CN113817581B - 一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备及其发酵方法，属于沼气发酵领域，其主要包括有氧降解单元、水解酸化单元以及产甲烷单元，在有氧降解阶段耦合硝化作用，通过强化曝气，提升高浓度生物质的快速降解，同时利用流加硝化细菌的氨氧化作用，改善发酵液碳、氮营养，并保持高浓度发酵液良好的滤过性能；由水解酸化单元提供兼性厌氧的环境，促进降解的有机生物质快速酸化，为产甲烷提供充足的原料；酸化后的发酵液进入厌氧反应罐，通过流加反硝化菌，产甲烷过程耦合反硝化作用，降低产甲烷过程中氨中毒的风险，在实现高效率产气的同时，部分消除氨氮。

Description

一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵设备及其方法
技术领域
本发明涉及沼气发酵技术领域，尤其是涉及一种可用于高浓度种养废弃生物质，同步去除部分氨氮的耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备及相应的方法。
背景技术
我国是农业废弃物产生量最大的国家，根据《第二次全国污染源普查公报》，2017年全国农作物秸秆年产生量8.05亿吨，畜禽粪污年产生量约38亿吨。厌氧发酵制备沼气是目前普遍采用的废弃生物质生态化处理和资源化利用手段，也是国内外研究的热点。
国外沼气工程技术具有多原料混合发酵、原材料预处理、多级分温控制及工程自动化、智能化运营管理等特点，一般设有二级或三级以上反应器，发酵滞留期短，有效容积产气率较高。目前国内制沼原料主要集中在养殖废弃物和生活污水的处理上，进料结构单一，池型老旧、结构不尽合理，导致整体产气效率偏低、发酵周期长。以秸秆、粪水为主的种养废弃生物质高浓度混合原料制沼技术还存在发酵液流动性差，进出料困难、沼渣残留量大、沼液沼渣分离困难的问题；沼液氨氮含量高易引起氨氮中毒和后期二次污染等技术缺陷，导致目前种养废弃生物质高浓度混合发酵技术和装备还难以大面积推广，严重制约了沼气工程技术在种养废弃生物质处置及循环利用中纽带作用的有效发挥。
因此，本发明根据“有氧降解-水解酸化-产甲烷”三阶段沼气发酵的氧需求特点，耦合硝化-反硝化作用，提升发酵效率、改善发酵液的传质状况，在实现高效率产气的同时，部分消除氨氮，为种养废弃生物质高浓度混合沼气发酵提供了一种更加高效、安全的发酵设备以及方法。
发明内容
本发明是为了避免现有技术存在的不足之处，提供了一种耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备，实现高效率降解、前置除渣、酸化协同产甲烷菌预培养、高效率产甲烷且同步去除部分氨氮。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明提供的一种耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备，包括：有氧降解单元，所述有氧降解单元包括硝化细菌种子罐、有氧降解罐、曝气机构以及滤渣过滤提升机构，所述硝化细菌种子罐用以培养和/或储存硝化菌种子液，所述硝化细菌种子罐与有氧降解罐相连通，所述曝气机构设置在有氧降解罐底部且用以向有氧降解罐内输送空气，所述有氧降解罐用以在有氧环境下结合硝化菌种子液降解原料液，所述滤渣过滤提升机构设置在有氧降解罐内，所述滤渣过滤提升机构用以过滤原料液降解产生的滤渣并将滤渣输送至有氧降解罐外部；水解酸化单元，所述水解酸化单元包括酸化反应罐以及回流机构，所述酸化反应罐与有氧降解罐相连通，所述酸化反应罐用以接收经过过滤的原料液并进行静置酸化，甲烷产生单元，所述甲烷产生单元包括厌氧反应罐、反硝化菌种子罐、滤渣收集机构，所述厌氧反应罐与酸化反应罐以及反硝化菌种子罐相连通，酸化后的原料液在厌氧反应罐内进行反应并产生甲烷，所述反硝化菌种子罐用以培养和/或储存反硝化菌种子液，所述滤渣收集机构与厌氧反应罐相连通且用以将厌氧反应罐内的滤渣进行收集。
