CN112662528A - 一种四级两相沼气发酵装置及发酵方法 - Google Patents

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    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Abstract

本发明公开了一种四级两相沼气发酵装置及发酵方法,涉及厌氧发酵制取沼气技术领域,发酵装置包括2个产酸相反应器和2个产甲烷反应器,反应器层叠间隔相连,通过固定装置固定,连接处设置筛网或泵,反应器均包括罐体,罐体的侧壁两端相对位置分别设有两个出气/出料口,通过软管外接阀门,上方设置温度感应装置,另一端设有进料口,外侧设有保温套。发酵方法为在不同反应器放入不同底物,通过控制接种物和底物比例形成产酸或产甲烷状态,并在到达反应周期后反转反应器,使发酵液反向滴流。本发明结构简单、操作简便、运行成本低、能源消耗少、占地面积小、能够对生物质废弃物进行高效沼气发酵的发酵装置及发酵方法。

Description

一种四级两相沼气发酵装置及发酵方法
技术领域
本发明涉及厌氧发酵制取沼气技术领域,尤其涉及一种四级两相沼气发酵装置及发酵方法。
背景技术
随着世界人口规模剧增,人类对能源的需求逐年增加。同样,我国能源资源紧缺现象日益加剧,生态环境问题也日益突出。农业生物质能源是可再生能源的重要组成部分,对解决能源和生态环境问题起到积极作用。我国是农业生物质资源大国,农业生物质能源具有替代化石能源的潜在效益和应用前景。运用生物转化对农业生物质进行厌氧消化处理,不仅可以产生清洁沼气能源,还可以利用产生的沼渣和沼液加工有机肥料。沼气是一种重要的可再生能源,它的生产是在缺氧的条件下,利用产酸菌群和产甲烷菌群的生理代谢功能,对生物质有机底物进行微生物分解转化。
目前,多数沼气发酵工程采用单相厌氧发酵产沼工艺,也即将接种物与底物直接混合倒入发酵罐中进行厌氧发酵。单相厌氧发酵工艺中,水解产酸阶段和产甲烷阶段处于同一反应器中,处理农业生物质时,在处理效率、产气效率、产气品质、启动时间、缓冲能力、有机负荷、容积产气率、系统酸化等方面仍有很多提升空间。例如,单相发酵工艺往往由于冲击负荷或环境条件的变化使得反应器内氢分压增加,从而引起丙酸积累导致系统酸化和沼气发酵失败。
两相厌氧发酵工艺将水解发酵产氢阶段作为产酸相,将产甲烷阶段作为产甲烷相,采用两个串联的反应器分别进行发酵,分别为产酸菌和产甲烷菌提供最适的生长代谢条件,使其能够各自发挥最大活性。两相厌氧发酵工艺中,水解酸化单元和产甲烷单元的串联通过两个反应器之间的中间转换器进行连接。中间转换器的主要作用在于连接产氢反应器和产甲烷反应器,达到产氢产甲烷耦合,使消耗氢源后的废水原料顺利到达产甲烷反应器的同时分离原料内的沉降物,避免产甲烷反应器进料堵塞等问题。两相分离后,各相分工比较明确,产酸相为产甲烷相做了前处理,不仅为下游产甲烷菌提供了更适宜的基质,创造了产甲烷菌适宜的厌氧环境,产酸相还能有效去除氢分压,为产甲烷相降低或清除抑制性物质,增强产甲烷相的稳定性和系统处理效率。
但是,两相发酵反应器通过中间转换器连接两个反应器,占地面积较大,建设和运行成本较高;产酸和产甲烷的底料与接种物的接触面积较小,产酸相产氢较多,降低了产甲烷相对氢的利用效率,降低了产沼气潜力,导致原料生物转化率低、产气品质差等问题;中间转换器工作需要能源输入,不经济不环保。同时,两相厌氧消化工艺也在一定程度上打破某些微生物种群间的互养关系,造成两级反应器之间不匹配和不稳定,且由于有毒物质的累积等原因,均存在长期运行后微生物多样性下降,系统易失稳现象,造成长期发酵运行失败。
