CN110951598A - 一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法，涉及农业废弃物资源化利用技术领域，主要包括发酵壳体，发酵壳体内设置有主发酵室和二级发酵室，主发酵室的有效容积大于二级发酵室的有效容积；二级发酵室设置于主发酵室的内侧，且高于主发酵室；主发酵室的顶部设置有进料口，底部设置有排泥口；二级发酵室与主发酵室连通，二级发酵室的顶部设置有沼气排放控制装置和出料管。本发明通过沼气积聚产生压力，且由于设置了两个发酵室，两者间由于沼气产量不同而形成压力差，当压力差达到预定的表压时，利用压力释放产生的动力推动物料进行混合和循环流动，实现混合均匀、提高产气效率和促进底物降解转化、降低能耗等的目的。

Description

一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法

技术领域

本发明涉及农业废弃物资源化利用技术领域，特别是涉及一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法。

背景技术

推进农业绿色发展，着力解决农村突出环境问题、加大生态环境保护力度，打造生态宜居、治理有效的乡村环境是乡村振兴、“三农”工作的重要内容，其中，农业废弃物资源化利用问题已引起广泛关注。我国农业废弃物产量巨大，每年农作物秸秆可收集量9亿吨、畜禽粪便38亿吨、农村生活垃圾3亿吨，这些废弃物在对人居环境具有潜在威胁的同时，还蕴含着巨大的资源潜力。采用厌氧发酵方式处理畜禽粪便、作物秸秆等有机废弃物，不但可以促进废弃物的无害化、减量化处理，而且能实现资源化、能源化利用，生成的沼气作为清洁能源用途多样(热、电、燃料)，沼液沼渣可制备有机肥料，能够有效优化能源结构，改善人居环境，最终实现经济和社会的可持续发展。

厌氧发酵技术在我国发展迅速，目前不同规模沼气工程超过11万座，主要采用湿法厌氧发酵形式。国内用于处理秸秆、畜禽粪污等有机废弃物的湿法厌氧发酵工艺技术主要有全混式反应器(CSTR)、塞流式反应器(PFR)、升流式固体反应器(USR)等。其中全混式反应器(CSTR)在我国农业沼气工程应用率超过95％，含固率一般为5％～10％，停留时间为20～40天，容积产气率为0.6～1.0m³/m³·d^-1，具有物料分布均匀、温度分布均匀、避免分层和结壳等特点，但是存在需要进行外力搅拌、能耗较高、大型消化器难以做到完全混合、底物消化不彻底、微生物随出料而流失等缺点。塞流式反应器(PFR)适合含固率为7％～10％的物料，尤其适用于牛粪的消化，停留时间为20～40天，容积产气率为0.6～1.0m³/m³·d^-1，具有结构简单、能耗低、稳定性高等特点，但固体物料可能沉淀于底部，使消化器的有效体积减小，需要固体和微生物的回流作为接种物，反应器内温度不均匀，效率较低，且易产生结壳。升流式固体反应器(USR)适用于含固率3％～6％粪污的处理，物料停留时间为15～25天，容积产气率0.8～1.0m³/m³·d^-1，具有结构简单、有机物分解率高、处理效率高等特点，但是反应器单体体积较小，进料浓度较高时易出现布水管堵塞等问题。