在数个实施方式中，硝化细菌种子罐设置在有氧降解罐的上方位置，所述硝化细菌种子罐上设置有控制阀，所述控制阀用以控制硝化菌种子液流入有氧降解罐的流速与频率。
在数个实施方式中，滤渣过滤提升机构与硝化细菌种子罐设置在有氧降解罐的相对两侧，所述滤渣过滤提升机构包括筛网以及驱动装置，所述驱动装置带动筛网循环运动，所述滤渣过滤提升机构倾斜设置。
在数个实施方式中，滤渣过滤提升机构一端伸入有氧降解罐底部，所述滤渣过滤提升机构的另一端延伸至有氧降解罐外侧，所述滤渣过滤提升机构的另一端下方设置有输送带，所述输送带用以将滤渣进行输送。
在数个实施方式中，酸化反应罐设置在靠近滤渣过滤提升机构一侧，所述回流机构包括回流管道以及设置在回流管道上的回流阀，所述回流管道用以连通酸化反应罐与厌氧反应罐。
在数个实施方式中，酸化反应罐底部设置有一第一管道，所述反硝化菌种子罐底部设置有一第二管道，所述厌氧反应罐包括插入地下的下半部体以及位于地面上的上半部体，所述第一管道与第二管道均伸入地下且与下半部体的底部相连通。
在数个实施方式中，上半部体的内壁上环绕设置有沉积板，所述沉积板一端与上半部体的内壁相连接，所述沉积板的另一端斜向上的向上半部体的中心方向延伸。
在数个实施方式中，滤渣收集机构包括泵体、收集管道以及收集池，所述收集管道一端延伸至沉积板与上半部体内壁之间，所述收集管道另一端延伸至收集池，所述泵体设置在收集管道上用以将沉积板内的滤渣通过收集管道吸引至收集池。
本发明还提供了一种采用了上述沼气发酵设备的沼气发酵方法，包括以下阶段：
S1000，有氧降解阶段，对原料液在有氧环境下，结合好氧微生物以及硝化菌，进行好氧降解耦合硝化反应，反应过程中保持曝气补充氧气；S1001，将S1000中反应完成的原料液进行过滤，得到二段液，同时将过滤的滤渣进行收集；
S2000，水解酸化阶段，对二段液进行静置，在兼性厌氧环境下结合酸化细菌进行酸化，得到三段液；
S3000，甲烷产生阶段，将三段液在厌氧环境下，结合甲烷菌与反硝化菌，进行甲烷产生耦合反硝化反应，得到甲烷气体，并通过对三段液进行过滤得到沼液。
在数个实施方式中，所述S2000中包括S2001，所述S2001为沼液回用阶段，包括提取部分沼液至静置的二段液，进行再次酸化。
本发明具有如下有益效果：
1)强化曝气并耦合硝化反应，大幅度提升种养废弃生物质的降解效率，缩短发酵周期，同时改善水解菌及后后续酸化细菌、产甲烷菌营养条件；2)前置除渣，解决高浓度混合发酵的传质问题，同时解决沼渣产生量大、臭味浓、不易与沼液分离的难题(仅在后期产生少量沼泥)；3)同时采用地上、地下分层布局的方法，大部分原料可用自流的方式输送，厌氧罐也可获得较好的保温性能，降低动力和能源消耗；4)酸化阶段消耗发酵液的残留氧，为后期厌氧发酵菌提供良好生境；5)沼液部分回用的同时，实现产甲烷菌预培养；6)产甲烷耦合反硝化反应，实现高效率产气的同时，部分消除氨氮。
附图说明
本文所描述的附图仅用于所选择实施例的阐述目的，而不代表所有可能的实施方式，且不应认为是本发明的范围的限制。
图1示意性地示出了一实施例中的沼气发酵设备的整体结构；
