CN114058482A

CN114058482A - 一种提高产沼气效率的厌氧消化系统

Info

Publication number: CN114058482A
Application number: CN202210024839.3A
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: 2022-02-18

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系统，包括厌氧消化器、沼气调压罐、厌氧膜分离器和固液分离机，厌氧消化器连通有进料管、消化器柔性储气袋、出料管、布料管和排渣管，布料管连接有布料装置，消化器柔性储气袋连通有消化器排气管，沼气调压罐连通有沼气排放管和沼气反冲洗管，固液分离机连通有沼渣管、沼液管和混凝剂添加罐，厌氧膜分离器连通有膜分离器柔性储气袋、溢流管、污泥回流管、膜组件和侧搅拌器，膜组件连通有出水管；本发明解决了现有技术对有机物料的消化处理不完全、效率低、运行能耗高和未对沼气中的硫成分进行单独处理的问题，适用于农业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系统

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系统。

背景技术

农业是重要的温室气体排放源，2014年我国农业排放量为8.3亿吨，占全国排放总量的7%左右，如果加上农业生产用能和生活用能的排放，农业农村温室气体排放量占全国温室气体排放量的15%左右，推进农业农村领域减排固碳，将为我国按期实现碳达峰碳中和发挥重要作用，为全球应对气候变化作出积极贡献。其中，农业农村领域减排固碳既是碳达峰碳中和的重要举措，也是潜力所在，我国是农业大国，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。

厌氧消化技术是一种有机废弃物资源化利用技术，尤其适合处理秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等农业废弃物，该技术不但可以实现有机废弃物的无害化、减量化处理，还能生产可再生的清洁能源--沼气，沼气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。厌氧产沼气技术，不仅可以因地制宜解决农村用能问题，改善能源结构，抵扣农业农村生产生活化石能源排放；其厌氧消化产生的剩余物营养丰富，还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/生物天然气等农村生物质能，推广在农村取暖炊事、农业设施等方面的应用，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。

目前国内外大多厌氧消化系统采用完全混合式厌氧消化工艺，定期进料和出料，厌氧消化器产生的沼液和沼渣直接排放到外部，由于发酵程度不一的物料与厌氧微生物均匀分布在反应器内，传统完全混合式厌氧消化工艺存在以下问题：

1、料液排出时不仅会造成活性厌氧微生物大量流失导致消化器处理效率降低，且未发酵完全的物料还将产生沼气，既是浪费也会带来污染；

2、由于未对沼气中的硫成分进行单独处理，容易导致发电机设备损坏、管道腐蚀等问题；

3、发酵剩余物经过固液分离机的处理后分离为沼液和沼渣，沼渣的高含水率是限制其后续处理利用的重要因素，而现有的机械设备脱水性能较差，排出的沼渣含水率高；

4、其单一的进出料使得厌氧反应器中物料浓度相对较低，一般低于6%，处理能力受限，如果提高浓度，又易导致系统内传质困难，形成浮渣和沉积物，对厌氧反应器的功能和性能产生负面影响；

5、现有的大型及超大型厌氧反应器实现完全混合十分困难，采用1个或多个机械搅拌不仅投资建设成本高，而且运行能耗高、维修困难，降低工程效益。

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系统，以解决背景技术中的问题。

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系统，包括厌氧消化器、沼气调压罐、厌氧膜分离器和固液分离机，所述厌氧消化器连通有进料管、消化器柔性储气袋、出料管、布料管和排渣管，所述布料管连接有布料装置，所述布料装置和所述排渣管均设于所述厌氧消化器的底部，所述消化器柔性储气袋设于所述厌氧消化器的上侧，所述消化器柔性储气袋连通有消化器排气管，所述消化器排气管的自由端与所述沼气调压罐连通，所述沼气调压罐连通有沼气排放管和沼气反冲洗管，所述沼气反冲洗管的自由端与所述布料管连通，所述出料管的自由端与所述固液分离机连通，所述固液分离机连通有沼渣管、沼液管和混凝剂添加罐，所述混凝剂添加罐内盛装有无机混凝剂，所述厌氧膜分离器连通有膜分离器柔性储气袋、溢流管和污泥回流管，所述膜分离器柔性储气袋设于所述厌氧膜分离器的上侧，所述膜分离器柔性储气袋连通有膜分离器排气管，所述膜分离器排气管的自由端与所述沼气调压罐连通，所述污泥回流管的自由端与所述厌氧消化器连通，所述厌氧膜分离器的内侧安装有膜组件，所述沼液管的自由端与所述膜组件连通，所述沼气反冲洗管的自由端还通过三通管与所述膜组件连通，所述膜组件连通有出水管，所述出水管的自由端设于所述厌氧膜分离器的外侧。

