CN109628296B - 一种自循环厌氧发酵增效装置与方法 - Google Patents

一种自循环厌氧发酵增效装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自循环厌氧发酵增效装置，包括厌氧发酵反应器，其特征在于，在厌氧发酵反应器的入口位置设置有用于向反应体系中投加磁性生物炭的磁性生物炭投加装置，在厌氧发酵反应器的消化液出口设置有用于回收消化液内的磁性生物炭的可移动的电磁铁，电磁铁通过机械臂连接电机，电机通过机械臂控制电磁铁移动于厌氧发酵反应器的磁性生物炭投加装置或者消化液出口位置。本发明的优点主要体现在：1、磁性生物炭在发酵结束后可以进行回收利用。2、磁性生物炭利用固废制备，可实现固废循环利用。3、效果显著，甲烷产率高。4、使用电磁铁和控制器，实现了自循环控制。

Description

一种自循环厌氧发酵增效装置与方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，特别涉及一种自循环厌氧发酵增效装置与方法。
背景技术
在处理固体废弃物时，采用厌氧发酵技术可以实现固体废弃物的减量化、资源化和无害化，能够得到沼气能源回用于生活，而沼气中最有利用价值的组分为甲烷，约占比例为50％-70％，是优质的气体燃料。现有技术中在厌氧发酵的增效研究中，主要采用的是通过投加生物炭、GAC等非生物导电材料，实现厌氧发酵系统的增效，但是这种方法中投加的介质在反应结束后无法进行有效的回收利用，造成材料的浪费。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自循环厌氧发酵增效装置与方法，通过投加磁性生物炭，可以对厌氧发酵起到增效目的，通过电磁铁装置，实现磁性生物炭的回收和再投放。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种自循环厌氧发酵增效装置，包括厌氧发酵反应器1，其特征在于，在厌氧发酵反应器1的入口位置设置有用于向反应体系中投加磁性生物炭的磁性生物炭投加装置7，在厌氧发酵反应器1的消化液出口2设置有用于回收消化液内的磁性生物炭的可移动的电磁铁3，电磁铁3通过机械臂4连接电机5，电机5通过机械臂4控制电磁铁3移动于厌氧发酵反应器1的磁性生物炭投加装置7或者消化液出口2位置。
所述磁性生物炭投加装置7设置有计量装置，控制投入反应体系的磁性生物炭的量为1-20g/L。
所述消化液出口2设置有电磁阀，所述磁性生物炭投加装置7的出口设置有翻板阀6，所述电磁阀和翻板阀6均连接控制器，所述控制器同时连接厌氧发酵反应器1的产气量和气组检测装置、电磁铁3的供电开关以及电机5，当消化液排放完毕，关闭电磁阀，电机5控制电磁铁3移动至磁性生物炭投加装置7上方，断电释放磁性生物炭，打开翻板阀6，投加磁性生物炭至反应体系，电磁铁3移动至消化液出口2，通电待吸附，完成一轮循环。
本发明还提供了一种基于所述自循环厌氧发酵增效装置的自循环厌氧发酵增效方法，在厌氧发酵中，利用磁性生物炭投加装置7将磁性生物炭投加到厌氧发酵反应体系中，定期对产气量和气组进行检测(记录检测值)，基质消耗完后，在排除消化液时，利用电磁铁3吸附消化液内的磁性生物炭，待排放结束，利用电机5通过机械臂4将电磁铁3移动至磁性生物炭投加装置7上方，断电释放磁性生物炭，开始下一轮反应。
所述磁性生物炭通过水热法合成制备：在氮气保护下，将生物炭加至超纯水中，震荡后得到悬浊液，依次向悬浊液中加入FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O和乙酸钠，之后水浴加热，将合成的黑色固体置于烧杯中清洗，在烧杯旁放置磁铁，固体会被吸附到烧杯边缘靠近磁铁位置，将水倒出，重复清洗数次，经真空干燥后备用。
所述超纯水用量为50mL，生物炭用量为0.28g，FeCl3·6H2O用量为0.42g，FeSO4·7H2O用量为0.25g，乙酸钠用量为0.25g，水浴加热温度为90℃。
所述生物炭的制作方法是将木屑置于500℃缺氧环境中，控制升温幅度为12-15℃/min，温度达到500℃后维持2h，降温后过筛，孔径控制在0.25mm-1mm之间，干燥储存备用。
所述厌氧发酵的基质为餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4:1配置而成，厌氧发酵温度为32-40℃，最佳温度为35℃。
