CN107513540A - 一种集成式厌氧发酵工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种集成式厌氧发酵工艺及系统，该工艺通过直接对固料进行干式厌氧发酵，而无需粉碎和降解工序，从而减少了整个工艺流程，有利于降低系统能耗及运行成本；并且通过将湿式厌氧发酵体系中的部分发酵液喷淋至干式厌氧发酵体系的固相物料中，将干式厌氧发酵体系中的液相发酵物料送入湿式厌氧发酵体系中，不仅提高了干式发酵效率，保证其连续发酵，由此也增大了沼气产量，还可确保干式发酵与湿式发酵间的传质传热，强化整个工艺的干湿耦合程度；此外本发明的工艺还提高了沼气的产量和产率。本发明的系统是由全场自动控制系统控制，可实现自动化作业，有利于减少人力投入。

Description

一种集成式厌氧发酵工艺及系统
技术领域
本发明属于废弃物处理技术领域，具体涉及一种可处理多种废弃物的干湿耦合集成式厌氧发酵工艺及系统。
背景技术
目前，国内大型沼气工程普遍采用畜禽粪便为原料、通过湿式厌氧发酵生产沼气，但这种方法主要存在两个问题：一是原料单一，不适应原料的多样性和季节性，特别是高寒地区冬季原料收集困难，影响沼气产量，即使有采用畜禽粪便与秸秆的混合发酵原料，也存在秸秆浮渣现象，严重影响沼气池的正常产气；二是沼液沼渣粘性大，固液分离困难，分离成本高，分离不彻底，固液分离后沼液中的干物质含量高，给后续处理或利用造成困难，如果直接施用于农田固然是好的肥料，但农业生产按季节进行，而沼液每天都要产生，因此沼液很容易造成二次污染，上述问题已成为制约大型沼气工程普及和推广的技术瓶颈。
我国具有丰富的农业固体废弃物资源，传统的固体废弃物处理方式主要为焚烧，在收获农作物之后，固体废弃物经焚烧得到的无机物质草木灰可用于农业肥料，形成能量再利用的循环。但是此措施容易造成大气层的污染，危害人体的健康，破坏土壤的结构，甚至会引发起火灾。而通过沼气工程可以将这些资源变废为宝，在减少环境危害的同时，生产可再生能源沼气，发酵沼渣也可作为农用有机肥，从而实现无二次污染、资源循环再利用的生态农业产业模式，故而近年来以农作物秸秆作为发酵原料的干式厌氧发酵方法受到了越来越多的关注。然而，干式厌氧发酵方法启动慢、产气效率低的局限性限制了其大规模推广应用。
针对上述问题，现有技术提出了干法湿法联合发酵产沼气的技术设计，例如中国专利文献CN101973682A公开了一种干湿耦合厌氧发酵工艺，该工艺是将湿式两相厌氧发酵方法生产的沼渣沼液送入干式厌氧发酵方法的秸秆与木质纤维素降解菌系混合料中完成补水、补氮、接种作业，同时将湿式两相厌氧发酵方法生产的沼气送入干式厌氧发酵罐内对沼渣沼液起到固液分离作用，而后再将干式厌氧发酵方法产生的渗滤沼液一部分送回干式厌氧发酵罐内，另一部分经存储池送入湿式两相厌氧发酵方法的畜禽粪便与水的配料中。上述技术通过将秸秆送入干式发酵罐中而不进入湿发酵系统，因而对秸秆粉碎程度的要求不高，节约了粉碎能耗和生产成本，并且也消除了秸秆湿发酵结壳对系统运行的不利影响。但上述技术在对秸秆进行干发酵之前，仍需将秸秆粉碎至一定粒径并向其中加入木质纤维素降解菌系以使秸秆降解，这无疑增加了整个工艺流程，延长了工艺的处理周期。再者由于该技术是将干式厌氧发酵方法产生的渗滤沼液送回干式厌氧发酵罐内喷淋补氮，这样会导致干式发酵效率低，无法连续发酵，从而造成整个工艺的干湿耦合程度不甚理想。另外上述技术还将湿式厌氧发酵方法生产的沼气送入干式厌氧发酵罐内，这势必会损耗一部分沼气，导致最终收集的沼气量较少。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的干湿耦合厌氧发酵工艺所存在的发酵效率低、难以连续发酵、干湿发酵耦合程度差、沼气产量低且工艺流程复杂周期长的缺陷，进而提供一种发酵效率高、可连续发酵、干湿发酵耦合程度好、沼气产量高且工艺流程简单周期短的集成式厌氧发酵工艺及系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种集成式厌氧发酵工艺，包括如下步骤：
S1、以有机废弃物为原料，根据其含固率将所述原料分为固料和液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是直接对所述固料进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是对所述液料进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料送入所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送。
优选地，所述有机废弃物为农业废弃物、动物粪便、生活垃圾、木料、布料或纸制品中的一种或多种。
优选地，所述固料的含固率不小于12％；所述液料的含固率小于12％。
优选地，步骤S2中，所述液料经固液分离后所得的固体进入所述干式厌氧发酵体系中，所得的液体进行湿式厌氧发酵。
优选地，所述干式厌氧发酵体系和所述湿式厌氧发酵体系中的温度均为38～42℃。
优选地，步骤S3中，喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％。
优选地，所述发酵液经除固后喷淋，喷淋时所述发酵液的流量为 20～80mL/min。
优选地，步骤S3中，所述液相发酵物料经除固后全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中，所述液相发酵物料的流量为50～110mL/min。
一种集成式厌氧发酵系统，包括，
分拣装置，其设置有固料出口和液料出口；
与所述固料出口连接设置的干式厌氧发酵罐，其下部设置有渗滤液收集装置，所述干式厌氧发酵罐的上部设置有排气口和喷淋液入口；
