CN110468045A - 一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置及方法 - Google Patents

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于佳动
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黄开明
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Abstract

本发明公开了一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，包括厌氧干发酵反应器和曝气机构，所述厌氧干发酵反应器上可拆卸盖合有密封盖，所述厌氧干发酵反应器内设有物料反应区，所述物料反应区用于放置反应物料，所述厌氧干发酵反应器上端开设有出气孔、下端开设有出液孔，所述曝气机构包括风机、进气管和曝气管，所述进气管的一端与所述风机连通，所述进气管的另一端穿过所述厌氧干发酵反应器的进气孔与所述曝气管连通，所述曝气管位于所述物料反应区内部，所述厌氧干发酵反应器内部的上方设有喷淋头，所述喷淋头能够向所述物料反应区喷洒液体，从而实现反应物料的自加热，保证物料的厌氧发酵温度要求，提高反应效率和产出率。

Description

一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置及方法
技术领域
本发明涉及沼气制备设备技术领域，特别是涉及一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置及方法。
背景技术
近几十年来，随着我国经济与社会的快速发展，农村生活垃圾的产量大幅度增加，我国年产农作物秸秆约10.4亿吨，20％未有效利用，畜禽粪污约38亿吨，40％以上未有效利用，蔬菜废弃物1.0亿吨，乡镇生活垃圾和人粪便2.5亿吨，肉类加工厂和农作物加工场废弃物1.5亿吨，林业废弃物(不包括薪炭林)0.5亿吨，其他类的有机废弃物约有0.5亿吨，约合7亿吨的标准煤，大部分未有效利用，严重威胁我国农业农村环境。当前城市垃圾的处置利用方式，如填埋、焚烧和堆肥，面临着土地占用量大、处理费用高、易造成二次污染等问题，难以满足新时期我国对于城市垃圾无害化、资源化的处置要求。厌氧发酵技术是处理有机废弃物和生产生物能源—“沼气”的关键纽带，是农业废弃物资源化利用的重要途径，按照发酵底物含固率不同分为湿法厌氧发酵(TS<15％)和干法厌氧发酵(TS≥15％)技术。
大量的实践表明，湿法发酵产生大量沼液，施用不当易造成二次污染。同时，使用农业废弃物为原料时，砂石、地膜、土块等杂质很容易对进料装置、搅拌装置等设备造成损坏，影响沼气工程的稳定运行，同时我国规模化养殖场越来越多的采用干清粪工艺，这也导致养殖场所产生的粪便含固率较高，使用湿法发酵工艺需要消耗大量的水资源用于调节含水率。干法厌氧发酵原料处理量大，可显著减少外源水的添加，容积产气效率高，运行能耗较低，出料沼渣无需进行固液分离便可直接用于有机肥的生产。按照进出料方式不同，将干发酵分为连续式和序批式厌氧干发酵工艺，国外干法厌氧发酵生产沼气产业化已有近30年的时间，主要以生活垃圾、城市污泥、能源作物等为原料，约占干发酵沼气工程总数的70％，容积产气为2～4m3/(m3·d-1)，国内干法厌氧发酵还处于中试阶段，以序批式厌氧干发酵技术为主，容积产气率仅为0.5m3/(m3·d-1)左右。另外，农业废弃物纤维含量高、流动性差，限制了连续式工艺的选择。而在现有的序批式厌氧干发酵技术中，都需要采用外加热源，以保证发酵罐中微生物的生长和反应效率，同时由于序批式厌氧干发酵技术中不采用搅拌和进出料管道输送泵，虽然可以降低机械能耗，但是也存在反应物无法完全反应、发酵不稳定、产出率低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现反应物料的自加热，能保证物料的厌氧发酵温度要求，还提高反应效率和产出率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，包括厌氧干发酵反应器和曝气机构，所述厌氧干发酵反应器上可拆卸盖合有密封盖，所述厌氧干发酵反应器内设有物料反应区，所述物料反应区用于放置反应物料，所述厌氧干发酵反应器上端开设有出气孔、下端开设有出液孔，所述出液孔上设有滤液调节开关，所述曝气机构包括风机、进气管和曝气管，所述进气管的一端与所述风机连通，所述进气管的另一端穿过所述厌氧干发酵反应器的进气孔与所述曝气管连通，所述曝气管位于所述物料反应区内部，所述厌氧干发酵反应器内部的上方设有喷淋头，所述喷淋头能够向所述物料反应区喷洒液体。
