CN116731820B - 一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有机固体废弃物处理技术领域，尤其涉及一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置，所述发酵系统包外环发酵罐、内环发酵罐、储气柜、沼气加压系统以及沼气利用系统，外环发酵罐套在内环发酵罐外侧，外环发酵罐用于物料水解酸化；内环发酵罐用于物料继续厌氧消化产沼气；储气柜位于内环发酵罐顶部用于收集产生的沼气；所述沼气利用系统包括沼气处理单元和沼气发电单元，发电余热用于内外环物料的加热保温，本发明通过环套环形式的两相厌氧发酵系统设计，罐体可以半地下或全地下，保温效果好，通过调整内外罐体内部的搅拌状态、pH值以及温度，保证两相厌氧发酵达到最佳状态，节约投资和运行成本。

Description

一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置

技术领域

本发明涉及有机废弃物处理技术领域，尤其涉及一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置。

背景技术

厌氧消化技术不仅可以实现有机固体废弃物减量化，还能产生清洁能源，具有技术成熟和应用广泛的特点。现有的厌氧消化系统大多为单相消化，存在如下弊端：

1、产酸菌与产甲烷菌无法达到各自的最优环境，在发酵过程中易产生过量的有机酸，使得pH偏低，抑制产甲烷菌活性，影响发酵过程；

2、厌氧发酵过程中存在短流死角搅拌不完全，物料不能完全消化，部分物料沉积会出现板结现象，进而影响沼气产出量，且普通机械搅拌能耗较高；

此外，现有的部分两相厌氧消化系统还存在如下弊端：

1、占地面积大，管路复杂，建设成本高；

2、厌氧发酵过程中温度需要长时间维持恒定，产酸罐与产沼罐设施分开建设，加热与保温过程能耗高，运行成本大。

因为上述问题的存在，我们提出一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统及发酵装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统，所述发酵系统包括匀浆池、设备间、外环发酵罐、内环发酵罐、储气柜、沼气加压系统、沼气利用系统，其中：

所述匀浆池用于对有机固体废弃物进行混合及含水率与碳氮比等的调节；

所述设备间包括物料输送控制系统、温度控制系统、pH控制系统、搅拌控制系统、压力控制系统、沼气输送控制系统等，在运行当中观察厌氧罐内液面状况，自动或手动控制发酵系统的反应条件；

所述外环发酵罐用于将匀浆池混合后的物料泵入后进行水解酸化；

所述内环发酵罐用于将外环内水解酸化后物料泵入后进行厌氧消化产沼气；

所述储气柜为双膜储气柜用于收集内环发酵罐产生的沼气；

所述沼气加压系统用于将储气柜内的部分沼气加压后通入内环发酵罐进行自动搅拌；

所述沼气利用系统，包括沼气处理单元和沼气发电单元，对沼气进行脱硫、去除水分等处理后发电，发电余热通入内外环加热管道用于内外环物料的加热保温。

在一个较佳的技术方案中，通过所述设备间内的pH控制系统将所述外环发酵罐产酸相pH控制在5.5～6.5，通过所述设备间内的pH控制系统将所述内环发酵罐产甲烷相控制在6.5～7.5。

在一个较佳的技术方案中，通过所述设备间内的温度控制系统将所述外环发酵罐以及内环发酵罐的罐内温度控制在35℃～38℃。

一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵装置，所述发酵装置由外环发酵罐、内环发酵罐以及储气柜组成，其中，所述外环发酵罐以及内环发酵罐均为圆环结构，且外环发酵罐套设在内环发酵罐的外侧，所述储气柜设置在内环发酵罐的顶部，所述内环发酵罐的体积是外环发酵罐体积的3～5倍。

在一个较佳的技术方案中，所述外环发酵罐上设置有观察窗，外环发酵罐外墙设置有保温层，同时，外环发酵罐以及内环发酵罐的内壁墙面上分别设置有加热管道。

在一个较佳的技术方案中，所述外环发酵罐的顶部上设置有可环形移动的推流器，外环发酵罐的顶部设置有外罐物料进口，外环发酵罐的底部设置有外罐物料出口。

在一个较佳的技术方案中，所述内环发酵罐的内部设置有若干一体管，各个一体管上开设出若干出气孔，且一体管的轴线与内环发酵罐中轴线平行，内环发酵罐的侧壁顶部设置有内罐物料进口，内环发酵罐的底部设置有内罐物料出口。

