CN113604355A

CN113604355A - 一种高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法

Info

Publication number: CN113604355A
Application number: CN202111029212.9A
Authority: CN
Inventors: 钱姗; 吴迪
Original assignee: Tianjin Academy of Agricultural Sciences
Current assignee: Tianjin Academy of Agricultural Sciences
Priority date: 2021-09-03
Filing date: 2021-09-03
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2041-09-03
Also published as: CN113604355B

Abstract

本发明公开了一种高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法，其特征在于，该反应器主体为圆柱体与等直径锥形顶与锥形底上下相接而成的一体化结构，上附进料系统、出液与排渣系统、气体循环搅拌系统、加热与保温系统、在线监测系统以及观察口、安全阀、气压计等三大部件。实验结果显示：采用本发明的高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法可实现反应器内部流态高度湍流化，100%的时间都处于均质化良性状态下，每周期浮渣厚度是其他厌氧反应器的30~40%，最终挥发性固体降解率达到60~70%，沼气甲烷浓度达到60~80%。

Description

一种高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法

技术领域

本发明属于有机物湿式厌氧消化技术领域，尤其涉及一种全新的流态湍流化反应器及其各环节的运行控制方法。

背景技术

厌氧消化技术作为一种常见、成熟的有机物处理工艺被广泛应用于活性污泥、厨余垃圾、人畜粪污、高浓度有机污水、植物秸秆、农田尾菜等的资源化处理，相对于好氧发酵技术，厌氧发酵能耗低、资源化循环利用特性强，是目前的发展热点。

按照厌氧消化池池型、搅拌方式、加热方式等技术环节的不同又分为各类形式，但几乎所有的反应器都没有在内部反应物流态做深入研究，存在流态均质化差、各局部部位不传质、甚至存在死区的现象，这就导致工艺整体的有机质降解率低、产气甲烷含量低，产生的浮渣与泡沫量大且厚，增加了除渣工作压力。另外对于小型厌氧消化工程来说，热交换器、锅炉、机械搅拌器等专业加热搅拌设备多，工艺复杂，能耗高，不适用于农户等小体量用户，需要更为简洁、操作简易的反应器形式。

针对以上问题与技术缺陷，本专利提供了一种高湍流度的小型厌氧消化反应器及其运行控制方法。反应器在空间整体布局、功能性部件结构与运行控制方法上均进行创新性变化，提高了流体整体循环效果、强化局部湍流流态，相对于其他湿式厌氧反应器最大程度的降低死区与层流回转区的出现，维持了进料与生物群落之间的均匀分配，稀释酸性中间产物，从而保障了反应器的传质传热效率，避免活性菌群生态破坏，最终有利于有机质的降解效率与产气组分。

发明内容

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种高湍流度小型湿式厌氧消化反应器，其特征在于，反应器主体为圆柱体与等直径锥形顶与锥形底上下相接而成的一体化结构，上附进料系统、出液与排渣系统、气体循环搅拌系统、加热与保温系统、在线监测系统以及观察口、安全阀、气压计三大部件；其中

所述的反应器主体的锥形顶高度、圆柱体高度、锥形底高度、直径的比值为5︰20︰2︰20，液位距圆柱体与锥形顶相交的水平面为0.3-1.0米；

所述的气体循环系统包括：气体搅拌与沼气储存两部分，厌氧消化生成的沼气经锥形顶端的总出气口排出反应器，管路上依次连接有脱水除浊装置、可调开合度电磁阀、气体流量计、回火防止器，最终通向沼气储存装置，储存气体被部分循环回反应器内进行气体搅拌；气体搅拌是反应器的唯一搅拌方式，反应器内设有5个出气口，均位于圆柱体与锥形底相交水平圆面上，1个在圆心处、出气方向竖直向上，另外4个沿圆周平均分布、出气方向沿锥形底面坡度指向锥形底顶点；

所述的反应器内位于中心的出气口上方固定有防旋涡导流筒，导流筒主体为圆柱体，两端接喇叭口，侧壁外表面均匀分布有扰流刺凸，用于防止旋涡形成，增强局部湍流，刺长与反应器主体直径比值为1︰4，扰流刺凸两两等距交错分布；

