CN110819528A - 一种生物沼气发酵池甲烷产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物沼气发酵池甲烷产生装置及产生方法，包括发酵有机废弃物的发酵罐体，所述发酵罐体的上方设置有进料装置，发酵罐体的侧上方设置有气体储存装置，发酵罐体的底部设置有出料装置，发酵罐体内部设置有搅拌有机废弃物的搅拌器；所述搅拌器包括设置于发酵罐体正上方的电动机、与电动机电连接并置于发酵罐体内部的搅拌杆和搅拌叶轮；其中搅拌杆和搅拌叶轮与发酵罐体通过直流电源形成产电压电路，即直流电源的阳极接于搅拌杆和搅拌叶轮，直流电源的阴极接于环绕发酵罐体内壁的不锈钢网，以将有机废弃物发酵产生的二氧化碳电解为甲烷。本发明具有的优点是采用该装置将二氧化碳电解为甲烷，进而提高沼气中甲烷气的纯度。

Description

一种生物沼气发酵池甲烷产生装置及产生方法

技术领域

本发明涉及沼气发酵池领域，尤其涉及一种生物沼气发酵池甲烷产生装置及产生方法。

背景技术

目前，沼气主要利用厨余垃圾、秸秆等有机废弃物生产，沼气的生产开发作为一种丰富的能源已广泛应用到人民生活和工农业生产中。

随着沼气的不断开发利用，对沼气生产技术的要求也越来越高；现有的沼气发酵方法主要是将初步处理后的有机废弃物，一次性投料到沼气发酵池或发酵罐，加入甲烷菌料，靠自然环境温度发酵产生甲烷气体，发酵产气后再大换料的间歇式发酵生产沼气的方法。

在上述过程中，沼气发酵过程中会产生大量的二氧化碳气体，约占气体总量的30％，同时甲烷的纯度也因此受到影响，只有50-60％，而低纯度的甲烷气会影响燃烧的效率，无法应用到日常生产生活。

因此，为了提高沼气中甲烷气的纯度，一般采用二氧化碳吸附的方法来进行提纯，而这种方法的耗能极高，同时也会带来大量的碳原子的浪费；同时在生产中，由于甲烷发酵需要较高的温度，在北方的冬天，由于室外温度无法达到发酵要求，因此沼气发酵在北方的应用极少，即使有少量应用，也大都会在秋季后停产，而沼气发酵采用的多为农业生产剩余的秸秆，而秸秆的产生大多产生于秋收后，这大大影响了固体废弃物资源化的进程；并且在生产中，大都采用额外供热的方式对发酵池提供额外的热量使其维持发酵，这样也会引起大量的额外能源的消耗，从而提高沼气发酵的成本，也因为这些原因，沼气发酵在日常生活中无法进行普及。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是公开一种生物沼气发酵池甲烷产生装置及产生方法，不但可提升菌种的活性，提高甲烷气的产量与纯度，并且大大缩短发酵时间，使其产生的甲烷气纯度接近于商用甲烷气纯度。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种生物沼气发酵池甲烷产生装置，包括发酵有机废弃物的发酵罐体，发酵罐体的顶部、侧壁、底部分别连接有进料装置、气体储存装置及出料装置，发酵罐体内部设置有搅拌有机废弃物的搅拌器；所述搅拌器包括置于发酵罐体正上方的电动机、与电动机电连接置于发酵罐体内部的搅拌杆和搅拌叶轮；其中搅拌杆和搅拌叶轮与发酵罐体通过直流电源形成产电压电路，即直流电源的阳极接于搅拌杆和搅拌叶轮，直流电源的阴极接于环绕发酵罐体内壁的不锈钢网，以将有机废弃物发酵产生的二氧化碳电解为甲烷。

通过上述技术方案，能够降低整个操作过程的操作难度，相比较复杂的操作装置而言，无需操作者经过事先培训，同时，由于外加电路已经嵌入甲烷产生装置内部，并利用搅拌杆作为阳极，降低了生产成本和维护成本，而外加电路带来的甲烷的提纯效果，可以显著降低后续的提纯成本，同时由于外电路利用二氧化碳进行了甲烷的合成，也提高了甲烷的产率。

进一步地，所述直流电源的供电电压为1～2V之间，所述发酵罐体的液体负载系数为0.8～0.9之间，单次发酵时长选择50～60天发酵时长，加料接种时保持发酵料液为中性或弱碱性。