我国农业废弃物等有机废弃物产生量巨大，采用厌氧消化技术处理一种很好的途径。一般认为，物料含固率低于15％为湿法厌氧发酵，高于20％即属于干法厌氧发酵。国内外沼气工程绝大多数采用湿法发酵技术。如图1、图2 和图3所示，上述的混式反应器(CSTR)、塞流式反应器(PFR)、升流式固体反应器(USR)等技术只能处理低含固率的原料(一般TS≤10％)，容积产气率一般小于1.0m³/m³·d^-1。其中传统CSTR反应器需要外力搅拌，设备投资高，运行能耗大，大型消化器难以做到完全混合，底物消化不彻底，厌氧微生物易流失；PFR反应器运行过程中，由于固体物料在底部沉淀造成水力停留时间延长、有效体积减小，且反应器内温度不均匀、效率较低、易产生结壳； USR反应器只能处理低含固率(3％～6％)粪污，反应器单体体积较小，布水管易堵塞。因此，亟需开发一种原料适应范围广、能耗低、效率高的湿法厌氧发酵工艺技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过沼气积聚产生压力，且由于设置了两个发酵室，两者间由于沼气产量不同而形成压力差，当压力差达到预定的表压时，利用压力释放产生的动力推动物料进行混合和循环流动，实现混合均匀、提高产气效率和促进底物降解转化、降低能耗等的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，包括发酵壳体，所述发酵壳体内设置有主发酵室和二级发酵室，所述主发酵室的有效容积大于所述二级发酵室的有效容积；所述二级发酵室设置于所述主发酵室的内侧，且高于所述主发酵室；所述主发酵室的顶部设置有进料口，底部设置有排泥口；所述二级发酵室与所述主发酵室连通，所述二级发酵室的顶部设置有沼气排放控制装置和出料管。

优选的，所述主发酵室的下方设有物料喷嘴，用于与所述二级发酵室连通。

优选的，所述物料喷嘴设置有多个，所述物料喷嘴的料液进入和排出方向为沿所述二级发酵室外壁的切线方向。

优选的，所述二级发酵室的外壁上设有快速物料口，用于与所述主发酵室连通。

优选的，所述主发酵室的内壁、二级发酵室的外壁和发酵壳体的底部设置有加热盘管。

优选的，所述发酵壳体的外壁设置有保温隔热层。

优选的，所述沼气排放控制装置包括控制盖和排气管，所述控制盖和排气管均设置于所述二级发酵室的顶部。

优选的，所述主发酵室的顶部通过沼气管道与所述二级发酵室的顶部连通，所述沼气管道上设置有气动节流阀。

优选的，所述二级发酵室内还设置有短混料管和长混料管，与所述主发酵室连通。

本发明还公开一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵方法，包括以下步骤：

1)将有机废弃物与接种污泥混合均匀后，每天定时按照固定的配比从进料管输送到主发酵室中，并进一步通过快速物料口和物料喷嘴进入到二级发酵室内；

2)主发酵室和二级发酵室的物料在适宜的温度和厌氧条件下发生厌氧消化作用，产生沼气，沼气管道上的气动节流阀、二级发酵室顶部的控制盖为关闭状态，沼气在主发酵室和二级发酵室的顶部不断积聚并压缩形成压力；

3)主发酵室内物料的沼气产生量大于二级发酵室，主发酵室和二级发酵室的沼气形成压力差，且随着时间的推移，压力差不断增大；

4)在压力差的作用下，不断推动主发酵室内的料液向下移动，料液通过物料喷嘴进入二级发酵室内，使得液面III逐渐上升，液面II不断下降；

5)当压力差达到预定表压时，沼气管道上的气动节流阀自动打开，高压沼气通过沼气管道从主发酵室中进入到二级发酵室内，推动二级发酵室内的料液快速下降，形成撕拉力和料液震荡，破坏料液顶部表层形成的浮渣层和结壳，最终达到压力均衡；

6)较小部分料液在压力作用下从短混料管喷射到主发酵室内新进物料上面，达到混合接种的效果；较大部分料液则从发酵壳体底部的物料喷嘴喷射出来，推动主发酵室内的物料旋转流动，形成湍流混合，避免了物料分层，同时由于物料排出，将底部沉积的物料重新与料液混合，促进有机物质的进一步降解转化；

7)在每次进行湍流混合过程中，将混合好的发酵原料从进料管中输送到主发酵室内；

8)当湍流混合发生时，料液通过长混料管向上输送到主发酵室内的新进物料表面，携带的活性厌氧微生物与新进物料中易降解有机物充分接触，厌氧微生物迅速生长代谢，产生沼气；

