CN114538980B - 一种多层箱式好氧发酵设备及发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种多层箱式好氧发酵设备及发酵方法，属于发酵设备技术领域，一种多层箱式好氧发酵设备包括：发酵箱体和尾气净化器；本发明的多层箱式好氧发酵设备，当尾气净化器的腔室处于反应状态，所述腔室与所述发酵箱体形成一个共同的空间，由于部分气体发生反应，会导致该空间内的压力下降，为了补偿该压力，外部的气体自动通过第一进气口进入到发酵箱体内，提供反应所需要的氧气；在上述过程中，通过压差，实现向发酵箱体内提供气体，不需要通过设备，即不需要消耗能耗，节省能源。

Description

一种多层箱式好氧发酵设备及发酵方法

技术领域

本发明涉及发酵设备技术领域，具体涉及一种多层箱式好氧发酵设备及发酵方法。

背景技术

发酵是指人们借助微生物在有氧或者无氧条件下的生命活动来制备微生物菌体本身、或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。其中，好氧发酵是依靠专性和兼性好氧菌，在合适的水分、氧气条件下，使微生物繁殖并降解有机质的过程。好氧发酵过程可以产生高温，杀死病原菌及杂草种子，从而使有机物实现稳定化和无害化。

在发酵箱体中进行好氧发酵能够更好的控制堆肥过程中的氧气、温度等条件，腐熟效果较好，并且整个发酵过程封闭性较佳，利于废水和臭气的收集和控制，二次污染小，加上安全隐患低，移动和操作方便。

但是，在发酵箱体中进行好氧发酵的过程中，为了保证发酵箱体中有足够的氧气，需要不断的向发酵箱体中不断的充入气体，在充入气体的过程中，具有较大的能耗。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的在发酵箱体中发生反应的过程中，为了保证发酵箱体中有足够的氧气，需要不断的向发酵箱体中充入气体，在充入气体的过程中，具有较大的能耗的缺陷，从而提供一种多层箱式好氧发酵设备。

本发明还提供一种发酵方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种多层箱式好氧发酵设备，包括：

发酵箱体，所述发酵箱体内部具有沿竖直方向多层设置的堆料板；所述发酵箱体具有设置在底部的第一进气口和设置在顶部的第一出气口；所述发酵箱体的上端具有进料口；

尾气净化器，具有腔室、第二进气口以及第二出气口；所述腔室内盛放有低温反应液，所述低温反应液适于与所述发酵箱体内产生的部分气体发生反应；所述腔室具有与第二进气口连通的反应状态，也具有与第二排气口连通的排气状态。

作为优选方案，所述尾气净化器内转动设置有若干个扇叶；所述扇叶将所述尾气净化器的腔室分成等同数量的反应腔体；所述反应腔室上设置有开口，所述开口适于与所述第二排气口连通；

所述尾气净化器上设置有进水口和出水口；

所述尾气净化器的腔室内盛放有一半体积的低温反应液。

作为优选方案，所述进水口设置在所述尾气净化器的顶部；所述出水口设置在所述尾气净化器的底部；所述第二排气口设置在所述尾气净化器的顶部；所述第二进气口设置在所述尾气净化器的侧壁上。