通过上述技术方案，可尽可能的提升罐体的利用率，使得发酵罐空间的利用率远高于现有技术，同时采用50-60天的发酵时长，可减少发酵后期时甲烷产量偏低或者停止生产时，额外对于搅拌和外加电压的能源投入，起到节约成本的作用。1-2v的低电压可以加快细菌间的电子传递，提高电子传递效率，从而起到提升甲烷产量和提高底物利用率的作用。

进一步地，进料装置、气体储存装置、出料装置分别与罐体间连接有进料阀、产气阀和出料阀。

通过上述技术方案，可实现对进料，出料，产气的实时控制，降低生产过程中的风险，同时也可通过简易的操作调整，实现批次发酵和连续发酵的无缝转化，以及在转化过程中，可通过对阀门的控制，保证发酵罐体内的厌氧环境，保护发酵过程中的菌种的数量和活性。

进一步地，发酵的有机废弃物选用秸秆粉或者厨余垃圾，发酵用液体为曝晒一天后的自来水，固体液体比例选择为25％，发酵用接种物选用厌氧污泥或沼气池专用菌种，接种量选取为10％；其中沼气池专用菌种为各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

通过上述技术方案，可实现废弃物的高值利用，相较同类现有技术而言，本发明对底物的要求十分宽泛，没有固定的底物要求和固定的碳氮比要求，可以降低对底物前处理的要求和操作难度，低固液比可降低搅拌过程中的负荷，提升搅拌器的使用年限，降低生产成本和维护成本。

进一步地，发酵的有机废弃物选用秸秆粉，秸秆粉的用量为250g，液体负载系数为0.85，直流电源的供电电压为1.5V，电动机的搅拌转速设定为150转/分钟。

通过上述技术方案，可在提升发酵效率的同时，尽可能的降低额外的能源投入和成本投入，同时秸秆粉作为标准的废弃物底物，可以起到标定产量的作用。

进一步地，进料装置还与出料阀之间通过管道连接，并在管道上串联有蠕动泵和储料装置，且储料装置上安装有将其内部的多余上清液排出的出液阀。

通过上述技术方案，可持续不断的将发酵产生的水和其他多余的废弃物及时排出，可以维持较为稳定的发酵固液比，同时也提升了底物的浓度，可以提高底物的发酵效率，蠕动泵的添加可以加快底物的循环利用，和更新换代，保证发酵的持续进行，相比较现有技术，可降低维护次数和维护过程中反应的中断以及菌种的活性的影响。

一种利用生物沼气发酵池甲烷产生装置产生甲烷的方法，包括以下步骤：

第一步、将各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌一次投入内装有机废弃物的发酵罐体内进行厌氧发酵，有机废弃物在各种酶、水解发酵菌的作用下，使得有机废弃物被水解为单糖、多糖、氨基酸；

第二步、产氢产乙酸菌将单糖、多糖、氨基酸转化成低分子的挥发性酸、氢、二氧化碳；

第三步、产甲烷菌使得低分子的挥发性酸、氢/二氧化碳转变为甲烷/二氧化碳；

第四步、厌氧发酵的同时，厌氧发酵产生的二氧化碳在直流电源处于闭路状态时对二氧化碳进行合成反应产生甲烷。

通过上述技术方案，通过对发酵过程中额外施加低电压，不但为菌种提供所需能量，以增加菌种的活性，同时增加甲烷气的产量与纯度，并且大大缩短发酵时间，显著提高沼气发酵在北方地区的适用性以及降低了沼气的提纯成本，产生的甲烷气纯度接近于商用甲烷气纯度。

进一步地，在第三步中，所述产甲烷菌为乙酸营养型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌，其中乙酸营养型产甲烷菌的具体反应式如下：

C₂H₄O₂→CH₄+CO₂

氢营养型产甲烷菌的具体反应式如下：

4H₂+CO₂→CH₄+2H₂0

通过上述技术方案，产甲烷菌采用乙酸营养型产甲烷菌，使得乙酸在厌氧条件下，在没有外源受氢体的情况下把乙酸转化为气体产生CH₄和CO₂，使有机物在厌氧条件下的分解完成；产甲烷菌采用氢营养型产甲烷菌，H₂/CO₂在厌氧条件下，转化为气体产生CH₄，使有机物在厌氧条件下的分解完成。

进一步地，在第四步中，在发酵罐体内壁的不锈钢网与直流电源的阴极连接的前提下，二氧化碳进行得电子的还原反应，具体电极反应式如下：

CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O

通过上述技术方案，各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌中的感电细菌和产甲烷菌通过对厌氧反应中产生的氢离子和二氧化碳的利用以及对电流中电子的利用，将其在厌氧条件下转化为气体产生甲烷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

