CN107881100A - 仿生干式厌氧发酵系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种仿生干式厌氧发酵系统和方法，该系统包括发酵容器和搅拌装置，发酵容器具有牛网胃的仿生结构，包含由柔性材料制成的外壁和具有仿网胃的凸起结构的内壁；搅拌装置包括设置于发酵容器外侧的挤压装置，挤压装置包括升降棒，升降棒通过伸缩动作挤压发酵容器以起搅拌的作用。进一步提供使用该系统进行发酵的方法，可提高高固含率有机物干式厌氧发酵过程的传质水平。

Description

仿生干式厌氧发酵系统和方法
技术领域
本发明涉及有机固废的能源化与资源化技术领域，尤其涉及一种仿生干式厌氧发酵系统和方法。
背景技术
厌氧发酵技术可将有机物转化为可利用的沼气，分为湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵。目前工程应用的主要为湿法厌氧发酵，物料含水率在10％以下，处理秸秆、生活垃圾、厨余垃圾等固体废物时，需添加水份调高物料含水率，存在发酵后产物浓度低、脱水处理相对困难、易造成二次污染等问题。干式厌氧发酵是指总固体含量在20-40％情况下的厌氧发酵工艺，一般有机固体废物无需添加水份可直接发酵，对于含固率20％以上的有机固废，节约相当于物料8-12倍的水份，所占发酵容器容积降低到湿式发酵的1/4以下，发酵过程增温、保温需热量减少75％以上，且沼液产生量少、无二次污染，为固体废物处理处置的有效技术。
然而，由于干式厌氧发酵存在水份有限、传质困难、有机物水解率低、单位容积有机酸浓度高等问题，导致干式厌氧发酵的效率明显低于湿式厌氧发酵，因此工程化应用较少。而传统的搅拌、发酵参数的调节，无法从根本上解决干式厌氧发酵所面临的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种仿生干式厌氧发酵系统和方法，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现以上目的，本发明提供如下技术方案：
作为本发明的一方面，提供了一种仿生干式厌氧发酵系统，包括发酵容器和搅拌装置，所述发酵容器具有牛网胃的仿生结构，包含由柔性材料制成的外壁和具有仿网胃的凸起结构的内壁；所述搅拌装置包括设置于所述发酵容器外侧的挤压装置，所述挤压装置包括升降棒，所述升降棒通过伸缩动作挤压发酵容器以起搅拌的作用。
优选地，所述升降棒有多个，每个所述升降棒的横截面积为3-80cm2，每个所述升降棒的升降高度为10-100cm，相邻升降棒间的距离为5-30cm，所述升降棒优选以阵列形式分布。
优选地，当发酵容器的容积为0.1-300m3时，升降棒的横截面积为3-20cm2，升降高度为10-30cm，相邻距离为3-10cm；当发酵容器的容积为300-3000m3时，升降棒的横截面积为20-80cm2，升降高度为30-100cm，相邻距离为10-30cm。
优选地，所述挤压装置还包括底板，所述升降棒分布于所述底板上，进一步地，所述底板为长方体，且所述底板的长和宽分别为发酵容器与底板平行的中部截面上的长和宽的1.2-1.8倍，优选1.2-1.5倍。
优选地，所述挤压装置对称设置于所述发酵容器外侧，当发酵容器的容积为0.1-300m3时，所述阵列挤压装置对称设置于所述发酵容器的上下两侧；当发酵容器的容积为300-3000m3时，所述阵列挤压装置对称设置于所述发酵容器的水平两侧。
优选地，所述发酵系统还包括蠕动控制系统，所述挤压装置与蠕动控制系统连接，由所述蠕动控制系统控制升降棒的伸缩方式。
优选地，所述蠕动控制系统包括数据分析控制平台、数据传输系统和软件系统，所述数据分析控制平台根据所述软件系统设定的升降棒伸缩方式，通过数据传输系统将指令传递至相应升降棒。
优选地，所述发酵容器内壁的凸起结构形成由内凹六边形组成的蜂巢式结构，所述六边形边长为0.5-1.2cm，优选0.8-1.0cm，凸起的高度为0.1-0.3cm，优选0.2cm。
优选地，所述发酵系统还包括粉碎装置、输料管、沼气管道、沼气净化系统、沼气储罐、沼渣干燥系统和沼渣制有机肥系统；
物料经所述粉碎装置粉碎后经所述输料管输送至所述发酵容器中，所述粉碎装置适宜的物料含水率为50％-90％，优选70％-80％，粉碎后的物料颗粒粒径小于0.3-5cm，优选0.8-2cm，输料管管径为10-30cm，优选15-20cm；
所述发酵容器内产生的沼气通过所述沼气管道输送至所述沼气净化系统，净化后的沼气储存于所述沼气储罐内；
