CN115851414A - 一种多级厌氧发酵系统和厌氧发酵方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级厌氧发酵系统和厌氧发酵方法，包括一个或者多个并排设置的多级厌氧发酵反应器，所述多级厌氧发酵反应器包括第一级厌氧发酵器、第二级厌氧发酵器、......、第N‑1级厌氧发酵器、第N级厌氧发酵器(N>2)，相邻的两级厌氧发酵器串联连接，每级厌氧发酵器呈模块化单元结构、均包括反应腔体、安装于反应腔体内的搅拌装置、设置于反应腔体两侧的进料口和出料口；其中，第一级厌氧发酵器的进料口处连接有进料装置，第N级厌氧发酵器的出料口处连接有出料装置。本发明的多级厌氧发酵系统基于厌氧发酵阶段理论，针对复杂多元物料的不同物料组成和不同应用场景进行发酵系统的灵活组装，形成具有通用性强、广泛适用和推广的技术与装备。

Description

一种多级厌氧发酵系统和厌氧发酵方法

技术领域

本发明涉及厌氧发酵领域，具体涉及一种多级厌氧发酵系统和厌氧发酵方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

城乡厨余垃圾、农业秸秆、蔬菜尾菜、庭院垃圾、各类粪污和各类食品加工剩余物等城乡复杂生物质垃圾可以通过厌氧发酵处理制备生物天然气和有机肥，实现负碳利用，具有突出的生态效益、能源效益、农业发展效益和社会发展效益。

厌氧发酵从工艺和装备来说，可以分为湿式发酵、半干式发酵和干式发酵，不同的发酵工艺有不同的进料装置、搅拌装置和反应器结构，对物料的选择性较强，通用性较差。而我国城乡生物质废弃物往往十分复杂且多元，目前缺乏适用于城乡多元复杂生物质废弃物的通用性厌氧处理手段。

厌氧发酵从机理上来说，是指微生物在厌氧状态下，将生物质物料先水解为蛋白质、脂肪、糖等大分子颗粒，再逐步水解为氨基酸、脂肪酸、单糖等小分子物质，进而通过酸化转变为各种小分子酸，再分解为乙酸、H2、CO2，最后产甲烷菌将乙酸、H2、CO2转变成甲烷。厌氧发酵过程是一个逐级的十分复杂的过程，每一级过程均有不同的优势微生物发挥主要作用。但目前国内外主流工艺均为单级厌氧发酵，所有发酵阶段均发生在同一个密闭环境中，不能较好发挥不同功能微生物的发酵潜力。因而，发明人从理论上分析发现，若将厌氧发酵过程设计为多级发酵，并针对性的对每一级发酵的微生物、传质等进行优化，可以有效提升厌氧发酵效率。

因而，如何基于厌氧发酵机理设计厌氧发酵反应器，针对城乡复杂生物质垃圾这些复杂多元物料的不同物料组成和不同应用场景进行发酵系统的灵活组装，形成具有通用性强、广泛适用和推广的技术与装备是有待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种多级厌氧发酵系统和厌氧发酵方法，基于厌氧发酵机理，针对复杂多元物料的不同物料组成和不同应用场景进行发酵系统的灵活组装，形成具有通用性强、广泛适用和推广的技术与装备。

本发明的技术方案为：

本发明的一个方面，提供了一种多级厌氧发酵系统，包括一个或者多个并排设置的多级厌氧发酵反应器，所述多级厌氧发酵反应器包括第一级厌氧发酵器、第二级厌氧发酵器、......、第N-1级厌氧发酵器、第N级厌氧发酵器(N>2)，相邻的两级厌氧发酵器串联连接，每级厌氧发酵器呈模块化单元结构、均包括反应腔体、安装于反应腔体内的搅拌装置、设置于反应腔体两侧的进料口和出料口；其中，第一级厌氧发酵器的进料口处连接有进料装置，第N级厌氧发酵器的出料口处连接有出料装置。

