CN111170602A - 一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置及发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农业废弃物发酵处理技术领域，公开了一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置及发酵方法，该装置包括预处理系统、厌氧发酵系统和收集系统，预处理系统包括沉砂池、酸化水解池和调节计量池，厌氧发酵罐的搅拌棒上设有内部包裹有厌氧发酵菌的半透膜；本发明是通过设置酸碱度可控的酸化水解池和调节计量池，使得粪污在进入发酵池之前进行高效的预处理，厌氧发酵罐中的搅拌棒上连接有易于更换且内部有厌氧发酵菌的半透膜，同时PLC控制器的设置提高了装置的可控性和自动化特性，从而有效地提高了粪污的厌氧发酵效率，仪器操作可控性强。

Description

一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置及发酵方法
技术领域
本发明涉及农业废弃物发酵处理技术领域，具体是涉及一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置及发酵方法。
背景技术
近年来我国畜牧业的发展面临着严重的畜禽粪便污染的问题，破坏生态系统的平衡和污染环境，因此利用畜禽粪污的发酵制沼气成为了一个研究热点，厌氧发酵技术受到了广泛的关注。
专利号为CN201810548314.3的中国发明专利中公开了一种畜禽粪污发酵装置及发酵方法，该装置包括发酵罐、搅拌轴及驱动电机，能够对畜禽粪污中的重金属元素进行有效的去除，且能够对发酵罐进行不同程度的加热以提高发酵效率，但该装置直接在发酵罐中进行酸化，会影响发酵罐的使用寿命，同时预处理与发酵过程结合会导致发酵效率较低。
专利号为CN201721354354.1的中国实用新型专利中公开了一种畜禽粪污发酵装置，该装置包括箱体、菌种溶液配置箱和扇板，该装置设有手动搅拌式的菌种溶液配置箱，能够是菌种溶液混合均匀，设有带有粉碎锟的进料斗能够避免大块粪污堆积，能够减短发酵时间，但是该装置中的菌种溶液配置箱需要手动搅拌，且为固定装置，当菌种消耗完时需要手动加菌种，增加了人力成本，同时不能有效提高沼气产率。
目前我国的沼气工程大都存在忽略了预处理的过程，把重点均放在厌氧发酵过程中，又因为畜禽粪污成分复杂，导致发酵产的沼气产出率不高，且预处理过程不充分导致搅拌装置极易破损，寿命较短，增加了投资成本，因此亟需发展一种高效率的畜禽粪污厌氧发酵装置。
发明内容
本发明解决的技术问题在于加强对粪污的预处理，同时增大厌氧发酵菌与粪液的相互作用，提高畜禽粪污的厌氧发酵效率，从而提高沼气的产出效率和沼液沼渣的利用率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，包括预处理系统、厌氧发酵系统和收集系统，所述预处理系统包括依次连接的沉砂池、酸化水解池和调节计量池，所述酸化水解池和所述调节计量池的内部均安装有搅拌器及由PLC控制器集成连接的pH计和药剂盒，用于控制粪液的 pH；所述厌氧发酵系统包括连接至所述调节计量池中且用于使粪便发酵产生沼气的厌氧发酵罐，所述厌氧发酵罐的顶部上可拆卸连接有搅拌棒，所述搅拌棒侧边上可拆卸地设有多个能够以搅拌棒为轴进行旋转的搅拌叶片，所述搅拌叶片上可拆卸安装有内部包裹有厌氧发酵菌的半透膜；所述酸化水解池和所述厌氧发酵罐外部缠绕有能够对池体及罐体进行均匀加热的电阻丝，所述收集系统用于对沼气进行脱硫脱水后的储存和对沼渣沼液进行分离后的分开储存。
进一步地，所述搅拌叶片是由导热性能较好且表面光滑的金属丝缠绕成的矩形网，所述半透膜由以卡扣连接的形式镶嵌在所述搅拌叶片的表面，矩形网状结构使得搅拌叶片能够稳定连接在搅拌棒上，表面光滑有助于连接在搅拌叶片上的半透膜的更换。
