别设置在发酵罐体中内胆向外延伸出的通道上，进料口通道向上倾斜设置，出料口通道平行设置。其中，出料口11处设置有可控制出料口通道启闭的阀门10。
进一步，发酵罐体的内胆和外壁之间的保温夹层6上形成有循环热水进口9和循环热水出口6，热水循环组件13的两端分别与保温夹层的循环热水进口9和循环热水出口6相连通，热水在热水循环组件13和保温夹层6之间循环流动，以保证发酵环境温度维持在预定的温度。此外，进料口4的位置高于出料口11、循环热水进口9和循环热水出口6的位置，出料口11的位置低于循环热水进口9和循环热水出口6的位置。
进一步，内胆中的腔室为发酵腔室，发酵罐体上的进料口4、出料口11、沼气出口2与发酵腔室相连通，内胆中设置有用于搅拌接种污泥和预处理后的畜禽粪便的搅拌组件。其中，搅拌组件包括电机1、搅拌轴7和搅拌桨叶8，搅拌桨叶8设置在搅拌轴7的下端，搅拌轴7的上端与电机1的输出轴相连，电机1设置在发酵罐体的顶部。其中，如图2所示，内胆的内壁呈圆柱形，在内壁面上设置有至少三个竖直放置的挡板14，本发明中优选设置有三个挡板14，每隔120°角设置一个挡板14，挡板在内壁面上呈凸起状，当搅拌组件在搅拌时，内胆内外侧物料局部进行循环搅拌，加强了反应器的搅拌和匀料的功能。
进一步，内胆和外壁之间形成有保温夹层5，发酵罐体上的测温口3、循环热水进口9和循环热水出口6与保温夹层5相连通，保温夹层5通过循环热水进口9和循环热水出口6与热水循环组件相连通，外部热水可通过热水循环组件流入保温夹层5中，以调节发酵罐体中的发酵环境温度。
其中，本实施例中，热水循环组件13的一端与循环热水进口9通过连接管14相连通，另一端与循环热水出口6通过连接管14相连通，热水在热水循环组件13和保温夹层6之间循环流动，用于保证所述厌氧发酵罐体中发酵。此外，发酵罐体上的测温口3与保温夹层5相连通，通过测温口3可实时检测保温夹层5中的水温，以保证发酵环境温度维持在预定的温度。
本发明的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置可以实现发酵装置中的发酵温度恒定，热水循环使用，节能减排；而且带有搅拌组件，发酵装置中设有挡板，保证反应器中物料的均匀性。
实施例：
对畜禽粪便进行预处理。去除畜禽粪便中的固态砂砾，将除砂预处理后的畜禽粪便的含固率控制在5％左右。用坩埚称取一定质量的畜禽粪便，置于105±2℃的烘箱中24小时后测定粪便的TS，再将称重后的坩埚放入600±2℃的马弗炉中2.5小时后测定粪便的VS。以同样的方法测定接种污泥的VS值，用以确定计算上料时畜禽粪便和接种污泥的添加质量。
发酵罐体的有效容积为10L。首先，用胶管将发酵罐体上的循环热水进口、热水循环组件和循环热水出口顺序连接，水浴装置中加入自来水，温度设定为36±1℃，启动热水循环组件，保证循环热水在发酵罐体的保温夹层中流动。测温装置(通过发酵罐体上的测温口3检测)的温度显示满足36±1℃的条件12小时后，即可准备上料和发酵装置的启动。
根据计算结果，向反应器中加入计算的相应质量的除砂后畜禽粪便和接种污泥，加入污泥上清液或自来水至反应器的有效容积。打开搅拌组件，搅拌电机的转速设定为70r/min，充分搅拌至混合均匀，约3分钟后停止搅拌。然后，通过定时装置将搅拌时间控制在每3小时，搅拌3分钟。
上料后，每24小时，记录产气量测量装置的读数，即为当日产气量。同时，每天定时测定反应器中的气体组成成分及含量。当发酵罐中的甲烷含量稳定在50-55％左右，且日产气量的第二个高峰值出现后，并且日产气量曲线出现逐渐降低趋势的第3天，每天再以1g·VS/L·d负荷的畜禽粪便进行连续的进出料，待日产气量和气体组分中的甲烷含量都稳定后，即完成了畜禽粪便厌氧发酵产沼气的启动，整个启动过程仅需25天。
应注意的是，启动阶段，在1g·VS/L·d负荷条件下，日产气量可稳定在2.7-3L，甲烷含量稳定在50-55％之间，pH值维持在7.5-7.8。以本发明所提供的启动方法启动后发酵体系，畜禽粪便的正常运行的负荷可以维持在1-3.5g·VS/L·d。
由此，通过本发明所提供的厌氧启动方法进行发酵启动，可以发现驯化出的厌氧污泥沉降性能好，无需额外添加其他营养物质，节约启动成本，操作简便。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
