CN114015537B - 一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其包括:微氧水解酸化器、中间反应器和厌氧干发酵器。微氧水解酸化器包括第一反应罐，第一反应罐底部设有曝气管和第一出料口；中间反应器包括第二反应罐和破碎搅拌器，第二反应罐连通第一出料口，第二反应罐的底部设有第二出料口；厌氧干发酵器包括第三反应罐和螺旋推进搅拌器，第三反应罐连通第二出料口。第三反应罐底部设有多个发酵液导出口，发酵液导出口均设有滤网和阀门，发酵液导出口连接储液罐，储液罐连接真空罐，通过负压间歇性将厌氧发酵产生的发酵液抽吸(边搅拌边抽吸)至储液罐中做进一步发酵，负压抽吸使厌氧发酵分解物快速迁移出来，避免因积累抑制厌氧菌活性。
Description
技术领域
本发明涉有机废弃物发酵技术领域，尤其是一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统。
背景技术
随着工业、农业集约化水平的提高，产生的有机质废弃物分布相对集中，需要进行减量化处理。厌氧发酵是一种有效处理有机质废弃物的方法，可实现废弃物资源化和能源化利用的有效途径。厌氧发酵过程中，有机物经过微生物的分解作用，产生清洁能源-沼气，实现有机废弃物的资源化和能源化利用，厌氧发酵已经成为循环经济发展模式的重要纽带。厌氧干发酵又称固体厌氧发酵，它是以秸秆、生活垃圾和畜禽粪便等固体有机废弃物为原料，利用厌氧微生物发酵产生沼气，反应体系中的含固率(TS)达到20％-30％。现行的干发酵反应器虽然能处理浓度较高的发酵物，但是由于传质困难、搅拌不均匀，致使发酵过程中大面积酸化而导致产沼气量少、产气不均匀、产气速率低等问题。搅拌技术虽然可以解决因微生物和可降解有机物无法实际接触而造成的传质困难，以及物料的物理、化学和生物学性状不均匀等问题，但是，厌氧干发酵在实际使用中仍然存在很多困难，主要包括：干发酵中底物含水量低、搅拌困难、微生物细胞及反应中间产物(主要为挥发性有机酸VFA)在发酵基质中的迁移速度和扩散速度受到严重限制，发酵基质中局部VFA过度积累，进而抑制产甲烷菌的生长，导致发酵过程的不稳定甚至失败。其次厌氧过程中的传热传质不均匀，使得厌氧干发酵的效率很低(一批发酵物有的已充分发酵而有的还未开始发酵)。
基于上述问题，有必要对现有厌氧干发酵技术提出改进。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，该系统可先对有机质废弃物微氧水酸化处理，再进一步厌氧干发酵，厌氧干发酵产生的沼液利用负压抽吸至储液罐中进行二次发酵，沼液也可通过喷淋系统回流喷洒第三发酵罐内的物料，使厌氧发酵的分解物快速溶出。利用本发明的系统，使同一批有机质废弃物均能高效分解，提高发酵效率。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其包括:
微氧水解酸化器，其包括第一反应罐和第一螺旋推进搅拌器，在所述第一反应罐底部设有曝气管，该曝气管连接外部的曝气风机；所述第一反应罐的一端底部设有第一出料口，所述第一反应罐的顶部设有进料口；
中间反应器，设于微氧水解酸化器下方，其包括第二反应罐，所述第二反应罐内设有破碎搅拌器，所述第二反应罐连通所述第一反应罐的第一出料口，第二反应罐的底部设有第二出料口；
厌氧干发酵器，设于中间反应器下方，其包括第三反应罐和设于该第三反应罐内的第二螺旋推进搅拌器；所述第三反应罐连接所述第二反应罐的第二出料口；
所述第三反应罐的底部设有多个发酵液导出口，所述发酵液导出口处设有滤网和阀门，所述发酵液导出口连接储液罐，储液罐连接真空罐，利用负压作用将第三反应罐内产生的液体抽至储液罐进一步发酵；储液罐内的沼液又通过喷淋系统喷淋所述第三反应罐内的物料，使发酵产生的分解物快速溶出。
根据本发明的较佳实施例，所述储液罐内的沼液还通过管道被输送到所述中间反应器内部用于灭活部分好氧菌。