进一步的，每级厌氧发酵器的进料口和出料口呈对角线分布，搅拌装置通过搅拌和压差使物料由进料口逐渐移动到出料口，前一级厌氧发酵器的出料口和后一级厌氧发酵器的进料口之间密封连接。

进一步的，所述搅拌装置包括搅拌器，所述搅拌器根据每级厌氧发酵器内的物料成分以及浆化程度选择设置棒状搅拌器或浆片状搅拌器、或T型搅拌器或框型搅拌器、或螺型搅拌器。

进一步的，所述第一级厌氧发酵器的反应腔体上设置有沼液回流注入口，沼液回流注入口可实现接种和沼液回流的功能；所述第一级厌氧发酵器的底部为弧形或者锥形结构，并且底部设置有除沙除渣装置，具体的，可以选用螺旋除沙除渣装置。

进一步的，各级厌氧发酵器的反应腔体顶部设置有沼气出口。

进一步的，所述反应腔体包括钢板和型材，所述钢板和型材通过焊接或者通过螺栓、密封圈等方式固定连接。

本发明的另一个方面，提供了一种厌氧发酵方法，基于上述的一种多级厌氧发酵系统，包括步骤如下：

S1：分析多元复杂物料组成，根据物料不同组成的降解特性，确定多级发酵的级数N、选择每级厌氧发酵器的搅拌设备；

S2：多元复杂物料通过进料装置输送至第一级厌氧发酵器内，在密闭环境下进行第一级发酵，注入添加携带菌种的牛粪或者沼液，搅拌器的搅拌促进物料传质和物料混合接种，物料在第一级发酵器中停留一定时间，微生物发酵降解物料组成中如餐厨垃圾等易于降解的物料，物料与微生物反应降解并浆化，未降解的物料在搅拌器和进料压差的作用下由进料口逐渐移动到出料口，同时部分杂质沙石因自重落入反应腔体的底部并通过除沙除渣装置排出；

S3：上一步未降解的物料进入第二级厌氧发酵器，进行第二级发酵，物料在第二级发酵器中停留一定时间，微生物进一步降解物料，物料与微生物反应降解并进一步浆化，未降解的物料通过搅拌装置的搅拌和进料压差使物料由进料口逐渐移动到出料口；

S4：重复步骤S3，直到第N级厌氧发酵器，进行最后一级发酵，此级发酵完成物料中可降解成分的完全发酵，剩余的沼渣通过搅拌装置的搅拌和进料压差由进料口逐渐移动到出料口，并通过出料装置排出；

上述步骤中，各级厌氧发酵器产生的沼气通过沼气出口输送到终端使用。

本发明所达到的有益效果为：

1、本发明根据不同原料厌氧发酵过程中不同阶段的优势微生物和反应特点，设计多级厌氧发酵工艺，高度仿真模拟厌氧发酵多阶段过程，可发挥不同阶段优势微生物的最大潜力，从而大幅提升厌氧发酵效率。

2、本发明采用的模块化设计，由最小的模块化单元结构拼接组成多级发酵反应器，模块化使发酵反应器实现自由组装，突破不同需求下的工艺选择限制和搅拌策略限制，通用性得以提升，进一步通过多级发酵反应器的并联可实现灵活调整发酵规模，模块化设计可实现沼气工程发酵工艺、发酵规模等的灵活调整。

3、本发明设计的多级厌氧发酵系统，对不同组成的原料和不同降解阶段状态的物料采用不同搅拌方式，形成了普适性、可灵活调控的物料搅拌和传质方案，可适用于复杂多元物料的高效发酵。

附图说明

图1是本发明一实施例的整体结构示意图。

图2是本发明一实施例的模块化单元结构的结构示意图。

图3是本发明一实施例的第一级厌氧发酵器连接进料装置的结构示意图。

图4是本发明一实施例的第N级厌氧发酵器连接出料装置的结构示意图。

图5是本发明一实施例物料在多级厌氧发酵器内运动方向的示意图。

图6是本发明一实施例几种不同结构的搅拌器的单个组成单元的局部结构示意图。

图7是本发明另一实施例的整体结构示意图。

图中，1、多级厌氧发酵反应器；11、模块化单元结构；111、反应腔体；112、搅拌装置；1121、搅拌器；113、进料口；114、出料口；115、除渣口；116、沼液注入口；117、沼气出口；12、进料装置；13、出料装置；14、除沙除渣装置。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