在一个较佳的技术方案中，所述外罐物料出口通过管道与所述内罐物料进口相连接，整个厌氧消化系统物料输送由中心泵负责，中心泵三向进出料，可以切换运行，可将物料从匀浆池送入外罐，将外罐物料送入内罐，同时，可将内罐发酵完的物料从底部抽出。

在一个较佳的技术方案中，所述环形推流器包括设置在所述外环发酵罐顶部一圈的环形轨道，该环形轨道上滑动连接有滑台，滑台上安装有沿竖向升降的丝杠传动机构，该丝杠传动机构上安装有可360°旋转的推流式搅拌机。

在一个较佳的技术方案中，所述内环发酵罐内各个一体管与沼气加压系统相连接，所述沼气加压系统将储气柜中的部分沼气增压后通过排气管输送至一体管中。

在一个较佳的技术方案中，所述内环发酵罐的内外壁分别设置有若干pH标准传感器，同时在所述外环发酵罐顶部设置有加碱泵，通过pH标准传感器检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的pH值，并通过所述加碱泵添加碱液调节内环发酵罐以及外环发酵罐内的pH值。

在一个较佳的技术方案中，所述内环发酵罐的内外壁分别设置有若干温度计，通过温度计检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的温度，并通过所述加热管道的发电余热量调节内环发酵罐以及外环发酵罐内的温度。

在一个较佳的技术方案中，所述内环发酵罐的内外壁上下部分别设置有两个浓度计用于检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的含固率，通过搅拌控制系统设定参数调节搅拌器运行状态，所述设定参数包括设定时长、设定含固率的至少一个。

本发明的有益效果是：

1、外环发酵罐与内环发酵罐之间形成环套环形式的两相厌氧发酵系统设计，可以避免占用较大的使用面积，节约空间，且管路铺设简单，可以降低建造成本。

2、外环发酵罐内的环形推流器可周向旋转，避免出现搅拌死角，可保证外环发酵罐内形成环形的流态，搅拌完全；加压后的沼气从内环发酵罐内的一体管向外喷出，形成涡流，保证均匀搅拌，且无需借助外部动力搅拌，可以降低能耗。

3、pH标准传感器监测外环发酵罐以及内环发酵罐的内部pH值，并利用加碱泵添加碱液调节内环发酵罐以及外环发酵罐内的pH值，使得内环发酵罐以及外环发酵罐的pH值控制在最佳范围内，这样可以促进产酸菌以及产甲烷菌的活性，提高产气效率；

4、环套环式的发酵整罐可以半地下或者全地下，内环发酵罐无需保温设施，即可达到显著的保温效果，而且利用沼气发电余热回补外环发酵罐以及内环发酵罐，可以保证内外罐长时间维持在恒定的温度范围内，不需要从外部补充能源，降低能耗，节约成本。

综上所述，通过本方案提出的发酵系统，解决了在对有机固体废弃物回收时，产酸菌与产甲烷菌无法达到各自的最优环境，影响发酵过程的顺利进行的问题。本发酵系统的提出，通过环套环形式的两相厌氧发酵系统设计，外环推流搅拌可调整高度、方向、推力、前进速度等，形成环形的流态；内环沼气搅拌形成涡流式全方位搅拌，提高产气效率。罐体可以半地下或全地下，保温效果好，通过调整内外罐体内部的搅拌状态、pH值以及温度，从而确保两相厌氧发酵达到最佳状态，使得整个发酵过程顺利进行。

附图说明

图1为本发明提出的一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统示意图；

图2为本发明提出的一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵装置的结构示意图。

图中：1、外环发酵罐；2、内环发酵罐；3、储气柜；4、环形推流器；5、外罐物料进口；6、外罐物料出口；7、一体管；8、出气孔；9、内罐物料进口；10、沼气加压系统；11、排气管；12、内罐物料出口；13、pH标准传感器；14、加碱泵；15、匀浆池；16、沼气利用系统。

