CN114032255A

CN114032255A - 一种提高产沼气效率的厌氧消化方法

Info

Publication number: CN114032255A
Application number: CN202210024837.4A
Authority: CN
Inventors: 罗娟; 赵立欣; 姚宗路; 申瑞霞; 于佳动; 侯昕彤
Original assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Current assignee: Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculturem of CAAS
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2022-02-11

Abstract

本发明属于生物发酵技术领域，公开了一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，包括S1：有机物料的预处理，将有机物料进行粉碎、搅拌、生物化学预处理和加热预升温；S2：对有机物料进行厌氧发酵；S3：沼气的利用和发酵剩余物的处理，沼气输送至沼气利用单元利用，发酵剩余物分离得到沼渣和沼液，沼液再次进行分解转化产生沼气、液态污泥和渗透液，沼渣和渗透液用作沼肥；S4、液态污泥的回流与利用，S3中获得的液态污泥回流至厌氧消化器内再次进行厌氧发酵，重复S3和S4，使得有机物料被充分分解转化；本发明解决了现有技术对有机物料的消化处理不完全、转化效率低和未对沼气中的硫成分进行单独处理的问题，适用于农业农村废弃有机物料厌氧消化产沼气。

Description

一种提高产沼气效率的厌氧消化方法

技术领域

本发明涉及生物发酵技术领域，具体为一种提高产沼气效率的厌氧消化方法。

背景技术

气候变化是目前全球最重要、最紧迫的议题之一，中国作为负责任大国，2020年9月提出力争2030年碳达峰、2060年碳中和的目标。农业既是全球温室气体重要的排放源，同时又是一个巨大的碳汇系统。据联合国粮农组织FAO的数据统计，农业释放的温室气体超过了全球人为温室气体排放总量的30%，但同时农业生态系统也可以抵消掉80%的因农业导致的温室气体排放。因此，农业减排是重要的技术手段并且有着巨大的潜力。我国是农业大国，2014年我国农业排放量为8.3亿吨二氧化碳当量，加上农业生产用能和生活用能的排放，约占全国温室气体排放总量的15%。与此同时，每年产生大量农业农村有机废弃物，其中农作物秸秆超过8.6亿吨，畜禽粪污超过30亿吨，此外还有蔬菜尾菜、农产品加工副产品、农村生活垃圾等有机废弃物，其中尚有大量未得到有效利用，既是资源的浪费，也对环境造成了污染。

沼气，亦称为生物沼气，主要是利用动物粪便、蔬菜尾菜、农产品加工副产品、农村生活垃圾等有机废弃物通过微生物厌氧消化技术生产，所产生的沼气中所含的主要成分—甲烷占其总量的40~80％，每立方米沼气完全燃烧相当于0.7公斤标准煤燃烧所产生的热量，其既可以直接作为清洁能源进行供应，也可以提纯为生物天然气，作为车用燃气或注入天然气管网。因此，沼气是一种重要的可再生生物质能源。此外，厌氧消化产生的剩余物营养丰富，可以作为肥料施用于农田，有效提高土壤有机质含量，发挥培肥地力和固碳增汇的作用。因此，大力发展沼气等农村生物质能，替代化石能源和化肥在农业农村的应用，具有显著的减排固碳效果，能够有效助力碳达峰碳中和目标实现。

目前国内外大多数厌氧消化系统采用完全混合式厌氧消化方法，定期进料和出料，厌氧消化器产生的发酵剩余物（沼液/沼渣）直接排放到外部，现有的厌氧消化方法存在以下问题：

1、厌氧反应器内混合有厌氧微生物与发酵程度不一的物料，料液排出时不仅会使得活性厌氧微生物大量流失导致厌氧消化器的处理效率降低，而且未发酵完全的物料还可以产生沼气，既是浪费也会带来污染；