①、在普通沼气发酵过程中，杂质气体大都为二氧化碳，而在本发明的甲烷发酵装置中，大大减少了二氧化碳的占比和绝对值，是对碳原子的高效利用，同时在一定程度上对温室效应的缓解有着重要的意义，沼气的产量也提升了约90％，对实现废弃物的高效利用有着重要的指导意义，同时由于有机质的充分降解，当发酵残余物进行处理或者还田时可以降低处理成本和可能产生的病虫害；

②、通过对发酵过程中额外施加低电压，不但为菌种提供所需能量，以增加菌种的活性，同时增加甲烷气的产量与纯度，并且大大缩短发酵时间，显著提高沼气发酵在北方地区的适用性以及降低了沼气的提纯成本，产生的甲烷气纯度接近于商用甲烷气纯度；

③、可适用于大中小型沼气发酵池的使用，在1L-1000L均有良好的实验效果，可以适用于不同规模的工业生产和日常家用，不仅可以提升对农业废弃物的利用程度，同时也大大提升了对厨余垃圾的利用率，减少了日常生活中的垃圾产生，实现废弃物的资源化；

④、可适用于连续发酵，不需要暂停发酵而对发酵罐进行清理，可以大大节省人工成本和时间成本，同时，由于甲烷气的纯度可以达到90％，也降低了爆炸的风险，提升了整个操作的安全性；

⑤、高效的底物利用率，可以降低对电极和反应器壁的腐蚀，从而进一步提升整个沼气池的使用寿命和降低维护成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明体现储料装置的结构示意图。

图中，1、直流电源；2、电动机；3、进料装置；4、气体储存装置；5、进料阀；6、产气阀；7、搅拌杆和搅拌叶轮；8、电极阴极；9、发酵罐体；10、出料阀；11、蠕动泵；12、储料装置；13、出液阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一种生物沼气发酵池甲烷产生装置，如图1和图2所示，包括用于发酵有机废弃物的发酵罐体9，设置于发酵罐体9顶部的进料装置3，设置于发酵罐体9侧壁的气体储存装置4，设置于发酵罐体9底部的出料装置(图中未示出)，以及设置于发酵罐体9内部并搅拌有机废弃物的搅拌器；如图1所示，搅拌器包括设置于发酵罐体9正上方的电动机2、与电动机2电连接并置于发酵罐体9内部的搅拌杆和搅拌叶轮7；其中进料装置3通过进料阀5与发酵罐体9连通，气体储存装置4通过产气阀6与发酵罐体9连通，出料装置通过出料阀10与发酵罐体9连通，且发酵罐体9与各装置连通处均密闭。

在上述方案的基础上，为了将有机废弃物发酵产生的二氧化碳电解为甲烷，如图1和图2所示，搅拌杆和搅拌叶轮7与发酵罐体9通过直流电源1形成产电压电路，且发酵罐体9内壁环绕有不锈钢网，而直流电源1的阳极接于搅拌杆和搅拌叶轮7，直流电源1的阴极接于环绕发酵罐体9内壁的不锈钢网，进而将有机废弃物发酵产生的二氧化碳电解为甲烷。

具体地，如图1所示，不锈钢网为紧紧环绕于发酵罐体9内壁的电极阴极8，且直流电源1的阳极接在搅拌杆及搅拌叶轮7上，直流电源1的阴极接在置于发酵罐体9内部的电极阴极8上，电动机2带动搅拌杆及搅拌叶轮7对反应中的有机废弃物进行均质；而进料阀5进口连接进料装置3，出口连接发酵罐体9；产气阀6进口连接发酵罐体9，出口连接气体储存装置4；出料阀10进口连接发酵罐体9，出口连接出料装置(图中未示出)。

如图1所示，整个装置在运行过程中，先关闭出料阀10和产气阀6，直流电源1保持开路状态，打开进料阀5，加料结束后，关闭进料阀5，打开产气阀6，直流电源1保持闭路状态，运行电机2，产气结束后，关闭产气阀6，打开进料阀5与出料阀10保持内外气压平衡，使料液从出料装置流出。

在上述方案的基础上，直流电源的供电电压为1～2V之间，发酵罐体的液体负载系数为0.8～0.9之间，单次发酵时长选择50～60天发酵时长，加料接种时保持发酵料液为中性或弱碱性。