根据本发明的较佳实施例，所述中间反应器中的破碎搅拌器包括转轴，桨叶和设于桨叶上的锋利翅片，用于将从微氧水解酸化器出来的物料搅拌并打碎，使其具有良好的流动性，同时沼液进入这些发酵物料中灭活部分好氧菌、预培养厌氧菌，以防止微氧水解酸化器出来的物料直接进入厌氧干发酵器中对厌氧环境造成的冲击。由于经过微氧水解酸化器的处理，有机质废弃物在中间反应器中非常容易被破碎成细渣状。
根据本发明的较佳实施例，所述第二反应罐的底部为锥形底部，以供第二反应罐内的物料在破碎搅拌器搅拌和重力作用下，从第二出料口落下进入第三反应罐。
根据本发明的较佳实施例，所述第三反应罐的底部间隔地设有多个发酵液导出口，在第三反应罐内部设有液位测量计；当第三反应罐内的液位达到预定值时，开启第二螺旋推进搅拌器进行搅拌，同时开启负压机和发酵液导出口处的阀门，使发酵物料中溶出的发酵产物经抽滤原理快速迁移出来，进入储液罐中进一步发酵。根据本发明的较佳实施例，所述第三反应罐的底部设有3个以上的发酵液导出口，均汇合连接到一根抽滤管道，该抽滤管道连接储液罐，储液罐连接真空罐，真空罐连接负压机。
根据本发明的较佳实施例，所述储液罐连接化学试剂罐，所述化学试剂罐装有提高甲烷菌活性的试剂。所述试剂为可溶性铁盐，如硫酸铁或氯化铁等，还可以是水溶性的镁盐、吐温80等。
根据本发明的较佳实施例，所述第三反应罐的顶部设有沼气收集罐，该沼气收集罐用于收集从第三反应罐顶部排出的沼气，所述沼气收集罐还通过管泵组件及设于第三反应罐底部的曝气装置，将沼气曝气到第三反应罐。
根据本发明的较佳实施例，所述储液罐上部通过管道连接所述沼气收集罐，使储液罐中产生的沼气被收集起来。
根据本发明的较佳实施例，所述第一反应罐、第二反应罐、第三反应罐外部均设有保温层或设置水热夹套(或水热换热器)。其中，所述储液罐连接第二反应罐及第三反应罐的管道，和所述沼气收集罐连接第三反应罐底部曝气装置的管道上也设有保温层或设置水热夹套(或水热换热器)。
(三)有益效果
本发明的主要技术功效在于：
(1)将用于厌氧干发酵的有机质固体废弃物先进行微氧水解酸化，使有机质固体废弃物中的部分大分子被水解，易于在后续厌氧干发酵中中进一步分解，有机质固体废弃物颗粒更细，更具有流动性、易于搅拌。
(2)本发明在微氧水解酸化和厌氧干发酵之间设置有中间反应器，该中间反应器用于承接微氧水解酸化的物料，并通入厌氧发酵产生的沼液，用于灭活微氧水解酸化中的部分好氧菌，预培养出一些厌氧菌，避免对下游的厌氧干发酵中的厌氧菌产生较大冲击；同时在中间反应器设置的破碎搅拌器，十分有利于沼液与物料混合，并通过破碎搅拌器使物料变得更细，在后续发酵中，产生的VFA易于迁移出来，沼液与物料混合更加均匀。
(3)在厌氧干发酵器中，通过螺旋推进搅拌器进行间歇式正转和反转，达到搅拌和挤压的作用，有利于厌氧干发酵物料中的VFA快速的溶出、迁移出来，避免局部过度积累抑制厌氧菌。同时利用喷淋沼液进行冲洗，使有机酸等发酵分解物快速移出，该冲洗的过程也利于均匀地传热传质。厌氧干发酵产生的沼气被收集后，又从厌氧干发酵器的底部进行曝气，曝气促进搅拌和物料内部的传热传质。
(4)在厌氧干发酵器中设有液位测量计，同时厌氧干发酵器的底部设有多个发酵液导出口，每个发酵液导出口设有滤网和阀门。发酵液导出口连接抽滤管道，抽滤管道连接储液罐，储液罐连接真空罐，真空罐连接负压机。当厌氧干发酵器内部的发酵液位较高时，开启第二螺旋推进搅拌器，各发酵液导出口的阀门和负压机，通过抽滤管道将厌氧干发酵器的发酵液抽出，使发酵物料产生的VFA和其他发酵分解物迁移出来，避免发酵分解物过度积累影响厌氧发酵效率。
(5)优选地，该储液罐连接化学试剂罐，其装有提高甲烷菌活性的试剂，如可溶性铁盐，如硫酸铁或氯化铁等，水溶性的镁盐、吐温80等。添加一定浓度的化学试剂到储液罐中，可以大大促进甲烷菌的活性(据试验证实，在浓度适宜的情况下，添加这些物质可以使甲烷菌活性提高1.2倍以上)，增加产气率，进一步降低发酵液的COD值。
附图说明