2、厌氧反应器中长时间有机物含量过高，不仅会导致系统内传质困难，形成浮渣和沉积物，还会对厌氧反应器的功能和性能产生负面影响；

3、现有厌氧消化方法未对沼气中的硫成分进行单独处理，而沼气中的硫成分容易导致发电机设备损坏、管道腐蚀等；

4、发酵剩余物经过固液分离机的处理后沼渣的含水率高，限制了后期对发酵剩余物进一步的再次利用。

发明内容

本发明意在提供一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，通过将富含厌氧微生物的活性污泥进行浓缩回收并重新返回厌氧消化器，使厌氧消化器内保持较高的厌氧微生物浓度，从而提高厌氧消化器的处理效率和产沼气效率；通过向固液分离机中注入无机混凝剂，从而增大污泥絮体以改善固液分离机的性能，有效降低沼渣的含水率；同时形成的污泥絮体从消化液中去除，液体的SS含量减少，降低了厌氧膜分离膜的污染负荷；通过将氯化铁加入无机混凝剂中以去除消化液中所含的硫成分，可以防止管道的腐蚀或对发生器设备的损坏。由此解决了上述问题，提高工程的运行效益。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，包括以下步骤：

S1、有机物料的预处理，将秸秆、蔬菜尾菜、厨余垃圾、有机生活垃圾等有机物料进行粉碎和生物化学预处理，并将处理完成后的有机物料与畜禽粪污再次进行混合搅拌和加热预升温；

S2、厌氧发酵，将经S1预处理的有机物料放入厌氧消化器内，利用厌氧消化器内的厌氧微生物对有机物料进行分解转化得到沼气和发酵剩余物；

S3、沼气的利用和发酵剩余物的处理，将S2中获得的沼气输送至沼气利用单元进行利用，沼气利用单元包括对沼气进行调压、沼气进行净化和提纯、沼气用于发电和供热等，发酵剩余物经固液分离器分离后得到沼渣和沼液，排出沼渣，将沼液输送至厌氧膜分离器的膜组件内浓缩，浓缩后富含厌氧微生物的液态污泥暂存在厌氧膜分离器中，液态污泥继续发酵，获得的沼气同样输送至沼气利用单元进行再次利用，渗透液从厌氧膜分离器排出，同时将沼气利用单元内的沼气加压后，返流至厌氧膜分离器的膜组件中对膜组件进行冲洗和厌氧膜分离器内的物料进行气力搅拌，同时反流至厌氧消化器底部的布料装置对厌氧消化器内物料进行气力搅拌，其中，沼渣和渗透液用作沼肥；

S4、液态污泥的回流与利用，将S3中获得的液态污泥返流至厌氧消化器内，其中的有机物料与新进物料混合再次发酵消化获得沼气和发酵剩余物，重复S3和S4，使得厌氧消化器内的有机物料被充分分解转化。

进一步地，在S1中，混合后有机物料的C/N在20~40之间，混合有机物料浓度不高于15%。

进一步地，在S1中，加热预升温的方式包括对沼气的利用发电供热、太阳能辅助供热和化石能源供热中的单一供热方式或者多种混合供热方式。

进一步地，在S2中，厌氧消化器内物料浓度不高于12%，S4中液态污泥返回到厌氧消化器的回流比例为20%~50%，在S3和S4中，沼气利用单元对沼气进行加压分别输送至厌氧膜分离器和厌氧消化器的过程中，对沼气的加压压力为10~50kPa。

进一步地，在S3中，对发酵剩余物进行固液分离器分离得到沼渣和沼液的过程中加入无机混凝剂。

进一步地，向固液分离器中加入的无机混凝剂为氯化铁，氯化铁的添加量为8g/L。

进一步地，在S3中，向厌氧膜分离器内侧补充调节剂，调节剂为尿素或氯化钙中的一种。

进一步地，在S3中，沼肥利用包括好氧堆肥、出水处理等，沼渣从固液分离机排出后，经过好氧堆肥后作为固体肥料进行还田利用，进一步添加营养成分、功能成分等处理作为商品有机肥、土壤改良剂等，渗透液含有低浓度的养分，作为肥水进行还田利用或经过深度处理后达标排放。

进一步地，在S3中，沼气利用单元内的沼气加压后对膜组件的冲洗频率为每运行15~30d冲洗一次，在S4中，沼气利用单元内的沼气加压后对厌氧消化器内物料的气力搅拌频率为每天3~10次，每次搅拌时间为15~60min。