进一步地，所述进料管设于所述厌氧消化器的上侧，物料的C/N在20~40之间，所述厌氧消化器内侧总物料的浓度不高于12%。

进一步地，所述厌氧消化器的底部设有排渣口，所述排渣口为下凹式，所述排渣管与所述排渣口连通。

进一步地，所述布料装置由多根带孔的布料管交叉连接而成，所述布料装置均匀的铺设在所述厌氧消化器的底部。

进一步地，所述无机混凝剂为氯化铁，所述氯化铁的添加量为2~10g/L。

进一步地，所述厌氧膜分离器的侧壁连接有侧搅拌器。

进一步地，所述膜组件用于处理富含厌氧微生物的活性污泥，所述污泥回流管通过三通管与所述布料管连通，污泥经所述污泥回流管回流至所述厌氧消化器的回流比例20%~50%。

进一步地，所述厌氧膜分离器还连通有调节剂补充装置，所述调节剂补充装置用于向所述厌氧膜分离器的内侧补充调节剂，所述调节剂为尿素或氯化钙中的一种。

技术方案的原理及有益效果是：

1.提高物料厌氧消化产生沼气的转化率：对厌氧消化器内侧物料的浓度和物料的C/N进行控制，提高处理物料浓度，确保物料在厌氧消化器内反应完全，物料厌氧消化为沼气的转化率高，排出沼液和沼渣对环境的影响小；

2.提高沼气的处理效率和产沼气量：增加厌氧膜分离器，通过将厌氧微生物浓缩后再返回到厌氧消化器内，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；厌氧消化器中排出的物料可在厌氧膜分离器继续进行厌氧消化，产生更多沼气，增加工程的效益；

3.去除了沼气中的硫成分，提高管道和设备使用寿命：物料在厌氧消化器内反应后产生的富含厌氧微生物活性污泥通过出料管进入固液分离机，在固液分离机过程中注入无机混凝剂并随之进入厌氧消化系统，有效的降低了硫化氢的生成速率，减少了沼气中的硫化氢含量，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，节省了脱硫成本，同时沼气质量得到进一步的提高；

4.提高膜的处理效率，降低经济成本：沼气调压罐连通反冲洗沼气管使其对膜组件进行冲洗，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.提高了固液分离的效率，降低沼渣含水率、沼液含固率：设置混凝剂添加罐，提高固液分离效率，相对于现有的固液分离机分离后沼液的固体浓度较高，会给后续膜组件造成很大的压力，容易产生污垢，本厌氧消化系统的沼液含固率大幅降低，膜分离效果更佳；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；

6.采用气力搅拌，提高厌氧消化效率：沼气调压罐连通反冲洗沼气管后进入厌氧消化器内对其内侧的物料进行气力搅拌，替换传统的机械搅拌，气力搅拌后物料更加均匀，且该方式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，同时沼气调压罐连通反冲洗沼气管同时可以对布料装置进行冲洗，可以有效避免布料装置发生粘连或布料管发生堵塞，确保活性污泥能够顺利返回厌氧消化器内，提高整个消化系统的使用性能；

7.提高产沼气量：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，在膜分离器中进一步发生厌氧反应，产生沼气，并储存在顶部的柔性气袋中，提高了厌氧消化系统的沼气总产量。

附图说明

图1为本发明一种提高产沼气效率的厌氧消化系统的原理示意图；

附图中的对应标记的名称为：

厌氧消化器100、进料管101、消化器柔性储气袋102、消化器排气管103、出料管104、布料管105、布料装置106、排渣管107、沼气调压罐200、沼气排放管201、沼气反冲洗管202、厌氧膜分离器300、膜分离器排气管301、膜分离器柔性储气袋302、溢流管303、出水管304、膜组件305、污泥回流管306、侧搅拌器307、固液分离机400、沼渣管401、沼液管402、混凝剂添加罐403。