与所述液料出口连接设置的湿式厌氧发酵罐，其下部设置有出液口，所述出液口直接与所述喷淋液入口连通设置；所述湿式厌氧发酵罐的上部设置有出气口和进液口，所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口连通设置；
储气装置，分别与所述排气口和所述出气口连通。
优选地，所述湿式厌氧发酵罐内设置有加热装置和搅拌装置。
优选地，所述干式厌氧发酵罐的罐体外设置有保温层。
优选地，所述渗滤液收集装置包括设置于所述干式厌氧发酵装置下部的孔板，所述孔板与所述干式厌氧发酵装置的底板之间形成集液室；
所述孔板的开孔率为5～30％，每个孔的最小尺寸不超过1cm。
优选地，所述湿式厌氧发酵罐为一体化发酵罐，所述干式厌氧发酵罐为车库式发酵罐。
进一步地，还包括设置于所述出液口与所述喷淋液入口之间的除固装置。
进一步地，还包括过滤装置，其设置在所述渗滤液收集装置的出液口与所述进液口之间。
进一步地，还包括固液分离装置，其进口连接所述液料出口，所述固液分离装置设置有排固口和排液口，所述排固口连接所述干式厌氧发酵罐，所述排液口连接所述湿式厌氧发酵罐。
进一步地，还包括控制单元，所述控制单元包括控制器和被所述控制器控制的第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀用于开启或截止所述出液口与所述喷淋液入口之间的连接，所述第二电磁阀用于开启或截止所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口之间的连接。
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下优点：
1、本发明提供的集成式厌氧发酵工艺，通过直接对含固率高(不小于 12％)的固料进行干式厌氧发酵，而无需粉碎和降解工序，从而减少了整个工艺流程，有利于降低系统能耗及运行成本。并且本发明的工艺通过将湿式厌氧发酵体系中的部分发酵液喷淋至干式厌氧发酵体系的固相物料中，并将干式厌氧发酵体系中的液相发酵物料送入湿式厌氧发酵体系中，一方面提高了干式发酵效率，保证其连续不间断发酵，由此也增大了沼气产量，另一方面可确保干式发酵体系与湿式发酵体系之间的传质传热，强化了整个工艺的干湿耦合程度。除此之外，本发明工艺所产的沼气直接收集而无需它用，从而也提高了沼气的产量和产率。
2、本发明提供的集成式厌氧发酵工艺，将传统的干式发酵和湿式发酵的优点集成，因而对原料具有更广泛的适应性，并且无需对原料进行复杂的预处理，有利于节约操作工序及设备投资。
3、本发明提供的集成式厌氧发酵工艺，通过控制喷淋至干式厌氧发酵体系中的发酵液的体积及流量，同时控制进入湿式厌氧发酵体系中的液相发酵物料的流量，以促进干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系的快速、彻底的发酵，从而提高沼气产量、缩短发酵周期。
4、本发明提供的集成式厌氧发酵系统，除具有上述工艺的所有优点之外，由于整个系统是由全场自动控制系统控制，因而提高了系统的控制效率，大幅减少了人力投入，实现了整个系统的自动化作业。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例5提供的集成式厌氧发酵系统的结构图；
其中，附图标记说明如下：
1-干式厌氧发酵罐；2-湿式厌氧发酵罐；3-加热装置；4-搅拌装置；5- 过滤装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供的集成式厌氧发酵工艺，包括如下步骤：
S1、采用厨余垃圾和农业废弃物为原料，根据原料中含固率的不同将所述原料分为含固率不小于12％的固料和含固率小于12％的液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是在38℃下直接对所述固料及所述液料经固液分离后所得的固体进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是在38℃下对所述液料经固液分离后所得的液体进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液经除固后喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中，并确保喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％，且喷淋时发酵液的流量为50mL/min；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料除固后以50mL/min的流量全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送，经测定，沼气产率为 1.7m3/m3(以容积产气率计)，沼气中的甲烷含量为62％。
实施例2
本实施例提供的集成式厌氧发酵工艺，包括如下步骤：
S1、采用动物粪便和农业废弃物为原料，根据原料中含固率的不同将所述原料分为含固率不小于12％的固料和含固率小于12％的液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是在40℃下直接对所述固料及所述液料经固液分离后所得的固体进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是在42℃下对所述液料经固液分离后所得的液体进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液经除固后喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中，并确保喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％，且喷淋时发酵液的流量为80mL/min；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料除固后以65mL/min的流量全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送，经测定，沼气产率为 1.73m3/m3(以容积产气率计)，沼气中的甲烷含量为62.7％。
