CN107142200B - 干湿联合一体化厌氧发酵装置及厌氧发酵工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及厌氧发酵领域，具体涉及一种干湿联合一体化厌氧发酵装置及厌氧发酵工艺。一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，包括有顶盖的封闭的湿发酵池和位于其内部的若干个无顶盖的干发酵池；一种采用干湿联合一体化厌氧发酵装置的厌氧发酵工艺，流程包括：设备调试阶段：发酵原料填充阶段：装置整体循环工作；本发明的优点在于：干湿联合一体化厌氧反应器内部由干发酵池侧壁板分隔成干湿两种区域，有效降低本发明装置的制作成本；整体构成了一个良性循环，加速发酵原料的降解，很大程度上缩短了降解时长，大大提高了生产效率；降低了工艺的操作难度，适合在工业上推广使用。

Description

干湿联合一体化厌氧发酵装置及厌氧发酵工艺
技术领域
本发明涉及厌氧发酵领域，具体涉及一种干湿联合一体化厌氧发酵装置及厌氧发酵工艺。
背景技术
根据生物质在厌氧反应器中的浓度，厌氧发酵工艺可分为湿式和干式厌氧发酵工艺，其中，湿式厌氧发酵工艺和装置目前比较成熟，但该工艺在生产过程中产生大量的沼液，若处理不当极易造成二次污染，且在运行过程中能量消耗过大。另外，干式厌氧发酵工艺传质传热效果差，发酵温度难于检测和控制，普遍存在生物质原料利用不充分等问题。
上述问题已成为制约我国大型沼气工程推广和普及的瓶颈。
现有技术中，一种干湿耦合沼气发酵装置(CN 102827761 B)，公开了一种干湿耦合沼气发酵装置，湿发酵池位于干发酵池内；干发酵池上设有干发酵池气阀、干池进料口和排渣口，干发酵池底部设有通向干发酵池上部的回液管，回液管上设有渗出液回喷泵，回液管上设有喷头；干发酵池底部设有硬质透空衬板，硬质透空衬板将干发酵池分割为上部的上气室和下部的下气室，干发酵池内设有贯穿硬质透空衬板的干池循环管和湿地循环管，干池循环管上端位于上气室、下端位于下气室，湿地循环管上端位于湿发酵池内、下端位于下气室；湿发酵池上设有湿地进料口和搅拌轴装置。
该专利技术存在一个弊端，即湿发酵池位于干发酵池内，其底部受到来自湿发酵池原料的重力较大，材质成本较高，安装成本也较高；并且，该专利采用的是将湿发酵池内一定数量的发酵液通过侧壁排放到干发酵池内，由于干发酵池的液体流动性较差，则会造成一部分原料无法接触到湿发酵液，使发酵液得不到充分的利用。
现有技术中，一种干湿联合厌氧发酵工艺(CN 103667356 B)，公开了一种干湿联合厌氧发酵工艺，包括(1)将高浓度发酵原料经装载机送入柱塞泵，再送入干式发酵反应器；(2)将湿式发酵反应器中产生的低浓度发酵残余物，送入缓冲罐，再送入柱塞泵与高浓度发酵原料混合，送入干式发酵反应器。
该专利技术需要单独设置有缓冲罐，且干式发酵反应器与湿式发酵反应器为分离的两个装置，无法在一个装置内实现现有的工艺流程。
故现有技术中，还没有一种能够同时将干湿厌氧装置与工艺结合在一起的装置和工艺能够解决上述所有问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种结合了湿式厌氧发酵工艺的匀质效果好、干式厌氧发酵工艺的发酵残余物含水量低的优点于一体的干湿联合一体化厌氧发酵装置，以及采用该装置的厌氧发酵工艺。
一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，包括有顶盖的封闭的湿发酵池和位于其内部的若干个无顶盖的干发酵池；
湿发酵池的侧底部设置有加热盘管；湿发酵池底部一侧通过循环喷淋管路与湿发酵池顶部的渗沥液喷淋装置相连；循环喷淋管路上设置有循环喷淋泵，所述的循环喷淋泵为离心泵或螺杆泵；渗沥液喷淋装置末端设置有喷头，所述喷头设置在干发酵池上空；所述的喷头为防堵塞的螺旋式喷头；
每个干发酵池都与一组干式进料设备相对应，每组干式进料设备包括与电机相连的柱塞泵或螺杆泵以及原料的螺杆推进装置；每组干式进料设备通过L型输送管道，将发酵原料从干发酵池的侧底部输送到干发酵池的中心顶部，且向外散落；干发酵池侧壁板上设置有若干通孔，将干料发酵区与外部的湿料发酵区相连通；