图2示意性地示出了一实施例中的沼气发酵方法的流程图。
具体实施方式
下面，详细描述本发明的实施例，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本文使用的术语旨在解释实施例，并且不旨在限制和/或限定本发明。
例如，“在某一方向”、“沿某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“相对”、“前后左右”等表示相对或绝对配置的表述，不仅表示严格意义上如此配置，还表示具有公差、或具有可得到相同功能程度的角度或距离而相对地位移的状态。
如图1所示的结构，本耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备，主要包括有依次连接的氧降解单元、水解酸化单元以及甲烷产生单元的三段式结构，且上述有氧降解单元、水解酸化单元以及甲烷产生单元部分设置在地面上部2000，剩余部分设置在地面下部1000，地面上部2000即为地面的以上部分，地面下部1000为地面地下部分。
具体的，在本实施例中：
在有氧降解单元内主要进行有氧/好氧降解以及硝化过程，该有氧降解单元包括硝化细菌种子罐110、有氧降解罐120、曝气机构130以及滤渣过滤提升机构140，硝化细菌种子罐110、有氧降解罐120、曝气机构130以及滤渣过滤提升机构140均设置在地面上部2000，硝化细菌种子罐110用以培养和/或储存硝化菌种子液，所述硝化细菌种子罐110与有氧降解罐120相连通，所述曝气机构130设置在有氧降解罐120底部且用以向有氧降解罐120内输送空气，所述有氧降解罐120用以在有氧环境下结合硝化菌种子液降解原料液，所述滤渣过滤提升机构140设置在有氧降解罐120内，所述滤渣过滤提升机构140用以过滤原料液降解产生的滤渣并将滤渣输送至有氧降解罐120外部。
该有氧降解罐120是开放式结构的反应罐，与厌氧反应罐310的体积比为6～8:1，下方接有曝气机构130供养，上方接有硝化细菌种子罐110提供硝化菌，一侧接有滤渣过滤提升机构140实现固液分离，同时该侧接有酸化反应罐210，方便将过滤完成的原料液无动力的流入酸化反应罐210。
该曝气机构130为曝气管道与空气泵的组合结构，曝气管道铺设在有氧降解罐的底部位置，可以是环形分布或者直线形或者交叉等均可，由此将外界的空气送入有氧降解罐内，补充足量的氧气，当然，空气泵可以是由电磁阀远程控制的，远程实现控制增氧量。
该硝化细菌种子罐110设置在有氧降解罐120的上方位置，所述硝化细菌种子罐110上设置有控制阀111，所述控制阀111用以控制硝化菌种子液流入有氧降解罐120的流速与频率，由于硝化细菌种子罐110是位于有氧降解罐120的上方位置，由此实现液体自流，降低动力消耗。
同时，滤渣过滤提升机构140与硝化细菌种子罐110设置在有氧降解罐120的相对两侧，所述滤渣过滤提升机构140包括筛网以及驱动装置，所述驱动装置带动筛网循环运动，所述滤渣过滤提升机构140倾斜设置，在此，该滤渣过滤提升机构采用市面上常见的网篦式格栅除污机器即可，可直接从市场上购置进行组装使用，通过滤渣过滤提升机构对反应完成的原料液进行过滤，分离出滤渣，也称为沼泥，并将滤渣提升输送至有氧降解罐的外部进行处理。
具体的，滤渣过滤提升机构140一端伸入有氧降解罐120底部，所述滤渣过滤提升机构140的另一端延伸至有氧降解罐120外侧，整体斜向上分布，且所述滤渣过滤提升机构140的另一端下方设置有输送带150，通过输送带150用以将滤渣进行输送，输送带150为常规的传送带结构，将滤渣输送至指定的回收位置即可。