实施例3
本实施例提供的集成式厌氧发酵工艺，包括如下步骤：
S1、采用生活垃圾、木料和农业废弃物为原料，根据原料中含固率的不同将所述原料分为含固率不小于12％的固料和含固率小于12％的液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是在42℃下直接对所述固料及所述液料经固液分离后所得的固体进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是在42℃下对所述液料经固液分离后所得的液体进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液经除固后喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中，并确保喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％，且喷淋时发酵液的流量为40mL/min；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料除固后以80mL/min的流量全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送，经测定，沼气产率为 1.82m3/m3(以容积产气率计)，沼气中的甲烷含量为63.1％。
实施例4
本实施例提供的集成式厌氧发酵工艺，包括如下步骤：
S1、采用厨余垃圾、纸制品、布料和农业废弃物为原料，根据原料中含固率的不同将所述原料分为含固率不小于12％的固料和含固率小于12％的液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是在38.8℃下直接对所述固料及所述液料经固液分离后所得的固体进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是在40℃下对所述液料经固液分离后所得的液体进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液经除固后喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中，并确保喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％，且喷淋时发酵液的流量为20mL/min；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料除固后以110mL/min的流量全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送，经测定，沼气产率为 1.77m3/m3(以容积产气率计)，沼气中的甲烷含量为62.8％。
实施例5
上述实施例1-4中的工艺都是基于本实施例提供的集成式厌氧发酵系统得以实现的，如图1所示，该系统包括：
分拣装置，其设置有固料出口和液料出口；
干式厌氧发酵罐1，与所述固料出口连接设置，所述干式厌氧发酵罐1 的下部设置有渗滤液收集装置，本实施例中的渗滤液收集装置包括设置于所述干式厌氧发酵装置1下部的孔板，所述孔板与所述干式厌氧发酵装置1 的底板之间形成集液室，所述孔板的开孔率为5～30％，每个孔的最小尺寸以不超过1cm为宜；所述干式厌氧发酵罐1的上部还设置有排气口和喷淋液入口；所述干式厌氧发酵罐1的罐体外部包覆有保温层以起到保温的作用；
湿式厌氧发酵罐2，与所述液料出口连接设置，所述湿式厌氧发酵罐2 的下部设置有出液口，所述出液口通过除固装置(图中未示出)与所述喷淋液入口连通设置；所述湿式厌氧发酵罐2的上部设置有出气口和进液口，所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口连通设置；所述湿式厌氧发酵罐2内设置有加热装置3和搅拌装置4，加热装置3可以是加热盘管，为整个系统供应热量；
过滤装置5，其设置在所述渗滤液收集装置的出液口与所述进液口之间，在本实施例中过滤装置5可以是过滤池，当然在其它实施例中还可以是具有固液分离功能的沉淀池等；
固液分离装置，其进口连接所述液料出口，所述固液分离装置设置有排固口和排液口，所述排固口连接所述干式厌氧发酵罐，所述排液口连接所述湿式厌氧发酵罐；
储气装置，分别与所述排气口和所述出气口连通；
控制单元，其包括控制器和被所述控制器控制的第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀用于开启或截止所述出液口与所述喷淋液入口之间的连通，所述第二电磁阀用于开启或截止所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口之间的连通，除此之外本系统的所有管路上均设置有电磁阀以实现整个系统的自动化作业。
在本实施例中，所述湿式厌氧发酵罐为现有技术中的一体化发酵罐，所述干式厌氧发酵罐具体为车库式发酵罐，当然其它现有的湿式厌氧发酵罐和干式厌氧发酵罐可以是用于本发明，落入本发明的保护范围内。
对比例1