9)整个发酵过程中，混合物料在主发酵室内向下移动，之后通过底部的物料喷嘴进入二级发酵室中并向上移动，当到达顶部时可以通过出料管排出到发酵装置外；

10)当不需要进行湍流混合时，通过控制盖，打开排气管，将产生的沼气输送到贮气柜或者用气单元。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1)以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环，不需外加动力搅拌，不必设泵强制循环，能耗低；

2)不需要搅拌器、循环泵、气体注入装置等机械设备来对反应器内物料进行混合，节省了设备投资；

3)系统的维护成本很低，运行成本远低于传统系统；

4)物料混合充分，温度均匀，底物发酵彻底，顶部不易产生结壳；

5)原料适应性广，能够处理畜禽粪便、农作物秸秆、餐厨垃圾等多种有机废弃物；可处理高固体含量的有机废弃物，进料浓度可以达到15％以上；

6)发酵装置产生的沼气纯度较高，CH₄含量能达到70％以上，要高于传统反应器所产生沼气中CH₄含量(50％～60％)。

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为现有技术中CSTR反应器的结构示意图；

图2为现有技术中PFR反应器的结构示意图；

图3为现有技术中USR反应器的结构示意图；

图4为本发明中适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置的结构示意图；

图5为图4的A-A剖面图；

其中，1为发酵壳体外壁，2为主发酵室，3为二级发酵室，4为出料管， 5为排气管，6为液面I，7为控制盖，8为气动节流阀，9为沼气管道，10为液面II，11为进料管，12为液面III，13为长混料管，14为短混料管，15为快速物料口，16为加热盘管，17为测温计，18为人孔，19为排泥管，20为物料喷嘴。

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做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过沼气积聚产生压力，且由于设置了两个发酵室，两者间由于沼气产量不同而形成压力差，当压力差达到预定的表压时，利用压力释放产生的动力推动物料进行混合和循环流动，实现混合均匀、提高产气效率和促进底物降解转化、降低能耗等的目的。

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4-5所示，本实施例提供一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，主要包括主发酵室2、二级发酵室3、进料管11、出料管4、排气管5、沼气管9、加热盘管、排泥管19和物料喷嘴20。

发酵装置的发酵壳体为双室结构，外筒为主发酵室2，内筒为二级发酵室 3，主发酵室2的有效容积大于二级发酵室3的有效容积；

二级发酵室3要高于主发酵室2，顶部设置有沼气排放控制装置(控制盖7、排气管5等)以及出料管4；

进料管11和排泥管19设置在主发酵室2上，且位置为高进低出。

发酵装置底部、主发酵室2下方设有物料喷嘴20，用于连通主发酵室2 和二级发酵室3，物料喷嘴的料液进入和排出方向为沿二级发酵室外壁的切线方向，根据发酵装置的容积可以设置为多个，一般设为偶数个，如4、6、8 等；物料喷嘴20可以使物料快速喷出，形成旋转料液流；将沉积的发酵物料与活性微生物混合，发酵更充分；过重的砂砾等可以定期排出发酵装置外部。

主发酵室内壁、二级发酵室外壁和发酵装置底部的加热盘管16的作用是为料液提供符合发酵要求的温度，发酵壳体外壁1具有保温隔热层，以减少热量损失，维持所需发酵温度，保温隔热层采用现有的保温材料制成，如泡沫板等。本发明无需外部加热系统，发酵原料直接输送到系统中，并缓慢升温至设定温度，可以最大程度的保留原料中携带的有益微生物菌群。

本实施例中适合高浓度物料的双室厌氧发酵方法，如下：

将畜禽粪污、粉碎的农作物秸秆(粉碎粒径小于5cm)等有机废弃物按照干物质混配比为0.3:1～5:1的比例进行充分混合，加入接种污泥，接种物干物质比例为25％～60％；其中，发酵装置启动时采用的接种污泥为运行稳定的污水处理厂的消化污泥，或者沼气工程的沼液沼渣，启动后采用发酵装置自身排出的发酵剩余物作为接种污泥。