技术方案的有益效果是：

1.本专利创新优化了有机废弃物厌氧消化工艺方法流程，并集成了原料预处理、高效厌氧发酵、沼气回用与利用、沼肥利用、发电余热梯级利用等技术工艺方法，完善了有机废弃物高效厌氧消化技术体系；

2.创新提出了厌氧活性污泥收集与回用技术，采用厌氧膜分离器对发酵剩余物中的活性污泥进行浓缩分离，并回流到厌氧消化器中，有效提升厌氧消化效率和沼气产量；

3.创新提出了沼气增压后气力搅拌技术，替换传统的机械搅拌，物料更加均匀，适合各种规格尤其是大型厌氧反应器，进一步提高厌氧消化器的处理效率和沼气产生效率，同时可以对布料装置进行冲洗，有效避免堵塞，提高整个消化系统的使用性能；

4.创新采用沼气对膜组件进行物理冲洗，无需增加额外的膜清洗设备，降低经济成本的同时提高膜组件的使用寿命，此外，沼气调压罐具有可控的稳定压力和流量的沼气，提高了膜组件的清洗效率；

5.创新提出了沼渣高效脱水技术，采用无机混凝剂添加，改善固液分离机的性能，有效降低沼渣的含水率，便于运输和处理，有效降低后端处理成本；沼液的SS含量减少，降低了厌氧膜分离膜的污染负荷；无机混凝剂并随沼液进入厌氧消化系统，有效降低硫化氢的生成，从而防止管道腐蚀或损坏发电机设备，降低运维成本和后续脱硫成本，沼气质量得到进一步的提高；

6.厌氧发酵排出的部分有机物随着沼液进入厌氧膜分离器，继续进行厌氧反应，可以提升沼气产量。

附图说明

图1为本发明一种提高产沼气效率的厌氧消化方法的流程图；

图2为本发明一种提高产沼气效率的厌氧消化方法的沼气产用示意图；

附图中对应标记的名称为：

1、预处理单元；2、厌氧发酵单元；3、沼气利用单元；4、沼肥利用单元；5、供热单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，包括以下步骤：

S1、有机物料的预处理，将秸秆、蔬菜尾菜、厨余垃圾、有机生活垃圾等有机物料进行粉碎和生物化学预处理，并将处理完成后的有机物料与畜禽粪污再次进行混合搅拌和加热预升温，其中，混合后有机物料的C/N在20~40之间，混合有机物料浓度不高于15%，加热预升温的方式包括对沼气的利用发电供热、太阳能辅助供热和化石能源供热中的单一供热方式或者多种混合供热方式；

S2、厌氧发酵，将经S1预处理的有机物料放入厌氧消化器内，厌氧消化器内物料浓度不高于12%，利用厌氧消化器内的厌氧微生物对有机物料进行分解转化得到沼气和发酵剩余物；

S3、沼气的利用和发酵剩余物的处理，将S2中获得的沼气输送至沼气利用单元进行利用，沼气利用单元包括对沼气进行调压、沼气进行净化和提纯、沼气用于发电和供热等，发酵剩余物经固液分离器分离后得到沼渣和沼液，排出沼渣，将沼液输送至厌氧膜分离器的膜组件内浓缩发酵，在厌氧膜分离器内浓缩发酵的过程中加入8g/L的氯化铁为无机混凝剂，同时补充加入尿素或氯化钙中任一一种作为补充剂，膜组件内发酵获得的沼气同样输送至沼气利用单元进行再次利用，浓缩后富含厌氧微生物的液态污泥暂存在厌氧膜分离器中，渗透液从厌氧膜分离器排出，同时将沼气利用单元内的沼气加压至10~50kPa后返流至厌氧膜分离器的膜组件中对膜组件进行冲洗和气力搅拌，同时沼气加压还返流至厌氧消化器内对其内侧的有机物料进行气力搅拌，沼气加压后对膜组件的冲洗频率为每运行15~30d冲洗一次，其中，沼渣和渗透液用作沼肥，沼肥用于包括好氧堆肥、出水处理等，沼渣从固液分离机排出后，经过好氧堆肥后作为固体肥料进行还田利用，进一步添加营养成分、功能成分等处理作为商品有机肥、土壤改良剂等，渗透液含有低浓度的养分，作为肥水进行还田利用或经过深度处理后达标排放；