干发酵池底部设置有发酵废料排出口，排出口与底部的出料螺旋机相连，所述的出料螺旋机末端设置有发酵残余物堆肥收集箱；
所述的湿发酵池上部侧壁设置有液位警报传感器，干发酵池上部侧壁设置有液位警报传感器。
优选方案如下：
干发酵池在湿发酵池的中心设置有1个，或沿湿发酵池圆周方向上均匀设置有2～5个，或在湿发酵池的中心设置有1个，沿湿发酵池圆周方向上均匀设置有2～5个。
渗沥孔的通孔两端为水平式结构或为两端高度不一致的倾斜式结构。
渗沥液喷淋装置与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置可在喷淋平面带喷头一起旋转。
干发酵池侧壁板为钢筋混凝土、碳钢或不锈钢钢板类的耐腐蚀材质。
湿发酵池顶壁或侧壁设置有观察窗。
湿发酵池的顶盖设置为利于液体下落的中心高外沿低的锥形结构。
一种采用干湿联合一体化厌氧发酵装置的厌氧发酵工艺，流程如下：
(一)设备调试阶段：
(1)发酵原料包括发酵干料、厌氧菌种以及沼液的混合物，将发酵原料投入干式进料设备后，再通过L型输送管道，从干发酵池的中心顶部向外散落至干发酵池内；经过12～15h，将发酵干料填充到干发酵池的容积的1/3处后停止进料；
(2)在干发酵池中的发酵原料有一部分渗沥液，可通过干发酵池侧壁通孔进入湿发酵池；
(3)湿发酵池的侧底部设置有加热盘管，加热盘管对渗沥液进行加热保温，经过加热的渗沥液通过循环喷淋泵进入渗沥液喷淋装置，通过末端喷头，喷洒在干发酵池的发酵原料上；
(4)在干发酵池中的发酵原料经过喷淋后层层积累发酵，在重力的作用下积压渗沥，发酵原料在降解的过程中产生的可溶性的小分子有机物进入渗沥液，渗沥液通过通孔进入湿发酵池；则循环上述步骤(3)；
(二)发酵原料填充阶段：
(5)每次投料时长为12～15h，每次投料完成后，干式进料设备停止运行；两次投料之间的时间间隔为12～15h，将干发酵池剩余容积量分为10～12次投料完成；
(三)装置整体循环工作；
(6)在最后一次投入发酵原料，达到干发酵池的容积顶部后，经过12～15h，发酵原料厌氧发酵后，此时再开启干发酵池底部的出料螺旋机，排出发酵废料，以保证干发酵池内的发酵原料稳定在高度范围预设值内；
(7)重复步骤(二)和(三)直至整体运行停止。
优选方案如下：
干料发酵池体系的含水率低于85％，湿发酵池体系含水率高于5％。
在设备调试阶段初期，可以通过外部循环喷淋泵，向渗沥液喷淋装置加入含有厌氧菌种的沼液，以供渗沥液喷淋装置喷洒运行。
其中，发酵完成后的的发酵废料经螺旋出料装置机排出，因为其含固量高于15％，可不经固液分离而直接用于制取有机肥。
其中，螺旋式喷头是一种实心锥形或空心锥形的喷雾喷头，喷流角度范围可为50°～170°。在3帕的压强下，液体流率范围为5.5～4140升/分。这种结构紧凑的喷头有着畅通的流道设计，可以最大程度地减少液体阻塞，使液体在给定尺寸的管道上达到最大流量。
螺旋式喷头的工作原理是：液体(或料浆)通过与连续变小的螺旋面相切和碰撞后，变成微小的液珠喷出而形成雾状。螺旋喷头腔体内从进口至出口的流线型设计使得阻力系数降至最低，其耐磨性、耐腐性、成雾性、防堵性较好，雾状的喷淋效果使发酵原料能够尽可能的接触喷出的渗沥液，从而加速厌氧过程。并且，渗沥液喷淋装置与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置可在喷淋平面带喷头一起旋转。使发酵原料能够得到更好的喷淋效果。
本发明的优点在于：
(1)干湿联合一体化厌氧反应器内部由干发酵池侧壁板分隔成干湿两种区域，干发酵池侧壁板的内外物料对其相互作用力基本可抵消，因此内壳的制作要求低，采用常规的钢筋混凝土、碳钢或不锈钢钢板类的耐腐蚀材质即可，能够有效降低本发明装置的制作成本；
(2)发酵原料在进入干料发酵池内时，携带有少量氧气，由于湿发酵池为封闭空间，则会造成一个适宜的兼性厌氧环境；新进的发酵原料会经过初步的水解酸化反应；该反应一方面有助于提高甲烷化反应的效果，另一方面也有利于提高燃气的甲烷含量；