每天定时将混合物料从进料管11输送到发酵装置的主发酵室2中，并进一步通过快速物料口15和物料喷嘴20进入到二级发酵室内，混合物料的浓度为6％～15％。

两个发酵室内的物料在适宜的温度和厌氧条件下发生厌氧消化作用，产生沼气，发酵温度控制为中温(35～38℃)或者高温(50～60℃)。由于沼气管道9上的气动节流阀8、二级发酵室顶部的控制盖7为关闭状态，因此沼气在两个发酵室的顶部不断积聚并压缩形成一定的压力。

由于主发酵室2内物料的沼气产生量大于二级发酵室3，因此两个发酵室的沼气形成了一定的压力差，且随着时间的推移，压力差不断增大。

在压力差的作用下，不断推动主发酵室2内的料液向下移动，料液通过发酵装置底部的物料喷嘴20进入二级发酵室3内，使得液面III 12逐渐上升，液面II 10不断下降。

当压力差达到预定表压时(即液面III 12与液面I6大致重合时，此时的压力可高达50kPa)，打开连接两个发酵室的沼气管道9上的气动节流阀8，大量沼气通过沼气管道9从主发酵室2中进入到二级发酵室3内，在一瞬间达到压力均衡，推动二级发酵室3内的料液快速下降，形成强大的撕拉力和料液震荡，可以破坏料液顶部表层形成的浮渣层和结壳，最终达到压力均衡。

较少的一部分含有大量厌氧微生物的料液从短混料管14喷射到主发酵室 2内新进物料上面，达到混合接种的效果；大量料液则从发酵装置底部的物料喷嘴20喷射出来，将底部沉积的物料重新与含有大量活性微生物的料液混合，促进有机物质的进一步降解转化，同时大量物料迅速排出，产生的巨大能量推动主发酵室2内的物料旋转流动，形成湍流混合，避免物料发生分层，达到物料充分混合均匀的效果(物料充分混合，温度随之均匀，物料与厌氧微生物充分接触)，促进有机物质的进一步降解转化。

该湍流混合过程根据发酵原料等工艺参数的不同，每天进行4～10次。

在现有发酵工艺中，由于缺乏足够的厌氧微生物，发酵物料很难彻底被消化降解；在本实施例中，在湍流混合过程中，含有大量活性厌氧微生物的料液通过长混料管13向上输送到主发酵室内的未发酵物料表面，并与含有丰富的易降解有机物充分接触，厌氧微生物迅速生长代谢，产生大量沼气。

本实施例可以在更短的停留时间内获得更高的沼气产量；在本实施例中，发酵原料必须按照设定的方式进行厌氧消化，在每次湍流混合的过程中将新鲜的秸秆、畜禽粪便等加入到主发酵室内。

在物料发酵过程中，由于不同物料的密度不同，秸秆等较轻的发酵原料会逐渐上升到顶部，如果料液长期处于静态则易产生浮渣或结壳。在本实施例中，混合发酵原料在主发酵室2内缓慢地向下移动，之后通过底部的物料喷嘴20 进入二级发酵3室中并缓慢向上移动，当到达二级发酵室3顶部时，可以通过出料管排出到发酵装置外。由于秸秆等高纤维素含量物料质量较轻，与同时进料的畜禽粪便等物料相比，移动速度更慢，在发酵室内的停留时间更长，产气潜力能够得到充分的发挥。

当不需要进行湍流混合时，通过控制盖7，打开排气管5，将产生的沼气输送到贮气柜或者用气单元。

本实施例中，在主发酵室内壁、二级发酵室外壁和发酵装置底部设置加热盘管16，发酵装置的外壁1具有保温隔热层，能够使温度缓慢升高到所需的发酵温度，最大程度的保留发酵原料中的微生物菌群，提高系统的生物效率，同时整个换热过程在发酵装置内部完成，能够大幅减少热损失。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上进行的改进，改进之处在于：二级发酵室 3的外壁上设有快速物料口15，用于连接主发酵室2和二级发酵室3，在进料的过程中，可以提高速度。

