CN108728348B - 一种高固态厌氧消化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高固态厌氧消化装置及方法。装置包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制系统；厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连；进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连；控制系统通过电路线控制整个厌氧消化系统的运行。在混料泵、进料泵和旋转分布器的作用下实现物料再分布和均匀混合，在不影响消化罐厌氧消化的情况下，可以实现物料连续进出料和分层采样。本发明实现高固体含量，低流动性的原料和接种料充分混合，消化罐各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放，推动反应平衡向提高产气方向进行。整个过程全程密封，减少了外界空气对消化罐内厌氧消化的干扰。

Description

一种高固态厌氧消化装置及方法

技术领域

本发明涉及利用污水处理厂剩余污泥、禽畜粪便、农作物秸秆、生活有机垃圾等废弃物生产沼气能源的厌氧消化装置及方法，特别涉及一种固态厌氧消化装置及方法，属于微生物厌氧消化技术领域。

背景技术

当前，传统的厌氧消化制沼气的方法采用湿式消化，需要消耗大量的清水来调配厌氧消化浓度；而厌氧消化结束后，沼渣、沼液的排放，尤其是沼液的排放量特别大，按照传统5％以下的含固率计算，沼液的排放量就达到厌氧消化底物的95％以上，这对沼液的消纳带来了极大的问题；尤其是规模化沼气工程，厂区周边很难有打量的土地来接纳大量的沼液，处理不好就会造成二次污染。近些年兴起的固态厌氧消化技术，厌氧消化底物干物质量在15％以上，与传统湿式消化相比，明显提高了单位容积产气量，并且产生的消化产物不需要脱水处理，节约水资源和能源，降低了后续处理费用，也保护了环境。但是，目前的固态厌氧消化由于固体浓度高，难以采用连续投料的方式进行，主要采用间歇批式进料的方式，如常用的车库式厌氧消化。车库式厌氧消化底物不流动，难以搅拌，或是搅拌能耗高，底物间异质性严重，影响了容积产气率；同时，车库式固态厌氧消化采样困难，其厌氧消化过程的研究均是采用破坏性试验，这就增加了试验的麻烦，也增加了试验的成本。

高立洪等人(公开号：CN202705360U2012年提出一种可移动连续推流式干发酵装置，通过螺旋推进器实现连续进出料，同时设计了喷淋管喷淋收集的渗滤液。曹杰等人(公开号：205635602U2016年提出一种车库式干发酵模拟装置，设计了喷淋系统，可以实现沼液的回流喷淋，防止局部酸中毒。但是，这些设计对发酵仓内的物料难以混合，发酵仓底部物料产沼气释放困难，也不适宜不同发酵仓部位连续采样。

发明内容

为了克服上述固态厌氧消化问题(厌氧消化底物干物质量在15％以上)，本发明提供一种低能耗、可连续进出料、易搅拌混匀的固态厌氧消化装置，该装置，进出料方便，采样简单，混料均匀，提高了传热传质效率和产气效率，提高了装置的灵活性和实用性。

本发明的另一个目的是提供一种固态厌氧消化方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高固态厌氧消化装置：包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制系统；厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连；进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连；控制系统通过电路线控制整个厌氧消化系统的运行。

所述厌氧消化区包括消化罐和排气系统，消化罐包括清洗系统、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层；所述的消化罐底部为锥形结构，外层设有保温材料，中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热，确保消化罐内的温度保持在设定温度；压力传感器为平面膜压力传感器；消化罐上部设置旋转分布器；视镜为雨刷带灯视镜。

所述进料混料区包括混料泵和进料泵，其中混料泵直接与所述的消化罐底部相连，所述的进料泵进料口上部布置进料斗，储存消化原料。

所述管道分布区包括进料管道、管道镜、回流管道、排料管道和旋转分布器，其中进料管道和回流管道通过三通连接，二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分；管道镜为带标记有机玻璃管道镜；所述的旋转分布器由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成；旋转分布器的分布管为开孔管，孔径根据具体原料性质设置为5～15mm，间隔5～10cm，旋转客体两侧的分布管开孔方向相反，通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动。