优选的，所述厌氧干发酵反应器的侧壁为双层结构，所述厌氧干发酵反应器的侧壁中填设有保温层。
优选的，所述进气管上依次设有流量计和气体调节开关，所述流量计和所述气体调节开关均位于所述厌氧干发酵反应器的外部。
优选的，所述厌氧干发酵反应器外壁上固定有温度控制器，所述物料反应区内设有温度探头，所述厌氧干发酵反应器的内壁上固定有探头支架，所述温度探头固定在所述探头支架的自由端，所述温度探头与所述温度控制器电连接，所述温度控制器能够给所述风机发送控制信号。
优选的，所述出气孔通过出气管连通有集气袋，所述出气管上设有湿式气体流量计。
优选的，所述物料反应区的顶部和底部均铺设有渗滤网。
优选的，所述出液孔连通有渗滤管，所述滤液调节开关设置在所述渗滤管上，所述渗滤管连通有滤液收集罐。
优选的，所述滤液收集罐与蠕动泵的进液端连通，所述蠕动泵的出液端连通有滤液回流管，所述滤液回流管与所述喷淋头连通。
本发明还提供了一种预曝气升温序批式厌氧干发酵方法，应用以上技术方案中所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，并包括预升温好氧发酵步骤和厌氧干发酵步骤：
S1：预升温好氧发酵步骤：选择含固率为25％～45％的反应物料，运行时先开启所述曝气机构向所述厌氧干发酵反应器内通入空气，曝气频率为0.5～1.5m3/(m3·d-1)，待温度上升至35～40℃，关闭所述曝气机构停止曝气，并密封所述厌氧干发酵反应器；
S2：厌氧干发酵步骤：厌氧干发酵过程中，先采用湿法厌氧发酵技术中底部的出料污泥作为接种物，再开启所述喷淋头按照一定的喷淋方式进行喷淋，从而进行反应物料的厌氧干发酵。
优选的，所述厌氧干发酵反应器设置4～12个，各所述厌氧干发酵反应器间并联设置，各所述厌氧干发酵反应器按序批方式开启并使各所述厌氧干发酵反应器内依次完成步骤S1和步骤S2，所述序批方式为先开启一个所述厌氧干发酵反应器，当先开启的所述厌氧干发酵反应器内好氧发酵升温至35～40℃时启动下一个所述厌氧干发酵反应器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明在厌氧干发酵反应器的一侧设有曝气机构，通过曝气机构向厌氧干发酵反应器内进行曝气，使反应物料发生好氧发酵，从而在无外加热源的条件下，实现对厌氧干发酵反应器内进行自加热，达到反应物料的厌氧发酵温度要求，而且反应物料受热面积均匀，不存在冷芯现象，从而能显著提高反应效率，同时在曝气过程中，反应物料被充分翻动，有助于对反应物料颗粒大小进行重新分布并改善反应物料颗粒间的间隙，并有利于热的传递、均匀分布，从而能够显著提高反应效率和沼气产出率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明预曝气升温序批式厌氧干发酵装置的结构示意图；
其中：1-厌氧干发酵反应器，101-物料反应区，102-保温层，103-喷淋头，104-渗滤网，105-出气孔，2-滤液收集罐，201-滤液收集区：202-渗滤管，203-滤液调节开关，204-蠕动泵，205-滤液回流管，206-回流调节开关，3-曝气机构，301-风机，302-进气管，303-流量计，304-气体调节开关，305-曝气管，306-温度控制器，307-温度探头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付出创造性劳动的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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示：本实施例提供了一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，包括厌氧干发酵反应器1和曝气机构3，厌氧干发酵反应器1上可拆卸盖合有密封盖，厌氧干发酵反应器1内设有物料反应区101，物料反应区101用于放置反应物料，厌氧干发酵反应器1上端开设有出气孔105、下端开设有出液孔，具体的，如图1所示，出气孔105开设在厌氧干发酵反应器1的右上角，出气孔105处用于收集沼气，出气孔105通过出气管连通有集气袋，出气管上设有湿式气体流量计，以记录产生的沼气量，出液孔开设在厌氧干发酵反应器1底部的中央，出液孔上设有滤液调节开关203，滤液调节开关203用于调节渗滤液，出液口用于排出厌氧干发酵反应器1内的液体，厌氧干发酵反应器1的侧壁为双层结构，厌氧干发酵反应器1的侧壁中填设有保温层102，对厌氧干发酵反应器1起到保温的作用。