所述的加热系统包括圆柱体侧壁双层中空腔壁及固着于中空腔内壁侧的电加热装置；内壁采用良性导热的疏水材料，密布着向反应器内部凸起的肋条，肋条顺流向分布，肋间截面为梯形，肋尖夹角α为30°，肋高与肋间距比值（h/s）取0.8～1.0之间，肋长与隔离带宽之比（l/a）为1/3；外壁为平滑表面。

本发明进一步公开了高湍流度小型湿式厌氧消化反应器的运行控制方法，其特征在于包含如下的步骤：

（1）中温消化，温度控制为35±3℃，周期运行，间歇进料与排液，每周期消化25-30天；

（2）进料理化特性控制方法：控制进料物化性状与组分，其中含水率控制在93%~98%，去除无机颗粒，纤维长为1~4厘米，进料油脂含量为1~12%，碳氮比在10~50之间，当干燥植物秸秆含量超过进料混合物总量的50%时（以质量计），须对混合物进行加水预堆沤处理；

（3）厌氧生物菌群培养启动方法：首次进料添加原料混合物20%和生活污水80%（以体积计），首个周期结束排放有效容积1/3的沼液，下一周期补充等量原料混合物，随后每个周期逐步增加排液量（进料量），每周期运行20~30天，经过2~3个月运行，最终进料量达到设计负荷，甲烷含量达到60%，且产气量稳定；

（4）气体搅拌与温度实时控制方法：进料完成后先启动气体搅拌，首次启动在沼气储存装置中引入外源沼气，经半小时气体搅拌后再启动加热，之后根据温度传感器与MLSS监测仪反馈的实时数据经PLC计算后控制搅拌与加热的启停，但当加热程序启动时必须同步启动气体搅拌程序；

（5）沼液排出方法：每次沼液排放前静止沉降1小时，由上至下依次打开排液电磁阀，实现逐层排放，根据需要决定排放高度；

（6）排气控制方法：通过实验确定合理气压阈值，当监测到装置内气体集聚处气压超过阈值，总出气口上的可调开合度电磁阀打开，沼气经脱水除浊后进入储存装置。

本发明同时也公开了高湍流度小型湿式厌氧消化反应器用于活性污泥、植物秸秆、养猪场粪污混合物厌氧消化方面的应用；所述的厌氧消化方面的应用指的是：提高有机质的降解效率与产气组分。实验结果显示：采用高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法可实现反应器内部流态高度湍流化，100%的时间都处于均质化良性状态下，每周期浮渣厚度是其他厌氧反应器的30~40%，最终挥发性固体降解率达到60~70%，沼气甲烷浓度达到60~80%。

本发明更加详细的描述如下：

本发明公开的高湍流度小型湿式厌氧消化反应器，主体为圆柱体1与等直径锥形顶2、锥形底3上下相接而成的一体化结构，竖直放置，锥形顶2高度、圆柱体1高度、锥形底3高度、直径的比值为5︰20︰2︰20；液位距圆柱体与锥形顶相交的水平面为0.3~1.0锥形底尖部开出渣口4，由排渣电磁阀5控制开闭。

锥形顶安装超压安全阀6、真空安全阀7、气体压力计8，锥形顶设2个观察口9，位于同一条直径的对称位置；锥形顶开一圆孔，作为进料口10，以螺纹连接竖直进料立管，立管上端设盖，下端深入装置内部，到液位上侧附近为止；侧壁设检修口1~2个。

反应器采用完全气体搅拌模式，锥形顶尖部开总出气口11，内部气体全部从该出气口排出，沼气依次经过脱水除浊装置12、可调开合度电磁阀13、气体流量计14、回火防止器15，最后进入沼气储存装置16；

沼气储存装置16中沼气首先保证反应器内气体搅拌需求，气体依次经可调开合度阀门13、空压机17与气体流量计14回流至反应器内部；沼气回流管分为同管径的5支竖直搅拌立管18，搅拌立管直径根据气体流量和需求流速计算确定，立管内气体流速控制为7~10m/s，立管下端深入反应器内部，末端为出气口19；