作为优选方案，所述尾气净化器内设置有pH探测器，所述pH探测器的探头朝向低温反应液内伸出。

作为优选方案，每块所述堆料板至少包括两块翻转平板；所述翻转平板与所述发酵箱体转动连接；所述翻转平板的转动轴相对于所述翻转平板的中心偏心设置。

作为优选方案，还包括：

鼓风装置，通过连通管路与所述发酵箱体连通；所述连通管路具有多个，沿所述发酵箱体的竖直方向间隔设置。

作为优选方案，还包括：

辅助加热系统，具有内部适于流通热水的热水管路；所述热水管路盘绕设置在所述发酵箱体的侧壁上。

作为优选方案，所述发酵箱体内由上到下依次包括：升温区、高温发酵区和腐熟区；所述升温区、所述高温发酵区和所述腐熟区内对应的设置的所述堆料板的数目比例为1:2:3。

本发明还提供一种发酵方法，采用上述中任一项所述的多层箱式好氧发酵设备，包括以下步骤：

将物料均匀分摊在发酵箱体的每层堆料板上；

所述物料在每块所述堆料板停留一段时间后，转移至下一层堆料板；

所述物料在所述堆料板上发酵的过程中，产生的气体通过第一出气口进入到尾气净化器中，并发生反应；

当所述腔室处于反应状态时，所述发酵箱体具有负压状态，空气从第一进气口进入到发酵箱体内。

作为优选方案，在所述物料转移过程中，转移从下往上依次进行；相邻两块所述堆料板的间隔翻转时间为5-10分钟。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的多层箱式好氧发酵设备，包括：发酵箱体和尾气净化器；在发酵箱体内进行发酵反应，在发酵反应的过程中，生成氨气、二氧化碳、氮气和氧气，生成的气体的进入到尾气净化器中，氨气和二氧化碳与低温反应液发生反应；当腔室处于反应状态，所述腔室与所述发酵箱体形成一个共同的空间，由于部分气体发生反应，会导致该空间内的压力下降，为了补偿该压力，外部的气体自动通过第一进气口进入到发酵箱体内，提供反应所需要的氧气；

在上述过程中，通过压差，实现向发酵箱体内提供气体，不需要通过设备，即不需要消耗能耗，节省能源；

同时，低温反应液将氨气和二氧化碳吸收，可形成液体氨肥；实现消除尾气中的氨气，达到尾气除臭的效果。

2.本发明提供的多层箱式好氧发酵设备，所述尾气净化器内转动设置有若干个扇叶；二氧化碳和氨气被吸收后，氮气和氧气储存在反应腔室内，推动扇叶转动，实现开口和所述第二排气口连通，实现反应腔室内氮气和氧气的排出；同时，扇叶的转动可以搅动低温反应液，防止低温反应液的局部过饱和。

3.本发明提供的多层箱式好氧发酵设备，还包括：鼓风装置；当发酵箱体内部的氧气浓度低或湿度太高需要大量曝气时，关闭发酵箱体底部的第一进气口；将鼓风装置和上述通过压力变化补偿进入发酵箱体的内部的两种供氧方式互相协作，减少曝气能耗并保证发酵箱体内的氧气浓度及发酵箱体内的温度。

4.本发明提供的多层箱式好氧发酵设备，还包括：辅助加热系统；当发酵箱体内达不到发酵所需的温度时，开启辅助加热系统，热水管路内流通有热水，为发酵箱体加热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的多层箱式好氧发酵设备的结构示意图。

图2为本发明的尾气净化器的结构示意图。

图3为本发明的堆料板的结构示意图。

图4为本发明中的烟囱效应产生的压力的结构原理示意图。

附图标记说明：

1、发酵箱体；2、堆料板；3、进料口；4、提升机；5、第一进气口；6、第一出气口；7、搅拌机；8、鼓风装置；9、连通管路；10、热水管路；11、热水箱；12、热泵；13、排放管；14、尾气净化器；15、第二进气口；16、第二排气口；17、扇叶；18、开口；19、反应腔室；20、进水口；21、出水口；22、转轴；23、pH探测器；24、低温反应液；25、翻转平板；26、转动轴；27、曝气孔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供一种多层箱式好氧发酵设备，包括发酵箱体1和与发酵箱体1连通的尾气净化器14。

如图1所述，发酵箱体1内具有沿竖直方向多层设置的堆料板2，进一步的，发酵箱体1由上到下依次包括：升温区、高温发酵区和腐熟区；升温区、高温发酵区和腐熟区内设置的堆料板2的数目的比例为1:2:3；通过堆料板2的多层设置可以节省土地资源，同时能够避免不同批次的物料的混合，且发酵过程产生的热量可有效利用。

所述发酵箱体1的上端具有进料口3，进料口3与物料提升机4的出口连通，物料接种并混合后，经过提升机4倒入到进料口3内，物料通过进料口3进入到最上层的堆料板2上，在每层的堆料板2上均设置有搅拌机7，搅拌机7将物料在堆料板2上均匀铺开，关闭进料口3，物料在该层上进行预热。

发酵箱体1的物料在发酵反应的过程中，会产生氨气、二氧化碳等气体，同时，会需要大量的氧气的输入；同时由于进入到发酵箱体1中的空气中存在氮气和氧气，因此在发酵箱体1的尾气中，存在生成的氨气、二氧化碳、空气中发生反应的氮气和未反应完全的氧气；

发酵箱体1的顶部设置有第一出气口6，用于发酵尾气的排出，在发酵箱体1的底部设置有第一进气口5，用于发酵箱体1内所需气体的补充。

发酵箱体1的第一出气口6通过排放管13与尾气净化器14连通；如图2所示，所述尾气净化器14的外形为圆形，内部具有腔室，所述腔室内盛放有低温反应液24，在本方案中，反应液优选为水；而不需要使用化学药剂即可将发酵箱体1内产生的氨气进行吸收，实现消除氨气，达到尾气除臭的效果。