在水解酸化单元内主要进行静置酸化发酵兼具产甲烷菌预培养的过程，该水解酸化单元包括酸化反应罐210以及回流机构220，酸化反应罐210内自然接种有酸化细菌，酸化反应罐210与有氧降解罐120相连通，所述酸化反应罐210用以接收经过过滤的原料液并进行静置酸化。
该酸化反应罐是一个密封罐，与厌氧反应罐的体积比为2～3:1。
该酸化反应罐210设置在靠近滤渣过滤提升机构140一侧，方便直接将经过过滤的原料液引流至酸化反应罐210内，其中的回流机构220包括回流管道221以及设置在回流管道221上的回流阀222，所述回流管道221用以连通酸化反应罐210与厌氧反应罐310，回流阀222采用水泵结构，由回流阀控制回流管道将厌氧反应罐310内的沼液吸引至酸化反应罐内进行回用，提高反应率，同时实现产甲烷菌的预培养，且回流阀222结合远程控制电磁阀结构，实现远程控制定时定量的回流部分沼液进行利用。
同时在酸化反应罐210底部设置有一第一管道211，酸化反应罐210以及回流机构220均设置在地面上部2000，而第一管道211设置在地面下部1000。
在甲烷产生单元内主要进行生产甲烷以及反硝化过程，甲烷产生单元包括厌氧反应罐310、反硝化菌种子罐320、滤渣收集机构330，厌氧反应罐310与酸化反应罐210以及反硝化菌种子罐320相连通，厌氧反应罐310内自然接种有产甲烷菌，酸化后的原料液在厌氧反应罐310内进行反应并产生甲烷，所述反硝化菌种子罐320用以培养和/或储存反硝化菌种子液，所述滤渣收集机构330与厌氧反应罐310相连通且用以将厌氧反应罐310内的滤渣进行收集。
其中，厌氧反应罐310包括插入地下的下半部体311以及位于地面上的上半部体312，即下半部体311位于地面下部1000，上半部体312位于地面上部2000，在上半部体312顶部具有一个供甲烷排出的出口，反硝化菌种子罐320与滤渣收集机构330均设置在地面上部2000，且在反硝化菌种子罐320底部设置有一第二管道321，第二管道321设置在地面下部1000，结合上述的第一管道211，第一管道211与第二管道321均伸入地下且与下半部体311的底部相连通，由此实现酸化反应罐210内的液体无动力的流入厌氧反应罐内，减少能耗。
在上半部体312的内壁上环绕设置有沉积板3101，所述沉积板3101一端与上半部体312的内壁相连接，所述沉积板3101的另一端斜向上的向上半部体312的中心方向延伸，构成一个漏斗状、上窄下宽的结构，相应的在下半部体311内且靠近第一管道与第二管道入口上方的位置设置有一个布水器340，助于原料液与反硝化菌种子液之间的混合均匀，同时方便沼泥沉积在沉积板3101与上半部体的内壁之间，并由滤渣收集机构进行吸取收集，原料液进行絮沉，实现沼液与沼泥的分离。
相应的，回流管道221是插入在上半部体内壁与沉积板之间的位置，且底部与两者的连接处存在一定的间距，避免将沉积的沼泥吸入，保证吸入的是沼液，收集管道332也是插入在上半部体内壁与沉积板之间且底部是接触两者的，方便将沉积的沼泥进行吸取。
具体的，滤渣收集机构330包括泵体331、收集管道332以及收集池333，所述收集管道332一端延伸至沉积板3101与上半部体312内壁之间，所述收集管道332另一端延伸至收集池333，所述泵体331为污泥泵，设置在收集管道332上用以将沉积板3101内的滤渣通过收集管道332吸引至收集池333，收集池用于储存部分沼泥，便于沼泥清运。