出气口19均位于圆柱体与锥形底相交水平圆面上，1个在圆心处、出气方向竖直向上，另外4个沿圆周平均分布，出气方向沿锥形底面坡度指向锥形底顶点；圆心处出气口正上方架设防旋涡导流筒20，导流筒上端距液面距离、导流筒高度、导流筒距圆心出气口距离的比值为2︰8︰1，且导流筒上端距液面为0.5-1m，导流筒外表面分布有扰流刺凸21，刺长与反应器主体直径比值为1︰4，扰流刺凸两两等距交错分布；

反应器主体侧壁为双层中空腔壁22，内外壁之间为空气夹层，贴近内壁固着电加热装置23，密布向反应器装置内部凸起的肋条24，肋条沿流向分布，肋间截面为梯形，肋尖夹角α为30°，其中肋高与肋间距比值（h/s）取0.8～1.0之间，l/a肋长与隔离带宽之比为1/3；侧壁在不同高度设置多个排液管25，每个排液管25均安装排液电磁阀26，后接水封装置，排液管25位于同一竖直线上，有排液管25穿过的侧壁空气夹层应采用不良导热材料与其他部位隔断，减小热量流失；

反应器配备的在线监测设备包括温度传感器27、pH在线监测仪、ORP在线监测仪、MLSS在线监测仪；各监测仪的探测电极靠电极支架固定于反应器内部；其中MLSS在线监测仪设置3台，电极28分别固定于反应器中心、液面下方与锥底顶点上方3个区域；各监测仪的实时监测数据全部上传给PLC控制器，PLC基于预先编程的计算方法实现全过程自动控制。

本发明主要解决了传统湿式厌氧反应器内部流态差导致的消化效率低下以及结构设备复杂、不适用于小型工程的问题，反应器在空间整体布局、功能性部件结构与运行控制方法上均进行创新性变化，提高了流体整体循环效果、强化局部湍流流态，相对于其他湿式厌氧反应器最大程度的降低死区与层流回转区的出现，维持了进料与生物群落之间的均匀分配，稀释酸性中间产物，从而保障了反应器的传质传热效率，避免活性菌群生态破坏，最终有利于有机质的降解效率与产气组分。

本发明公开的高湍流度小型湿式厌氧消化反应器及运行控制方法的有益效果在于：

（1）全混合流态反应器，创新性设置搅拌气体出气口位置与出气方向，区别于传统气提式搅拌只靠中间导流筒内的气液混合流体带动上升，为流体在反应器内的大循环提供了额外动力，有效克服固形物向下自然沉降造成的反应器下部浓度高于上部，且底部为死角易发生位，会有牢固性沉积，可改善死区流态，提高该区域与其他位置的传质传热效率。

（2）发明了防旋涡导流筒，除作为导流筒实现气提式循环搅拌，刺凸的设置可防止导流筒周边“圆柱状回转区”的不良层流形成，流向上刺凸的存在促进了圆柱绕流，雷诺系数远大于普通导流筒。

（3）侧壁肋条表面：该肋条凸起可增加内壁与厌氧消化反应物的接触面积，提高传热效率，同时加快贴壁表面流体流速，起到肋条减阻作用，有效避免这种加热方式所容易导致的结壳现象。

（4）中空壁腔加热方式，节省了锅炉、热交换器等复杂专业设备，简化加热部件与结构复杂度，更适合小型装置；中空腔的设置增加了空气保温层，且外壁采用不良导热材料，有效阻隔热量损失。

（5）流态的改善增强反应器的全混合度，降低浮渣形成，均质化程度好，有机物降解率高，生物体系更稳定、优势菌种不易受到冲击。同时对于进料的物化性状进行了约束，使得消化物组分高度有利于厌氧反应的进行，大大提高了最终消解率。