所述磁性生物炭的投加方式为一次投加或多次投加。
本发明的优点主要体现在：
1、磁性生物炭在发酵结束后可以进行回收利用。
2、磁性生物炭利用固废制备，可实现固废循环利用。
3、效果显著，甲烷产率高。
4、使用电磁铁和控制器，实现了自循环控制。
相比现有处理方法，可以显著提高甲烷发酵的效率，同时实现磁性生物炭的回收利用。所需的磁性生物炭可自行制备，价格低廉且容易获得，对厌氧发酵系统起到增效作用又实现循环利用，对经济和环境具有双重效益。
附图说明
图1是自循环厌氧发酵增效装置结构示意图。
图2是控制原理图。
图3是投加磁性生物炭累计产甲烷量变化图。
具体实施方式
为使本发明的实施方法更为清楚易懂，下面结合具体实例，对本发明作进一步的阐述。
参考图1，一种自循环厌氧发酵增效装置，包括厌氧发酵反应器1，在厌氧发酵反应器1的入口位置设置有用于向反应体系中投加磁性生物炭的磁性生物炭投加装置7，磁性生物炭投加装置7设置有计量装置和翻板阀6，在厌氧发酵反应器1的消化液出口2设置有电磁阀和用于回收消化液内的磁性生物炭的可移动的电磁铁3，电磁铁3通过机械臂4连接电机5，电机5通过机械臂4控制电磁铁3移动于厌氧发酵反应器1的磁性生物炭投加装置7或者消化液出口2位置。
参考图2，电磁阀和翻板阀6均连接控制器，控制器同时连接厌氧发酵反应器1的产气量和气组检测装置、电磁铁3的供电开关以及电机5，当消化液排放完毕，关闭电磁阀，电机5控制电磁铁3移动至磁性生物炭投加装置7上方，断电释放磁性生物炭，打开翻板阀6，投加磁性生物炭至反应体系，电磁铁3移动至消化液出口2，通电待吸附，完成一轮循环。
将本发明应用在厌氧发酵系统，取得了良好效果，具体实施方式如下：在厌氧发酵开始阶段，像反应系统内投加磁性生物炭，并定期对产气量进行检测。采用本发明进行厌氧发酵的增效实验研究，同时设置不加磁性生物炭的平行对照组，具体步骤如下。
(1)制备磁性生物炭：木屑放入坩埚中，压实减少木屑间孔隙，加盖后，将木屑等固体废弃物置于500℃缺氧环境中，控制升温幅度为12-15℃/min，温度达到500℃后维持2h，降温后过筛，孔径控制在0.25mm-1mm之间，干燥储存备用；赋磁过程具体步骤为，取超纯水50mL，加入生物炭0.28g，震荡混匀后，依次向悬浊液中加入0.42gFeCl3·6H2O，0.25gFeSO4·7H2O，加入0.25g CH3COONa，之后置于90℃恒温水浴约4h，上述过程均应在氮气保护下进行，将合成的黑色固体置于烧杯中用蒸馏水清洗，在烧杯旁放置磁铁，固体会被吸附到烧杯边缘靠近磁铁位置，将水倒出，重复清洗数次，经真空干燥后备用。
(2)发酵基质及厌氧种泥准备：本研究采用的基质为餐厨垃圾和剩余污泥，餐厨垃圾模拟现实餐厨垃圾组分，具体成分为大米(15％)、面条(10％)、土豆(20％)、白菜(20％)、胡萝卜(13.8％)、猪肉(10％)、鸡肉(2％)、鸡蛋(5％)、油(1％)、盐(0.2％)，剩余污泥取自污水厂二沉池脱水后污泥，餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4:1配置而成。在破壁料理机中将混合基质粒径破碎至1mm以下，混合均匀，通过加水控制基质的TS为10.0±0.5％。厌氧种泥可取自污水厂中温消化反应器。种泥和基质相关参数见表1。
表1·污泥共发酵基质组分及性质
Figure BDA0001899195220000041
(2)将10mL种泥分别与基质按负荷VS(基质)/VS(种泥)为2.25进行混合，加入到四个120mL血清瓶中，编号K1(空白)，K2(空白对照)，F1(加磁性炭)，F2(加磁性炭)，按照5g/L浓度向F1和F2中投加生物炭，在相等条件下制作两个不加磁性生物炭的的空白样K1，K2，之后经N2吹脱2min，排除顶空氧气，压盖密封后，置于35℃水浴摇床，摇床频率为125r/min；
(3)用玻璃注射器定量测产气量，当发酵瓶内外压力相同时，玻璃注射器内气体不再上升；500uL进样针取气体，通过气相测定气体组分。甲烷产量由两部分组成：一是发酵瓶顶空部分气体，二是针管内的气体。观察累积甲烷产量随累计时间的变化，如图3所示。
(4)在反应结束后，排除消化液时，使用磁铁等吸引体系内的磁性生物炭就可以使得消化液内的磁性生物炭继续留在体系，排除放应完的消化液，投加新的基质后就可以继续发挥作用，实现循环利用。
从图3可以看出，添加磁性生物炭产气速度明显快于未添加生物炭的生物炭空白对照组，投加磁性生物炭的累计产甲烷量提高约20％左右。