(3)湿发酵池中的发酵液是干发酵池渗沥出来的，通过外部循环喷淋泵，向干发酵池喷淋渗沥出的发酵液，以便为干料发酵区的原料补水、补充厌氧菌种；同时，侧底部的加热盘管能够保持渗沥液处在一个适宜的发酵温度，整体构成了一个良性循环，加速发酵原料的降解，很大程度上缩短了降解时长，大大提高了生产效率；
(4)结合了湿式厌氧发酵工艺匀质效果好和干式厌氧发酵工艺发酵残余物含水率低的优势，提高了对发酵原料的适应性，降低了工艺的操作难度，适合在工业上推广使用。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构主视图；
图2是本发明实施例1的结构纵剖示意图；
图3是本发明实施例2的结构主视图；
图4是本发明实施例2的结构纵剖示意图；
图中：1.湿发酵池；2.干发酵池；3.干式进料设备；4.出料螺旋机；5.循环喷淋泵；6.渗沥液喷淋装置；7.L型输送管道；8.通孔；9.加热盘管；10.液位警报传感器；11.螺旋式喷头。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1：
一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，包括有顶盖的封闭的湿发酵池1和位于其内部的一个无顶盖的干发酵池2；
湿发酵池1的侧底部设置有加热盘管9；湿发酵池1底部一侧通过循环喷淋管路与湿发酵池1顶部的渗沥液喷淋装置6相连；循环喷淋管路上设置有循环喷淋泵5，所述的循环喷淋泵5为离心泵；渗沥液喷淋装置6末端设置有喷头，所述喷头设置在干发酵池2上空；所述的喷头为防堵塞的螺旋式喷头11；
干发酵池2与干式进料设备3相对应，干式进料设备3包括与电机相连的柱塞泵以及原料的螺杆推进装置；干式进料设备3通过L型输送管道7，将发酵原料从干发酵池2的侧底部输送到干发酵池2的中心顶部，且向外散落；干发酵池2侧壁板上设置有若干通孔8，将干料发酵区与外部的湿料发酵区相连通；
干发酵池2底部设置有发酵废料排出口，排出口与底部的出料螺旋机4相连，所述的出料螺旋机4末端设置有发酵残余物堆肥收集箱；
所述的湿发酵池1上部侧壁设置有液位警报传感器10，干发酵池2上部侧壁设置有液位警报传感器10。
渗沥孔的通孔8两端为水平式结构。
渗沥液喷淋装置6与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置6可在喷淋平面带喷头一起旋转。
干发酵池2侧壁板为钢筋混凝土材质。
湿发酵池1顶壁或侧壁设置有观察窗。
湿发酵池1的顶盖设置为利于液体下落的中心高外沿低的锥形结构。
实施例2：
一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，包括有顶盖的封闭的湿发酵池1和位于其内部的4个无顶盖的干发酵池2；
湿发酵池1的侧底部设置有加热盘管9；湿发酵池1底部一侧通过循环喷淋管路与湿发酵池1顶部的渗沥液喷淋装置6相连；循环喷淋管路上设置有循环喷淋泵5，所述的循环喷淋泵5为螺杆泵；渗沥液喷淋装置6末端设置有喷头，所述喷头设置在干发酵池2上空；所述的喷头为防堵塞的螺旋式喷头11；
每个干发酵池2都与一组干式进料设备3相对应，每组干式进料设备3包括与电机相连的螺杆泵以及原料的螺杆推进装置；每组干式进料设备3通过L型输送管道7，将发酵原料从干发酵池2的侧底部输送到干发酵池2的中心顶部，且向外散落；干发酵池2侧壁板上设置有若干通孔8，将干料发酵区与外部的湿料发酵区相连通；
干发酵池2底部设置有发酵废料排出口，排出口与底部的出料螺旋机4相连，所述的出料螺旋机4末端设置有发酵残余物堆肥收集箱；
所述的湿发酵池1上部侧壁设置有液位警报传感器10，干发酵池2上部侧壁设置有液位警报传感器10。
渗沥孔的通孔8为干发酵池2部高，湿发酵池1部低的倾斜式结构，有利于干发酵池2的渗沥液流入湿发酵池1内。