所述发酵容器内产生的沼渣通过所述输料管输送至所述沼渣干燥系统进行干燥，干燥后的沼渣通过所述沼渣制有机肥系统制成有机肥产品。
作为本发明的另一方面，提供了一种使用如上所述的发酵系统进行干式厌氧发酵的方法，包括以下步骤：
(1)物料经所述粉碎装置粉碎后输送至所述发酵容器；
(2)所述发酵容器仿网胃结构和所述搅拌装置相配合对发酵容器内物料进行搅拌发酵；
(3)所述发酵容器内产生的沼气经净化后储存，所述发酵容器内产生的沼渣经干燥后制成有机肥产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于利用仿生学原理，将干式厌氧发酵的全过程归类于不同生物消化系统，构建智能的仿生生物发酵反应系统，并通过人工智能控制，实现对高固含率厌氧发酵全过程物质与能量代谢途径、关键节点、主要因素的优化调控，提高干式厌氧发酵的效率，强化有机物中碳素高效产甲烷。
该系统所设计的仿生发酵容器外形为牛网胃的仿生结构，发酵容器外壁为软体结构，内壁布有仿网胃的蜂巢式凸起结构，仿生发酵容器放置于挤压装置上，通过升降棒的伸缩运动，模拟胃蠕动，达到对反应器内物料进行搅拌的作用，提高高固含率有机物干式厌氧发酵过程的传质水平。
附图说明
图1为本发明一实施例的仿生干式厌氧发酵系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例的仿生发酵容器内壁蜂巢结构示意图；
图3为本发明一实施例的蠕动搅拌装置示意图。
其中，1-粉碎装置；2-输料管；3-仿生发酵容器；4-蠕动搅拌装置；5-蠕动控制系统；6-沼气管道；7-沼气净化系统；8-沼气储罐；9-沼渣干燥系统；10-沼渣制有机肥系统；11-底板；12-升降棒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为一种仿生干式厌氧发酵系统的结构示意图，包括以下结构：粉碎装置1、输料管2、仿生发酵容器3、蠕动搅拌装置4、蠕动控制系统5、沼气管道6、沼气净化系统7、沼气储罐8、沼渣干燥系统9和沼渣制有机肥系统10。
物料经粉碎装置1粉碎后通过输料管2输送至仿生发酵容器3中进行发酵，产生的沼气通过沼气管道6输送至沼气净化系统7进行净化，净化后的沼气储存于沼气储罐8内；仿生发酵容器3内产生的沼渣通过输料管2输送至沼渣干燥系统9进行干燥，干燥后的沼渣通过沼渣制有机肥系统10制成有机肥产品。
其中，适宜进入粉碎装置1的物料含水率为50％-90％，优选70％-80％，粉碎后的物料颗粒粒径小于0.3-5cm，优选0.8-2cm，所述输料管2的管径为10-30cm，优选15-20cm。
仿生发酵容器3外形为牛网胃的仿生结构，仿生发酵容器3外壁为由柔性材料制成，优选聚氨酯、聚酰亚胺类材料，内壁布有仿网胃的蜂巢式凸起结构，容积为0.1-3000m3，优选30-300m3；；仿生发酵容器3内壁的峰巢式凸起形成由凹陷的六面体组成的蜂巢式结构，截面六边形的边长为0.5-1.2cm，优选0.8-1.0cm，凸起的高度为0.1-0.3cm，优选0.2cm，其结构可参见图2所示。
仿生发酵容器3放置于蠕动搅拌装置4中间，蠕动搅拌装置4优选由两个对称阵列式挤压装置构成，如图3所示，阵列式挤压装置由底板11和多个分布于底板上的升降棒12组成，升降棒12作伸缩运动进而模拟胃蠕动，达到对仿生发酵容器3内物料进行搅拌的作用。当然，单个的阵列式挤压装置或多个阵列式挤压装置分布于仿生发酵容器3的侧部也同样可以对仿生发酵容器3起到搅拌的作用，只是相对于对称分布式来说，效果较差或者成本更高。
仿生发酵容器3可以如图1所示中横向设置，两个阵列式挤压装置分别位于仿生发酵容器3的两侧或上下，其中当仿生发酵容器3的容积为0.1-300m3时优选两个阵列式挤压装置分别位于上下侧，当仿生发酵容器3的容积为300-3000m3时优选两个阵列式挤压装置分别4位于水平两侧，以起到较好的搅拌作用。当然可以竖向或斜向设置仿生发酵容器3，可根据发酵容器的大小以及进出料方便的考虑具体选择设置。
阵列式挤压装置的底板11为长方体，长宽为仿生发酵容器3截面长和宽的1.2-1.8倍，优选1.2-1.5倍；升降棒12安置于底板11上，横截面为长方形、椭圆形、圆形及其它多边形，优选为圆形；升降棒12的横截面积为3-80cm2，升降棒12的升降高度为10-100cm，相邻升降棒间的距离为5-30cm；作为一较优实施例，当仿生发酵容器3的容积为0.1-300m3时，升降棒12的横截面积为3-20cm2，升降高度为10-30cm，相邻距离为3-10cm；当仿生发酵容器3的容积为300-3000m3时，升降棒12的横截面积为20-80cm2，升降高度为30-100cm，相邻距离为10-30cm，以起到更好的搅拌效果。当然如果升降棒只有一个也能起到搅拌作用，只是搅拌效果劣于多个升降棒进行组合。