在上述方案的基础上，在该装置的运行过程中，整个甲烷发酵装置保持密闭状态，在发酵结束之前不对甲烷发酵装置进行其他操作，每次发酵结束后，清理发酵液残余即可，无需对搅拌杆及搅拌叶轮7和电极阴极8进行清洗，每半年对搅拌杆及搅拌叶轮7和电极阴极8进行清洗或者替换；其中上述不清洗的目的是保留发酵过程中产生的菌膜，使下次发酵的启动期缩短；每半年清洗或者替换的目的是，防止发酵过程中产生的结壳效应而导致发酵效率降低和电阻增大从而对电能的损耗增大。

具体地，有机废弃物选用秸秆粉或厨余垃圾，液体选用曝晒一天后的自来水，固体液体比例选择为25％，接种物选用厌氧污泥或沼气池专用菌种，接种量选取为10％，其中沼气池专用菌种为各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

下面通过实施例进一步说明上述具体实施方式，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1：

以秸秆粉作为底物进行发酵实验，发酵体积选为1L，液体负载系数选择为0.85，选取完全相同的甲烷发酵装置(见图1)，以直流电源1闭路与开路进行区分，闭路组电源电压选取为1.5V，秸秆粉量选取为250g，电机2的搅拌转速设定为150转/分钟，每天中午12点时搅拌1h，计量产生气体中甲烷气的纯度与总量以及甲烷产生和停止产生的日期。

实验结果如下表所示

说明：平均甲烷纯度为总甲烷产量与总气体产量的比值，额外电能投入通过对电流电压的计算得出，额外甲烷热值产出通过对甲烷的额外产量和甲烷燃烧热计算得出；

依据上表实验结果数据表明：同样的底物同样的反应条件，在直流电源1闭路和开路的区别下，闭路直流电源1得到的甲烷气纯度相比开路直流电源1的普通厌氧发酵过程，提升了约50％，这大大提高了沼气发酵过程中甲烷的可用性，同时也大大降低了沼气发酵中沼气提纯的成本，而且在普通沼气发酵过程中，杂质气体大都为二氧化碳，而在本发明的产甲烷装置中，大大减少了二氧化碳的占比和绝对值，是对碳原子的高效利用，同时在一定程度上对温室效应的缓解有着重要的意义，沼气的产量也提升了约90％，对实现废弃物的高效利用有着重要的指导意义，同时由于有机质的充分降解，当发酵残余物进行处理或者还田时可以降低处理成本和可能产生的病虫害。

另外，通过对额外投入的电能进行能量平衡计算，额外产生的甲烷的燃烧热值约为投入电能的141％，这意味着，额外的电能投入在产出中得到了平衡且有着额外的收益，即本发明的产甲烷发酵装置在能量的节约上也有着很好的效应。

在上述方案的基础上，如图2所示，进料装置3与出料阀10之间通过管道连接，并在管道上安装有蠕动泵11、储料装置12，且储料装置12上安装有将储料装置12中多余的上清液排出的出液阀13。

实施例2：

在实施例1的基础上，发酵底物选用厨余垃圾，操作模式为连续进料，如图2所示，将进料装置3与出料阀10用管道连接，同时在管道上串联有蠕动泵11，储料装置12，并在储料装置12上加上一个出液阀13，使得储料装置12中多余的上清液排出。

在上述方案的基础上，其连续操作时长可以达到6个月，同时对发酵后的底物利用率也得到了提升，底物的消化水平较实施例1的批次发酵提升了20％，甲烷产量也提升了约37％；由于厨余垃圾有机质含量高同时氮元素含量高更易于发酵的进行，但是由于蠕动泵11的添加，对能量的消耗也大幅提升，故适用于工业化连续生产，不适合家庭小规模操作。

一种利用生物沼气发酵池甲烷产生装置产生甲烷的方法，包括以下步骤：

第一步、将各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌一次投入内装有机废弃物的发酵罐体内进行厌氧发酵，有机废弃物在各种酶、水解发酵菌的作用下，使得有机废弃物被水解为单糖、多糖、氨基酸；

第二步、产氢产乙酸菌将单糖、多糖、氨基酸转化成低分子的挥发性酸、氢、二氧化碳；

第三步、产甲烷菌使得低分子的挥发性酸、氢/二氧化碳转变为甲烷/二氧化碳；

第四步、厌氧发酵的同时，厌氧发酵产生的二氧化碳在直流电源处于闭路状态时对二氧化碳进行合成反应产生甲烷。

其中，在第三步中，产甲烷菌为乙酸营养型产甲烷菌，使得乙酸在厌氧条件下，在没有外源受氢体的情况下把乙酸转化为气体产生CH₄和CO₂，使有机物在厌氧条件下的分解完成，具体反应式如下：：