渗沥液喷淋装置6与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置6可在喷淋平面带喷头一起旋转。
干发酵池2侧壁板为不锈钢钢板类的耐腐蚀材质。
湿发酵池1顶壁或侧壁设置有观察窗。
湿发酵池1的顶盖设置为利于液体下落的中心高外沿低的锥形结构。
实施例3：
一种采用实施例1或实施例2中装置的厌氧发酵工艺，流程如下：
(一)设备调试阶段：
(1)发酵原料包括发酵干料、厌氧菌种以及沼液的混合物，将发酵原料投入干式进料设备3后，再通过L型输送管道7，从干发酵池2的中心顶部向外散落至干发酵池2内；经过12h，将发酵干料填充到干发酵池2的容积的1/3处后停止进料；
(2)在干发酵池2中的发酵原料有一部分渗沥液，可通过干发酵池2侧壁通孔8进入湿发酵池1；
(3)湿发酵池1的侧底部设置有加热盘管9，加热盘管9对渗沥液进行加热保温，经过加热的渗沥液通过循环喷淋泵5进入渗沥液喷淋装置6，通过末端喷头，喷洒在干发酵池2的发酵原料上；
(4)在干发酵池2中的发酵原料经过喷淋后层层积累发酵，在重力的作用下积压渗沥，发酵原料在降解的过程中产生的可溶性的小分子有机物进入渗沥液，渗沥液通过通孔8进入湿发酵池1；则循环上述步骤(3)；
(三)发酵原料填充阶段：
(5)每次投料时长为12h，每次投料完成后，干式进料设备3停止运行；两次投料之间的时间间隔为12h，将干发酵池2剩余容积量分为10次投料完成；
(四)装置整体循环工作；
(6)在最后一次投入发酵原料，达到干发酵池2的容积顶部后，经过12h，发酵原料厌氧发酵后，此时再开启干发酵池2底部的出料螺旋机4，排出发酵废料，以保证干发酵池2内的发酵原料稳定在高度范围预设值内；
(7)重复步骤(二)和(三)直至整体运行停止。
干料发酵池体系的含水率低于85％，湿发酵池1体系含水率高于5％。
在设备调试阶段初期，可以通过外部循环喷淋泵5，向渗沥液喷淋装置6加入含有厌氧菌种的沼液，以供渗沥液喷淋装置6喷洒运行。
其中，发酵完成后的的发酵废料经螺旋出料装置机排出，因为其含固量高于15％，可不经固液分离而直接用于制取有机肥。
其中，螺旋式喷头11是一种实心锥形或空心锥形的喷雾喷头，喷流角度范围可为50°～170°。在3帕的压强下，液体流率范围为5.5～4140升/分。这种结构紧凑的喷头有着畅通的流道设计，可以最大程度地减少液体阻塞，使液体在给定尺寸的管道上达到最大流量。
螺旋式喷头11的工作原理是：液体(或料浆)通过与连续变小的螺旋面相切和碰撞后，变成微小的液珠喷出而形成雾状。螺旋喷头腔体内从进口至出口的流线型设计使得阻力系数降至最低，其耐磨性、耐腐性、成雾性、防堵性较好，雾状的喷淋效果使发酵原料能够尽可能的接触喷出的渗沥液，从而加速厌氧过程。并且，渗沥液喷淋装置6与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置6可在喷淋平面带喷头一起旋转，使发酵原料能够得到更好的喷淋效果。
本发明的优点在于：
(1)干湿联合一体化厌氧反应器内部由干发酵池2侧壁板分隔成干湿两种区域，干发酵池2侧壁板的内外物料对其相互作用力基本可抵消，因此内壳的制作要求低，采用常规的钢筋混凝土、碳钢或不锈钢钢板类的耐腐蚀材质即可，能够有效降低本发明装置的制作成本；
(2)发酵原料在进入干料发酵池内时，携带有少量氧气，由于湿发酵池1为封闭空间，则会造成一个适宜的兼性厌氧环境；新进的发酵原料会经过初步的水解酸化反应；该反应一方面有助于提高甲烷化反应的效果，另一方面也有利于提高燃气的甲烷含量；
(3)湿发酵池1中的发酵液是干发酵池2渗沥出来的，通过外部循环喷淋泵5，向干发酵池2喷淋渗沥出的发酵液，以便为干料发酵区的原料补水、补充厌氧菌种；同时，侧底部的加热盘管9能够保持渗沥液处在一个适宜的发酵温度，整体构成了一个良性循环，加速发酵原料的降解，很大程度上缩短了降解时长，大大提高了生产效率；
(4)结合了湿式厌氧发酵工艺匀质效果好和干式厌氧发酵工艺发酵残余物含水率低的优势，提高了对发酵原料的适应性，降低了工艺的操作难度，适合在工业上推广使用。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，其特征在于：包括有顶盖的封闭的湿发酵池和位于其内部的若干个无顶盖的干发酵池，所述的干发酵池侧壁板为钢筋混凝土、碳钢或不锈钢钢板类的耐腐蚀材质；
