CN114015541B - 一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其包括:微氧水解酸化反应器、过渡反应器和厌氧干发酵器。微氧水解酸化反应器包括第一反应罐和螺旋推进式搅拌器，第一反应罐底部设有曝气管，第一反应罐的一端还设有第一出料口；过渡反应器设于微氧水解酸化反应器下方，包括第二反应罐和搅碎器，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；厌氧干发酵器设于过渡反应器下方，包括第三反应罐和螺旋推进式搅拌器，第三反应罐连接第二出料口。厌氧干发酵器中产生的发酵沼液被输送到过渡反应器用于灭活部分好氧菌，发酵沼液还用于喷淋和冲洗第三反应罐中的发酵物料，使发酵物料中的分解物快速溶出，避免其抑制厌氧菌活性。
Description
技术领域
本发明涉有机废弃物发酵技术领域，尤其是一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统。
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。对这些有机质固废的减量化处理技术主要是填埋、焚烧、堆肥、厌氧发酵技术。其中，厌氧发酵分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵，与厌氧湿发酵技术处理农业农村有机废弃物相比，厌氧干发酵技术具有用水量少、管理方便、生产过程清洁、产气率高、处理成本低等优点。厌氧干发酵技术根据进出料是否连续，主要分为连续式和序批式两种方式。厌氧干发酵能够在干物质含水率20-50％的情况下正常发酵，产生清洁能源(沼气)和优质的有机肥料。该技术具有可以适应各种来源的固体有机质废弃物，需水量低，能耗少，运行过程稳定，相比堆肥可以减少臭气排放等优点。
但是，厌氧干发酵在实际使用中仍然存在很多困难，首先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废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，该系统可先对有机质固废微氧水酸化处理，然后进一步厌氧干发酵处理，使有机质固废尽可能被分解为小分子物质，提高发酵均匀性和发酵效率。
(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：
一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其包括:
微氧水解酸化反应器，其包括水平放置的第一反应罐和设于该第一反应罐内的螺旋推进式搅拌器，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，相反于第一出料口的一端的顶部设有进料口；
过渡反应器，设于微氧水解酸化反应器下方，其包括第二反应罐，所述第二反应罐内部具有搅碎器，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，设于过渡反应器下方，其包括水平放置的第三反应罐和设于该第三反应罐内的螺旋推进式搅拌器；所述第三反应罐连接所述第二反应罐的第二出料口；
所述厌氧干发酵器中产生的发酵沼液被输送到所述过渡反应器的内部用于灭活部分好氧菌，同时所述发酵沼液还用于喷淋和冲洗所述厌氧干发酵器中的发酵物料，使发酵产生的分解物快速溶出，避免抑制厌氧菌活性。
根据本发明的较佳实施例，所述厌氧干发酵器内设有隔板，所述隔板将所述第三反应罐区分为上下两个部分，上部为固体发酵区，下部为液体发酵区。
根据本发明的较佳实施例，所述隔板上设有一个篦子，该篦子不允许固体发酵区内的固体发酵物料通过但允许固体发酵物料区产生的发酵液进入到下部发液体发酵区进一步发酵产甲烷。
根据本发明的较佳实施例，所述第三反应罐具有进料端和出料端，所述隔板具有倾斜坡度，且从进料端到出料端逐渐变低，所述篦子设于该隔板上且靠近第三反应罐出料端，使固体发酵区的液体沿隔板汇集后、通过篦子汇入液体发酵区。所述第三反应罐的出料端设有第三出料口。
根据本发明的较佳实施例，所述液体发酵区连接化学试剂罐，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，所述液体发酵区的沼液通过输送管泵组件通入所述过渡反应器，同时通过喷淋管从固体发酵区上部向下喷洒。
根据本发明的较佳实施例，所述过渡反应器中的搅碎器包括转轴，桨叶和设于桨叶上的锋利翅片，用于将从微氧水解酸化反应器出来的物料搅拌并打碎，使具有好的流动性，同时沼液进入这些发酵物料中灭活部分好氧菌、培养一定数量的厌氧菌，以防止微氧水解酸化反应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。
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搅碎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曝气管道，将沼气曝气到第三反应罐的液体发酵区和固体发酵区。
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。其中，所述的各个管泵组件的管道部分外部也设有保温层或水热夹套保温装置(或水热换热器)。
第二方面，本发明提供一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵方法，其采用上述任一实施例的系统进行发酵。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
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过渡反应器，该过渡反应器用于承接微氧水解酸化的物料，并接入厌氧干发酵产生的沼液，用于灭活微氧水解酸化中的好氧菌，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；同时在过渡反应器设置的搅碎器，十分有利于沼液与物料混合，并通过搅碎器使物料变得更细，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，通过螺旋推进式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VFA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，有利于发酵物料内部均匀地传热传质。
(4)本发明还进一步将厌氧干发酵器分为固体发酵区和液体发酵区，由此可以减少固体发酵区的含水率，使厌氧菌保持高活性，而液体则汇集到液体发酵区中进一步发酵产沼气。优选地，该液体发酵区连接化学试剂罐，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液体发酵区中，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，降低发酵液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，为一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其包括:微氧水解酸化反应器1、过渡反应器2和厌氧干发酵器3。