Claims (8)

1.一种自循环厌氧发酵增效装置，包括厌氧发酵反应器(1)，其特征在于，在厌氧发酵反应器(1)的入口位置设置有用于向反应体系中投加磁性生物炭的磁性生物炭投加装置(7)，在厌氧发酵反应器(1)的消化液出口(2)设置有用于回收消化液内的磁性生物炭的可移动的电磁铁(3)，电磁铁(3)通过机械臂(4)连接电机(5)，电机(5)通过机械臂(4)控制电磁铁(3)移动于厌氧发酵反应器(1)的磁性生物炭投加装置(7)或者消化液出口(2)位置，所述消化液出口(2)设置有电磁阀，所述磁性生物炭投加装置(7)的出口设置有翻板阀(6)，所述电磁阀和翻板阀(6)均连接控制器，所述控制器同时连接厌氧发酵反应器(1)的产气量和气组检测装置、电磁铁(3)的供电开关以及电机(5)，当消化液排放完毕，关闭电磁阀，电机(5)控制电磁铁(3)移动至磁性生物炭投加装置(7)上方，断电释放磁性生物炭，打开翻板阀(6)，投加磁性生物炭至反应体系，电磁铁(3)移动至消化液出口(2)，通电待吸附，完成一轮循环。
2.根据权利要求1所述自循环厌氧发酵增效装置，其特征在于，所述磁性生物炭投加装置(7)设置有计量装置，控制投入反应体系的磁性生物炭的量为1-20g/L。
3.一种基于权利要求1所述自循环厌氧发酵增效装置的自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，在厌氧发酵中，利用磁性生物炭投加装置(7)将磁性生物炭投加到厌氧发酵反应体系中，定期对产气量和气组进行检测，基质消耗完后，在排除消化液时，利用电磁铁(3)吸附消化液内的磁性生物炭，待排放结束，利用电机(5)通过机械臂(4)将电磁铁(3)移动至磁性生物炭投加装置(7)上方，断电释放磁性生物炭，开始下一轮反应。
4.根据权利要求3所述自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，所述磁性生物炭通过水热法合成制备：在氮气保护下，将生物炭加至超纯水中，震荡后得到悬浊液，依次向悬浊液中加入FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O和乙酸钠，之后水浴加热，将合成的黑色固体置于烧杯中清洗，在烧杯旁放置磁铁，固体会被吸附到烧杯边缘靠近磁铁位置，将水倒出，重复清洗数次，经真空干燥后备用。
5.根据权利要求4所述自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，所述超纯水用量为50mL，生物炭用量为0.28g，FeCl3·6H2O用量为0.42g，FeSO4·7H2O用量为0.25g，乙酸钠用量为0.25g，水浴加热温度为90℃。
6.根据权利要求3所述自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，所述生物炭的制作方法是将木屑置于500℃缺氧环境中，控制升温幅度为10-15℃/min，温度达到500℃后维持2h，降温后过筛，孔径控制在0.25mm-1mm之间，干燥储存备用。
7.根据权利要求3所述自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，所述厌氧发酵的基质为餐厨垃圾和剩余污泥按湿重比的4:1配置而成，厌氧发酵温度为30-38℃。
8.根据权利要求3所述自循环厌氧发酵增效方法，其特征在于，所述磁性生物炭的投加方式为一次投加或多次投加。
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磁性生物炭复合材料研究进展;吴明山等;《功能材料》;20160730;第47卷(第07期);参见摘要，第7028-7029页"2 磁性生物炭的制备方法"，第7030页"4 磁性生物炭在污染物治理中的应用" *
麦秸生物炭添加对猪粪中温厌氧发酵产气特性的影响;许彩云等;《农业环境科学学报》;20160620(第06期);全文 *

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