CN108913541A - 高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法 - Google Patents

高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法，干式沼气发酵装置包括卧式发酵罐体，卧式发酵罐体内设置有进料通道、发酵室和出料通道，进料通道和出料通道的底部分别与发酵室连通，在发酵室顶部沿发酵室长度方向固定设置有多个放置添加剂的装放机构，发酵室顶部连通有沼气管。采用本发明后，固态、半固态有机废弃物直接沼气发酵，不需要加水稀释，也不需要预处理除砂；耐受高浓度氨氮，且高氨氮下产气效率高；加温需要的热量少；恶臭排放少。

Description

高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法
技术领域
本发明涉及一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法，属于环境工程的固体废弃物处理以及沼气工程领域，主要用于规模化畜禽场固态、半固态粪便、餐厨垃圾等的处理与利用。
背景技术
对于固态、半固态畜禽粪便、餐厨垃圾等高氨氮有机废弃物的处理利用，现有技术中主要有以下几种方法：
一是制作动物饲料。畜禽粪便特别是鸡粪、以及餐厨垃圾中含有大量蛋白、脂肪和一定数量的碳水化合物，经过加工处理可成为较好的饲料资源。目前主要是鸡粪、餐厨垃圾精加工后饲喂猪、牛和羊等，加工方法主要采用高温干燥法、化学处理法、和分离法等。干燥法加工处理是利用燃料、太阳能、风能等，将鸡粪、餐厨垃圾等有机废弃物的含水量降低，抑制有机废弃物内微生物代谢，使其营养物质得以保存的方法。但干燥过程对有机废弃物中营养物质的损耗严重，并且未能实现完全的无害化，此外干燥后的产品遇水会出现二次发酵现象，影响其后续利用。畜禽生产过程中大量使用的各种添加剂，大部分残留在粪便中，粪便再作为饲料使用时，可能会出现超标甚至中毒；餐厨垃圾作饲料也存在疫病传播风险。发达国家已禁止使用畜禽粪便、餐厨垃圾作饲料。
二是堆肥生产有机肥。添加养分及水分调理剂、调节畜禽粪便、餐厨垃圾适当的碳氮比，控制适当的水分、温度、氧气、酸碱度，通过微生物降解畜禽粪便、餐厨垃圾中的有机质，从而产生高温杀死其中的病原菌，使有机物腐殖质化。同时，堆肥化处理过程中微生物分解有机质产生的能量，增加粪便、餐厨垃圾中水分的散发，起到降低固态、半固态有机废弃物水分的作用。堆肥法处理过程中氮素损失较大，粪便槽式发酵氮素损失可高达35%~51%，通风的能耗比较大，并且有恶臭气体排放影响周边环境。
三是生产沼气。是在厌氧微生物的作用下，有机物转化为价值很高的沼气和二氧化碳，是一种比较理想的处理粪便、餐厨垃圾和资源回收利用的技术。目前主要采用湿发酵技术，就是将粪便、餐厨垃圾与污水混合，调配成总固体浓度（TS）12％以下的料液，再进入沼气发酵装置，具有启动快，进出料方便，运行管理成熟等优点。该技术的主要问题：一是需要加水稀释，浪费水资源；二是进料干物质（TS）含量低，料液量大，升温困难，因此而处理效率低；三是发酵装置容积大，建设成本高；四是沼液沼渣数量大，养分含量低，输送成本高,完全利用困难。另外，对于含砂多的粪便，如鸡粪、牛粪，预处理除砂困难，沼气发酵装置容易积砂，并且不易排出，从而减少装置有效容积，最终导致系统报废。处理利用粪便、餐厨垃圾还可以采用干式沼气发酵技术。干式沼气发酵是指进料干物质（TS）浓度大于20%的沼气发酵，简称干发酵。相比湿发酵，干发酵残余物中干物质及养分浓度高，稍加晾干后即呈固态，运输和施用方便，也可进一步加工生产固态有机肥，在消纳粪污土地有限和水资源缺乏的地区，其优势更为突出。但是干发酵中，物料流动性差，并且存在严重的异质性，发酵底物和微生物的交流受到限制，更具挑战的是，高氨氮有机废弃物如鸡粪、餐厨垃圾干发酵过程会产生严重的氨抑制，使使得干式沼气发酵不能正常进行。氨抑制及其伴生的酸抑制是国内外干式沼气发酵的一大难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置及其发酵方法。采用本发明，固态、半固态有机废弃物直接沼气发酵，不需要加水稀释，也不需要预处理除砂；耐受高浓度氨氮，且高氨氮下产气效率高；加温需要的热量少；恶臭排放少。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：包括卧式发酵罐体，卧式发酵罐体内设置有进料通道、发酵室和出料通道，进料通道和出料通道的底部分别与发酵室连通，在发酵室顶部沿发酵室长度方向固定设置有多个放置添加剂的装放机构，发酵室顶部连通有沼气管。
所述装放机构为装放添加剂的框，框沿发酵室长度方向每隔2000~5000mm设置，框的宽度200~500mm，框的长度比发酵室宽度少500~1000mm，框的高度比发酵室深度少600~1200mm。
所述框的上部与发酵室顶板焊接固定，下部悬在发酵室中，距离发酵室内液面以下300~500mm的框的中下部及底部开孔或缝隙，孔径或缝隙宽度20~50mm,孔或缝隙边缘之间距离10~20mm。
所述装放机构两侧设置有搅拌器，搅拌器为纵向机械搅拌结构。
所述相邻两框之间的距离相同。