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。

本实施例中，参照图1，一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统，所述发酵系统包括匀浆池、设备间、外环发酵罐、内环发酵罐、储气柜、沼气利用系统、沼气加压系统，其中：

所述匀浆池用于对有机固体废弃物进行混合及含水率与碳氮比等的调节，有机固体废弃物包括市政污泥、厨余垃圾、果蔬垃圾以及畜禽粪污等。

所述设备间包括物料输送控制系统、温度控制系统、pH控制系统、搅拌控制系统、压力控制系统、沼气输送控制系统等，在运行当中观察厌氧罐内液面状况，自动或手动控制发酵系统的反应条件。

所述外环发酵罐用于将匀浆池混合后的物料泵入后进行水解酸化，物料停留时间为3～5天。

所述内环发酵罐用于将外环内水解酸化后物料泵入后进行厌氧消化产沼气，物料停留时间为10～20天。

所述储气柜为双膜储气柜用于收集内环发酵罐产生的沼气；

所述沼气加压系统用于将储气柜内的部分沼气加压后通入内环发酵罐进行自动搅拌；

所述沼气利用系统，包括沼气处理单元和沼气发电单元，对沼气进行脱硫、去除水分等处理后发电，发电余热通入内外环加热管道用于内外环物料的加热保温。

参照图2，一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵装置，发酵装置由外环发酵罐1、内环发酵罐2以及储气柜3组成，其中，外环发酵罐1以及内环发酵罐2均为圆环结构，且外环发酵罐1套设在内环发酵罐2的外侧。该内环发酵罐2的底部向下凸出呈椭球状嵌入土中，内环发酵罐2的底部设置有内罐物料出口12，方便抽出料渣。

储气柜3设置在内环发酵罐2的顶部，内环发酵罐2的体积是外环发酵罐1体积的3～5倍。环套环式的发酵整罐可以半地下或者全地下，提高保温效果，节约占地面积。

对于外环发酵罐1而言：外环发酵罐1的顶部上设置有环形推流器4，外环发酵罐1的顶部设置有外罐物料进口5，环形推流器4包括设置在外环发酵罐1顶壁一圈的环形轨道，该环形轨道上滑动连接有滑台，滑台上安装有沿竖向升降的丝杠传动机构，该丝杠传动机构上安装有可360°旋转的推流式搅拌机，外环发酵罐1的底部设置有外罐物料出口6。

需要说明的是，内环发酵罐的内外壁上、下部分别设置有两个浓度计用于检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的含固率，通过搅拌控制系统设定参数调节搅拌器运行状态，所述设定参数包括设定时长、设定含固率的至少一个。

对于内环发酵罐2而言：内环发酵罐2的内部设置有若干一体管7，各个一体管7上开设出若干出气孔8，且一体管7的轴线与内环发酵罐2中轴线平行，内环发酵罐2的侧壁顶部设置有内罐物料进口9，沼气加压系统10为加压泵以及排气管11，加压泵安装在储气柜3外部，排气管11与各个一体管7相连接，沼气加压系统10将储气柜3中的部分沼气增压并通过排气管11输送至一体管7中。

在此，需要说明的是，外罐物料出口6通过管道与内罐物料进口9相连接，整个厌氧消化系统物料输送由中心泵负责，中心泵三向进出料，可以切换运行，可将物料从匀浆池送入外罐，将外罐物料送入内罐，同时，可将内罐发酵完的物料从底部抽出。

最后，需要说明的是，内环发酵罐2的内外壁分别设置有若干pH标准传感器13，同时在外环发酵罐1顶部设置有加碱泵14，通过pH标准传感器13检测内环发酵罐2以及外环发酵罐1内的pH值，并通过加碱泵14添加碱液调节内环发酵罐2以及外环发酵罐1内的pH值。

结合附图1-2，进行具体的说明：

本系统中使用设备间，该设备间中需要具备物料输送控制系统、温度控制系统、pH控制系统、搅拌控制系统、压力控制系统、沼气输送控制系统等，针对上述系统，分别说明：

物料输送控制系统中，主要设备为中心泵。通过该中心泵，匀浆池15中的有机固体废弃物混合物料经外罐物料进口5泵入该外环发酵罐1，在外环发酵罐1中进行水解酸化，而后，将水解酸化后的产物经外罐物料出口6输送至内罐物料进口9，并经该内罐物料进口9进入内环发酵罐2中，在内环发酵罐2中进行厌氧消化产生沼气，产生的沼气进入储气柜3中的双膜储气柜中，而最终发酵的沼渣和沼液从内罐物料出口12向外排出再处理。