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系统，包括厌氧消化器100、沼气调压罐200、厌氧膜分离器300和固液分离机400，厌氧消化器100连通有进料管101、消化器柔性储气袋102、出料管104、和布料管105，进料管101设于厌氧消化器100的上侧，物料中的C/N在20~40之间，厌氧消化器100内侧总物料的浓度不高于12%，厌氧消化器100的底部设有下凹式的排渣口，排渣口连通有排渣管107，布料管105连接有布料装置106，布料装置由多根带孔的布料管交叉连接而成，布料装置106均匀的铺设在厌氧消化器100的底部，消化器柔性储气袋102设于厌氧消化器100的上侧，消化器柔性储气袋102连通有消化器排气管103，消化器排气管103的自由端与沼气调压罐200连通，沼气调压罐200连通有沼气排放管201和沼气反冲洗管202，沼气反冲洗管202的自由端与布料管105连通，出料管104的自由端与固液分离机400连通，固液分离机400连通有沼渣管401、沼液管402和混凝剂添加罐403，混凝剂添加罐403内盛装有无机混凝剂，无机混凝剂为2~10g/L的氯化铁，厌氧膜分离器300连通有膜分离器柔性储气袋302、溢流管303、污泥回流管306和调节剂补充装置，膜分离器柔性储气袋302设于厌氧膜分离器300的上侧，膜分离器柔性储气袋302连通有膜分离器排气管301，膜分离器排气管301的自由端与沼气调压罐200连通，污泥回流管306的自由端通过三通与布料管105连通，厌氧膜分离器300的内侧连接有膜组件305和侧搅拌器307，膜组件305用于处理富含厌氧微生物的活性污泥，侧搅拌器307用于搅拌厌氧膜分离器300内侧的活性污泥，沼液管402的自由端与膜组件305连通，沼气反冲洗管202的自由端也通过三通管与膜组件305连通，污泥回流管306通过三通管与布料管105连通，污泥经污泥回流管306回流至厌氧消化器100的回流比例20%~50%，膜组件305连通有出水管304，出水管304的右端设于厌氧膜分离器300的外侧，调节剂补充装置向厌氧膜分离器300的内侧补充尿素或氯化钙等调节剂。

具体实施过程如下：

在使用本厌氧消化系统的过程中，农作物秸秆和畜禽粪污等有机废弃物通过料管输送至厌氧消化器100内，厌氧消化器100对有机废弃物进行消化发酵，有机废弃物中物料的C/N在20~40之间，厌氧消化器100内侧总物料的浓度不高于12%；

厌氧消化器100内的微生物对有机废物料进行降解并产生沼气；沼气通过消化器排气管103输送至沼气调压罐200内，沼气排放管201外接管道排出进行下一步利用，如作为清洁能源进行供应、提纯为生物天然气或、车用燃气或注入天然气管网等，同时沼气调压罐200对其进行增压后输送至安装了膜组件305的厌氧膜分离器300，厌氧膜分离器300内沼气进一步上升至上侧的膜分离器柔性储气袋302内，通过膜分离器排气管301返回至沼气调压罐200内；也可以根据需要，将具有一定压力的沼气通过布料管105输送至厌氧反应器内，对厌氧消化器100内的物料进行气力搅拌，避免布料管105发生堵塞，同时还可以本调节厌氧消化系统的压力；

厌氧消化器100内消化物料产生的富含厌氧微生物的活性污泥从出料管104排出，输送至固液分离机400，通过混凝剂添加罐403向固液分离机400内注入无机混凝剂，无机混凝剂为氯化铁，混凝剂能够增大污泥絮体，有效改善固液分离机400的性能，降低沼液中的固体物含量，减少硫化氢的生成，减少后端膜组件305的负荷压力；经过固液分离后，沼渣从沼渣管401排出，沼液通过沼液管402输送至厌氧膜分离器300内再次进行膜浓缩，浓缩后富含厌氧微生物的液态污泥暂存在厌氧膜分离器300中，渗透液通过出水管304排出；厌氧膜分离器300内连接的侧搅拌器307搅拌厌氧膜分离器300内侧的活性污泥，使得活性污泥形成圆周方向的料液流，促使大量活性污泥颗粒与液体分离，并逐渐向下沉积，进一步通过污泥回流管306返回到厌氧消化器100内；其中，厌氧膜分离器300的上部设置有溢流口，当料液达到一定高度时，上层的含有较少活性污泥颗粒的料液将通过溢流管303排出；