一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵方法，其特征在于：高氨氮的固态、半固态有机废弃物直接进入干式沼气发酵装置，在沼气发酵装置中进行沼气发酵，通过氨抑制解除添加剂的吸附、电子传递强化作用确保沼气发酵正常进行，并在在干式沼气发酵装置中沼气发酵微生物的作用下，有机废弃物转化为沼气，产生的沼气通过沼气管引出发酵装置，沼气发酵残余物自动溢流排出干式沼气发酵装置。
所述干式沼气发酵装置耐受氨氮浓度达到10000mg/L以上，且中温（35℃）、近中温（25℃~35℃）条件下容积产气率达到0.8m³沼气/m³·d以上。
所述氨抑制解除添加剂为活性炭或Fe2+盐处理过的活性炭。
所述方法中，用孔径大于添加剂粒径的滤布包裹添加剂，然后装在框中；当添加剂失效后，将滤布及添加剂取出，采用清水浸泡、晾晒、通气鼓风的方法对添加剂进行再生，再生后的添加剂再放入框中再次利用。
所述干式沼气发酵装置发酵温度控制在20℃以上。
采用本发明的优点在于：
1、畜禽粪便、餐厨垃圾直接干发酵，不需要加水稀释，也不需要预处理除砂，会简化整个沼气发酵系统，降低投资，方便操作。
2、如果没有加入氨抑制解除添加剂，氨氮浓度达到10000mg/L以上时，沼气发酵都会失败。通过氨抑制解除添加剂吸附对沼气发酵有抑制作用的氨氮、硫化氢以及其它抑制物，更为重要的是，活性炭或Fe2+盐处理过的活性炭能作为沼气发酵过程直接电子传递体消除电子传递障碍，促进沼气发酵，因此能耐受高浓度氨氮，在高氨氮条件下，沼气发酵装置容积产气率高。
3、将氨抑制解除添加剂放入框中，添加剂不会随出料排出，可使添加剂发挥更长的作用，因此添加剂用量少。
4、氨抑制解除添加剂加入、取出及再生方便，通过再生，可节约抑制解除剂的费用。
5、采用干式沼气发酵是密闭发酵，相比好氧堆肥发酵，臭味小，养分损失少，获得的有机肥肥效比好氧堆肥高。
6、因为进料浓度高，原料体积小，加温需要的热量少，更容易保证冬季正常产沼气。
附图说明
图1为本发明干式沼气发酵装置的结构示意图；
图中标记为：1、卧式发酵罐体， 2、框，3、添加剂，4、搅拌器。
具体实施方式
实施例1
一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，包括卧式发酵罐体，卧式发酵罐体内设置有进料通道、发酵室和出料通道，进料通道和出料通道的底部分别与发酵室连通，在发酵室顶部沿发酵室长度方向固定设置有多个放置添加剂的装放机构，发酵室顶部连通有沼气管。
所述装放机构为装放添加剂的框，框沿发酵室长度方向每隔2000~5000 mm设置，框的宽度200~500mm，框的长度比发酵室宽度少500~1000mm，框的高度比发酵室深度少600~1200mm。
所述框的上部与发酵室顶板焊接固定，下部悬在发酵室中，距离发酵室内液面以下300~500mm的框的中下部及底部开孔或缝隙，孔径或缝隙宽度20~50mm,孔或缝隙边缘之间距离10~20mm。
所述装放机构两侧设置有搅拌器，搅拌器为纵向机械搅拌结构。
所述相邻两框之间的距离相同。
一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵方法，包括：高氨氮的固态、半固态有机废弃物直接进入干式沼气发酵装置，在沼气发酵装置中进行沼气发酵，通过氨抑制解除添加剂的吸附、电子传递强化作用确保沼气发酵正常进行，并在在干式沼气发酵装置中沼气发酵微生物的作用下，有机废弃物转化为沼气，产生的沼气通过沼气管引出发酵装置，沼气发酵残余物自动溢流排出干式沼气发酵装置。
所述干式沼气发酵装置耐受氨氮浓度达到10000mg/L以上，且中温（35℃）、近中温（25℃~35℃）条件下容积产气率达到0.8m³沼气/m³·d以上。
所述氨抑制解除添加剂为活性炭或Fe2+盐处理过的活性炭，活性炭粒径0.5~2mm。Fe2+盐处理活性炭为采用氯化铁或硫酸铁溶液浸泡活性炭24h以上，然后干燥。
所述方法中，用孔径大于添加剂粒径的滤布包裹添加剂，然后装在框中；当添加剂失效后，将滤布及添加剂取出，采用清水浸泡、晾晒、通气鼓风的方法对添加剂进行再生，再生后的添加剂再放入框中再次利用。
所述干式沼气发酵装置发酵温度控制在20℃以上。
所述高氨氮有机废弃物的氨氮浓度为2000~12000mg N/L。
实施例2
本实施例结合附图对本发明的装置和方法做进一步说明。
干式沼气发酵装置的卧式发酵罐体1采用卧式形式，高氨氮的固态、半固态有机废弃物通过进料装置直接进入干式沼气发酵装置。
在沼气发酵装置长度方向每隔2000~5000 mm设置装放添加剂的框2，框用钢板制成，框的宽度200~500mm，框的长度比发酵室宽度少500~1000mm，框的高度比发酵室深度少600~1200mm；框的上部与沼气发酵装置罐体顶板焊接在一起，悬在沼气发酵装置中，距离沼气发酵装置内液面以下300~500mm的框的中下部及底部开孔或缝隙，孔径或缝隙宽度20~50mm,孔或缝隙边缘之间距离10~20mm。
框中加入氨抑制解除添加剂3。氨抑制解除添加剂采用活性炭、或Fe2+盐处理过的活性炭，用孔径大于添加剂粒径的滤布包裹添加剂，然后装在的框中。添加剂失效后，将滤布及添加剂取出，采用清水浸泡、晾晒、通气鼓风的方法对失效添加剂进行再生，再生后的添加剂再放入框中。
框的两侧装有搅拌器4，搅拌器采用纵向机械搅拌。
沼气发酵装置需要采取增温保温措施确保发酵温度在20℃以上。
在干式沼气发酵装置中沼气发酵微生物的作用下，有机物转化为沼气。产生的沼气通过沼气管引出发酵装置，沼气净化后可用于发电或者直接作民用燃料，经过提纯后可生产天然气。沼气发酵残余物（沼渣沼液）自动溢流排出沼气发酵装置，储存后可直接还田利用，或者干燥后生产有机肥。

