CN113481089A - 一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，属于有机固体废弃物处理和综合利用领域。本发明包括酸化反应器、缓冲罐和甲烷反应器，将有机废弃物加入酸化反应器中，在发酵生产沼气的过程中，固液分离，在液相中通入氢气，最后进入甲烷反应器；本发明结构简单，易于操作，在厌氧发酵过程中，通过提高发酵液中氢气的浓度，使更多的H2和C02转化为甲烷，通过加氢脱氧过程，提高沼气中甲烷的含量。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，属于有机固体废弃物处理和综合利用领域。
背景技术
厌氧发酵是有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。厌氧发酵的作用机理目前以三阶段厌氧发酵理论为主，即把甲烷的形成过程分为3个阶段。在第三阶段，通过两组不同的产甲烷菌作用，将乙酸、H2和碳酸、甲酸等转化为CH4、CO2和新的细胞质，一类从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，另一类利用H2还原CO2合成甲烷。也就是说，产甲烷阶段包括由CH3COOH形成甲烷和从H2和C02形成甲烷，在一般的厌氧反应器中，由乙酸分解产生的甲烷和由氢气分解产生的甲烷的比例为7:3。这样，经厌氧发酵，沼气的体积组成大致为甲烷50%～70%，二氧化碳30%～40%。
甲烷含量越高，沼气的质量就越好。目前对提高沼气中甲烷含量的研究中，大部分研究基于乙酸被产甲烷菌利用转化为甲烷这个途径，而利用氢气还原CO2合成甲烷的研究较少。
发明内容
本发明的目的是为了提高沼气中甲烷的含量，而提供一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统。
本发明的目的是这样实现的：一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，包括酸化反应器、缓冲罐和甲烷反应器，将有机废弃物加入酸化反应器中，在发酵生产沼气的过程中，固液分离，在液相中通入含氢气的混合气体，最后进入甲烷反应器。
本发明进一步地，所述含氢气的混合气体来源于酸化反应器。
本发明进一步地，所述含氢气的混合气体来源于外源气体。
本发明进一步地，甲烷反应器温度控制在55～65℃。
本发明进一步地，有机废弃物为一次性进料时，酸化反应器的固体停留时间为30– 50天，在发酵10～25d时通入包含氢气的外源气体。
本发明进一步地，通入的外源气体量为100～300mL/(L·d)。
本发明进一步地，通入的外源气体为氢气和CO2的混合气体，体积比为4～5。
本发明进一步地，包括酸化反应器、缓冲罐和产甲烷反应器，所述缓冲罐与产甲烷反应器之间连接有进气装置，所述进气装置包括泵、气体流量计、射流器、溶气罐和释放器，所述泵连接于缓冲罐和溶气罐之间，所述气体流量计一端为进气口与酸化反应器上部相连，另一端与射流器相连，射流器的两端分别与泵的两端相连，所述释放器一端与溶气罐相连，另一端位于产甲烷反应器中。
本发明进一步地，包括酸化反应器、缓冲罐和产甲烷反应器，所述产甲烷反应器连接有外源气体装置，所述外源气体装置包括气体流量计和释放器，所述气体流量计一端为进气口，连接加压气体，另一端与释放器相连，释放器位于产甲烷反应器中。
本发明的有益效果在于：
1、将产酸阶段产生的H2直接通入产甲烷反应器中，这样既能直接利用产酸阶段产生的H2，又能提高产甲烷阶段中H2的浓度，通过食氢产甲烷菌作用，利用H2还原C02合成甲烷，从而可以提高沼气中甲烷的含量。
2、通过在反应装置中增加包含射流器、溶气罐的进气装置，使产酸阶段产生的H2与液相充分混合，最后进入产甲烷反应器中，提高甲烷产量。
3、本发明还选用了通入外源氢气的方式，在发酵10～25 d左右，微生物处于稳定期，是间歇发酵过程主要的产CH4阶段，通过外源氢气的引入明显提高了食氢产甲烷菌的活性，从而使CH4体积分数不断上升。
4、通过控制外源H2和CO2的比例，使H2和CO2达到最佳反映比，从而使CH4体积分数达到最大值。
附图说明
图1是本发明实施例1的示意图;
图2是本发明实施例2的示意图;