图1为本发明较佳实施例1的示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，为一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其包括:微氧水解酸化器1、中间反应器2和厌氧干发酵器3。
微氧水解酸化器1包括水平放置的第一反应罐11和设于该第一反应罐11内的第一螺旋推进搅拌器12，在第一反应罐11底部设有曝气管13，该曝气管13上设有若干个曝气嘴，该曝气管13连接外部的曝气风机14，曝气风机14可向第一反应罐11内部引入空气。第一反应罐1的一端底部设有第一出料口15，相反于第一出料口15的一端的顶部设有进料口10。有机质固体废弃物，如农业秸秆、蔬菜等，由进料口10进入到第一反应罐11。在微氧水解酸化器1中可以投加少量的兼性水解酸化菌、乳酸菌等。微氧水解酸化能够将复杂难降解的大分子有机物，如芳香烃、杂环类物质转化为简单易降解的有机酸、醇等小分子物质。曝气风机14向第一反应罐1中提供微量氧气，提高兼性水解酸化菌的生理代谢功能。
中间反应器2，设于微氧水解酸化器1下方，其包括第二反应罐21，第二反应罐21内设有破碎搅拌器22。第二反应罐21连通第一反应罐11的第一出料口15，第二反应罐21的底部设有第二出料口215。中间反应器2中的破碎搅拌器22包括转轴，桨叶和设于桨叶上的锋利翅片，用于将从微氧水解酸化器1出来的发酵物料搅拌并打碎，使物料具有好的流动性。第二反应罐21的底部为锥形底部，以供第二反应罐21内的物料在破碎搅拌器22搅拌和重力作用下，从第二出料口215落下进入厌氧干发酵器3。
厌氧干发酵器3，设于中间反应器2下方，其包括水平放置的第三反应罐31和设于该第三反应罐31内的第二螺旋推进搅拌器32。第三反应罐31连接所述第二反应罐21的第二出料口215。厌氧干发酵器3中保持厌氧环境。
如图1所示，第三反应罐31的底部设有多个发酵液导出口310，各发酵液导出口310处分别设有滤网311和阀门312，该发酵液导出口310，均汇合连接到一根抽滤管道320，抽滤管道320连接储液罐5，储液罐5连接真空罐6，真空罐6连接负压机。当第三反应罐31内设有液体测量计，当其发酵液位达到预设值时，在第二螺旋推进搅拌器32正反转动搅拌的情况下，打开各发酵液导出口310的阀门312，同时开启负压机，使第三反应罐31内的发酵液依抽滤原理快速汇入储液罐5中，在储液罐5中进一步发酵。由于抽滤和搅拌的共同作用，使发酵物料中所含的发酵分解物、VFA等快速从固体发酵物料中溶出和迁移出来，进入发酵液中，避免固体发酵物料中局部VFA聚集过度抑制厌氧菌。
优选地，储液罐5还连接化学试剂罐4，化学试剂罐4装有提高甲烷菌活性的试剂，如可溶性铁盐，如硫酸铁或氯化铁等，还可以是水溶性的镁盐、吐温80等，用于提高储液罐5中甲烷菌的活性，提高产气量。在其他实施例中，也可以不设置液位测量计，仅通过程序化控制，使负压机、抽滤管道上是各阀门、发酵液导出口310的阀门312等依照程序化设置间歇性开启。在进行抽滤时，沼气收集罐7与第三反应罐31的关闭连通。
再如图1所示，储液罐5内的沼液又通过喷淋系统315喷淋第三反应罐31内的物料，对发酵物料进行喷淋和冲洗，使产生的分解物快速溶出，同时向发酵物料提供甲烷菌等厌氧菌。储液罐5内的沼液还通过管道被输送到中间反应器2内部用于灭活物料中的部分好氧菌、预培养厌氧菌，以防止微氧水解酸化器1出来的物料直接进入厌氧干发酵器3中对厌氧环境造成的冲击。由于经过微氧水解酸化器1的处理，有机质废弃物在中间反应器2中非常容易被破碎成细渣状。
如图1所示，第三反应罐31的顶部设有沼气收集罐7，该沼气收集罐7用于收集从第三反应罐31顶部排出的沼气，沼气收集罐7还通过管泵组件及设于第三反应罐31底部的曝气装置316，对第三反应罐31进行曝气。通过曝气，保证第三反应罐31中处于较理想的厌氧环境，提高厌氧菌的活性，同时对发酵物料起到气体搅拌和传质、传热等作用。如图1所示，在这些管泵组件外部设置保温层或水热夹套34，使喷淋到第三反应罐31中的沼液保持温热，使曝气到第三反应罐31中的沼气也具有一定初始温度。如此，可以解决现有技术存在的“厌氧过程中的传热传质不均匀，使得厌氧干发酵的效率很低”的问题。