所述控制系统包括PLC控制系统和变频器，其中PLC控制系统为固态厌氧消化系统的主控制系统，通过设置固态厌氧消化系统工作方法的对应程序，实现系统工作的不同步骤，通过监测数据的反馈，及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯，实现进料泵和混料泵的调速控制。

利用本发明的装置进行固态厌氧消化方法，包括以下步骤：

1)通过原料泵将原料和菌剂输送入消化罐进行培养，并由混料泵进行1～2次混料循环，通过消化罐外壁保温加热层的加热装置将罐体加热到35～38℃，使消化菌稳定增殖，完成原料的接种步骤；

2)在原料泵装入原料，通过原料泵和混料泵的交替运行，交替间隔为5～10min，将原料和罐体中接种料由旋转分布器间隔撒入消化罐，形成原料和接种料在罐体高度方向上的分层布置；

3)单独开启混料泵，分层的物料在混料泵的螺旋推进器旋转搅动下，相邻物料层间的物料进行预混，再进入到混料泵的定转子区域，使预混和的物料在转子和定子的相对运行下，在狭窄空间内充分挤压搅动，均匀混合；

4)混合均匀的物料在消化罐中充分消化反应，每5～6h开启一次混料泵，物料由消化罐底部输送到消化罐顶部，在通过旋转分布器的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒，在下落过程中所产生的甲烷气体，在低阻力下充分释放；

5)物料消化完成后，开启混料泵和排料阀，关闭进料阀，将消化罐中3/4物料排出，进行后处理，剩余1/4物料与新的原料重复步骤1过程；

所述步骤4中，物料循环排气过程只需将消化罐下部2/3区域的物料进行循环，保证难排气区域物料的充分排气，上部1/3区域物料无需循环分布。

所述的清洗系统，采用360度旋转清洗球，定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。

所述混料泵，设有喂料螺旋，混料定子和转子，转子为不锈钢材质，定子为可压缩的丁烯橡胶材质，原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后，在转子60～100转/min的转动下，原料和接种料充分挤压搅动混合。

所述排气系统由电动球阀和排气口组成，其中排气口接入甲烷收集处理系统，PLC控制系统通过监测压力传感器的罐体气压值，控制电动球阀排气周期和排气量；所述安全阀，当消化罐内压力大于设定值时开启。

设备根据附图具体说明如下：

固态厌氧消化装置：固态厌氧消化总系统包括安全阀1、排气系统2、目镜3、消化罐4、人梯5、控制系统PLC6、变频器7、人孔8、清洗系统9、压力传感器10、进料管道11、管道镜12、混料泵13、进料斗14、进料泵15，其中安全阀1、排气系统2、目镜3、人孔8、清洗系统9和压力传感器10设在消化罐4顶部，人梯5、进料管道11和管道镜12设在消化罐4侧面，控制系统PLC6、变频器7、混料泵13、进料斗14和进料泵15设在消化罐4底部。

固态厌氧消化平面示意图包括电动球阀2-1、排气口2-2、清洗球9-1、进料管道11、旋转分布器16、下落物料17、混合物料层18、原物料层19、喂料螺旋13-1、混料定转子13-2、进料阀20、排料阀21、三通接头22、保温加热层23，其中消化罐4底部与混料泵13相连，消化罐4中的污泥通过喂料螺旋13-1和混料定转子13-2的推动作用经过进料管道11进入旋转分布器16中，实现污泥混合。

混料泵13和进料泵15通过三通接头22相连，三通接头33控制物料出料或物料进料方向。

通过管道镜12观察物料进料情况，通过目镜3观察消化罐4中物料情况。

清洗系统9在消化罐4中设有清洗球9-1，通过喷淋清洗消化罐4。

消化罐4顶部通过设置安全阀1和压力传感器10，来确保消化过程的安全。

旋转分布器16包括进料管道11、承重轴承16-1、密封轴承16-2、旋转壳体16-3和分布管16-4，通过旋转分布器的旋转将进料管道11中的污泥均匀分布到消化罐4中。