在本申请的描述中，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供了一种多级厌氧发酵系统，包括一个或者多个并排设置的多级厌氧发酵反应器1，该多级厌氧发酵反应器1包括第一级厌氧发酵器、第二级厌氧发酵器、......、第N-1级厌氧发酵器、第N级厌氧发酵器(N>2)，相邻的两级厌氧发酵器串联连接。

本发明的多级厌氧发酵系统和发酵工艺方法，针对不同物料的厌氧发酵进行了大量实验，获得了不同物料的发酵数据，基于这些数据支撑，只要确定了原料的组成及特性、发酵周期和停留时间等数据，获得原料的固体降解率，就可以确定具体工程所需的模块化单元的串联级数和多级反应器的数量规模，从而可提供面向多原料和多场景、精准设计、灵活调整、高效率的发酵解决方案。

实施例一

如图1所示，当多级厌氧发酵系统选用一个多级厌氧发酵反应器1。在该实施例中，多级厌氧发酵反应器1为8级，即N＝8为例做说明，N的具体数值是多少在此并不做限制。可以根据实验数据获取物料中的原料的组成及特性、发酵周期和停留时间等数据，获得原料的固体降解率，就可以确定具体工程所需的模块化单元的串联级数。

如图2所示，每级厌氧发酵器呈模块化单元结构11，每个模块化单元结构11均包括反应腔体111，该反应腔体111内安装搅拌装置112，反应腔体111两侧分别设置有进料口113和出料口114，反应腔体111顶部设置有沼气出口117。

具体的，反应腔体111包括钢板和型材，钢板和型材通过焊接、或者通过螺栓、密封圈等方式固定连接。

如图3所示，第一级厌氧发酵器的进料口113处连接有进料装置12。

如图4所示，第N级厌氧发酵器的出料口114处连接有出料装置13。

如图5所示，每级厌氧发酵器的进料口113和出料口114呈对角线分布，搅拌装置112通过搅拌和进料压差使物料由进料口113逐渐移动到出料口114，前一级厌氧发酵器的出料口114和后一级厌氧发酵器的进料口113之间密封连接，这种各级厌氧发酵器的连接方式使物料在多级厌氧发酵反应器1中呈波形曲线流动(参见图5中的虚线箭头)，相对于直线流动增加了物料在反应器中的运动路线进而延长了物料的停留时间，从而提升物料降解率。

具体的，两个相邻的厌氧发酵器可以共用一个腔壁，上一级厌氧发酵器的物料由腔壁上的溢流口溢流到下一级厌氧发酵器，也可以两个相邻的厌氧发酵器的腔壁之间通过法兰固定连接。

不同物料由于降解特性不同，在各级发酵器中的降解效率也不同，易降解的物料在前几级厌氧发酵器中迅速降解，难降解的物料在后几级厌氧发酵器中更多降解。随着更多物料的降解，物料在每一级发酵器中的形态也会发生变化，越往后物料浆化越充分，每一级厌氧发酵器的搅拌器1121的选择会根据物料的形态变化选择最有效的搅拌方式，例如搅拌器1121的结构、搅拌的时间、搅拌次数，从而提升整个厌氧发酵过程的传质效率和发酵速率。

搅拌装置112包括搅拌器1121，搅拌器1121对物料向下一级厌氧发酵器流动产生推动作用，搅拌器1121根据每级厌氧发酵器内的物料成分以及浆化程度选择设置棒状搅拌器或浆片状搅拌器、或T型搅拌器或框型搅拌器、或螺型搅拌器。如图6所示，图中从上到下依次示意了棒状搅拌器、浆片状搅拌器、锤状搅拌器、T型搅拌器、框型搅拌器和螺型搅拌器中的单个组成单元的结构。基于不同物料的流体力学模拟实验，不同浓度状态的物料适用不同结构的搅拌器1121，如对流动性较差的物料采用棒状搅拌器或锤状搅拌器、对流动性稍好的采用T型搅拌器、浆片状搅拌器或框型搅拌器、对流动性较好的物料采用螺型搅拌器等。由发酵的过程可以得知，第一级厌氧发酵器内的物料固态物料较多，浆化程度较低，流动性较差，并且还存在石块等大块杂质，故第一级厌氧发酵器内的搅拌器1121可设置为棒状搅拌器。