因此,本领域的技术人员致力于开发一种结构简单、操作简便、运行成本低、能源消耗少、占地面积小、能够对生物质废弃物进行高效沼气发酵的发酵装置及发酵方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷,本发明所要解决的技术问题是装置占地面积大,投资相对较高,发酵工艺速度慢、微生物繁殖速率低、发酵周期长,发酵高氮含量原料(如畜禽粪便),易在经历较长运行时间后,由于有毒物质积累等问题使反应器酸败,发酵系统不稳定,造成长期发酵运行失败,产沼气效率低,最终产生的沼液沼渣具有很高的剩余有机物含量,直接排放易产生二次污染,传统秸秆两相厌氧发酵系统中,产酸相产氢较多,降低了产甲烷相对氢的利用效率,降低了产沼气潜力,导致原料生物转化率低、产气品质差等问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种四级两相沼气发酵装置,包括2个产酸相反应器和2个产甲烷反应器,所述产酸相反应器和产甲烷反应器层叠间隔相连,通过固定装置固定,连接处设置筛网或泵,所述产酸相反应器和产甲烷反应器均包括罐体,所述罐体的侧壁两端相对位置的上下两端分别设有两个出气/出料口,另一端设有进料口,所述出气/出料口通过软管外接阀门,上方设置温度感应装置,所述罐体外侧设有保温套。
进一步地,所述固定装置为法兰。
进一步地,所述法兰设有硅胶垫圈,增加腔室间的气密性。
进一步地,所述筛网为100-200目的具有支撑力的金属筛网。
进一步地,所述保温套为循环水浴夹套或气浴夹套。
进一步地,所述温度感应装置为温度探头或者温度计或者电子控温装置。
一种四级两相沼气发酵装置的发酵方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、将含C元素较高的生物质废弃物放入所述产酸相反应器作为底物,将含N元素较高的生物质废弃物放入所述产甲烷反应器作为底物。产酸相接种物和底物的挥发性固体物之比I/S为0.1-0.5,产甲烷相的I/S比为0.2-1,有机负荷>60g·VS/L,控制发酵温度范围;步骤2、设置反应时间周期,到所述反应时间周期时关闭所述出气/出料口,进行所述反应器的翻转,使发酵液反向滴流,翻转后打开位于所述罐体上端的出气/出料口,实现出气功能。
进一步地,所述含C元素较高的生物质废弃物为固含量>80%的植物茎秆类生物质废弃物,含N元素较高的生物质废弃物为固含量>60%畜禽粪便类原料。
进一步地,所述发酵温度范围为32-38℃。
进一步地,所述反应时间周期为1-10天。
本发明的技术效果如下:
1)本发明通过对工艺的改进在实现两相分离,消除产酸、产甲烷微生物二者之间制约作用的基础上,增强二者之间的协同、互补作用;通过相互连通的反应腔室和翻转操作,使发酵料液周期性往复流动,消除水解酸化相中有机酸的积累,并为产甲烷相提供足够的有机酸底物,实现和产酸-产甲烷完整发酵过程,有效地提高了反应速率和容积产气率,增加了微生物多样性和系统稳定性;
2)本发明综合了两相发酵和共发酵的优点,通过在两相体系中分别采用不同特性的原料,实现共发酵作用,有效平衡营养物质的同时稀释毒性物质,从而最大限度地利用反应底物;
3)本发明改进反应装置结构,采用叠加串联结构,在同一反应器内既实现了两相分离,又实现了发酵过程的合二为一,反应器结构紧凑,便于安装维护,有效减少了占地面积。同时,通过四级的方式在原有两相的两级增加至四级,同时进行两个两相反应,提高了反应容量;
4)本发明创造的发酵罐分层结构,可以通过改变在不同层级的投料量,增强反应器对于外界条件变化的抗冲击能力,分散反应器运行失败风险,提升了发酵系统的可控性;
5)本发明四级两相沼气发酵工艺平衡了秸秆类原料和粪便类原料在发酵速率上的差异,系统总体发酵启动快,能马上投入生产,运行稳定后气体甲烷产量含量较高;
6)本发明所涉及的四级两相工艺中,不需要进行稀释,解决了传统厌氧处理耗水量大的问题,实现沼液浓缩,减少沼液的排放量,有效地减轻沼气工程的后续处理负荷;且不需要连接产酸相和产甲烷相的中间转换器,并采用中温发酵,上述措施均能减小能源消耗,有助于实现生物质发酵的环境效益;