C₂H₄O₂→CH₄+CO₂

在第三步中，产甲烷菌为氢营养型产甲烷菌，产甲烷菌采用氢营养型产甲烷菌，H₂/CO₂在厌氧条件下，转化为气体产生CH₄，使有机物在厌氧条件下的分解完成，具体反应式如下：

4H₂+CO₂→CH₄+2H₂0

在上述方案的基础上，在第四步中，厌氧发酵产生的二氧化碳在直流电源1处于闭路状态时对二氧化碳进行合成反应产生甲烷，二氧化碳合成为甲烷的机理如下：

CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O

具体地，在发酵罐体9内壁的不锈钢网与直流电源1的阴极连接的前提下，二氧化碳进行得电子的还原反应，即CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生物沼气发酵池甲烷产生装置，包括发酵有机废弃物的发酵罐体(9)，其特征在于，发酵罐体(9)的顶部、侧壁、底部分别连接有进料装置(3)、气体储存装置(4)及出料装置，发酵罐体(9)内部设置有搅拌有机废弃物的搅拌器；所述搅拌器包括置于发酵罐体(9)正上方的电动机(2)、与电动机(2)电连接置于发酵罐体(9)内部的搅拌杆和搅拌叶轮(7)；其中搅拌杆和搅拌叶轮(7)与发酵罐体(9)通过直流电源(1)形成产电压电路，即直流电源(1)的阳极接于搅拌杆和搅拌叶轮(7)，直流电源(1)的阴极接于环绕发酵罐体(9)内壁的不锈钢网，以将有机废弃物发酵产生的二氧化碳电解为甲烷。

2.根据权利要求2所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置，其特征在于，所述直流电源(1)的供电电压为1～2V之间，所述发酵罐体(9)的液体负载系数为0.8～0.9之间，单次发酵时长选择50～60天发酵时长，加料接种时保持发酵料液为中性或弱碱性。

3.根据权利要求2所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置，其特征在于，进料装置(3)、气体储存装置(4)、出料装置分别与罐体间连接有进料阀(5)、产气阀(6)和出料阀(10)。

4.根据权利要求3所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置，其特征在于，发酵的有机废弃物选用秸秆粉或者厨余垃圾，发酵用液体为曝晒一天后的自来水，固体液体比例选择为25％，发酵用接种物选用厌氧污泥或沼气池专用菌种，接种量选取为10％；其中沼气池专用菌种为各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。

5.根据权利要求4所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置，其特征在于，其特征在于，发酵的有机废弃物选用秸秆粉，秸秆粉的用量为250g，液体负载系数为0.85，直流电源(1)的供电电压为1.5V，电动机(2)的搅拌转速设定为150转/分钟。

6.根据权利要求3所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置，其特征在于，进料装置(3)还与出料阀(10)之间通过管道连接，并在管道上串联有蠕动泵(11)和储料装置(12)，且储料装置(12)上安装有将其内部的多余上清液排出的出液阀(13)。

7.一种利用权利要求1所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置产生甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将各种酶、水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌一次投入内装有机废弃物的发酵罐体(9)内进行厌氧发酵，有机废弃物在各种酶、水解发酵菌的作用下，使得有机废弃物被水解为单糖、多糖、氨基酸；

第二步、产氢产乙酸菌将单糖、多糖、氨基酸转化成低分子的挥发性酸、氢、二氧化碳；

第三步、产甲烷菌使得低分子的挥发性酸、氢/二氧化碳转变为甲烷/二氧化碳；

第四步、厌氧发酵的同时，厌氧发酵产生的二氧化碳在直流电源(1)处于闭路状态时对二氧化碳进行合成反应产生甲烷。

8.根据权利要求7所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置产生甲烷的方法，其特征在于，在第三步中，所述产甲烷菌为乙酸营养型产甲烷菌和氢营养型产甲烷菌，其中乙酸营养型产甲烷菌的具体反应式如下：

C₂H₄O₂→CH₄+CO₂

氢营养型产甲烷菌的具体反应式如下：

4H₂+CO₂→CH₄+2H₂0 。

9.根据权利要求7所述的生物沼气发酵池甲烷产生装置产生甲烷的方法，其特征在于，在第四步中，在发酵罐体(9)内壁的不锈钢网与直流电源(1)的阴极连接的前提下，二氧化碳进行得电子的还原反应，具体电极反应式如下：

CO₂+8H⁺+8e^-→CH₄+2H₂O 。