蠕动搅拌装置4与蠕动控制系统5相连接，由蠕动控制系统5控制升降棒12的伸缩方式，如升降棒的组合方式、升降高度、升降频率等，通过升降棒的上下运动，模拟胃蠕动，达到对仿生发酵容器3内物料进行搅拌的作用；蠕动控制系统5由数据分析控制平台、数据传输系统和软件系统组成，运行过程中，数据分析控制平台根据软件系统设定的升降棒12组合方式、升降高度、升降频率，通过数据传输系统将指令传递到相应的升降棒12，实现人工智能控制。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿生干式厌氧发酵系统，包括发酵容器和搅拌装置，其特征在于，所述发酵容器具有牛网胃的仿生结构，包含由柔性材料制成的外壁和具有仿网胃的凸起结构的内壁；所述搅拌装置包括设置于所述发酵容器外侧的挤压装置，所述挤压装置包括升降棒，所述升降棒通过伸缩动作挤压发酵容器以起搅拌的作用。
2.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述升降棒有多个，每个所述升降棒的横截面积为3-80cm2，每个所述升降棒的升降高度为10-100cm，相邻升降棒间的距离为5-30cm，所述升降棒优选以阵列形式分布。
3.根据权利要求2所述的发酵系统，其特征在于，当发酵容器的容积为0.1-300m3时，升降棒的横截面积为3-20cm2，升降高度为10-30cm，相邻距离为3-10cm；当发酵容器的容积为300-3000m3时，升降棒的横截面积为20-80cm2，升降高度为30-100cm，相邻距离为10-30cm。
4.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述挤压装置还包括底板，所述升降棒分布于所述底板上，优选地，所述底板为长方体，且所述底板长和宽分别为发酵容器与底板平行的中部截面上的长和宽的1.2-1.8倍，优选1.2-1.5倍。
5.根据权利要求1中所述的发酵系统，其特征在于，所述挤压装置对称设置于所述发酵容器外侧，当发酵容器的容积为0.1-300m3时，所述挤压装置对称设置于所述发酵容器的上下两侧；当发酵容器的容积为300-3000m3时，所述挤压装置对称设置于所述发酵容器的水平两侧。
6.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述发酵系统还包括蠕动控制系统，所述挤压装置与蠕动控制系统连接，由所述蠕动控制系统控制升降棒的伸缩方式。
7.根据权利要求6所述的发酵系统，其特征在于，所述蠕动控制系统包括数据分析控制平台、数据传输系统和软件系统，所述数据分析控制平台根据所述软件系统设定的升降棒伸缩方式，通过数据传输系统将指令传递至相应升降棒。
8.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述发酵容器内壁的凸起结构形成由内凹六边形组成的蜂巢式结构，所述六边形边长为0.5-1.2cm，优选0.8-1.0cm，凸起的高度为0.1-0.3cm，优选0.2cm。
9.根据权利要求1所述的发酵系统，其特征在于，所述发酵系统还包括粉碎装置、输料管、沼气管道、沼气净化系统、沼气储罐、沼渣干燥系统和沼渣制有机肥系统；
物料经所述粉碎装置粉碎后经所述输料管输送至所述发酵容器中，所述粉碎装置适宜的物料含水率为50％-90％，优选70％-80％，粉碎后的物料颗粒粒径小于0.3-5cm，优选0.8-2cm，输料管管径为10-30cm，优选15-20cm；
所述发酵容器内产生的沼气通过所述沼气管道输送至所述沼气净化系统，净化后的沼气储存于所述沼气储罐内；
所述发酵容器内产生的沼渣通过所述输料管输送至所述沼渣干燥系统进行干燥，干燥后的沼渣通过所述沼渣制有机肥系统制成有机肥产品。
10.一种使用如权利要求1-9中任一项所述的发酵系统进行干式厌氧发酵的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)物料经所述粉碎装置粉碎后输送至所述发酵容器；
(2)所述发酵容器仿网胃结构和所述搅拌装置相配合对发酵容器内物料进行搅拌发酵；
(3)所述发酵容器内产生的沼气经净化后储存，所述发酵容器内产生的沼渣经干燥后制成有机肥产品。
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