排气系统2由电动球阀2-1和排气口2-2组成，通过电动球阀2-1控制消化罐4内压力。

进料阀20和排料阀21控制物料进出料，通过混料泵13、进料阀20和排料阀21协同作用，实现物料分层采样。

温加热层23外层设置保温材料，中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热。

本发明所具有的优点：可实现高固体含量，低流动性的原料和接种料充分混合，消化罐各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放，推动反应平衡向提高产气方向进行。整个厌氧消化过程，混料、进料全程密封，减少了外界空气对消化罐内厌氧消化的干扰。提供了一种低能耗、可连续进出料、易搅拌混匀的固态厌氧消化装置，提高了传热传质效率和产气效率，同时本发明还提供了利用该装置进行固态厌氧消化的方法。

附图说明

图1.固态厌氧消化装置总图；

图2.固态厌氧消化装置剖面示意图；

图3.旋转分布器结构图；

1安全阀，2排气系统，3目镜，4消化罐，5人梯，6PLC控制系统，7变频器，8人孔，9清洗系统，10压力传感器，11进料管道，12管道镜，13混料泵，14进料斗，15进料泵，16旋转分布器，17下落物料，18混合物料层，19原物料层，20进料阀，21排料阀，22三通接头，23保温加热层；2-1电动球阀，2-2排气口，9-1清洗球，13-1喂料螺旋，13-2混料定转子，16-1承重轴承，16-2密封轴承，16-3旋转壳体，16-4分布管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不受实施例所限制。

厌氧消化区，其包括消化罐和排气系统，其中所述的消化罐包括清洗系统、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层；

进料混料区，其包括混料泵和进料泵，其中所述的混料泵直接与所述的消化罐底部相连，所述的进料泵进料口上部布置进料斗，储存消化原料；

管道分布区，其包括进料管道、回流管道、排料管道和旋转分布器，其中所述的进料管道和回流管道通过三通连接，二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分；所述的旋转分布器，由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成；

控制系统，其包括PLC控制系统和变频器，其中所述的PLC控制系统为固态厌氧消化系统的主控制系统，通过设置固态厌氧消化系统工作方法的对应程序，实现系统工作的不同步骤，通过监测数据的反馈，及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯，实现进料泵和混料泵的调速控制。

所述的消化罐底部为锥形结构，方便与混料泵的连接，保证具有非牛顿流体特性的高固态生物质有效吸入泵动力腔体。

所述保温加热层，外层设有保温材料，中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热，确保消化罐内的温度保持在设定温度。

优选的是，所述压力传感器为平面膜压力传感器，避免原料在传感器表面附着，并且平面膜片要伸出所述的消化罐内壁，方便所述的清洗系统有效清洗。

优选的是，所述的清洗系统，采用360度旋转清洗球，定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。

所述混料泵，设有喂料螺旋，混料定子和转子，转子为不锈钢材质，定子为可压缩的丁烯橡胶材质，原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后，在转子60～100转/min的转动下，原料和接种料充分挤压搅动，均匀混合。

所述的旋转分布器的分布管为开孔管，孔径根据具体原料性质设置为5～15mm，间隔5～10cm，旋转客体两侧的分布管开孔方向相反，通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动；

所述排气系统由电动球阀和排气口组成，其中排气口接入甲烷收集处理系统，PLC控制系统通过监测压力传感器的罐体气压值，控制电动球阀排气周期和排气量；所述安全阀，当消化罐内压力大于设定值时开启。

优选的是，所述的视镜为雨刷带灯视镜，所述的管道镜为带标记有机玻璃管道镜。

实施例1，如图1和图2所示，本发明的固态厌氧消化装置主要由厌氧消化区、进料混料区、管道分布区、控制系统组成，厌氧消化底物干物质量在15％以上。其中厌氧消化区由安全阀1、排气系统2、目镜3、消化罐4、人梯5、人孔8、清洗系统9、压力传感器10、保温加热层23等部件组成；进料混料区由混料泵13、进料斗14、进料泵15组成；管道分布区由进料管道11、管道镜12、旋转分布器16、进料阀20、排料阀21、三通接头22组成；控制系统由PLC控制系统6、变频器7组成。