（6）将传统的定时控制搅拌方式变为实时控制搅拌方式，通过不同部位MLSS在线监测仪的设置可实时掌握反应器内容物流态状况，基于物质的均质均热化程度，通过PLC计算给出动作指令，以最经济合理的搅拌力度保证反应器每一时刻的整体湍流度，避免过度搅拌造成的能源浪费。

附图说明

图1为高湍流度小型湿式厌氧消化反应器结构示意图；

图2为肋条结构示意图；其中a为肋条剖面图，b为肋条空间分布图；

1—圆柱体 2—锥形顶 3—锥形底 4—出渣口 5—排渣电磁阀

6—超压安全阀 7—真空安全阀 8—气体压力计 9—观察口 10—进料口

11—总出气口 12—脱水除浊装置 13—可调开合度电磁阀 14—气体流量计

15—回火防止器 16—沼气储存装置 17—空压机 18—沼气搅拌立管

19—搅拌气体出气口 20—防旋涡导流筒 21—扰流刺凸 22—双层中空腔壁

23—电加热装置 24—肋条 25—排液管 26—排液电磁阀

27—温度传感器 28—MLSS监测电极 29—pH监测电极 30—ORP监测电极。

具体实施方式

下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用到反应器配备，除特别说明外，其他均由市售。例如温度传感器、pH在线监测仪、ORP在线监测仪、MLSS在线监测仪、电磁阀等等。

实施例1

如图1所示（图1省略了各监测仪传感器电线与搅拌气管的具体布线），反应器主体为圆柱体1与等直径锥形顶2与锥形底3上下相接而成的一体化结构，竖直放置，锥形顶2、圆柱体1、锥形底3高度与直径比值为5︰20︰2︰20。液位距圆柱体与锥形顶相交的水平面至少0.3m。锥形底尖部开出渣口4，由排渣电磁阀5控制开闭。

锥形顶安装超压安全阀6、真空安全阀7、气体压力计8。锥形顶设两个观察口9，位于同一条直径的对称位置。锥形顶开一圆孔，作为进料口10，以螺纹连接竖直进料立管，立管上端设盖，下端深入装置内部，到液位上侧附近为止。侧壁设检修口1~2个。

反应器采用完全气体搅拌模式。锥形顶尖部开总出气口11，内部气体全部从该出气口排出，沼气依次经过脱水除浊装置12、可调开合度电磁阀13、气体流量计14、回火防止器15，最后进入沼气储存装置16。沼气储存装置中沼气首先保证反应器内气体搅拌需求，气体依次经可调开合度阀门13、空压机17与气体流量计14回流至反应器内部。沼气回流管分为同管径的5支竖直搅拌立管18，搅拌立管直径根据气体流量和需求流速计算确定，立管内气体流速控制为10m/s左右，立管下端深入反应器内部，末端为出气口19。5个出气口[19]均位于圆柱体与锥形底相交水平圆面上，1个在圆心处、出气方向竖直向上，另外4个沿圆周平均分布（两两圆心角为90度）、出气方向沿锥形底面坡度指向锥形底顶点。圆心处出气口正上方架设防旋涡导流筒20，导流筒上端距液面距离、导流筒高度与导流筒距圆心出气口距离比值为2︰8︰1，且导流筒上端距液面不超过1m。导流筒外表面分布有扰流刺凸21，刺长与反应器主体直径比值为1︰4，扰流刺凸两两等距交错分布。

反应器主体侧壁为肋条表面双层中空腔壁22。内外壁之间为空气夹层，贴近内壁固着电加热装置23。外壁光滑，采用不良导热材料。内壁采用良性导热疏水材料，密布向反应器装置内部凸起的肋条24。肋条沿流向分布，如图2所示，肋间截面为梯形，肋尖夹角α为30°，h/s（肋高与肋间距比值）取0.8～1.0之间，l/a（肋长与隔离带宽之比）为1/3。侧壁在不同高度设置多个排液管25，每个排液管均安装电磁阀26，后接水封装置，排液管位于同一竖直线上，有排液管穿过的侧壁空气夹层应采用不良导热材料与其他部位隔断，减小热量流失。