如图1中，曝气机构3设置在厌氧干发酵反应器1的左下侧，曝气机构3包括风机301、进气管302和曝气管305，曝气管305位于物料反应区101内部，曝气管305上开设有若干个曝气孔，有助于均匀曝气，厌氧干发酵反应器1的左下角开设有进气孔，进气管302的一端与风机301连通，进气管302的另一端穿过进气孔与曝气管305连通，进气管302上依次设有流量计303和气体调节开关304，流量计303和气体调节开关304均位于厌氧干发酵反应器1的外部，以记录通入的气体量，并通过气体调节开关304调节通入气体的快慢和气体的曝动程度。厌氧干发酵反应器1内部的上方设有喷淋头103，喷淋头103能够向物料反应区101喷洒液体，即提供反应物料所需的液体，在厌氧干发酵反应器1的一侧设有曝气机构3，通过曝气机构3向厌氧干发酵反应器1内进行曝气，使反应物料发生好氧发酵，从而实现对厌氧干发酵反应器1内进行自加热，使反应物料在无外加热源的条件下，利用生物化学反应过程产生的热量达到适合厌氧干发酵的温度，而且反应物料受热面积均匀，不存在冷芯现象，从而能显著提高反应效率，并明显降低运行能耗，对促进高效低耗厌氧干发酵技术的发展和转化具有重要的推广价值，同时在曝气过程中，反应物料被充分翻动，有助于对反应物料颗粒大小进行重新分布并改善反应物料颗粒间的间隙，并有利于热的传递、均匀分布，从而能够显著提高反应效率、处理效率和沼气产出率。
具体的，厌氧干发酵反应器1外壁上还可以固定设有温度控制器306，物料反应区101内设有温度探头307，温度探头307利用探头支架固定在厌氧干发酵反应器1的内壁上，具体的，探头支架固定在厌氧干发酵反应器1的内壁上，温度探头307固定在探头支架的自由端，温度探头307与温度控制器306电连接，温度控制器306能够给风机301发送控制信号，具体的，当曝气机构3向厌氧干发酵反应器1内曝气，物料反应区101内发生好氧发酵，当温度达到设定温度，温度探头307将感应温度传递至温度控制器306，温度控制器306给风机301发送控制信号，使风机301停止运行，停止曝气，从而保持反应期间控制温度维持在35±1℃。
物料反应区101的顶部和底部均铺设有渗滤网104，渗滤网104能让渗滤液通过，并渗滤到出液孔处，出液孔连通有渗滤管202，渗滤管202上设有滤液调节开关203，渗滤管202连通有滤液收集罐2，渗滤液通过出液孔、渗滤管202流至滤液收集罐2的滤液收集区201内，滤液调节开关203关闭，渗滤液停留在厌氧干发酵反应器1内，浸泡反应物料。滤液收集罐2与蠕动泵204的进液端连通，蠕动泵204的出液端连通有滤液回流管205，滤液回流管205连通至厌氧干发酵反应器1内，与厌氧干发酵反应器1连通的滤液回流管205的端部连通有喷淋头103，滤液回流管205上还设有回流调节开关206，利用蠕动泵204，使滤液收集罐2中的渗滤液回流至厌氧干发酵反应器1内，并通过喷淋头103均匀喷洒到到反应物料区中，从而实现渗滤液的循环和反复使用，渗滤液基本不外排或外排量较少，消化后产生的沼气是清洁能源，能够减少温室效应气体的排放量，减少二次污染。
实施例二：
本实施例提供了一种预曝气升温序批式厌氧干发酵方法，应用以上技术方案中的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，并包括预升温好氧发酵步骤和厌氧干发酵步骤：
S1：预升温好氧发酵步骤：选择含固率为25％～45％的反应物料，优选为35％，该步骤中，反应物料按照一定干物质配比混合发酵，若原料为混合的玉米秸秆和牛粪，反应物料配比优选为6:4(玉米秸秆:牛粪)，运行时先开启曝气机构3向厌氧干发酵反应器1内通入空气，曝气频率为0.5～1.5m3/(m3·d-1)，优选为1m3/(m3·d-1)，待温度上升至35～40℃，优选为35℃时，关闭曝气机构3停止曝气，并密封厌氧干发酵反应器1；
S2：厌氧干发酵步骤：厌氧干发酵过程中，先采用湿法厌氧发酵技术中底部的出料污泥作为接种物(含固率为5％左右)，再开启喷淋头103按照一定的喷淋方式进行喷淋，优选的还可以采用蠕动泵204进行渗滤液的循环使用，从而进行反应物料的厌氧干发酵。
优选的，厌氧干发酵反应器1设置4～12个，具体可以选择为8个，各厌氧干发酵反应器1间并联设置，具体的，各厌氧干发酵反应器1的出气孔105均与同一个出气管并联连通，各厌氧干发酵反应器1按序批方式开启并使各厌氧干发酵反应器1内依次完成步骤S1和步骤S2，序批方式为先开启一个厌氧干发酵反应器1，当先开启的厌氧干发酵反应器1内好氧发酵升温至35～40℃时启动下一个厌氧干发酵反应器1。具体的序批方式如下，先开启第一个厌氧干发酵反应器1进行步骤S1，当第一个厌氧干发酵反应器1内好氧发酵升温至35～40℃时启动第二个厌氧干发酵反应器1进行步骤S1，同时第一个厌氧干发酵反应器1内继续进行步骤S1和步骤S2，当第二个厌氧干发酵反应器1内好氧发酵升温至35～40℃时启动第三个厌氧干发酵反应器1进行步骤S1，同时第二个厌氧干发酵反应器1内继续进行步骤S1和步骤S2，依次类推，形成厌氧干发酵反应器1间的序批式启动运行，保证连续、稳定的产出甲烷。该方法适用于农业农村生产生活废弃物的处理，如农作物秸秆、畜禽粪便等，且该方法可节约加温能耗30％以上，还能保持产处甲烷的容积率稳定在0.5～0.8m3/(m3·d-1)。