进一步地，所述半透膜由赛璐玢制备而成的表皮层微孔孔径为0.6-0.9nm的半透膜，所述半透膜内装有浓度为0.01-0.1mM、pH约为7.0的磷酸盐缓冲溶液，能够与浓度较高的粪污溶液形成渗透压而使得粪污中的离子和小分子能够通过半透膜而禁止厌氧发酵菌和其他大分子通过，当厌氧菌达到其衰老期会濒临死亡，会降低厌氧发酵的效率，因此设置为禁止发酵菌进出的半透膜能够避免发酵菌进入罐中而难以清理的问题。
进一步地，所述酸化水解池中的药剂盒装有酸性试剂以促进有机物的酸化水解，所述调节计量池中的药剂盒装有含少量微量元素铁、锌、铜、钴的碱性试剂，为产甲烷菌提供适宜的酸碱度。
进一步地，所述半透膜的表面积小于所述搅拌叶片的面积时，所述半透膜以卡扣连接的形式镶嵌在所述搅拌叶片的表面；所述半透膜的表面积大于所述搅拌叶片的面积时，所述半透膜可以套接在所述搅拌叶片的外表面。
进一步地，所述酸化水解池中的药剂盒装有酸性试剂以促进有机物的酸化水解，所述调节计量池中的药剂盒装有含多种微量元素的碱性试剂，为产甲烷菌提供适宜的酸碱度。
进一步地，所述沉砂池顶部安装有粉碎机，所述沉砂池上部设有能够沿水平方向进行推拉以进出沉砂池的振动筛板，所述振动筛板由格栅板制成，所述沉砂池内侧壁上对称设有多个能够使得所述振动筛板进行不同程度倾斜的小定位块，所述沉砂池底部安装有能够沿着水平方向推拉的砂砾箱，所述砂砾箱由两个箱体套接组成，所述两个箱体能够沿着水平方向分别向左向右推拉，振动筛有助于将不易粉碎的大颗粒的砂石过滤出来，格栅可以提高振动筛筛除大砂砾的效率，同时能够利用网格进一步筛除大砂砾，减少装置的磨损，防止大砂砾进入调节池磨损搅拌器而减少搅拌器的寿命，两个箱体套接，能够保证在一个砂砾箱中砂砾装满时，能够及时将另一个砂砾箱从另一方向推入，而保证仪器运转的情况下能够快速更换砂砾箱，提高沉砂效率。
进一步地，所述调节计量池的出液口上安装有流量控制器，能够实现精准控制进入厌氧发酵罐中的粪污量，从而提高厌氧发酵效率。
进一步地，所述收集系统包括与所述厌氧发酵罐顶部沼气排出口连接的水封罐、汽水分离器、沼气脱硫罐、储气罐，以及与所述厌氧发酵罐底部残渣排出口连接的固液分离器，用于将残渣分离为沼渣、沼液，还包括分别与所述固液分离器相连的沼渣罐和沼液罐。
进一步地，所述酸化水解池中的药剂盒装有酸性试剂以促进有机物的酸化水解，所述调节计量池中的药剂盒装有含多种微量元素的碱性试剂，
进一步地，所述药剂盒内部均设有控制药物流出量的流量计和控制药物流出次数的脉冲控制仪。
进一步地，所述固液分离器为一种螺旋挤压式离心机，其主要包括入料口、螺旋送料器、脱水机、为所述螺旋送料器和脱水机提供动力的电机、固体出料口、液体排出口和底板。
进一步地，所述沼气脱硫罐是一种塔式干法脱硫装置，其内部设有棚板支架和放置脱硫剂的脱硫剂盒，该脱硫装置能够快速高效的取出沼气中的硫化物，且脱硫剂盒可以更换，使得装置的操作更加简单方便。
本发明的有益效果是：通过设置酸碱度可控的酸化水解池和调节计量池，使得粪污在进入发酵池之前进行高效的预处理，厌氧发酵罐中的搅拌棒上连接有易于更换且内部包裹有厌氧发酵菌的半透膜，通过半透膜禁止厌氧发酵菌和其他大分子通过，当厌氧菌达到衰老期会濒临死亡，会降低厌氧发酵的效率，因此设置为禁止发酵菌进出的半透膜能够避免发酵菌进入罐中而难以清理的问题；同时PLC控制器的设置提高了装置的可控性和自动化特性，从而有效地提高了粪污的厌氧发酵效率，仪器操作可控性强。
附图说明
图1是本发明装置中预处理系统及厌氧发酵系统的结构示意图；
图2是本发明装置中厌氧发酵系统及收集系统的结构示意图；
图3-a是本发明装置中搅拌叶片面积大于半透膜面积时二者连接的俯视图；
图3-b是本发明装置中搅拌叶片面积小于半透膜面积时二者连接的俯视图；
图4-a是本发明装置中搅拌叶片数量较少时发酵罐的结构示意图；
图4-b是本发明装置中搅拌叶片数量较多时发酵罐的结构示意图；
图5是本发明装置中沉砂池的结构示意图；
图6-a是本发明装置中沉砂池工作状态一的结构示意图；
图6-b是本发明装置中沉砂池工作状态二的结构示意图；
图7是本发明装置中固液分离器的结构示意图；