温度控制系统中，外环发酵罐1外墙面的保温层可起到保温作用，储气柜3中储藏的沼气输送至沼气利用16，经发电燃烧，将发电余热通入外环发酵罐1以及内环发酵罐2的加热管道并用于加热控温。在此，需要特别提出的是，需要借助外接的冷却水换热，沼气燃烧余热可利用冷却水换热，这样冷却水温度升高后再经由管道输送至外环发酵罐1以及内环发酵罐2的加热管道可以保证内外罐的温度。

pH控制系统中，通过pH标准传感器13监测外环发酵罐1以及内环发酵罐2的内部pH值，并利用加碱泵14添加碱液调节内环发酵罐2以及外环发酵罐1内的pH值，使得内环发酵罐2以及外环发酵罐1的pH值控制在最佳的范围内。

搅拌控制系统中，

对于外环发酵罐1而言：

环形推流器4在外环发酵罐1的顶部环形滑动的过程中，根据需要上下移动同时还可以360°旋转，环形推流器4运行过程中，该外环发酵罐1内形成环形的流态，可加速搅拌，在外环发酵罐1上设置有观察窗，当通过该观察窗发现物料聚集在外环发酵罐1的物料顶部出现结壳现象，可将推流式搅拌机上移破坏结壳，当通过观察窗发现物料在外环发酵罐1的底部沉积，可将推流式搅拌机下移，防止沉积。

需要补充的是，外环发酵罐1的顶部结壳或者底部沉积都可以通过观察窗发现，但是这需要工作人员频繁地查看，为此，为了提高整个搅拌系统的自控性，可以选取最佳搅拌频率，直接设定固定的搅拌与停歇时间；同时在该外环发酵罐1中物料的上部和下部分别设置有浓度计，例如当上下浓度计的含固率相差2％时启动搅动，当上下浓度计的含固率基本一致时，停止搅拌，如此搅拌与停歇循环进行以降低能耗，减少运行成本。

对于内环发酵罐2而言：

沼气加压系统10可抽取储气柜3内的部分沼气，压缩后通过排气管11输送至各个一体管7，压缩气体从出气孔8向外喷出，形成涡流并全方位搅拌，可保证均匀搅拌，此时物料在内环发酵罐2内自动运转，无需借助外部动力搅拌，可降低能耗。

压力控制系统中，通过压力计检测内环发酵罐、外环发酵罐及储气顶的压力，保证系统安全，并与沼气输送系统连接，通过沼气加压系统10对沼气进行压缩。

沼气输送控制系统中，储气柜3中储藏的沼气中大部分向外传送至沼气利用系统16中，另外少部分的沼气通过沼气加压系统10输送至各个一体管7，并经由出气孔8释放到内环发酵罐2中。

最后，还需要说明的是，该设备间中还需要配置PLC控制系统，该控制系统分别与物料输送控制系统、温度控制系统、pH控制系统、搅拌控制系统、压力控制系统、沼气输送控制系统等连接。利用PLC控制系统实现各系统功能自动控制，及时高效。

利用PLC控制系统可以控制该外环发酵罐1内的环形推流器4发生位置变动，通过观察镜看到的实际情况以及浓度计检测的实时浓度数值，可以调整推流式搅拌机的搅拌桨叶高度和方向，从而满足外环发酵罐1内的实际搅拌需求。

一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统的发酵方法，包括以下步骤：

S1、不同类型的有机固体废弃物经过破碎后调整C/N为20～30后进入匀浆池，加水调节其含固率为8％～15％；

S2、物料通过中心泵从外环发酵罐顶部的外罐物料进口进入，在外环发酵罐经过3～5天的停留时间，pH值控制在5.5～6.5；物料由中心泵从外环发酵罐底部的外罐物料出口抽出，内环发酵罐顶部的内罐物料进口进入，在内环发酵罐经过10～20天的停留时间，pH值控制在6.5～7.5，产生的沼气进入内环顶部的双膜储气柜，最终发酵的沼渣和沼液由内环底部出料口出料后处理；

