CN112342124A

CN112342124A - 一种干-半干-湿法协同生产沼气装置及运行方法

Info

Publication number: CN112342124A
Application number: CN202011584371.0A
Authority: CN
Inventors: 赵立欣; 于佳动; 姚宗路; 罗娟
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-02-09

Abstract

一种干‑半干‑湿法协同生产沼气装置，箱体内设有酸化‑厌氧湿发酵反应器，其上部为快速酸化反应区，下部为湿法发酵反应区，两者之间通过隔板隔离，液压伸缩管控制隔板的开合；沼液储存罐和湿发酵反应区连通，另一侧通过管道及其上安装的蠕动泵和快速酸化反应区上部连通且该管道的端头设有喷淋头。该生产沼气装置的运行方法，每隔28天进行一次喷淋接种，在厌氧条件下进行2天的干发酵酸化反应后，在微好氧条件下，在喷淋液中浸泡2天进行半干发酵酸化反应，再打开隔板，产生沼液流入下部湿法发酵反应区完成周期为24天的干‑湿耦合产沼气发酵。本发明干‑半干‑湿法协同生产沼气的设置，更加有利于传质传热，促进物质转化效率，最终提高甲烷产量。

Description

一种干-半干-湿法协同生产沼气装置及运行方法

技术领域

本发明属于生物质能源技术应用领域，特别涉及一种干-半干-湿法协同生产沼气装置及运行方法。

背景技术

随着农村生活水平的提高，农村生产生活产生的有机废弃物产生量每年以8%~10%的速度增长，同时具有基数大、种类多、成分复杂等特点。传统的沼气工程处理农业农村有机废弃物时，原料适用性不强，经常引起产气抑制，在工程运行方面也存在厌氧的酸化环境易引起酸化产物对水解反应的抑制，限制底物的进一步转化，发酵条件仍需要进一步优化；厌氧发酵的酸化阶段与产甲烷阶段两相独立操作，需要设备多、能耗高，影响工程连续运行效率。厌氧发酵作为处理大量农业农村废弃物高值高效利用的一项重要技术，其主要包括干式厌氧发酵和湿式厌氧发酵。干式厌氧发酵适用于处理含固率较高（TS>20%）的有机废弃物，具有产气率高、节约用水、成本低以及运行简单等优点，但由于底物难于搅拌，传质、传热困难也会影响系统的产气效率；湿式厌氧发酵常用于处理餐厨垃圾和活性污泥等含水率较高（TS<10%）、流动性强的有机废物，虽然传质均匀且发酵系统具有良好的启动性能，但湿法厌氧发酵技术会产生大量的沼液，若处理不当，易造成二次污染，对环境产生较大的危害。鉴于传统厌氧发酵具有突出的弱点，若将湿法厌氧发酵的沼液用于酸化反应的喷淋，既沼液减量显著，并且提高了酸化阶段的有机酸含量，同时酸化阶段结束的沼液可作为湿法厌氧发酵的原料进一步转化，快速酸化-产沼气发酵一体化可以有效解决湿法厌氧发酵沼液消纳不足，传统厌氧发酵产酸抑制的问题。

另外，沼渣是沼气生产过程中重要的堆肥发酵底物，传统的厌氧发酵产气与好氧堆肥生产有机肥通常在分开的装置进行，有独立的厌氧发酵和好氧发酵区，占地面积较大，而且，原料转运费时费力效率较低，人工管理难度大。因此，急需开发一种适合在规模化沼气工程应用的协同处理乡村生产生活废弃物的干湿耦合-气肥联产一体化装置并创新配套运行方法来解决现有沼气工程中存在的突出问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，可以有效解决湿法厌氧发酵沼液消纳不足，传统厌氧发酵产酸抑制的问题。

本发明的目的之二是提供一种干-半干-湿法协同生产沼气装置的运行工艺，解决针对混合原料酸化过程有机酸含量较低、易发生反馈抑制，湿法厌氧发酵沼液产沼气效率低等问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，包括箱体，该箱体内设有酸化-厌氧湿发酵反应器，其上部为快速酸化反应区，下部为湿法发酵反应区，两者之间通过隔板隔离，隔板下端面和反应器内壁之间安装有液压伸缩杆，该液压伸缩管和外接液压泵连接而控制隔板的开合；沼液储存罐一侧和湿发酵反应区底部通过管道连通，另一侧通过管道及其上安装的蠕动泵和快速酸化反应区上部连通且该管道的端头设有喷淋头；所述快速酸化反应区和湿发酵反应区的上部通过管道均和储气罐连通；各管道上均设有开关阀。