对畜禽粪便进行除砂预处理，并将除砂后畜禽粪便的含固率控制在2-9％；
对发酵装置中的温度进行恒温控制；
将预处理后的畜禽粪便和接种污泥一起放入恒温的发酵装置中，畜禽粪便的进料负荷为10-20g·VS/L，接种污泥的投加量以VS计为畜禽粪便的进料负荷的1-4倍；
并在发酵装置中加入养殖废水、污泥上清液或自来水至反应器有效容积；
搅拌，并定时测量发酵装置的日产气量和甲烷含量；
当发酵装置中的甲烷含量稳定，日产气量的第二个高峰值出现，且日产气量曲线出现逐渐降低趋势时，在发酵装置中继续加入预处理后的畜禽粪便，并同时将发酵后的渣液排出；
当发酵装置的日产气量和甲烷含量稳定后，启动完成。
2.根据权利要求1所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，其特征在于，对畜禽粪便进行预处理的步骤中包括：对畜禽粪便进行水解除砂处理，以去除畜禽粪便中的固态砂砾。
3.根据权利要求1所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，其特征在于，对发酵装置中的温度进行调节的步骤中包括：利用循环热水对发酵装置中的温度进行控制，以使发酵环境温度维持在30-40℃。
4.根据权利要求1所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，其特征在于，将接种污泥和预处理后的畜禽粪便放入发酵装置中，并进行搅拌的步骤中包括：
在发酵装置的预处理后畜禽粪便和接种污泥中加入养殖废水、污泥上清液或自来水至有效容积后搅拌均匀；
再每隔3小时搅拌1-5分钟。
5.根据权利要求1所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动方法，其特征在于，当发酵装置中的甲烷含量稳定，日产气量的第二个高峰值出现，且日产气量曲线出现逐渐降低趋势时，在发酵装置中连续加入预处理后的畜禽粪便的步骤中：预处理后的畜禽粪便的进料负荷为0.5-2g·VS/L·d。
6.一种畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，包括发酵罐体，发酵罐体的侧壁上部形成有进料口(5)，侧壁下部形成有出料口(12)，顶部形成有沼气出口(3)，其特征在于，发酵罐体包括内胆和外壁，内胆的内壁面上设置有至少三个竖直放置的挡板(14)，内胆中设置有用于搅拌接种污泥和预处理后的畜禽粪便的搅拌组件，内胆和外壁之间形成有保温夹层(6)，保温夹层(6)与热水循环组件(13)相连通，外部热水可通过热水循环组件流入保温夹层(6)中，以调节发酵罐体中的发酵环境温度。
7.根据权利要求6所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，其特征在于，发酵罐体的内胆内壁面上设置有三个挡板(14)，每个挡板均匀间隔120°。
8.根据权利要求6所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，其特征在于，搅拌组件包括电机(1)、搅拌轴(7)和搅拌桨叶(8)，搅拌桨叶(8)设置在搅拌轴(7)的下端，搅拌轴(7)的上端与电机(1)的输出轴相连，电机(1)设置在发酵罐体的顶部。
9.根据权利要求6所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，其特征在于，发酵罐体的内胆和外壁之间的保温夹层(6)上形成有循环热水进口(9)和循环热水出口(6)，热水循环组件(13)的两端分别与保温夹层的循环热水进口(9)和循环热水出口(6)相连通，热水在热水循环组件(13)和保温夹层(6)之间循环流动，以保证发酵环境温度维持在预定的温度。
10.根据权利要求9所述的畜禽粪便厌氧发酵产沼气的快速启动装置，其特征在于，发酵罐体的顶部形成有沼气出口(2)和测温口(3)，内胆侧壁上形成有进料口(4)和出料口(11)，且进料口(4)的位置高于出料口(11)、循环热水进口(9)和循环热水出口(6)的位置，出料口(11)的位置低于循环热水进口(9)和循环热水出口(6)的位置。
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