从污泥回流管306返回的活性污泥经布料管105进入布料装置106，同时沼气反冲洗管202也通过布料管105与厌氧反应器连通，在返回沼气的作用下活性污泥与物料再次进行混合消化，同时沼气对物料进行气力搅拌，充分混合物料；

厌氧反应器内产生的沼渣集中在下凹式的排渣口内，通过排渣口将沼渣排出，下凹式的排渣口便于沼渣的收集和排出。

其中，沼气反冲洗管202连通沼气调节罐、厌氧膜分离器300和厌氧消化器100，由于沼气反冲洗管202可以控制沼气的输送，因此包括厌氧消化器100、厌氧膜分离器300的厌氧消化系统均可以根据实际所需的压力进行调整。

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系统，其特征在于：包括厌氧消化器（100）、沼气调压罐（200）、厌氧膜分离器（300）和固液分离机（400），所述厌氧消化器（100）连通有进料管（101）、消化器柔性储气袋（102）、出料管（104）、布料管（105）和排渣管（107），所述布料管（105）连接有布料装置（106），所述布料装置（106）和所述排渣管（107）均设于所述厌氧消化器（100）的底部，所述消化器柔性储气袋（102）设于所述厌氧消化器（100）的上侧，所述消化器柔性储气袋（102）连通有消化器排气管（103），所述消化器排气管（103）的自由端与所述沼气调压罐（200）连通，所述沼气调压罐（200）连通有沼气排放管（201）和沼气反冲洗管（202），所述沼气反冲洗管（202）的自由端与所述布料管（105）连通，所述出料管（104）的自由端与所述固液分离机（400）连通，所述固液分离机（400）连通有沼渣管（401）、沼液管（402）和混凝剂添加罐（403），所述混凝剂添加罐（403）内盛装有无机混凝剂，所述厌氧膜分离器（300）连通有膜分离器柔性储气袋（302）、溢流管（303）和污泥回流管（306），所述膜分离器柔性储气袋（302）设于所述厌氧膜分离器（300）的上侧，所述膜分离器柔性储气袋（302）连通有膜分离器排气管（301），所述膜分离器排气管（301）的自由端与所述沼气调压罐（200）连通，所述污泥回流管（306）的自由端与所述厌氧消化器（100）连通，所述厌氧膜分离器（300）的内侧安装有膜组件（305），所述沼液管（402）的自由端与所述膜组件（305）连通，所述沼气反冲洗管（202）的自由端还通过三通管与所述膜组件（305）连通，所述膜组件（305）连通有出水管（304），所述出水管（304）的自由端设于所述厌氧膜分离器（300）的外侧。

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系统，其特征在于：所述进料管（101）设于所述厌氧消化器（100）的上侧，物料的C/N在20~40之间，所述厌氧消化器（100）内侧总物料的浓度不高于12%。

3.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述厌氧消化器（100）的底部设有排渣口，所述排渣口为下凹式，所述排渣管（107）与所述排渣口连通。

4.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述布料装置（106）由多根带孔的布料管交叉连接而成，所述布料装置（106）均匀的铺设在所述厌氧消化器（100）的底部。

5.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述无机混凝剂为氯化铁，所述氯化铁的添加量为2~10g/L。

6.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述厌氧膜分离器（300）的侧壁连接有侧搅拌器（307）。

7.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述膜组件（305）用于处理富含厌氧微生物的活性污泥，所述污泥回流管（306）通过三通管与所述布料管（105）连通，污泥经所述污泥回流管（306）回流至所述厌氧消化器（100）的回流比例20%~50%。

8.根据权利要求1所述的一种提高产沼气效率的厌氧消化系统，其特征在于：所述厌氧膜分离器（300）还连通有调节剂补充装置，所述调节剂补充装置用于向所述厌氧膜分离器（300）的内侧补充调节剂，所述调节剂为尿素或氯化钙中的一种。