Claims (10)

1.一种高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：包括卧式发酵罐体，卧式发酵罐体内设置有进料通道、发酵室和出料通道，进料通道和出料通道的底部分别与发酵室连通，在发酵室顶部沿发酵室长度方向固定设置有多个放置添加剂的装放机构，发酵室顶部连通有沼气管。
2.根据权利要求1所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：所述装放机构为装放添加剂的框，框沿发酵室长度方向每隔2000~5000mm设置，框的宽度200~500mm，框的长度比发酵室宽度少500~1000mm，框的高度比发酵室深度少600~1200mm。
3.根据权利要求2所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：所述框的上部与发酵室顶板焊接固定，下部悬在发酵室中，距离发酵室内液面以下300~500mm的框的中下部及底部开孔或缝隙，孔径或缝隙宽度20~50mm,孔或缝隙边缘之间距离10~20mm。
4.根据权利要求3所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：所述装放机构两侧设置有搅拌器，搅拌器为纵向机械搅拌结构。
5.根据权利要求4所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置，其特征在于：所述相邻两框之间的距离相同。
6.根据权利要求1所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置的发酵方法，其特征在于：高氨氮的固态、半固态有机废弃物直接进入干式沼气发酵装置，在沼气发酵装置中进行沼气发酵，通过氨抑制解除添加剂的吸附、电子传递强化作用确保沼气发酵正常进行，并在在干式沼气发酵装置中沼气发酵微生物的作用下，有机废弃物转化为沼气，产生的沼气通过沼气管引出发酵装置，沼气发酵残余物自动溢流排出干式沼气发酵装置。
7.根据权利要求6所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置的发酵方法，其特征在于：所述干式沼气发酵装置耐受氨氮浓度达到10000mg/L以上，且中温、近中温条件下容积产气率达到0.8m³沼气/m³·d以上。
8.根据权利要求7所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置的发酵方法，其特征在于：所述氨抑制解除添加剂为活性炭或Fe2+盐处理过的活性炭。
9.根据权利要求8所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置的发酵方法，其特征在于：所述方法中，用孔径大于添加剂粒径的滤布包裹添加剂，然后装在框中；当添加剂失效后，将滤布及添加剂取出，采用清水浸泡、晾晒、通气鼓风的方法对添加剂进行再生，再生后的添加剂再放入框中再次利用。
10.根据权利要求9所述的高氨氮有机废弃物干式沼气发酵装置的发酵方法，其特征在于：所述干式沼气发酵装置发酵温度控制在20℃以上。
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