如图5所示，在该实施例中，前两级厌氧发酵器采用棒状搅拌器，其他的采用框型搅拌器。搅拌器1121可以直接采用本领域中的现有技术，具体的结构细节在此处不再赘述。

第一级厌氧发酵器底部设置有除沙除渣装置14，在该实施例中选用螺旋除沙除渣装置，具体的，除渣口115处连接有螺旋除沙除渣装置，通过棒状搅拌器或锤状搅拌器将物料存在的石块等杂质击碎，石块等杂质因此自身重力沉到反应腔体111底部，为了防止越积越多，通过除沙除渣装置14排出反应腔体111外部。

随着连续发酵的进行，各级厌氧发酵器中的发酵状态趋于稳定，相应状态下的优势微生物也得以驯化和富集，从而进一步提升厌氧发酵的效率和稳定性。

为快速提升厌氧发酵启动时的发酵速率并缩短驯化时间，通常可通过向第一级厌氧发酵器的沼液注入口116中分别注入通过经验驯化得到的接种物。各级发酵器产生的沼气通过沼气出口117和与沼气出口117连接的沼气管路输送至储气装置。

本发明还提出了一种厌氧发酵方法，基于上述的一种多级厌氧发酵系统，包括步骤如下：

S1：分析多元复杂物料组成，根据物料不同组成的降解特性，确定多级发酵的级数N、选择每级厌氧发酵器的搅拌设备；

S2：多元复杂物料通过进料装置12输送至第一级厌氧发酵器内，在密闭环境下进行第一级发酵，注入添加携带菌种的牛粪或者沼液，搅拌器1121的搅拌促进物料传质和物料混合接种，物料在第一级发酵器中停留一定时间，微生物发酵降解物料组成中如餐厨垃圾等易于降解的物料，物料与微生物反应降解并浆化，未降解的物料在搅拌器1121和进料压差的作用力由进料口113逐渐移动到出料口114，同时部分杂质沙石因自重落入反应腔体111的底部并通过螺旋除沙除渣装置排出；

S3：上一步未降解的物料进入第二级厌氧发酵器，进行第二级发酵，物料在第二级发酵器中停留一定时间，微生物进一步降解物料，物料与微生物反应降解并进一步浆化，未降解的物料通过搅拌装置112的搅拌和进料压差使物料由进料口113逐渐移动到出料口114；

S4：重复步骤S3，直到第N级厌氧发酵器，进行最后一级发酵，此级发酵完成物料中可降解的成分完全降解，剩余的沼渣沼液通过搅拌装置112的搅拌和压差由进料口113逐渐移动到出料口114，为了加快沼渣的排出，可以在出料口114处设置起外力辅助作用的装置，例如加装拔料装置或者泵，之后通过出料装置13排出；

上述步骤中，各级厌氧发酵器产生的沼气通过沼气出口117输送到终端使用。

每一级发酵器均会产生沼气，只不过不同组成在不同级中的降解速率不同，比如葡萄糖可以被微生物直接利用，可能在第一二级时就被充分利用，但是秸秆等含纤维素的物料可能在第一二级中仅被水解，需在后面几级中被一步一步逐渐转化为沼气。

本发明的多级厌氧发酵系统，尽量使物料的不同发酵阶段实现物理分离，每个发酵器中实现了最优的微生物富集、底物(微生物的食物)状态和物化条件，可以适用于对多元复杂物料的降解。本发明打破了现有单级发酵工艺的物料限制、工艺选择限制和装备选择限制，既高效，又灵活，可以说是为各场景、各种物料提供了一个通用性的解决方案，尤其适用于城乡厨余垃圾、餐厨垃圾以及农村多元复杂物料的处理。