S4、液态污泥的回流与利用，将S3中获得的液态污泥返流至厌氧消化器内，液态污泥返回到厌氧消化器的回流比例为20%~50%，同时再次将沼气利用单元内的沼气加压至10~50kPa后返流至厌氧消化器内以对厌氧消化器内的物料进行气力搅拌，沼气加压后对厌氧消化器内物料的气力搅拌频率为每天3~10次，每次搅拌时间为15~60min，厌氧消化器内的有机物料再次发酵消化获得沼气和发酵剩余物，重复S3和S4，使得厌氧消化器内的有机物料被充分分解转化。

具体实施过程如下：

如图2所示：

在预处理单元1内对原料的预处理、混合进料等环节，完成秸秆、蔬菜尾菜、厨余垃圾、有机生活垃圾等原料的准备、粉碎、生物化学预处理，接着将原料输送至进料装置，进料装置设有混合搅拌装置和增温保温装置，各种原料在其中加入畜禽粪污后进行预升温、混合搅拌。其中，混合后物料的C/N在20~40之间，混合物料浓度不高于15%，有效克服单一原料厌氧消化可能会出现易酸化、养分不协调、C/N低等问题，后续进行厌氧消化时系统更加稳定；

在厌氧发酵单元2内主要包括有厌氧消化器、厌氧膜分离器和固液分离机，其中，厌氧消化器内底部设置有布料装置，厌氧膜分离器内设置有膜组件，固液分离机连接有混凝剂添加装置，有机混合废弃物经预处理、混合搅拌后，被密闭输送至厌氧消化器内，厌氧消化器内的料浓度不高于12%，消化器内的厌氧微生物对物料中的有机物进行分解转化，由此产生沼气和发酵剩余物；

发酵剩余物定期从厌氧消化器的出料管排出，被输送至固液分离机，分离为沼渣和沼液，通过混凝剂添加罐向固液分离机中添加无机混凝剂，提高固液分离效率；其中无机混凝剂优选为氯化铁，添加量为8g/L；混凝剂能够增大污泥絮体，有效改善固液分离机的性能，一方面分离后的沼渣较常规固液分离的沼渣含水率更低，便于运输和处理，有效降低了后端的降低水分的步骤产生的成本；另一方面降低沼液中的固体物含量，减少后端膜组件的负荷压力；此外，还可减少硫化氢的生成，从而防止管道腐蚀或损坏发电机设备，延长使用寿命，降低维护成本，使得后续的脱硫压力大幅降低。其中，沼液被输送至厌氧膜分离器的膜组件中，进行膜浓缩，浓缩后富含厌氧微生物的液态污泥暂存在厌氧膜分离器中，渗透液从厌氧膜分离器排出；

厌氧膜分离器中的活性污泥含有大量厌氧微生物和有机物，在膜分离器暂存时，将继续发生厌氧反应，产生沼气，提高了厌氧消化系统的沼气总产量。活性污泥根据需要输送至厌氧消化器底部的布料装置，返回到厌氧消化器，回流比例20%~50%，可以最大限度地减少厌氧反应所需活性微生物的流失，有效增加反应器的厌氧微生物浓度，缩短物料的水力停留时间，提高反应器处理效率。布料装置均匀布置在厌氧消化器底部，可使得活性污泥尽量均匀的进入到厌氧消化器内，厌氧膜分离器还连通有调节剂补充装置，通过调节剂补充装置向厌氧膜分离器的内侧补充尿素或氯化钙作为调节剂；

沼气被输送至沼气利用单元3后，增压后分别输送至厌氧膜分离器和布料装置。其中，输送至厌氧膜分离器的沼气用于对膜组件进行冲洗，恢复膜的过滤性能保障其过滤效果，防止膜污染和堵塞，膜组件冲洗频率为每运行15~30d冲洗一次，根据原料、沼液成分等实际情况可以进行调整。沼气流经膜组件后，进一步上升至厌氧膜分离器的顶部，通过沼气回流管返回到沼气调压罐内；