所述隔板上方设置有渗滤网。

所述箱体带有进料门，门框上安装充气密封圈，该充气密封圈通过管道和外设风机连接，该管道上设有开关阀。

所述酸化-厌氧湿发酵反应器的外壁上设有保温层。

一种干-半干-湿法协同生产沼气装置的运行方法，每隔28天进行一次喷淋接种，每次喷淋接种前在沼液储存罐内添加营养元素，该营养元素主要为氯化铵及少量有助于产甲烷菌产气的微量元素；每次喷淋结束后，在厌氧条件下进行2天的干发酵酸化反应后，通过开关阀调节充气密封圈，使物料在微好氧条件下，在喷淋液中浸泡2天进行半干发酵酸化反应，物料在快速酸化反应区共停留4天；再通过液压伸缩管打开隔板，使其向下运动与水平线呈角度打开，使快速酸化结束后产生的沼液作为原料透过渗滤网并顺着隔板流入下部湿法发酵反应区；进入湿法发酵反应区完成周期为24天的干-湿耦合产沼气发酵；在干-湿耦合产沼气发酵过程中每隔6h喷淋一次，每次喷淋量按照厌氧发酵时间每6天依次递减，按照物料重量的70%、50%、30%、10%递减；此时的隔板是打开的，喷淋液体落在物料上沿着物料缝隙和隔板渗滤到湿法发酵反应区实现干-半干-湿法协同生产沼气的连续进行。

本发明的干-半干-湿法协同生产沼气工艺是酸化反应与湿法厌氧发酵两种工艺相结合，取长补短。农业农村有机废物主要包括秸秆、畜禽粪污和生活垃圾三大类，三种物料性质互补，可将C/N调节至适宜范围，平衡营养物质，按照确定比例将其混合厌氧发酵能显著提高产气效率、缩短发酵周期。用小推车直接将按照确定配比混合均匀的底物推入反应器酸化反应区内，通过风机将充气密封圈充满后关闭进料门，形成严格的厌氧环境，反应开始前先在沼液储罐内添加一定量的营养元素，有效维持产酸过程中微生物的营养平衡、提高微生物的耐酸能力、建立良好的缓冲体系，加强沼液中有机酸含量，对物料进行喷淋接种，反应结束后通过阀门将充气密封圈放气，为酸化反应区创造微好氧条件，并保持物料在沼液中浸泡1天，使物料间歇微好氧调节快速酸化并与湿法厌氧发酵建立沼液接种循环，构建沼液闭合回路；反应结束后，打开密封隔板，实现沼液进入湿法厌氧发酵反应区，实现快速酸化与湿法厌氧发酵在同一反应区进行，提高沼液利用效率，节省人力，并有效提高产气效率。最终实现快速酸化-产沼气发酵一体化运行，高效利用富含高有机酸含量的沼液，有效解决农业农村有机废弃物沼液产量大、产气效率低等问题。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明充气密封圈的结构示意图

图3为并本发明隔板关闭状态示意图；

图4并本发明隔板打开状态示意图为。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示，一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，包括箱体，该箱体内设有酸化-厌氧湿发酵反应器14，其上部为快速酸化反应区，下部为湿发酵反应区，两者之间通过隔板6密封隔离，隔板与反应器内壁间的液压伸缩杆18控制隔板6的开合；沼液储存罐16一侧和湿发酵反应区9通过管道连通，另一侧通过管道及其上安装的蠕动泵10和酸化反应区上部连通且该管道的端头设有喷淋头3；所述快速酸化反应区4和湿发酵反应区9的上部通过管道和储气罐11连通；各管道上进均设有开关阀。图1中标号1、2、7、8、13、15均为开关阀。

所述隔板6上方设置有渗滤网5，固体物料被渗滤网5截留，液体物料作为湿发酵反应原料进入湿发酵反应区进一步反应。

所述箱体带有进料门，门框上安装充气密封圈17，该充气密封圈17通过管道和风机12连接，管道上设有开关阀13。通过充气密封圈17中的充气量的控制，使反应器中达到微好氧条件，实现快速酸化的目的。当充气量未达极限时，反应器处于不完全密封状态，为体系创造微好氧条件，通过监测氧化还原电位来具体调节微好氧环境。