此外，储液罐5上部也通过管道连接沼气收集罐7，使储液罐5进一步发酵产生的沼气被收集起来。
其中，第一反应罐11、第二反应罐21、第三反应罐31外部均设有保温层或设置水热夹套(或水热换热器)。储液罐5的沼液连接第二反应罐及第三反应罐的管道，及沼气收集罐7连接第三反应罐31底部曝气装置316的管道上也设有保温层或水热夹套或水热换热器34，防止热量损失，提高酸化阶段、厌氧干发酵阶段的发酵效率。
其中，储液罐5的沼液从第三反应罐31上部向下喷洒，在第二螺旋推进搅拌器32搅拌的同时喷洒沼液，沼液很容易就被卷入固体发酵物的内部，冲淋发酵物料，使发酵物料具有可搅拌性，同时通过冲淋使固体发酵物料中产生的VFA快速地溶出，经间隔性地施加负压抽滤，使发酵物料产生的VFA及其他分解物快速迁移出来，进入储液罐5。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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范围。
Claims (5)
1.一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其特征在于，其包括:
微氧水解酸化器，其包括第一反应罐和第一螺旋推进搅拌器，在所述第一反应罐底部设有曝气管，该曝气管连接外部的曝气风机；所述第一反应罐的一端底部设有第一出料口，所述第一反应罐的顶部设有进料口；
中间反应器，设于微氧水解酸化器下方，其包括第二反应罐，所述第二反应罐内设有破碎搅拌器，所述第二反应罐连通所述第一反应罐的第一出料口，第二反应罐的底部设有第二出料口；
厌氧干发酵器，设于中间反应器下方，其包括第三反应罐和设于该第三反应罐内的第二螺旋推进搅拌器；所述第三反应罐连接所述第二反应罐的第二出料口；
所述第三反应罐的底部设有多个发酵液导出口，所述发酵液导出口设有滤网和阀门，所述发酵液导出口连接储液罐，所述储液罐连接真空罐，利用负压作用将第三反应罐内产生液体抽至储液罐进一步发酵；所述储液罐连接化学试剂罐，所述化学试剂罐装有提高甲烷菌活性的试剂；储液罐内的沼液又通过喷淋系统喷淋所述第三反应罐内的物料，使发酵产生的分解物快速溶出；所述第三反应罐的顶部设有沼气收集罐，所述储液罐上部通过管道连接所述沼气收集罐，使储液罐中产生的沼气被收集起来；该沼气收集罐用于收集从第三反应罐顶部排出的沼气和来自储液罐上部的沼气，所述沼气收集罐还通过管泵组件及设于第三反应罐底部的曝气装置，将沼气曝气到第三反应罐；
所述储液罐内的沼液还通过管道被输送到所述中间反应器内部用于灭活部分好氧菌。
2.根据权利要求1所述的一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其特征在于，所述中间反应器中的破碎搅拌器包括转轴，桨叶和设于桨叶上的锋利翅片，用于将从微氧水解酸化器出来的物料搅拌并打碎。
3.根据权利要求1所述的一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其特征在于，所述第二反应罐的底部为锥形底部，以供第二反应罐内的物料在破碎搅拌器搅拌和重力作用下，从第二出料口落下、进入第三反应罐。
4.根据权利要求1所述的一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其特征在于，所述第三反应罐的底部间隔地设有多个发酵液导出口，在第三反应罐内部设有液位测量计；当第三反应罐内的液位达到预定值时，开启第二螺旋推进搅拌器进行搅拌，同时开启负压机和发酵液导出口处的阀门，使发酵物料中溶出的发酵产物经抽滤快速迁移出来，进入储液罐中进一步发酵。
5.根据权利要求1所述的一种有机质废弃物的高效厌氧干发酵系统，其特征在于，所述第一反应罐、第二反应罐、第三反应罐外部均设有保温层或水热夹套。
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