如图2所示，结合上述结构，本耦合硝化作用的好氧厌氧三段式沼气发酵设备的沼气发酵方法，主要包括以下流程阶段：
首先是有氧降解阶段，在有氧降解单元内完成，包括对原料液在有氧环境下，结合好氧微生物以及硝化菌，进行好氧降解耦合硝化反应，反应过程中保持曝气补充氧气，在有氧降解阶段耦合硝化作用，通过强化曝气，提升高浓度生物质的快速降解，同时利用流加硝化细菌的氨氧化作用，促进NH3、NH4+转化形成微生物生长偏好的NO2-、NO3-，改善发酵液碳、氮营养，并保持高浓度发酵液良好的滤过性能。
并将上一步反应完成的原料液进行过滤，得到二段液，同时将过滤的滤渣进行收集。
其次是水解酸化阶段，在水解酸化单元内完成，对获得的二段液进行静置，在兼性厌氧环境下结合酸化细菌进行酸化，得到三段液，采用自然接种有酸化细菌的缓冲罐静置的方式，提供兼性厌氧的环境，促进降解的有机生物质快速酸化，为产甲烷提供充足的原料。
最后是甲烷产生阶段，将获得的三段液在厌氧环境下，结合甲烷菌与反硝化菌，进行甲烷产生耦合反硝化反应，得到甲烷气体，并通过对三段液进行絮沉过滤得到沼液，酸化后的发酵液进入自然接种有产甲烷菌的厌氧反应罐，通过流加反硝化菌，产甲烷过程耦合反硝化作用，降低产甲烷过程中氨中毒的风险，在实现高效率产气的同时，部分消除氨氮，此时沼液所含固形物较少，可通过后期沼泥沉降除去；具体，产甲烷是小分子有机酸在产甲烷菌作用下形成甲烷的过程，反硝化是NO3-、NO2-在反硝化细菌的作用下转化形成N2的过程。
本发明采用好氧厌氧三段式沼气发酵方法，在有氧降解阶段耦合硝化作用，通过强化曝气，提升高浓度生物质的快速降解，同时利用流加硝化细菌的氨氧化作用，促进NH3、NH4+转化形成微生物生长偏好的NO2-、NO3-，改善发酵液碳、氮营养，并保持高浓度发酵液良好的滤过性能；利用网篦式滤渣过滤提升机构除去滤渣，水解酸化采用缓冲罐静置的方式，提供兼性厌氧的环境，促进降解的有机生物质快速酸化，为产甲烷提供充足的原料；酸化后的原料液进入厌氧反应罐，通过流加反硝化菌，产甲烷过程耦合反硝化作用，降低产甲烷过程中氨中毒的风险，在实现高效率产气的同时，部分消除氨氮，提升发酵效率、改善发酵液的传质状况，实现高效率产气。
除非另有陈述或内容明显矛盾，在本发明叙述范围内使用的术语″一(a)″和″这(the)″以及类似的指示物解释为包括单数和复数。本文叙述的数值范围仅仅作为对范围内每个单独数值的速记方式，除非另有陈述，将每个单独的数值加入详细说明如同分别记录在其中。除非另有陈述或其它内容上的明显矛盾，本文所有叙述的方式可以以任何合适的顺序进行。使用的任何和所有实例、或本文提供的示范性语言(例如″例如″)仅仅是更好地说明本发明，并非是对本发明范围的限定，除非权利要求。详细说明中的语言不应理解为指出任何未提出权利要求的实践本发明的必要因素。
本发明叙述了优选实施方案，包括本发明人所知的进行本发明的最佳方式。当然，本领域熟练技术人员显然可以看出这些优选实施方案的变化。本发明人预想熟练技术人员可以酌情使用该变化，本发明人指出本发明可以按照不同于本文具体所述的其它方式实施。因此，本发明包括由权利要求书定义的本发明主旨和范围所包括的所有改进。而且，除非另有陈述或内容上明显矛盾，本发明包括任何上述因素及其所有可能的变化。

Claims (5)

1.一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵设备，其特征在于，包括：