腔室的中心位置设置有转轴22，沿转轴22的周向方向上均匀设置有四个扇叶17，扇叶17呈弧形结构，扇叶17将腔室分割成四个反应腔室19。

尾气净化器14的侧壁上设置有第二进气口15，第二进气口15通过排放管13与发酵箱体1的第一出气口6连通；尾气净化器14的顶部上设置有第二排气口16，第二排气口16用于排出发酵箱体1内产生，且不与低温反应液24发生反应的气体。

反应腔体上设置有开口18，随着扇叶17的转动，反应腔室19上的开口18可以与第二排气口16连通，将反应腔体内的气体排出。

具体的，在发酵箱体1内的反应过程中，高温发酵区的温度可以达到80℃左右，升温区的温度可达50℃左右；当发酵箱体1内的气体的温度被加热后上升至发酵箱体1的顶部（此时，顶部的压力会略大于大气压）。发酵箱体1内源源不断的产生热气，热气缓慢通过连通管进入到尾气净化器14的反应腔室19内（由于发酵箱体1和尾气净化器14内的压力差不会很大，所以速度缓慢）。在尾气净化器14的第二进气口15的截面，由于低温反应液24迅速和气体中的氨气反应，生成碱液，碱液吸收二氧化碳，导致发酵箱体1和尾气净化器14的接触的界面上的压力突然下降，为了补偿这个下降的压力，发酵箱体1内的气体就源源不断的进入到尾气净化器14内；在发酵箱体1内，由于发酵箱体1的气体不断进入到尾气净化器14中，使得发酵箱体1内的压力变低，形成负压，空气可自动、平缓的通过第一进气口5进入到发酵箱体1内，在提供发酵箱体1所需氧气的同时不致热量快速散失。在上述整个过程中，空气进入到发酵箱体1的 速度会根据发酵状态自动调节，发酵越剧烈，所产生的气体的越多、温度越高，负压效果越强，空气进入到发酵箱体1的速度越快。

进一步，在尾气净化器14的腔室中，盛放有一半体积的低温反应液24，同时由于气体中只有二氧化碳和氨气与低温反应液24发生反应，氧气和氮气等气体会从低温反应液24中冒出，进入到反应腔室19中，随着发酵箱体1中的气体的不断进入，反应腔室19内的反应不断发生，氧气和氮气等气体不断累积，反应腔室19的液面上的空腔的体积就会逐渐变大，进而推动扇叶17不断发生转动，使得反应腔室19的开口18轮流与第二排气口16连通，将气体排出。

在尾气净化器14的上端设置有进水口20，下端设置有出水口21；在尾气净化器14内设置有pH探测器23，所述pH探测器23的探头朝向低温反应液24内伸出，实时监测尾气净化器14中的低温反应液24的pH值，当低温反应液24达到常温常压下NH4HCO3饱和溶液的pH为8.3时，对低温反应液24进行更换。即低温反应液24通过出水口21排出，从进水口20装入新鲜的低温反应液24。

如图3所示，每块所述堆料板2至少包括两块翻转平板25，在本方案中，一块堆料板2包括两块翻转平板25，翻转平板25通过转动轴26与发酵箱体1转动连接，同时转动轴26偏离翻转平板25的中心设置；当控制转动轴26发生转动，翻转平板25旋转90°，当物料倾倒结束后，翻转平板25复位至 与发酵箱体1的上下表面平行，实现该层的物料在停留一段时间之后转移到下一层的堆料板2上。当堆料板2上都具有物料时，再进行转移的过程中，从最下层开始，从下往上依次进行，以时间继电器控制相邻堆料板2间隔翻转时间为5-10分钟。

进一步，在每块堆料板2上设置有一个搅拌机7，在翻转板翻转前，开启搅拌机7，翻动堆料板2上的物料。

在翻转平板25上开设有一系列的曝气孔27，方便及加快气体在发酵箱体1内的流动。

在发酵箱体1上通过连通管路9连接有鼓风装置8，所述连通管路9具有多个，沿发酵箱体1的竖直方向间隔设置，实现通过发酵箱体1的不同位置进行进风。

在发酵箱体1的高温发酵区安装有氧浓度检测探头以及湿度检测探头，在反应过程中，当发酵箱体1内部的氧气浓度低或湿度太高需要大量曝气时，关闭发酵箱体1底部的第一进气口5，启动鼓风装置8，进行曝气，进行适当曝气后，关闭鼓风装置8，开启发酵箱体1底部的第一进气口5，空气能通过压力变化补偿进入到发酵箱体1的内部；通过鼓风装置8和压力补偿的两种供氧方式互相协作，减少鼓风装置8的使用时间，减少消耗的能耗，并可以同步维持箱体的温度。