湿发酵池的侧底部设置有加热盘管；湿发酵池底部一侧通过循环喷淋管路与湿发酵池顶部的渗沥液喷淋装置相连；循环喷淋管路上设置有循环喷淋泵，所述的循环喷淋泵为离心泵或螺杆泵；渗沥液喷淋装置末端设置有喷头，所述喷头设置在干发酵池上空；所述的喷头为防堵塞的螺旋式喷头；
每个干发酵池都与一组干式进料设备相对应，每组干式进料设备包括与电机相连的柱塞泵或螺杆泵以及原料的螺杆推进装置；每组干式进料设备通过L型输送管道，将发酵原料从干发酵池的侧底部输送到干发酵池的中心顶部，且向外散落；干发酵池侧壁板上设置有若干通孔，将干料发酵区与外部的湿料发酵区相连通，所述的通孔两端为水平式结构或为两端高度不一致的倾斜式结构；
干发酵池底部设置有发酵废料排出口，排出口与底部的出料螺旋机相连，所述的出料螺旋机末端设置有发酵残余物堆肥收集箱；
所述的湿发酵池上部侧壁设置有液位警报传感器，干发酵池上部侧壁设置有液位警报传感器。
2.根据权利要求1所述的一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述的干发酵池在湿发酵池的中心设置有1个，或沿湿发酵池圆周方向上均匀设置有2～5个，或在湿发酵池的中心设置有1个，沿湿发酵池圆周方向上均匀设置有2～5个。
3.根据权利要求1所述的一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述的渗沥液喷淋装置与循环喷淋管路之间设置有旋转螺纹，渗沥液喷淋装置可在喷淋平面带喷头一起旋转。
4.根据权利要求1所述的一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述的湿发酵池顶壁或侧壁设置有观察窗。
5.根据权利要求1所述的一种干湿联合一体化厌氧发酵装置，其特征在于：所述湿发酵池的顶盖设置为利于液体下落的中心高外沿低的锥形结构。
6.一种采用权利要求1所述的干湿联合一体化厌氧发酵装置的厌氧发酵工艺，其特征在于流程如下：
(一)设备调试阶段：
(1)发酵原料包括发酵干料、厌氧菌种以及沼液的混合物，将发酵原料投入干式进料设备后，再通过L型输送管道，从干发酵池的中心顶部向外散落至干发酵池内；经过12～15h，将发酵干料填充到干发酵池的容积的1/3处后停止进料；
(2)在干发酵池中的发酵原料有一部分渗沥液，可通过干发酵池侧壁通孔进入湿发酵池；
(3)湿发酵池的侧底部设置有加热盘管，加热盘管对渗沥液进行加热保温，经过加热的渗沥液通过循环喷淋泵进入渗沥液喷淋装置，通过末端喷头，喷洒在干发酵池的发酵原料上；
(4)在干发酵池中的发酵原料经过喷淋后层层积累发酵，在重力的作用下积压渗沥，发酵原料在降解的过程中产生的可溶性的小分子有机物进入渗沥液，渗沥液通过通孔进入湿发酵池；则循环上述步骤(3)；
(二)发酵原料填充阶段：
(5)每次投料时长为12～15h，每次投料完成后，干式进料设备停止运行；两次投料之间的时间间隔为12～15h，将干发酵池剩余容积量分为10～12次投料完成；
(三)装置整体循环工作；
(6)在最后一次投入发酵原料，达到干发酵池的容积顶部后，经过12～15h，发酵原料厌氧发酵后，此时再开启干发酵池底部的出料螺旋机，排出发酵废料，以保证干发酵池内的发酵原料稳定在高度范围预设值内；
(7)重复步骤(二)和(三)直至整体运行停止。
7.根据权利要求6所述的采用干湿联合一体化厌氧发酵装置的厌氧发酵工艺，其特征在于：干料发酵池体系的含水率低于85％，湿发酵池体系含水率高于5％。
8.根据权利要求6所述的采用干湿联合一体化厌氧发酵装置的厌氧发酵工艺，其特征在于：在设备调试阶段初期，通过外部循环喷淋泵，向渗沥液喷淋装置加入含有厌氧菌种的沼液，以供渗沥液喷淋装置喷洒运行。
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