S3、双膜储气柜内的部分沼气通过加压后通入内环发酵罐进行气体搅拌，其余沼气经沼气利用系统进行脱硫、去除水分等处理后发电利用，其产生的发电余热通入外环发酵罐以及内环发酵罐的加热管道用于物料的加热和保温。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统，其特征在于，所述发酵系统包括匀浆池、设备间、外环发酵罐、内环发酵罐、储气柜、沼气加压系统、沼气利用系统，其中：

由外环发酵罐、内环发酵罐以及储气柜组成发酵装置；

所述匀浆池用于对有机固体废弃物进行混合及含水率与碳氮比的调节；

所述设备间包括物料输送控制系统、温度控制系统、pH控制系统、搅拌控制系统、压力控制系统、沼气输送控制系统，在运行当中观察厌氧罐内液面状况，自动或手动控制发酵系统的反应条件；

所述外环发酵罐用于将匀浆池混合后的物料泵入后进行水解酸化；

所述内环发酵罐用于将外环内水解酸化后物料泵入后进行厌氧消化产沼气；

所述储气柜为双膜储气柜用于收集内环发酵罐产生的沼气；

所述沼气加压系统用于将储气柜内的部分沼气加压后通入内环发酵罐进行自动搅拌；

所述沼气利用系统，包括沼气处理单元和沼气发电单元，对沼气进行脱硫、去除水分处理后发电，发电余热通入内外环加热管道用于内外环物料的加热保温；

通过所述设备间内的pH控制系统将所述外环发酵罐水解产酸相pH控制在5.5~6.5，通过所述设备间内的pH控制系统将所述内环发酵罐产甲烷相pH控制在6.5~7.5；

所述外环发酵罐以及内环发酵罐均为圆环结构，且外环发酵罐套设在内环发酵罐的外侧，所述储气柜设置在内环发酵罐的顶部，所述内环发酵罐的体积是外环发酵罐体积的3~5倍；

所述内环发酵罐的内部设置有若干一体管，各个一体管上开设出若干出气孔，且一体管的轴线与内环发酵罐中轴线平行，内环发酵罐的侧壁顶部设置有内罐物料进口，内环发酵罐的底部设置有内罐物料出口；

所述内环发酵罐内各个一体管与沼气加压系统相连接，所述沼气加压系统将储气柜中的部分沼气增压后通过排气管输送至一体管中；

所述内环发酵罐的内外壁分别设置有若干pH标准传感器，同时在所述外环发酵罐顶部设置有加碱泵，通过pH标准传感器检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的pH值，并通过所述加碱泵添加碱液调节内环发酵罐以及外环发酵罐内的pH值；

所述外环发酵罐的顶壁设置有环形推流器，外环发酵罐的顶部设置有外罐物料进口，外环发酵罐的底部设置有外罐物料出口，所述环形推流器包括设置在所述外环发酵罐顶部一圈的环形轨道，该环形轨道上滑动连接有滑台，滑台上安装有沿竖向升降的丝杠传动机构，该丝杠传动机构上安装有可360°旋转的推流式搅拌机；

所述内环发酵罐的内外壁上下部分别设置有两个浓度计用于检测内环发酵罐以及外环发酵罐内的含固率，通过搅拌控制系统设定参数调节搅拌器运行状态，所述设定参数包括设定时长、设定含固率的至少一个。

2.根据权利要求1所述的一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统，其特征在于，通过所述设备间内的温度控制系统将所述外环发酵罐以及内环发酵罐的罐内温度控制在35℃~38℃。

3.根据权利要求1所述的一种有机固体废弃物环套环两相厌氧发酵系统，其特征在于，所述外罐物料出口通过管道与所述内罐物料进口相连接，整个厌氧消化系统物料输送由中心泵负责，中心泵三向进出料，可以切换运行，可将物料从匀浆池送入外罐，将外罐物料送入内罐，同时，可将内罐发酵完的物料从底部抽出。