7)本发明通过四级两相工艺的发酵液滴流作用,解决了秸秆发酵时的浮渣问题,提高了发酵原料的利用率;
8)通过控制接种比例,控制各级反应器反应条件,实现产酸和产甲烷的分离。其中产酸相的控制在于减少接种物的量,从而增大了原料投放量,增加了池容产气率,解决传统厌氧发酵接种物量大导致池容产气率不高的问题。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明,以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的四级两相沼气发酵装置示意图;
其中1—罐体;2—出气/出料口;3—进料口;4—滤网;5—阀门;6—螺母;7—水浴保温夹套;8—进/出水口。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例,使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现,本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中,结构相同的部件以相同数字标号表示,各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的,本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰,附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
实施例1
如图1所示,是本发明的一个较佳实施例的四级两相沼气发酵装置示意图,2个产酸相的水解酸化反应器和2个产甲烷反应器以层叠加串联方式交替相连,组成四级,即产酸-产甲烷-产酸-产甲烷腔室,各反应腔室之间采用可供发酵液流动的筛网4进行分隔,并采用法兰结构用螺母6进行密封固定,法兰结构中使用硅胶垫圈增加腔室间的气密性,筛网4采用100-200目的具有支撑力的金属筛网。每个反应器都包括罐体1,罐体1的侧壁两端相对位置分别留有两个出气/出料口2,罐体1侧壁一端留有进料口3。在罐体与罐体之间的连接处有便于发酵液流动的筛网4。出气/进料口2分别通过软管外接阀门5,用于反应器上下颠倒过程中控制气体和发酵液进出状态。每个反应器有水浴保温夹套7,保温夹套7侧壁上下两端采用两个进水/出水口8,且开口方向相反。每层发酵腔室另设进料口3,位于腔室一端的侧壁,用于反应器进料和大规模出料;发酵过程中,进料口3一直使用橡胶塞封闭。每个反应腔室外面均包裹循环水浴夹套,使用循环水加热维持各腔室的发酵温度。
操作过程中,每次反应器翻转之后,交替使用出气/出料口2的出气和出料功能。反应器开始工作时,位于腔室下方的出气/出料口2关闭,位于腔室上方的出气/出料口2打开行使出气功能,在翻转反应器后打开阀门5,气体通过阀门5后端的软管流入沼气收集气袋或其他收集装置中。一个发酵周期结束后关闭出气/出料口2,关闭循环水浴,使反应器发生180°颠倒翻转后,打开位于腔室下方的出气/出料口2行使出料功能,只在出料时打开阀门5。打开循环水浴并使水流反向流动,于此同时,产酸腔室发酵液反向流淌至产甲烷腔室,而产甲烷腔室发酵液反向流入下一级产酸腔室。通过发酵液自然流出或通过其他吸取发酵液的辅助工具(如注射器、吸液球等)采集发酵液进行分析检测。
在上述设备,通过每一个发酵周期后的反应器倒置,实现发酵液的往返流动。产酸腔室的酸化液流入产甲烷腔室中,实现有机酸的去除和沼气生产;产甲烷室发酵液流入产酸室,实现对酸化腔室的再接种。在批式发酵过程中,经过几次颠倒后,各相之间差异逐渐变小;在连续发酵体系中,可通过在产酸腔室中添加原料使反应连续运行。
操作四级两相沼气发酵装置时,首先将含C元素较高的植物茎秆类生物质废弃物(固含量(TS)>80%)放入产酸相反应器,将含N元素较高的畜禽粪便类原料