附图中各编号说明如下：1进料口；2酸化反应器；3缓冲罐；4泵；5射流器；6气体流量计；7溶气罐；8产甲烷反应器；9释放器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，包括一种两相厌氧发酵装置，如图1所示，包括酸化反应器2、缓冲罐3和产甲烷反应器8，缓冲罐3与产甲烷反应器8之间连接有进气装置，进气装置包括泵4、气体流量计6、射流器5、溶气罐7和释放器9，泵4连接于缓冲罐3和溶气罐7之间，气体流量计6为进气口与酸化反应器2上部相连，一端与射流器5相连，射流器5的两端分别与泵4的两端相连，溶气罐7与释放器9相连，释放器9位于产甲烷反应器8中。
选择秸秆为固体发酵原料，发酵原料由进料口1进入酸化反应器2，发酵一段时间后固相和液相自然分离，发酵产生的含有H2的混合气体进入连接气体流量计的进气口，发酵液经过泵4和射流器5，与混合气体充分混合，进入溶气罐7，进一步混合后，有释放器9进入产甲烷反应器8中。
实施例2
一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，包括一种两相厌氧发酵装置，如图2所示，包括酸化反应器2、缓冲罐3和产甲烷反应器8，产甲烷反应器8中通入释放器9，释放器9一端与气体流量计6相连，气体流量计6的另一端与外源气体相连，外源气体为具有一定压力的气体。
选择秸秆为固体发酵原料，发酵原料由进料口1进入酸化反应器2，发酵一段时间后固相和液相自然分离，发酵液经过缓冲罐3流入产甲烷反应器8，在发酵15～25 d时，由气体流量计6一端的进气口处通入纯氢气或氢气和二氧化碳的混合气体，气体通过释放器9进入产甲烷反应器8中，此过程中通入的外源气体为有压力的气体，气体通入量为200～300mL/(L·d)，若通入氢气和二氧化碳的混合气体，混合气体体积比为4:1～5:1。
此外本具体实施例还可以采用进一步的改进方式使H2和CO2达到最佳反应比，从而使CH4体积分数达到最大值，例如在产酸阶段中通过加入暗发酵产氢菌来提高产酸相氢气的浓度从而满足后续产甲烷阶段氢气的需要，根据实际计算加入的剂量，最终达到产生CH4体积分数达到最大值的平衡要求。另一种实施方式，还可以将产酸阶段产生的H2直接通入产甲烷反应器中的同时，配合选择通入外源氢气的混合方式使H2和CO2达到最佳反映比，具体通入的剂量可以根据前阶段实际情况计算而得，从而使CH4体积分数达到最大值。
具体实施方式是对本发明的进一步说明而非限制，对本领域普通技术人员来说在不脱离本发明实质内容的情况下做进一步变换，而所有这些变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：包括酸化反应器、缓冲罐和甲烷反应器，将有机废弃物加入酸化反应器中，在发酵生产沼气的过程中，固液分离，在液相中通入含氢气的混合气体，最后进入甲烷反应器。
2.根据权利要求1所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：所述含氢气的混合气体来源于酸化反应器。
3.根据权利要求1所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：所述含氢气的混合气体来源于外源气体。
4.根据权利要求1所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：甲烷反应器温度控制在55～65℃。
5.根据权利要求3所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：有机废弃物为一次性进料时，酸化反应器的固体停留时间为30～50天，在发酵10～25d时通入包含氢气的外源气体。
6.根据权利要求3所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：通入的外源气体量为100～300mL/(L·d)。
7.根据权利要求3所述的一种提高沼气中甲烷含量的两相厌氧发酵系统，其特征在于：通入的外源气体为氢气和CO2的混合气体，体积比为4~5。
8.一种两相厌氧发酵装置，其特征在于：包括酸化反应器、缓冲罐和产甲烷反应器，所述缓冲罐与产甲烷反应器之间连接有进气装置，所述进气装置包括泵、气体流量计、射流器、溶气罐和释放器，所述泵连接于缓冲罐和溶气罐之间，所述气体流量计一端为进气口与酸化反应器上部相连，另一端与射流器相连，射流器的两端分别与泵的两端相连，所述释放器一端与溶气罐相连，另一端位于产甲烷反应器中。
9.一种两相厌氧发酵装置，其特征在于：包括酸化反应器、缓冲罐和产甲烷反应器，所述产甲烷反应器连接有外源气体装置，所述外源气体装置包括气体流量计和释放器，所述气体流量计一端为进气口，连接加压气体，另一端与释放器相连，释放器位于产甲烷反应器中。
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