为了达到在发酵过程中，高温发酵区所需的发酵温度，设置有辅助加热系统；具体地，在发酵箱体1的侧壁盘绕设置有热水管路10，热水管路10的一端与热水箱11连通，热水箱11中的水通过热泵12进行加热；当需要对发酵箱体1内进行加热时，通过循环水泵驱动热水从热水箱11中流出，流经铺设在发酵箱体1的内部的多圈的热水管路10，在循环回到热水箱11内。具体的，对应的升温区、高温发酵区和腐熟区每层堆积的热水管路10的圈数的比例为1:2:1。

发酵箱体1的高温发酵区安装有温度检测探头，当高温发酵区温度低于超高温好氧发酵所需的温度时，启动辅助加热系统。

实施例2

本实施例提供一种发酵方法，采用实施例所述的多层箱式好氧发酵设备，包括以下步骤：

物料接种并混合后，经提升机4倒入到进料口3，物料落到发酵箱体1的最上层的堆料板2上，分料耙将物料均匀铺开，关闭进料口3，物料在每层堆料板2上进行预热。具体的，在预热过程中，通过高温发酵区产生的热量向上传递，预热刚进入到箱体的物料。

物料在每块堆料板2停留一段时间后转移至下一层堆料板2；在转移过程中，转移从最下层开始，以时间继电器控制相邻堆料板2间隔翻转时间为5-10分钟。在翻转板翻转前，搅拌机7开启，翻转堆料板2上的物料。

所述物料在所述堆料板2上发酵的过程中，产生的气体通过第一出气口6进入到尾气净化器14中，尾气净化器14中的低温尾气净化器14液吸收其中的二氧化碳以及氨气，生成碳酸氢铵。

随着反应的持续发生，发酵箱体1内形成负压状态，空气从第一进气口5进入到发酵箱体1内。

原理：

为防止冷水箱压力过大导致空气难以从发酵箱体底部进气口进入，尾气排放管排口设置于冷水罐液面以下5 cm左右为宜。其计算过程如下：

设：日均进料量为m kg；环境温度 Ta=20℃，出料温度和箱体内部平均温度To=55℃；发酵箱共6层，层间距为1m，共高6m。

（1）烟囱效应产生的压力

如图4所示，以底部1-1截面和顶部2-2截面为研究对象，废气从底部流向顶部的伯努利方程为：

V12/2+gz1+p1/ρ=V22/2+gz2+p2/ρ （1）

其中：V1、V2为尾气速度，z1和z2为两截面高度，p1和p2为两截面处尾气压强，ρ为尾气密度。

烟囱外空气可看作静止，V=0，列出伯努利方程：

gz1+p1’/ρ=gz2+p2’/ρ’ （2）

其中：p1’和p2’为空气压强，ρ’为空气密度，由于尾气温度高，体积膨胀，尾气密度小于烟气密度。

（2）-（1）得：

（p2-p2’）-（p1-p1’）=（ρ’-ρ ）g（z2-z1）+ρ（V12-V22）/2 （3）

左侧，为截面处压力差，即为烟囱吸力；右侧，不考虑烟道尺寸变化的情况下V1=V2。

最终：（p2-p2’）-（p1-p1’）=（ρ’-ρ ）g（z2-z1）

因此，吸力正比于高度差和密度差，Δp=（ρ’-ρ ）g（z2-z1）;

尾气温度55℃，此温度下空气的密度为1.08kg/m³；20℃时的空气密度为1.21kg/m³。Δp=（1.21-1.08）g×6=1000×g×h，h=0.78 mm水柱，烟囱效应仅产生微小压强驱动发酵箱内气体流向尾气净化器的低温反应液的接触面。