(TS>60%)放入产甲烷相反应器。产酸相接种物和底物的挥发性固体物(VS)之比(I/S)为0.1-0.5,产甲烷相的I/S比为0.2-1,有机负荷>60g·VS/L。控制发酵温度范围32-38℃。发酵过程中,上层发酵相产出的发酵料液依靠重力自然滴流至下一层发酵相中,也即产酸相产出的水解酸化液依靠重力自然滴流至产甲烷相,产甲烷相中的发酵料液滴流至产酸相。在设置的时间周期(1-10天)关闭所有的出气/出料口2,进行反应器的翻转,使发酵液反向滴流,也即原先接受产甲烷相发酵液的产酸相向相反方向的产甲烷相滴流发酵液,原先接受产酸相发酵液的产甲烷相向相反方向的产酸相滴流发酵液。翻转后,打开各腔室上方的出气/出料口5,实现出气功能。
实施例2
接种物、牛粪和稻秆取自浙江省某生态牧业有限公司的1000m3沼气工程、奶牛养殖场和水稻种植基地。接种物总固体含量约为10%。原料收集至实验室后,用40目筛网筛除接种物中未溶出的纤维等颗粒,并在实验开始前,在36℃下培养3天;牛粪立即分装到2升塑料盒中,并且储存在-20℃冰箱中,实验前解冻后使用;自然风干的稻草破碎为小于1cm×0.5cm的颗粒。
对四级两相发酵进行批次实验,工作体积200或150mL。发酵温度为36℃,采用60g·VS/L的高OLR条件,接种物/底物(I/S)比采用0.5与0.2。实验组包括四级两相系统中级联的4个反应腔室:原料为牛粪且I/S=0.5(CM-0.5)、原料为秸秆且I/S=0.5(RS-0.5)、原料为牛粪且I/S=0.2(CM-0.2)和原料为秸秆且I/S=0.2(RS-0.2)。每组实验两个平行,结果以平均值表示。在发酵的第3、5、8、11、16、22、30天采集发酵液样品用于分析pH、总氮(TAN)、碱度、挥发性脂肪酸(VFA),使用气体采样袋收集沼气样本用于检测沼气体积和甲烷含量。采集样品后进行反应器翻转和发酵液回流。
分别按照ASTM E1756-08和ASTM E1755-01在105℃和550℃下检测样品的总固体含量(TS)和VS。采用pH计(雷磁,pH-3c,中国)测定接种物、牛粪和沼液的pH值。部分碱度(PA)、中间碱度(IA)和总碱度(TA)采用自动滴定仪(雷磁,ZDJ-5B,中国)使用0.1N的H2SO4测定,滴定终点分别为5.7、4.3和4.0。总氨氮(TAN)由自动凯氏定氮仪(TOP instrument,ZDDN-II,中国)测定,游离氨氮(FAN)根据已发表的公式换算。VFAs和CH4含量采用气相色谱法检测。
四级两相发酵30天中观察到的甲烷含量、累积的生物甲烷产量(BMPo)和pH、TAN、FAN、PA、IA、TA和VFA的含量变化。由于进行发酵液定期转移,第11天的CM-0.5和CM-0.2的甲烷含量逐渐增加,分别从32%和22%增至60%以上,RS-0.2在第22天超过60%。CM-0.5和CM-0.2在30天内累积的BMPo分别达到350mL/g·VS和245mL/g·VS。在RS-0.5和RS-0.2腔室,累积的BMPo分别达到183mL/g和156mL/g·VS。根据30天内采集的数据,计算得出的四级两相发酵的加权生物甲烷产量(BMPw)为134mL/g·VS,而其BMPo值为239mL/g·VS,表明四级两相系统具有协同作用。RS-0.2的最大甲烷产率和滞后时间分别为8.7±0.4d-1和12.0±0.8d。整个四级两相发酵系统的总有机物降解率(fd)为50%,其中CM-0.5中fd最高,为68%,RS-0.2的fd最低,为37%。在发酵后期,四级两相体系的总fd比牛粪秸秆混合发酵且I/S比为0.5的对照组高42%,比牛粪秸秆混合发酵且I/S比为0.2的对照组高10%,这再次证实了四级两相发酵的协同作用,与BMPw计算结果相印证。