实施例二

模块化的单级发酵器作为最小发酵单元，多级厌氧发酵反应器1的发酵级数可以灵活调整，若发酵规模较大还可以通过多级厌氧发酵反应器1的并联实现规模倍增，从而可为不同发酵规模提供灵活方案。

如图7所示，当多级厌氧发酵系统选用三个多级厌氧发酵反应器1并排设置，具体选用几个多级厌氧发酵反应器1，可以根据需要处理的城乡复杂生物质垃圾数量来决定。其他的结构与实施例一相同，在此不再赘述。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：包括一个或者多个并排设置的多级厌氧发酵反应器，所述多级厌氧发酵反应器包括第一级厌氧发酵器、第二级厌氧发酵器、......、第N-1级厌氧发酵器、第N级厌氧发酵器(N>2)，相邻的两级厌氧发酵器串联连接，每级厌氧发酵器呈模块化单元结构、均包括反应腔体、安装于反应腔体内的搅拌装置、设置于反应腔体两侧的进料口和出料口；

其中，第一级厌氧发酵器的进料口处连接有进料装置，第N级厌氧发酵器的出料口处连接有出料装置。

2.根据权利要求1所述的一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：每级厌氧发酵器的进料口和出料口呈对角线分布，搅拌装置通过搅拌和压差使物料由进料口逐渐移动到出料口，前一级厌氧发酵器的出料口和后一级厌氧发酵器的进料口之间密封连接。

3.根据权利要求1所述的一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：所述搅拌装置包括搅拌器，所述搅拌器根据每级厌氧发酵器内的物料成分以及浆化程度选择设置棒状搅拌器或浆片状搅拌器、或T型搅拌器或框型搅拌器、或螺型搅拌器。

4.根据权利要求1所述的一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：所述第一级厌氧发酵器的反应腔体上设置有沼液回流注入口，沼液回流注入口可实现接种和沼液回流的功能；所述第一级厌氧发酵器的底部为弧形或者锥形结构，并且底部设置有除沙除渣装置。

5.根据权利要求1所述的一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：各级厌氧发酵器的反应腔体顶部设置有沼气出口。

6.根据权利要求1所述的一种多级厌氧发酵系统，其特征在于：所述反应腔体包括钢板和型材，所述钢板和型材通过焊接或者通过螺栓、密封圈固定连接。

7.一种厌氧发酵方法，其特征在于，基于权利要求1～6任意一项所述的一种多级厌氧发酵系统，包括步骤如下：

S1：分析多元复杂物料组成，根据物料不同组成的降解特性，确定多级发酵的级数N、选择每级厌氧发酵器的搅拌设备；

S2：多元复杂物料通过进料装置输送至第一级厌氧发酵器内，在密闭环境下进行第一级发酵，注入添加携带菌种的牛粪或者沼液，搅拌器的搅拌促进物料传质和物料混合接种，物料在第一级发酵器中停留一定时间，微生物发酵降解物料组成中如餐厨垃圾等易于降解的物料，物料与微生物反应降解并浆化，未降解的物料在搅拌器和进料压差的作用力下由进料口逐渐移动到出料口，同时部分杂质沙石因自重落入反应腔体的底部并通过除沙除渣装置排出；

S3：上一步未降解的物料进入第二级厌氧发酵器，进行第二级发酵，物料在第二级发酵器中停留一定时间，微生物进一步降解物料，物料与微生物反应降解并进一步浆化，未降解的物料通过搅拌装置的搅拌和进料压差使物料由进料口逐渐移动到出料口；

S4：重复步骤S3，直到第N级厌氧发酵器，进行最后一级发酵，此级发酵完成物料中可降解成分的完全发酵，剩余的沼渣通过搅拌装置的搅拌和进料压差由进料口逐渐移动到出料口，并通过出料装置排出；

上述步骤中，各级厌氧发酵器产生的沼气通过沼气出口输送到终端使用。

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