反应器配备的在线监测设备包括温度传感器27、pH在线监测仪、ORP在线监测仪、MLSS在线监测仪。各监测仪的探测电极靠电极支架固定于反应器内部，不可游荡。其中MLSS在线监测仪设置3台，电极28分别固定于反应器中心、液面下方与锥底顶点上方3个区域。各监测仪的实时监测数据全部上传给PLC控制器，PLC基于预先编程的计算方法实现全过程自动控制。

实施例2

运行方法

（1）中温消化，温度控制为35℃左右，周期运行，间歇进料与排液，每周期消化25-30天。

（2）进料理化特性控制方法：控制进料物化性状与组分，其中含水率控制在93%~98%，去除无机颗粒，纤维长度不大于4厘米，进料油脂含量不宜大于15%，碳氮比在10~50之间，当干燥植物秸秆含量超过进料混合物总量的50%时（以质量计），须对混合物进行加水预堆沤处理。

（3）厌氧生物菌群培养启动方法：首次进料添加原料混合物20%和生活污水80%（以体积计），可不添加接种物。首个周期结束排放有效容积约1/3沼液，下一周期补充等量原料混合物（不添加污水），随后每个周期逐步增加排液量（进料量），每周期运行20天左右，经过2~3个月（3~4个周期）运行，最终进料量达到设计负荷。甲烷含量达到60%、沼气产生量稳定即可认为启动成功。

（4）气体搅拌与温度实时控制方法：进料完成后先启动气体搅拌，首次启动可先在沼气储存装置中引入外源沼气，经半小时气体搅拌后再启动加热。之后根据温度传感器与MLSS监测仪反馈的实时数据经PLC计算后控制搅拌与加热的启停，但当加热程序启动时必须同步启动气体搅拌程序。

（5）沼液排出方法：每次沼液排放前静止沉降1小时，由上至下依次打开泥位上的排泥口电磁阀，实现逐层排放，根据需要决定排放高度。

（6）排气控制方法：通过实验确定合理气压阈值，当监测到装置内气体集聚处气压超过阈值，总出气口上的排气阀打开，沼气经脱水除浊后进入储存装置。

实施例3

天津某农业园区厌氧消化工程，按照本专利方法建造反应器，总高1.6米，直径2米。消化原料为活性污泥、植物秸秆、养猪场粪污混合物，占比分别约为68%、12%与20%（以质量计），混合物综合含水率为96%，碳氮比约为27︰1。植物秸秆轧切至小于4厘米。

启动阶段调控方法见表1。至第四周期结束后，沼气甲烷含量达到65%，产气量为700L/公斤干重。表1

启动成功后进入稳定运行阶段。稳定运行期间，每次消化30天。温度中位数设置为35℃，当温差超过2℃会触发加热装置启停。当3个MLSS监测仪监测到的实时数据有至少1个数据数值与中位数值相比差值超过100%，则启动气体搅拌，直到3个监测数据任意1个数据与中位数差值小于50%自动停止。

连续厌氧消化5次，沼气甲烷含量在63%~77%，产气量最低为780L/公斤干重，有机物消解率均超过60%。根据MLSS监测仪监测并记录的数据来看，内容物混合均度非常好，每周期结束后观测液面浮渣厚度不超过10厘米，明显少于其他厌氧消化反应器。

Claims

1.一种高湍流度小型湿式厌氧消化反应器，其特征在于，反应器主体为圆柱体与等直径锥形顶与锥形底上下相接而成的一体化结构，上附进料系统、出液与排渣系统、气体循环搅拌系统、加热与保温系统、在线监测系统以及观察口、安全阀、气压计三大部件；其中

2.权利要求1所述高湍流度小型湿式厌氧消化反应器的运行控制方法，其特征在于包含如下的步骤：

3.权利要求1所述高湍流度小型湿式厌氧消化反应器用于活性污泥、植物秸秆、畜禽粪污厌氧消化方面的应用；所述的厌氧消化方面的应用效果是：提高有机质的降解效率与优化产气组分。