由于发酵液的周期性转移,在发酵的30天内,pH、TAN、FAN、TA呈现出波动变化趋势,RS-0.2最为明显。单相和混合发酵的对照组中TAN呈现持续增长趋势,而四级两相发酵体系中,TAN在CM-0.5和CM-0.2中呈现下降趋势,最终浓度下降至1.2-1.5mg/L。pH值变化趋势相似,在发酵30天的前期,RS-0.2的pH值在5.2-7.8的大范围波动后,最终收敛至8.0-8.2。由于将牛粪发酵的碱性发酵液转移入水稻秸秆发酵腔,而富含VFA且pH值较低的水稻秸秆发酵液则转入牛粪发酵腔,这使得在相同的I/S比下,RS-0.2中的pH值比在混合发酵中更早上升至7以上,因此在牛粪发酵腔的pH值比单相发酵更加稳定。
除了pH值和产甲烷特性,发酵液转移可消除VFA积累。CM-0.5、RS-0.5、CM-0.2和RS-0.2的VFA峰值分别出现在第11天(18g/L)、第5天(16g/L)、第8天(18g/L)和第8天(21g/L)。丁酸型发酵在CM-0.5、RS-0.5和RS-0.2的VFA峰值出现时出现,丁酸分别占VFA总量的25%、45%和27%。在发酵的30天内,CM-0.2中一直呈现乙酸型发酵。四级两相发酵两个水稻秸秆发酵腔中VFA在后期消除积累,这验证了酸、碱性发酵液交替转移对稳定发酵过程的有效性。该方法有效平衡了不同代谢方式的微生物、有毒物质,营养物质和底物,通过周期性的再接种刺激微生物多样性,即使在接种量小、OLR高的情况下,也能保持良好的发酵性能,不会持续积累VFA。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种四级两相沼气发酵装置,其特征在于,包括2个产酸相反应器和2个产甲烷反应器,所述产酸相反应器和产甲烷反应器层叠间隔相连,通过固定装置固定,连接处设置筛网或泵,所述产酸相反应器和产甲烷反应器均包括罐体,所述罐体的侧壁两端相对位置的上下两端分别设有两个出气/出料口,另一端设有进料口,所述出气/出料口通过软管外接阀门,上方设置温度感应装置,所述罐体外侧设有保温套。
2.如权利要求1所述的四级两相沼气发酵装置,其特征在于,所述固定装置为法兰。
3.如权利要求2所述的四级两相沼气发酵装置,其特征在于,所述法兰设有硅胶垫圈,增加腔室间的气密性。
4.如权利要求1所述的四级两相沼气发酵装置,其特征在于,所述筛网为100-200目的具有支撑力的金属筛网。
5.如权利要求1所述的四级两相沼气发酵装置,其特征在于,所述保温套为循环水浴夹套或气浴夹套。
6.如权利要求1所述的四级两相沼气发酵装置,其特征在于,所述温度感应装置为温度探头或者温度计或者电子控温装置。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的四级两相沼气发酵装置的发酵方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤1、将含C元素较高的生物质废弃物放入所述产酸相反应器作为底物,将含N元素较高的生物质废弃物放入所述产甲烷反应器作为底物,产酸相接种物和底物的挥发性固体物之比I/S为0.1-0.5,产甲烷相的I/S比为0.2-1,有机负荷>60g·VS/L,控制发酵温度范围;
步骤2、设置反应时间周期,到所述反应时间周期时关闭所述出气/出料口,进行所述反应器的翻转,使发酵液反向滴流,翻转后打开位于所述罐体上端的出气/出料口,实现出气功能。
8.如权利要求7所述的四级两相沼气发酵装置的发酵方法,其特征在于,所述含C元素较高的生物质废弃物为固含量>80%的植物茎秆类生物质废弃物,含N元素较高的生物质废弃物为固含量>60%畜禽粪便类原料。
9.如权利要求7所述的四级两相沼气发酵装置的发酵方法,其特征在于,所述发酵温度范围为32-38℃。
10.如权利要求7所述的四级两相沼气发酵装置的发酵方法,其特征在于,所述反应时间周期为1-10天。
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