增压后的沼气输送至布料装置，用于对厌氧消化器内的物料进行气力搅拌，气力搅拌频率为每天3~10次，每次搅拌时间为15~60min。在进行气力搅拌的同时，沼气还可以对布料装置进行反冲洗，防止布料管道堵塞。气力搅拌增强了底物与微生物之间的传质效率，可以进一步提高产气效率；同时无需设置机械搅拌装置，减少投资和运行成本，在低能耗下实现良好的传质和传热；

在沼气利用单元3内主要包括沼气调压罐、沼气净化系统、沼气利用系统（发电、提纯等）等环节。沼气调压罐用于将沼气进行增压，增压压力为10~50kPa，增压后的沼气分别根据需要输送至厌氧膜分离器和布料装置，多余部分输送至沼气净化系统，进行下一步利用。通过沼气调压罐的压力控制，还可以对整个厌氧消化系统的压力进行调节；

在沼肥利用单元4内主要包括好氧堆肥、出水处理等环节。沼渣从固液分离机排出后，经过好氧堆肥后，作为固体肥料进行还田利用，也可以进一步添加营养成分、功能成分等处理作为商品有机肥、土壤改良剂等进行销售。沼液经过厌氧膜分离器后，出水部分通过排水管被排出，含有低浓度的养分，作为肥水进行还田利用，或经过深度处理后达标排放；

在供热单元5内主要包括发电余热、太阳能等辅助供热环节，用于为整个厌氧消化系统提供热能。沼气发电产生的热量经过高效换热系统后，将能量传递给循环水，经过输水管道等为混合进料装置、厌氧消化器、厌氧膜分离器、场区办公场所等进行增温，此外，发电余热中的蒸汽通过输送管道还可以为沼肥干燥系统提供热量。发电余热利用时，可以根据不同单元的用热需求和温度高低，进行梯级利用，提高能源利用效率。如果沼气利用单元没有发电系统，或者发电余热的热量不够时，可以采用太阳能、化石能源等其他能源进行供热，根据实际情况可以单一热源供热，也可多种方式组合供热。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、有机物料的预处理，将秸秆、蔬菜尾菜、厨余垃圾、有机生活垃圾等有机物料进行粉碎和生物化学预处理，并将处理完成后的有机物料与畜禽粪污等进行混合搅拌和加热预升温；

2.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S1中，混合后有机物料的C/N在20~40之间，混合有机物料浓度不高于15%。

3.根据权利要求2所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S1中，加热预升温的方式包括对沼气的利用发电供热、太阳能辅助供热和化石能源供热中的单一供热方式或者多种混合供热方式。

4.根据权利要求3所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S2中，厌氧消化器内物料浓度不高于12%，S4中液态污泥返回到厌氧消化器的回流比例为20%~50%，在S3和S4中，沼气利用单元对沼气进行加压分别输送至厌氧膜分离器和厌氧消化器的过程中，对沼气的加压压力为10~50kPa。

5.根据权利要求4所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S3中，对发酵剩余物进行固液分离器分离得到沼渣和沼液的过程中加入无机混凝剂。

6.根据权利要求5所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：向固液分离器中加入的无机混凝剂为氯化铁，氯化铁的添加量为8g/L。

7.根据权利要求6所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S3中，向厌氧膜分离器内侧补充调节剂，调节剂为尿素或氯化钙中的一种。

8.根据权利要求7所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S3中，沼肥利用包括好氧堆肥、出水处理等，沼渣从固液分离机排出后，经过好氧堆肥后作为固体肥料进行还田利用，进一步添加营养成分、功能成分等处理作为商品有机肥、土壤改良剂等，渗透液含有低浓度的养分，作为肥水进行还田利用或经过深度处理后达标排放。

9.根据权利要求8所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化方法，其特征在于：在S3中，沼气利用单元内的沼气加压后对膜组件的冲洗频率为每运行15~30d冲洗一次，在S4中，沼气利用单元内的沼气加压后对厌氧消化器内物料的气力搅拌频率为每天3~10次，每次搅拌时间为15~60min。