其中，11-沉砂池、111-振动筛、112-定位块、113-砂砾箱、12-酸化水解池、 121-搅拌器、122-PLC控制器、123-pH计、124-药剂盒、13-调节计量池、131- 流量控制器、14-粉碎机21-厌氧发酵罐、211-电阻丝、22-搅拌棒、221-搅拌叶片、 222-半透膜、31-固液分离器、311-入料口、312-螺旋送料器、313-脱水机、314- 电机、315-固体出料口、316-液体排出口、317-底板、32-水封罐、33-汽水分离罐、34-脱硫罐、35-储气罐、36-沼渣罐、37-沼液罐。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，包括预处理系统、厌氧发酵系统和收集系统，所述预处理系统包括依次连接的沉砂池11、酸化水解池12和调节计量池13，所述酸化水解池12和所述调节计量池13的内部均安装有搅拌器121及由PLC控制器122(购于台达电子企业管理(上海)有限公司)电性连接的pH计123(购于杭州联测自动化技术有限公司)和药剂盒124，用于控制粪液的pH，所述酸化水解池12和所述厌氧发酵罐21外部缠绕有能够对池体及罐体进行均匀加热的电阻丝211，所述收集系统用于对沼气进行脱硫脱水后的储存和对沼渣沼液进行分离后的分开储存，所述酸化水解池12中的药剂盒124装有酸性试剂以促进有机物的酸化水解，所述调节计量池13中的药剂盒124装有含少量微量元素铁、锌、铜、钴的碱性试剂，为产甲烷菌提供适宜的酸碱度，所述调节计量池13的出液口上安装有流量控制器131，所述厌氧发酵系统包括连接至所述调节计量池13中且用于使粪便发酵产生沼气的厌氧发酵罐21，所述搅拌叶片221上可拆卸安装有内部包裹有厌氧发酵菌的半透膜222(购于北京亚米生物科技有限公司)，所述半透膜222是由赛璐玢制备而成的表皮层微孔孔径为 0.9nm的半透膜，所述半透膜222内装有浓度为0.01mM、pH约为7.0的磷酸盐缓冲溶液，能够与浓度较高的粪污溶液形成渗透压而使得粪污中的离子和小分子能够通过半透膜而禁止厌氧发酵菌和其他大分子通过；如图2所示，所述收集系统包括与所述厌氧发酵罐21顶部沼气排出口连接的水封罐32、汽水分离器33、沼气脱硫罐34、储气罐35，以及与所述厌氧发酵罐21底部残渣排出口连接的固液分离器31，用于将残渣分离为沼渣、沼液，还包括分别与所述固液分离器31 相连的沼渣罐36和沼液罐37，所述沼气脱硫罐34是一种塔式干法脱硫装置；如图3-a所示，所述搅拌叶片221是由导热性能较好且表面光滑的金属丝缠绕成的矩形网，所述半透膜222是一种允许溶液进出而禁止微生物及细菌进出的半透膜，所述半透膜222的表面积略小于所述搅拌叶片221的面积，所述半透膜222 以卡扣连接的形式镶嵌在所述搅拌叶片221的外表面；如图4-a所示，所述厌氧发酵罐21的顶部上螺纹连接有搅拌棒22，所述搅拌棒22侧边上对称地螺纹连接有10个能够以搅拌棒22为轴进行旋转的搅拌叶片221，如图5所示，所述沉砂池11顶部安装有粉碎机14，所述沉砂池11上部设有能够沿水平方向进行推拉以进出沉砂池11的振动筛板111，所述振动筛板由格栅板制成，所述沉砂池 11内侧壁上对称设有多个能够使得所述振动筛板111进行不同程度倾斜的小定位块112；如图6所示，所述沉砂池11底部安装有能够沿着水平方向推拉的砂砾箱113，所述砂砾箱113由两个箱体套接组成，所述两个箱体能够沿着水平方向分别向左向右推拉，如图6-a所示，当砂石过多，内部的小砂砾箱充满时，将小砂砾箱从沉砂池的右侧拉出，此时大砂砾箱开始工作，当大砂砾箱填满时，如图6-b所示，将小砂砾箱从右侧缓慢推入，从而使得大砂砾箱在左侧被缓慢推出，从而实现不影响沉砂过程的前提下更换盛满砂砾的砂砾箱；如图7所示，所述固液分离器31为一种螺旋挤压式离心机，其主要包括入料口311、螺旋送料器312、脱水机313、为所述螺旋送料器312(购于曲阜市海晟机械设备有限公司)和脱水机313(购于江苏华克莱环保科技有限公司)提供动力的电机314(购于辽宁电机集团山电电机有限公司)、固体出料口315、液体排出口316和底板317。
实施例二
实施例二与实施例一除以下内容外均相同：