本对比例采用与实施例1相同质量和组成的原料，按照中国专利文献CN101973682A的方法生产沼气，经测定，沼气产率为1.45m3/m3(以容积产气率计)，沼气中的甲烷含量为50.2％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (17)

1.一种集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以有机废弃物为原料，根据其含固率将所述原料分为固料和液料；
S2、分别建立干式厌氧发酵体系和湿式厌氧发酵体系，所述干式厌氧发酵体系是直接对所述固料进行干式厌氧发酵以形成气、固、液三相发酵物料；所述湿式厌氧发酵体系是对所述液料进行湿式厌氧发酵得到发酵气和发酵液；
S3、将所述湿式厌氧发酵体系中的部分所述发酵液喷淋至所述干式厌氧发酵体系的固相发酵物料中；将所述干式厌氧发酵体系中的所述液相发酵物料送入所述湿式厌氧发酵体系中；
S4、将所述干式厌氧发酵体系产生的所述气相发酵物料与所述湿式厌氧发酵体系产生的所述发酵气合并后作为沼气外送。
2.根据权利要求1所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，所述有机废弃物为农业废弃物、动物粪便、城市污泥、生活垃圾、木料、布料或纸制品中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，所述固料的含固率不小于12％；所述液料的含固率小于12％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤S2中，所述液料经固液分离后所得的固体进入所述干式厌氧发酵体系中，所得的液体进行湿式厌氧发酵。
5.根据权利要求1-4任一项所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，所述干式厌氧发酵体系和所述湿式厌氧发酵体系中的温度均为38～42℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤S3中，喷淋至所述干式厌氧发酵体系中的所述发酵液的体积不大于所述固相发酵物料体积的50％。
7.根据权利要求1-6任一项所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，所述发酵液经除固后喷淋，喷淋时所述发酵液的流量为20～80mL/min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的集成式厌氧发酵工艺，其特征在于，步骤S3中，所述液相发酵物料经除固后全部泵入至所述湿式厌氧发酵体系中，所述液相发酵物料的流量为50～110mL/min。
9.一种集成式厌氧发酵系统，其特征在于，包括，
分拣装置，其设置有固料出口和液料出口；
与所述固料出口连接设置的干式厌氧发酵罐，其下部设置有渗滤液收集装置，所述干式厌氧发酵罐的上部设置有排气口和喷淋液入口；
与所述液料出口连接设置的湿式厌氧发酵罐，其下部设置有出液口，所述出液口直接与所述喷淋液入口连通设置；所述湿式厌氧发酵罐的上部设置有出气口和进液口，所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口连通设置；
储气装置，分别与所述排气口和所述出气口连通。
10.根据权利要求9所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，所述湿式厌氧发酵罐内设置有加热装置和搅拌装置。
11.根据权利要求9或10所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，所述干式厌氧发酵罐的罐体外设置有保温层。
12.根据权利要求9-11任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，所述渗滤液收集装置包括设置于所述干式厌氧发酵装置下部的孔板，所述孔板与所述干式厌氧发酵装置的底板之间形成集液室；
所述孔板的开孔率为5～30％，每个孔的最小尺寸不超过1cm。
13.根据权利要求9-12任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，所述湿式厌氧发酵罐为一体化发酵罐，所述干式厌氧发酵罐为车库式发酵罐。
14.根据权利要求9-13任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，还包括设置于所述出液口与所述喷淋液入口之间的除固装置。
15.根据权利要求9-14任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，还包括过滤装置，其设置在所述渗滤液收集装置的出液口与所述进液口之间。
16.根据权利要求9-15任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，还包括固液分离装置，其进口连接所述液料出口，所述固液分离装置设置有排固口和排液口，所述排固口连接所述干式厌氧发酵罐，所述排液口连接所述湿式厌氧发酵罐。
17.根据权利要求9-16任一项所述的集成式厌氧发酵系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元包括控制器和被所述控制器控制的第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀用于开启或截止所述出液口与所述喷淋液入口之间的连通，所述第二电磁阀用于开启或截止所述进液口与所述渗滤液收集装置的出液口之间的连通。
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