有氧降解单元，所述有氧降解单元包括硝化细菌种子罐、有氧降解罐、曝气机构以及滤渣过滤提升机构，所述硝化细菌种子罐用以培养和/或储存硝化菌种子液，所述硝化细菌种子罐与有氧降解罐相连通，所述曝气机构设置在有氧降解罐底部且用以向有氧降解罐内输送空气，所述有氧降解罐用以在有氧环境下结合硝化菌种子液降解原料液，所述滤渣过滤提升机构设置在有氧降解罐内，所述滤渣过滤提升机构用以过滤原料液降解产生的滤渣并将滤渣输送至有氧降解罐外部；
水解酸化单元，所述水解酸化单元包括酸化反应罐以及回流机构，所述酸化反应罐与有氧降解罐相连通，所述酸化反应罐用以接收经过过滤的原料液并进行静置酸化，
甲烷产生单元，所述甲烷产生单元包括厌氧反应罐、反硝化菌种子罐、滤渣收集机构，所述厌氧反应罐与酸化反应罐以及反硝化菌种子罐相连通，酸化后的原料液在厌氧反应罐内进行反应并产生甲烷，所述反硝化菌种子罐用以培养和/或储存反硝化菌种子液，所述滤渣收集机构与厌氧反应罐相连通且用以将厌氧反应罐内的滤渣进行收集；
所述滤渣过滤提升机构与硝化细菌种子罐设置在有氧降解罐的相对两侧，所述滤渣过滤提升机构包括筛网以及驱动装置，所述驱动装置带动筛网循环运动，所述滤渣过滤提升机构倾斜设置，所述滤渣过滤提升机构一端伸入有氧降解罐底部，所述滤渣过滤提升机构的另一端延伸至有氧降解罐外侧，所述滤渣过滤提升机构的另一端下方设置有输送带，所述输送带用以将滤渣进行输送；
所述酸化反应罐底部设置有一第一管道，所述反硝化菌种子罐底部设置有一第二管道，所述厌氧反应罐包括插入地下的下半部体以及位于地面上的上半部体，所述第一管道与第二管道均伸入地下且与下半部体的底部相连通；
所述上半部体的内壁上环绕设置有沉积板，所述沉积板一端与上半部体的内壁相连接，所述沉积板的另一端斜向上的向上半部体的中心方向延伸；
所述滤渣收集机构包括泵体、收集管道以及收集池，所述收集管道一端延伸至沉积板与上半部体内壁之间，所述收集管道另一端延伸至收集池，所述泵体设置在收集管道上用以将沉积板内的滤渣通过收集管道吸引至收集池。
2.根据权利要求1所述的一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵设备，其特征在于，所述硝化细菌种子罐设置在有氧降解罐的上方位置，所述硝化细菌种子罐上设置有控制阀，所述控制阀用以控制硝化菌种子液流入有氧降解罐的流速与频率。
3.根据权利要求2所述的一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵设备，其特征在于，所述酸化反应罐设置在靠近滤渣过滤提升机构一侧，所述回流机构包括回流管道以及设置在回流管道上的回流阀，所述回流管道用以连通酸化反应罐与厌氧反应罐。
4.一种采用了如权利要求1-3任一项所述的沼气发酵设备的耦合硝化作用的三段式沼气发酵方法，其特征在于，包括以下阶段：
S1000，有氧降解阶段，对原料液在有氧环境下，结合好氧微生物以及硝化菌，进行好氧降解耦合硝化反应，反应过程中保持曝气补充氧气；
S1001，将S1000中反应完成的原料液进行过滤，得到二段液，同时将过滤的滤渣进行收集；
S2000，水解酸化阶段，对二段液进行静置，在兼性厌氧环境下结合酸化细菌进行酸化，得到三段液；
S3000，甲烷产生阶段，将三段液在厌氧环境下，结合甲烷菌与反硝化菌，进行甲烷产生耦合反硝化反应，得到甲烷气体，并通过对三段液进行絮沉过滤得到沼液。
5.根据权利要求4所述的一种耦合硝化作用的三段式沼气发酵方法，其特征在于，所述S2000中包括S2001，所述S2001为沼液回用阶段，其包括提取部分沼液至静置的二段液，进行再次酸化。
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