所述厌氧消化区，消化罐4由支撑架支撑，外表面覆盖保温加热层23，以维持稳定的厌氧消化温度；所述安全阀1、排气系统2、目镜3、人孔8、清洗系统9和压力传感器10设在消化罐4顶部；排气系统2由电动球阀2-1和排气口2-2组成，电动球阀2-1通过PLC控制系统6输出压压力传感器10上的压力信号，自动控制排气口2-2排气周期和排气量；所述安全阀1，当消化罐4内压力大于设定值时开启，安全阀1和排气系统2的作用保证了消化罐内压力稳定。

所述人梯5、进料管道11和管道镜12设在消化罐4侧面；PLC控制系统6、变频器7、混料泵13、进料斗14和进料泵15设在消化罐4底部。所述PLC控制系统6和变频器7为固态厌氧消化系统的主控制系统，通过监测数据的反馈，及时调整控制参数，使固态厌氧消化系统处于设定状态。

所述旋转分布器16设在消化罐4内部，由进料管道11、承重轴承16-1、密封轴承16-2、旋转壳体16-3和分布管16-4组成，进料管道11中的物料可以通过旋转分布器16进行再分布和混匀，消化罐4各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放，从而提高沼气产量。

所述混料泵13设有喂料螺旋13-1和混料定转子13-2。进料管道11上从混料泵13出口开始依次设有三通接头22、进料阀20和管道镜12。所述混料泵13在消化罐4正下方，进料泵15在混料泵13外侧，进料泵15和混料泵13通过三通接头22与进料管道11连接。

操作方法如下：

1)在物料进料时(包括菌剂接种和原料的补充，首先关闭排料阀21，开启进料阀20，再启动进料泵15和旋转分布器16，实现连续进料；

2)进料完成后关闭进料泵15、进料阀20和旋转分布器16；在物料混料时(混料间隔为5-6h，首先关闭排料阀21，开启进料阀20，再启动混料泵13和旋转分布器16，消化罐4中污泥实现连续混料；

3)混料完成后关闭进料阀20、混料泵13和旋转分布器16；在物料出料时，首先关闭进料阀20，开启排料阀21，再启动混料泵13，实现污泥连续出料；出料完成后关闭排料阀21和混料泵13；

4)在物料采样时，首先开启进料阀20和排料阀21，再启动混料泵13和和旋转分布器16，通过交替开启和关闭进料阀20和排料阀21，实现分层采样，采样结束关闭进料阀20、排料阀21、混料泵13和和旋转分布器16。

在原料和菌剂接种时，首先开启进料泵15将原料和菌剂泵送到消化罐4中，再通过混料泵13经过1～2次混料使原料和菌剂充分混合。

在消化罐4进料过程中，通过进料泵15和混料泵13的交替运行，交替间隔为5～10min，可将原料和消化罐4中物料由旋转分布器间隔分散在消化罐4中，经过几个周期的交替运行，形成原料和消化罐4中物料在消化罐4竖直方向上的分层布置。

在正常消化过程中，为保证消化罐4中物料充分消化反应，每5～6h开启一次混料泵13，物料由消化罐4底部输送到消化罐顶部，通过旋转分布器16的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒，使物料间甲烷气体在下落过程中充分释放，解决了消化罐4底部物料产沼气释放困难的问题。

物料消化完成后，关闭进料阀20，开启混料泵13和排料阀21，将消化罐4中3/4物料排出，进行后处理，关闭混料泵13和排料阀21，完成一次消化周期；剩余1/4物料与新的原料再混合，开始下一次消化周期。

所述清洗系统9在消化罐4中设有清洗球9-1，在消化罐4出料完毕后，通过喷淋可以清洗消化罐4，对于不足以提供动力的，可以通过减速机驱动旋转分布器转动。

实施例2，厌氧消化工艺与实施例1相同，不同之处在于，本装置也可以用来开展常规湿式厌氧消化，厌氧消化材料不局限于污水处理厂剩余污泥、禽畜粪便、农作物秸秆、生活有机垃圾等固体废弃物。开展常规湿式厌氧消化，可以不开启旋转分布器16，而是在消化罐4进料过程中，开启进料泵15，等进料结束后，再开启混料泵13，经过5～10min的循环后，实现消化罐4内物料的均匀混合。消化罐4内物料产生的沼气直接从底部上升到液体表面释放，不需要通过旋转分布器16的再分布实现甲烷释放。