具体的喷淋方式为：厌氧干发酵前5天，每24h喷淋一次，每次的喷淋量满足浸泡反应物料体积的1/2，每次喷淋过程中关闭滤液调节开关203进行浸泡，浸泡时间为6～24h，优选为12h，为曝气后的反应物料接种厌氧微生物提供接种环境；厌氧干发酵6～10天，每12h喷淋一次；厌氧干发酵11～20天，每6h喷淋一次；厌氧干发酵21～30天，每4h喷淋一次；厌氧干发酵31～40天，每2h喷淋一次；且发酵6～40天的喷淋量均设定为反应物料体积的1/3，喷淋过程中无浸泡，保持滤液调节开关203开启渗滤，并将渗滤液渗滤至滤液收集罐2。每个厌氧干发酵反应器1中厌氧发酵阶段周期为40天。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：包括厌氧干发酵反应器和曝气机构，所述厌氧干发酵反应器上可拆卸盖合有密封盖，所述厌氧干发酵反应器内设有物料反应区，所述物料反应区用于放置反应物料，所述厌氧干发酵反应器上端开设有出气孔、下端开设有出液孔，所述出液孔上设有滤液调节开关，所述曝气机构包括风机、进气管和曝气管，所述进气管的一端与所述风机连通，所述进气管的另一端穿过所述厌氧干发酵反应器的进气孔与所述曝气管连通，所述曝气管位于所述物料反应区内部，所述厌氧干发酵反应器内部的上方设有喷淋头，所述喷淋头能够向所述物料反应区喷洒液体。
2.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述厌氧干发酵反应器的侧壁为双层结构，所述厌氧干发酵反应器的侧壁中填设有保温层。
3.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述进气管上依次设有流量计和气体调节开关，所述流量计和所述气体调节开关均位于所述厌氧干发酵反应器的外部。
4.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述厌氧干发酵反应器外壁上固定有温度控制器，所述物料反应区内设有温度探头，所述厌氧干发酵反应器的内壁上固定有探头支架，所述温度探头固定在所述探头支架的自由端，所述温度探头与所述温度控制器电连接，所述温度控制器能够给所述风机发送控制信号。
5.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述出气孔通过出气管连通有集气袋，所述出气管上设有湿式气体流量计。
6.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述物料反应区的顶部和底部均铺设有渗滤网。
7.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述出液孔连通有渗滤管，所述滤液调节开关设置在所述渗滤管上，所述渗滤管连通有滤液收集罐。
8.根据权利要求1所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，其特征在于：所述滤液收集罐与蠕动泵的进液端连通，所述蠕动泵的出液端连通有滤液回流管，所述滤液回流管与所述喷淋头连通。
9.一种预曝气升温序批式厌氧干发酵方法，其特征在于：应用权利要求1-8中任一项所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵装置，并包括预升温好氧发酵步骤和厌氧干发酵步骤：
S1：预升温好氧发酵步骤：选择含固率为25％～45％的反应物料，运行时先开启所述曝气机构向所述厌氧干发酵反应器内通入空气，曝气频率为0.5～1.5m3/(m3·d-1)，待温度上升至35～40℃，关闭所述曝气机构停止曝气，并密封所述厌氧干发酵反应器；
S2：厌氧干发酵步骤：厌氧干发酵过程中，先采用湿法厌氧发酵技术中底部的出料污泥作为接种物，再开启所述喷淋头按照一定的喷淋方式进行喷淋，从而进行反应物料的厌氧干发酵。
10.根据权利要求9所述的预曝气升温序批式厌氧干发酵方法，其特征在于：所述厌氧干发酵反应器设置4～12个，各所述厌氧干发酵反应器间并联设置，各所述厌氧干发酵反应器按序批方式开启并使各所述厌氧干发酵反应器内依次完成步骤S1和步骤S2，所述序批方式为先开启一个所述厌氧干发酵反应器，当先开启的所述厌氧干发酵反应器内好氧发酵升温至35～40℃时启动下一个所述厌氧干发酵反应器。
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