如图3-b所示，所述半透膜222的表面积略大于所述搅拌叶片221的面积，所述半透膜222以套接在所述搅拌叶片221的外表面。
实施例三
实施例三与实施例一除以下内容外均相同：
如图4-b所示，所述搅拌棒22侧边上对称地螺纹连接有2个能够以搅拌棒 22为轴进行旋转的搅拌叶片221，该搅拌叶片221的长度略小于厌氧发酵罐21 的高度。
实施例四
实施例四与实施例一除以下内容外均相同：
所述半透膜222内装有浓度为0.1mM、pH约为7.0的磷酸盐缓冲溶液，半透膜222是由赛璐玢制备而成的表皮层微孔孔径为0.6nm的半透膜。
实施例五
实施例五与实施例一除以下内容外均相同：
所述半透膜222内装有浓度为0.05mM、pH约为7.0的磷酸盐缓冲溶液。
利用所述的畜禽粪污高效厌氧发酵装置进行畜禽粪污厌氧发酵的方法，包括以下步骤：
(a)通过粉碎机14将畜禽粪污粉碎后进入沉砂池11中进行沉砂，通过沉砂池11中的可拆卸的振动筛板111和可替代更换的砂砾箱113将砂石过滤，沉砂之后的粪污通过抽滤泵进入酸化水解池12中；
(b)酸化水解池12中的pH计123对粪污的酸度进行测定并将信号传输至 PLC控制器122，当PLC控制器125接收到的数值在大于4时，PLC控制器 125会控制酸性试剂盒124释放酸性药品以使有机酯类达到充分水解；水解后的粪液会进入调节计量池13中，PLC控制器122会控制碱性试剂盒124释放碱性药品以中和粪污的酸性，使之达到产甲烷菌的适宜pH范围6.5-7.5，随后将该粪液在流量调节阀131的控制下输入至厌氧发酵罐21中进行厌氧发酵；
(c)粪液进入厌氧发酵罐21中，与所述搅拌棒22上半透膜222内的低浓度溶液形成渗透压而使得粪污中的离子和小分子穿过半透膜222，并与其内包裹的厌氧发酵菌发生相互作用，发酵过程中产生的沼气、沼液和沼渣进入收集系统进行处理收集。
沼气产出率的检测：
以本发明的实施例一作为实验组，并设置三个对比组，分别为：
对比组1：在本发明装置中，将沉砂池底部的可更换的砂砾箱去除，替换为常用的砂砾箱；
对比组2：在本发明装置中，将半透膜去除，替换为常用的的搅拌器进行搅拌，并直接将厌氧发酵菌添加进厌氧发酵罐中进行畜禽粪污的厌氧发酵；
对比3：在本发明装置中，将沉砂池底部的可更换的砂砾箱去除，替换为常用的砂砾箱，同时将半透膜去除，替换为常用的的搅拌器；
使用以上装置分别进行其他条件均形同的畜禽粪污的厌氧发酵处理过程，每个处理过程做5次，记录其平均数值，测得沼气平均产出率和对应的平均甲烷含量见下表1：
表1沼气产出率及甲烷含量检测结果
序号 沼气产气率(L/g VS) 甲烷含量(％)
对比组1 0.357 58.5
对比组2 0.405 66.8
对比组3 0.311 55.4
实验组 0.577 70.3
由表1得出的结论是：本发明的厌氧发酵系统相对于对比组沼气产气率提高了0.172-0.266L/g VS，甲烷含量提高了3.5％-14.9％，说明在本系统中半透膜起到了关键的作用。

Claims (8)

1.一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，包括预处理系统、厌氧发酵系统和收集系统，其特征在于：所述预处理系统包括依次连接的沉砂池(11)、酸化水解池(12)和调节计量池(13)，所述酸化水解池(12)和所述调节计量池(13)的内部均安装有搅拌器(121)及由PLC控制器(122)电性连接的pH计(123)和药剂盒(124)，用于控制粪液的pH；所述厌氧发酵系统包括连接至所述调节计量池(13)中且用于使粪便发酵产生沼气的厌氧发酵罐(21)，所述厌氧发酵罐(21)的顶部上可拆卸连接有搅拌棒(22)，所述搅拌棒(22)侧边上可拆卸地设有多个能够以搅拌棒(22)为轴进行旋转的搅拌叶片(221)，所述搅拌叶片(221)上可拆卸安装有内部包裹有厌氧发酵菌的半透膜(222)；所述酸化水解池(12)和所述厌氧发酵罐(21)外部缠绕有能够对池体及罐体进行均匀加热的电阻丝(211)，所述收集系统用于对沼气进行脱硫脱水后的储存和对沼渣沼液进行分离后的分开储存。