（2）气体溶于水产生的压力

几点假设：

（1）由于半连续进出料，假设耗氧速率均匀。

（2）为保证好氧反应顺利进行，设尾气净化器出口氧气浓度为0.15。

（3）将发酵有机物分为含氮有机物与非含氮有机物，分子式分别表述为 C₁₂H₁₆O₆N与 C₂H₃O，假设两种挥发性有机物干重为1：1。

3C₁₂H₁₆O₆N+20O₂=C₁₅H₁₈O₄N +21CO₂+12H₂O +2NH₃ ①

4C₂H₃O+9O₂=8CO₂+6H₂O ②

若将氨气、二氧化碳溶于水，由于二氧化碳过量：

NH₃+H₂O+CO₂=NH₄HCO₃

氨气和二氧化碳1：1反应。1kg挥发性有机物发生①和②反应需氧量为 1.232 kg/kg，产生二氧化碳1.594 kg/kg，氨气0.021 kg/kg，其中氨气和二氧化碳1：1反应，若不考虑温度导致的气体体积变化，进尾气净化器后氧气体积减少量为：

[1.232/32-1.594 /44-0.021/17+2×0.021/17]/(1.232/32)=9.11%，

由于尾气净化器出口氧气浓度为0.15，氧气没有完全消耗，在实际通气量下氧气减少体积为9.11%×(21-15)/21。

气体减少体积占空气百分比为：9.11%×(21-15)/21×（21/100）=0.546%。

一个大气压为10m水柱，减少0.546%体积相当于5.46cm。

综上：排气口插入水中深度不应超过5.46cm。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种多层箱式好氧发酵设备，其特征在于，包括：

发酵箱体（1），所述发酵箱体（1）内部具有沿竖直方向多层设置的堆料板（2）；所述发酵箱体（1）具有设置在底部的第一进气口（5）和设置在顶部的第一出气口；所述发酵箱体（1）的上端具有进料口（3）；

尾气净化器（14），具有腔室、第二进气口（15）以及第二出气口（6）；所述腔室内盛放有低温反应液（24），所述低温反应液（24）适于与所述发酵箱体（1）内产生的部分气体发生反应；所述腔室具有与第二进气口（15）连通的反应状态，也具有与第二排气口（16）连通的排气状态；

所述尾气净化器（14）内转动设置有若干个扇叶（17）；所述扇叶（17）将所述尾气净化器（14）的腔室分成等同数量的反应腔室；所述反应腔室（19）上设置有开口（18），所述开口（18）适于与所述第二排气口（16）连通；

所述尾气净化器（14）上设置有进水口（20）和出水口（21）；

所述尾气净化器（14）的腔室内盛放有一半体积的低温反应液（24）；

所述进水口（20）设置在所述尾气净化器（14）的顶部；所述出水口（21）设置在所述尾气净化器（14）的底部；所述第二排气口（16）设置在所述尾气净化器（14）的顶部；所述第二进气口（15）设置在所述尾气净化器（14）的侧壁上；

所述尾气净化器（14）内设置有pH探测器（23），所述pH探测器（23）的探头朝向低温反应液（24）内伸出。

2.根据权利要求1所述的多层箱式好氧发酵设备，其特征在于，每块所述堆料板（2）至少包括两块翻转平板（25）；所述翻转平板（25）与所述发酵箱体（1）转动连接；所述翻转平板（25）的转动轴（26）相对于所述翻转平板（25）的中心偏心设置。

3.根据权利要求1所述的多层箱式好氧发酵设备，其特征在于，还包括：

鼓风装置（8），通过连通管路（9）与所述发酵箱体（1）连通；所述连通管路（9）具有多个，沿所述发酵箱体（1）的竖直方向间隔设置。

4.根据权利要求1所述的多层箱式好氧发酵设备，其特征在于，还包括：

辅助加热系统，具有内部适于流通热水的热水管路（10）；所述热水管路（10）盘绕设置在所述发酵箱体（1）的侧壁上。

5.根据权利要求1所述的多层箱式好氧发酵设备，其特征在于，所述发酵箱体（1）内由上到下依次包括：升温区、高温发酵区和腐熟区；所述升温区、所述高温发酵区和所述腐熟区内对应的设置的所述堆料板（2）的数目比例为1:2:3。

6.一种发酵方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的多层箱式好氧发酵设备，包括以下步骤：

将物料均匀分摊在发酵箱体（1）的每层堆料板（2）上；

所述物料在每块所述堆料板（2）停留一段时间后，转移至下一层堆料板（2）；

所述物料在所述堆料板（2）上发酵的过程中，产生的气体通过第一出气口进入到尾气净化器（14）中，并发生反应；

当所述腔室处于反应状态时，所述发酵箱体（1）具有负压状态，空气从第一进气口（5）进入到发酵箱体（1）内。

7.根据权利要求6所述的发酵方法，其特征在于，在所述物料转移过程中，转移从下往上依次进行；相邻两块所述堆料板（2）的间隔翻转时间为5-10分钟。

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