微氧水解酸化反应器1包括水平放置的第一反应罐11和设于该第一反应罐11内的螺旋推进式搅拌器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，如农业秸秆等，由进料口10进入到第一反应罐11。在微氧水解酸化反应器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。曝气组风机14提供的微氧环境可以提高兼性水解酸化菌的生理代谢功能。
过渡反应器2，设于微氧水解酸化反应器1下方，其包括第二反应罐21，第二反应罐21内部具有搅碎器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。过渡反应器2中的搅碎器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反应器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内的物料在搅碎器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，设于过渡反应器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内的螺旋推进式搅拌器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。厌氧干发酵器3中产生的发酵沼液被输送到过渡反应器2的内部用于灭活部分好氧菌，同时发酵沼液还用于喷淋厌氧干发酵器3中的发酵物料。
由于在过渡反应器2中，厌氧干发酵器3中产生的发酵沼液进入这些发酵物料中，即可灭活部分好氧菌，并预先培养一定数量的厌氧菌，以防止微氧水解酸化反应器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。
进一步地，如图1所示，厌氧干发酵器3内设有隔板33，隔板33在螺旋推进式搅拌器32下方，并且将第三反应罐31区分为上下两个部分，上部为固体发酵区，下部为液体发酵区。第三反应罐31具有进料端A和出料端B，隔板33具有倾斜坡度，且从进料端A到出料端B逐渐变低，在隔板33上设有一个篦子331，该篦子不允许固体发酵区内的固体发酵物料通过但允许固体发酵物料区产生的发酵液进入到下部发液体发酵区进一步发酵产甲烷。篦子331设于隔板33上且靠近第三反应罐31的出料端B一侧，使固体发酵区的液体可以自动沿隔板33汇集后、通过篦子331汇入液体发酵区。在第三反应罐31的出料端B设有第三出料口。液体发酵区的沼液通过喷淋管从固体发酵区上部向下喷洒，在螺旋推进式搅拌器32搅拌的同时喷洒沼液，沼液很容易被卷入固体发酵物中，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快速地溶出进入液体发酵区。
如图1所示，液体发酵区还连接化学试剂罐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，用于提高液体发酵区的甲烷菌活性，提高产气量，产出的沼气进入第三反应罐31的顶部设有沼气收集罐314中收集起来。沼气收集罐314又通过管泵组件通向第三反应罐31的固体发酵区和液体发酵区的底部进行曝气。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。
进一步地，可在第一反应罐11、第二反应罐21、第三反应罐31外部均设有保温层或水热夹套或水热换热器，防止热量损失，提高酸化阶段、厌氧干发酵阶段的发酵效率。
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 (6)
1.一种有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其特征在于，其包括:
微氧水解酸化反应器，其包括水平放置的第一反应罐和设于该第一反应罐内的螺旋推进式搅拌器，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，相反于第一出料口的一端的顶部设有进料口；
过渡反应器，设于微氧水解酸化反应器下方，其包括第二反应罐，所述第二反应罐内部具有搅碎器，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，设于过渡反应器下方，其包括水平放置的第三反应罐和设于该第三反应罐内的螺旋推进式搅拌器；所述第三反应罐连接所述第二反应罐的第二出料口；
所述厌氧干发酵器中产生的发酵沼液被输送到所述过渡反应器的内部用于灭活部分好氧菌，同时所述发酵沼液还用于喷淋和冲洗所述厌氧干发酵器中的发酵物料，使发酵产生的分解物快速溶出；
所述厌氧干发酵器内设有隔板，所述隔板将所述第三反应罐区分为上下两个部分，上部为固体发酵区，下部为液体发酵区；所述隔板上设有一个篦子，该篦子不允许固体发酵区内的固体发酵物料通过但允许固体发酵物料区产生的发酵液进入到下部发液体发酵区进一步发酵产甲烷；所述液体发酵区连接化学试剂罐，所述化学试剂罐装有提高甲烷菌活性的试剂；
所述第三反应罐具有进料端和出料端，所述隔板具有倾斜坡度，且从进料端到出料端逐渐变低，所述篦子设于该隔板上且靠近第三反应罐出料端，使固体发酵区的液体沿隔板汇集后、通过篦子汇入液体发酵区；
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曝气管道，将沼气曝气到第三反应罐的液体发酵区和固体发酵区。
2.根据权利要求1所述的有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其特征在于，所述试剂为可溶性铁盐、水溶性的镁盐或吐温80。
3.根据权利要求1所述的有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其特征在于，所述液体发酵区的沼液通过输送管泵组件通入所述过渡反应器，同时通过喷淋管从固体发酵区上部向下喷洒。
4.根据权利要求1所述的有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，其特征在于，所述过渡反应器中的搅碎器包括转轴，桨叶和设于桨叶上的锋利翅片，用于将从微氧水解酸化反应器出来的物料搅拌并打碎。
5.根据权利要求4所述的有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，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搅碎器搅拌和重力作用下，从第二出料口落下进入第三反应罐。
6.根据权利要求1所述的有机废弃物两相联合型的厌氧干发酵系统，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设置水热夹套。
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