实施例3，厌氧消化工艺与实施例1相同，不同之处在于，每天定量排出消化罐4中物料1/30～1/60，同时进等量新原料，实现消化反应每天连续进出料，水力停留时间为30～60d，每天进料后，开启混料泵13混料1～2个循环，使新进原料与消化罐4中物料充分混合。

Claims (7)

1.一种高固态厌氧消化装置，其特征是，包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制系统；厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连；进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连；控制系统通过电路线控制整个厌氧消化系统的运行；厌氧消化区包括消化罐和排气系统，消化罐包括清洗系统、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层；所述的消化罐底部为锥形结构，外层设有保温材料，中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热，确保消化罐内的温度保持在设定温度；压力传感器为平面膜压力传感器；消化罐上部设置旋转分布器；视镜为雨刷带灯视镜；进料混料区包括混料泵和进料泵，其中混料泵直接与所述的消化罐底部相连，所述的进料泵进料口上部布置进料斗，储存消化原料；管道分布区包括进料管道、管道镜、回流管道、排料管道和旋转分布器，其中进料管道和回流管道通过三通连接，二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分；管道镜为带标记有机玻璃管道镜；所述的旋转分布器由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成；旋转分布器的分布管为开孔管，孔径根据具体原料性质设置为5～15mm，间隔5～10cm，旋转客体两侧的分布管开孔方向相反，通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是控制系统包括PLC控制系统和变频器，其中PLC控制系统为固态厌氧消化系统的主控制系统，通过设置固态厌氧消化系统工作方法的对应程序，实现系统工作的不同步骤，通过监测数据的反馈，及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯，实现进料泵和混料泵的调速控制。

3.利用权利要求2的装置进行固态厌氧消化方法，其特征在于，包括以下步骤：

1) 通过原料泵将原料和菌剂输送入消化罐进行培养，并由混料泵进行1～2次混料循环，通过消化罐外壁保温加热层的加热装置将罐体加热到35～38℃，使消化菌稳定增殖，完成原料的接种步骤；

2) 在原料泵装入原料，通过原料泵和混料泵的交替运行，交替间隔为5～10min，将原料和罐体中接种料由旋转分布器间隔撒入消化罐，形成原料和接种料在罐体高度方向上的分层布置；

3) 单独开启混料泵，分层的物料在混料泵的螺旋推进器旋转搅动下，相邻物料层间的物料进行预混，再进入到混料泵的定转子区域，使预混和的物料在转子和定子的相对运行下，在狭窄空间内充分挤压搅动，均匀混合；

4) 混合均匀的物料在消化罐中充分消化反应，每5～6h开启一次混料泵，物料由消化罐底部输送到消化罐顶部，在通过旋转分布器的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒，在下落过程中所产生的甲烷气体，在低阻力下充分释放；或是每天定量排出消化罐中物料1/30～1/60，同时进等量新原料，实现消化反应每天连续进出料，水力停留时间为30～60d，每天进料后，开启混料泵混料1～2个循环，使新进原料与消化罐中物料充分混合；

5) 物料消化完成后，开启混料泵和排料阀，关闭进料阀，将消化罐中3/4物料排出，进行后处理，剩余1/4物料与新的原料重复步骤1)过程。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是所述步骤4)中，物料循环排气过程只需将消化罐下部2/3区域的物料进行循环，保证难排气区域物料的充分排气，上部1/3区域物料无需循环分布。

5.如权利要求3所述的方法，其特征是所述的清洗系统，采用360度旋转清洗球，定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。

6.如权利要求3所述的方法，其特征是所述混料泵，设有喂料螺旋，混料定子和转子，转子为不锈钢材质，定子为可压缩的丁烯橡胶材质，原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后，在转子60～100转/min的转动下，原料和接种料充分挤压搅动混合。

7.如权利要求3所述的方法，其特征是所述排气系统由电动球阀和排气口组成，其中排气口接入甲烷收集处理系统，PLC控制系统通过监测压力传感器的罐体气压值，控制电动球阀排气周期和排气量；所述安全阀，当消化罐内压力大于设定值时开启。

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