2.如权利要求1所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述搅拌叶片(221)是由具有导热性且表面光滑的金属丝缠绕成的矩形网，所述半透膜(222)以卡扣连接的形式镶嵌在所述搅拌叶片(221)的表面。
3.如权利要求1或2任意一项所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述半透膜(222)由赛璐玢制备而成的表皮层微孔孔径为0.6-0.9nm的半透膜，所述半透膜(222)内装有浓度为0.01-0.1mM、pH为7.0的磷酸盐缓冲溶液。
4.如权利要求1所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述酸化水解池(12)中的药剂盒(124)装有酸性试剂以促进有机物的酸化水解，所述调节计量池(13)中的药剂盒(124)装有含微量元素铁、锌、铜、钴的碱性试剂，为产甲烷菌提供适宜的酸碱度。
5.如权利要求1所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述沉砂池(11)顶部安装有粉碎机(14)，所述沉砂池(11)上部设有能够沿水平方向进行推拉以进出沉砂池(11)的振动筛板(111)，所述沉砂池(11)内侧壁上对称设有多个能够使得所述振动筛板(111)进行不同程度倾斜的小定位块(112)，所述沉砂池(11)底部安装有能够沿着水平方向推拉的砂砾箱(113)，所述砂砾箱(113)由两个箱体套接组成，所述两个箱体能够沿着水平方向分别向左向右推拉。
6.如权利要求1～2、4～5任意一项所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述调节计量池(13)的出液口上安装有流量控制器(131)。
7.如权利要求6所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置，其特征在于：所述收集系统包括与所述厌氧发酵罐(21)顶部沼气排出口连接的水封罐(32)、汽水分离器(33)、沼气脱硫罐(34)、储气罐(35)，以及与所述厌氧发酵罐(21)底部残渣排出口连接的固液分离器(31)，用于将残渣分离为沼渣、沼液，还包括分别与所述固液分离器(31)相连的沼渣罐(36)和沼液罐(37)。
8.利用权利要求1所述的一种畜禽粪污高效厌氧发酵装置进行畜禽粪污厌氧发酵的方法，其特征在于：
(a)通过粉碎机(14)将畜禽粪污粉碎后进入沉砂池(11)中进行沉砂，通过沉砂池(11)中的可拆卸的振动筛板(111)和可替代更换的砂砾箱(113)将砂石过滤，沉砂之后的粪污通过抽滤泵进入酸化水解池(12)中；
(b)酸化水解池(12)中的pH计(123)对粪污的酸度进行测定并将信号传输至PLC控制器(122)，当PLC控制器(125)接收到的数值在大于4时，PLC控制器(125)会控制酸性试剂盒(124)释放酸性药品以使有机酯类达到充分水解；水解后的粪液会进入调节计量池(13)中，PLC控制器(122)会控制碱性试剂盒(124)释放碱性药品以中和粪污的酸性，使之达到产甲烷菌的适宜pH范围6.5-7.5，随后将该粪液在流量调节阀(131)的控制下输入至厌氧发酵罐(21)中进行厌氧发酵；
(c)粪液进入厌氧发酵罐(21)中，与所述搅拌棒(22)上半透膜(222)内的低浓度溶液形成渗透压而使得粪污中的离子和小分子穿过半透膜(222)，并与其内包裹的厌氧发酵菌发生相互作用，发酵过程中产生的沼气、沼液和沼渣进入收集系统进行处理收集。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114560609A (zh) * 2022-03-31 2022-05-31 石门安溪茶业有限责任公司 一种农牧场养殖用的牲畜粪料无氧发酵加工方法

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