所述酸化-厌氧湿发酵反应器14的外壁上设有保温层，通过水浴加热维持保证反应体系的温度。

一种快速酸化-产沼气发酵一体化装置的运行工艺，每隔28天进行一次喷淋接种，每次喷淋接种前在沼液储存罐16内添加营养元素，该营养元素主要为氯化铵及少量有助于产甲烷菌产气的微量元素，氯化铵作为外加氮源维持体系中氨氮在800-1500mg/L；微量元素主要为零价铁。每次喷淋结束后，在厌氧条件下进行2天的干发酵酸化反应（此时物料未被喷淋液浸泡，物料的含固率约25~30%；）后，通过开关阀调节充气密封圈17，使物料在微好氧，氧化还原电位在-230~ -330mV条件下在沼液中浸泡2天，进行半干发酵酸化（此时物料的含固率约为10~15%，）。物料在快速酸化反应区共停留4天，再通过液压伸缩管18打开隔板6，使其向下运动与水平线呈角度打开，滤液透过渗滤网并顺着隔板6流入下部含固率为4~6%的湿发酵反应区；进入湿发酵反应区完成周期为24天的干-湿耦合产沼气发酵；在干-湿耦合产沼气发酵过程中每隔6h喷淋一次，每次喷淋量按照厌氧发酵时间每6天依次递减，按照物料重量的70%、50%、30%、10%递减；此时的隔板6是打开的，喷淋液体落在物料上沿着物料缝隙和隔板渗滤到湿法发酵反应区实现干-半干-湿法协同生产沼气的连续进行。

本发明从物料含固率的角度形成了非浸泡状态下的干法发酵，浸泡状态下的半干法发酵，筛网下面还是湿法厌氧发酵，这种设计更加有利于传质传热，促进物质转化效率，最终提高甲烷产量。

本发明的工作过程：采用秸秆、家养畜禽粪污以及生活垃圾等农业农村有机废弃物为原料，在实验启动前，为实现快速酸化，先使隔板6处于关闭状态，完成第一次喷淋后，物料完成酸化反应2天后，再将物料继续浸泡在产生的沼液中反应2天，产生的沼气进入储气罐11，产生的沼液在打开隔板6后，通过隔板上方的滤网流入厌氧湿发酵反应区内作为厌氧湿发酵的原料，固体物料留在反应器上部，产生的沼气进入储气罐11，厌氧湿发酵周期为24天，产生的沼液进入沼液储存罐内16，通过向沼液储存罐16内添加营养元素等，维持产酸过程中微生物的营养平衡、提高微生物的耐酸能力，驯化出抗逆性强的产酸微生物，同时提高整个反应体系缓冲能力，实现快速酸化过程。如此循环完成快速酸化、厌氧湿发酵产气。

Claims

1.一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，包括箱体，其特征在于，该箱体内设有酸化-厌氧湿发酵反应器（14），其上部为快速酸化反应区（4），下部为湿法发酵反应区（9），两者之间通过隔板（6）隔离，隔板（6）下端面和反应器（14）内壁之间安装有液压伸缩杆（18），该液压伸缩管（18）和外接液压泵连接而控制隔板（6）的开合；沼液储存罐（16）一侧和湿发酵反应区底部通过管道连通，另一侧通过管道及其上安装的蠕动泵和快速酸化反应区上部连通且该管道的端头设有喷淋头（3）；所述快速酸化反应区（4）和湿发酵反应区（9）的上部通过管道均和储气罐（11）连通；各管道上均设有开关阀。

2.根据权利要求1所述的一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，其特征在于，所述隔板（6）上方设置有渗滤网（5）。

3.根据权利要求1所述的一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，其特征在于，所述箱体带有进料门，门框上安装充气密封圈（17），该充气密封圈（17）通过管道和外设风机（12）连接，该管道上设有开关阀。

4.根据权利要求1所述的一种干-半干-湿法协同生产沼气装置，其特征在于，所述酸化-厌氧湿发酵反应器（14）的外壁上设有保温层。

5.一种包括权利要求1所述的干-半干-湿法协同生产沼气装置的运行工艺，其特征在于，每隔28天进行一次喷淋接种，每次喷淋接种前在沼液储存罐（16）内添加营养元素，该营养元素主要为氯化铵及少量有助于产甲烷菌产气的微量元素；每次喷淋结束后，在厌氧条件下进行2天的干发酵酸化反应后，通过开关阀调节充气密封圈（17），使物料在微好氧条件下，在喷淋液中浸泡2天进行半干发酵酸化反应，物料在快速酸化反应区共停留4天；再通过液压伸缩管（18）打开隔板（6），使其向下运动与水平线呈角度打开，使快速酸化结束后产生的沼液作为原料透过渗滤网并顺着隔板（6）流入下部湿法发酵反应区（9）；进入湿法发酵反应区完成周期为24天的干-湿耦合产沼气发酵；在干-湿耦合产沼气发酵过程中每隔6h喷淋一次，每次喷淋量按照厌氧发酵时间每6天依次递减，按照物料重量的70%、50%、30%、10%递减；此时的隔板（6）是打开的，喷淋液体落在物料上沿着物料缝隙和隔板渗滤到湿法发酵反应区实现干-半干-湿法协同生产沼气的连续进行。