本发明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)

1.一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：包括发酵壳体，所述发酵壳体内设置有主发酵室和二级发酵室，所述主发酵室的有效容积大于所述二级发酵室的有效容积；所述二级发酵室设置于所述主发酵室的内侧，且高于所述主发酵室；所述主发酵室的的顶部设置有进料口，底部设置有排泥口；所述二级发酵室与所述主发酵室连通，所述二级发酵室的顶部设置有沼气排放控制装置和出料管。

2.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述主发酵室的下方设有物料喷嘴，用于与所述二级发酵室连通。

3.根据权利要求2所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述物料喷嘴设置有多个，所述物料喷嘴的料液进入和排出方向为沿所述二级发酵室外壁的切线方向。

4.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述二级发酵室的外壁上设有快速物料口，用于与所述主发酵室连通。

5.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述主发酵室的内壁、二级发酵室的外壁和发酵壳体的底部设置有加热盘管。

6.根据权利要求5所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述发酵壳体的外壁设置有保温隔热层。

7.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述沼气排放控制装置包括控制盖和排气管，所述控制盖和排气管均设置于所述二级发酵室的顶部。

8.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述主发酵室的顶部通过沼气管道与所述二级发酵室的顶部连通，所述沼气管道上设置有气动节流阀。

9.根据权利要求1所述的适合高浓度物料的双室厌氧发酵装置，其特征在于：所述二级发酵室内还设置有短混料管和长混料管，与所述主发酵室连通。

10.一种适合高浓度物料的双室厌氧发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将有机废弃物与接种污泥混合均匀后，每天定时按照固定的配比从进料管输送到主发酵室中，并进一步通过快速物料口和物料喷嘴进入到二级发酵室内；

2)主发酵室和二级发酵室的物料在适宜的温度和厌氧条件下发生厌氧消化作用，产生沼气，沼气管道上的气动节流阀、二级发酵室顶部的控制盖为关闭状态，沼气在主发酵室和二级发酵室的顶部不断积聚并压缩形成压力；

3)主发酵室内物料的沼气产生量大于二级发酵室，主发酵室和二级发酵室的沼气形成压力差，且随着时间的推移，压力差不断增大；

4)在压力差的作用下，不断推动主发酵室内的料液向下移动，料液通过物料喷嘴进入二级发酵室内，使得液面III逐渐上升，液面II不断下降；

5)当压力差达到预定表压时，沼气管道上的气动节流阀自动打开，高压沼气通过沼气管道从主发酵室中进入到二级发酵室内，推动二级发酵室内的料液下降，形成撕拉力和料液震荡，破坏料液顶部表层形成的浮渣层和结壳，最终达到压力均衡；

6)较小部分料液在压力作用下从短混料管喷射到主发酵室内新进物料上面，达到混合接种的效果；较大部分料液则从发酵壳体底部的物料喷嘴喷射出来，推动主发酵室内的物料旋转流动，形成湍流混合，避免了物料分层，同时由于物料排出，将底部沉积的物料重新与料液混合，促进有机物质的进一步降解转化；

7)在每次进行湍流混合过程中，将混合好的发酵原料从进料管中输送到主发酵室内；

8)当湍流混合发生时，料液通过长混料管向上输送到主发酵室内的新进物料表面，携带的活性厌氧微生物与新进物料中易降解有机物充分接触，厌氧微生物迅速生长代谢，产生沼气；

9)整个发酵过程中，混合物料在主发酵室内向下移动，之后通过底部的物料喷嘴进入二级发酵室中并向上移动，当到达顶部时通过出料管排出到发酵装置外；

10)当不需要进行湍流混合时，通过控制盖，打开排气管，将产生的沼气输送到贮气柜或者用气单元。

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