CN117735797A - 基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统和发酵方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粪污处理技术领域，具体而言涉及基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统和发酵方法，包括：发酵罐，用于接收新鲜的待发酵物料，所述发酵罐的罐体底部设有集沙坑，所述集沙坑上沿至发酵罐的罐体侧壁间形成向集沙坑倾斜的坡面，所述集沙坑内还设有排沙管，用于将集沙坑中的泥沙排出发酵罐。本申请中发酵罐和推流池组合发酵体系中的物料在循环泵作用下，成为一个有机整体，由造价低的推流池提供绝大部分的发酵容积，而造价高，但混合、加热、易排泥沙的全混式发酵罐仅提供合适、较小的发酵容积即可。两者将优势互补、缺点相互克服，成为一种节能、高效、可靠的组合式发酵工艺。
Description
技术领域
本发明涉及粪污处理技术领域，具体而言涉及基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统和发酵方法。
背景技术
现代化大型泌乳牛养殖场粪污处理的典型工艺是采用厌氧发酵产生沼气，沼气净化后送到内燃发电机发电，发酵后的沼液还田。
全世界经过近年来大中型沼气工程的实践和探索，证明比较成功的粪污发酵工艺技术有全混式厌氧工艺、推流式厌氧发酵池、上流式污泥床和上流式厌氧污泥床等工艺。而在实际的工程应用中，全混式厌氧工艺和推流式厌氧发酵两种中温(37～40℃)发酵工艺占据绝对的主导地位。
这两种工艺中，推流式厌氧发酵工艺的造价和能耗均较低，缺点是沼气产出率较低，且排泥沙不易；而全混式厌氧工艺，造价和能耗相对较高，但由于发酵温度和物料混合很均匀，沼气产出率明显高于推流式厌氧发酵工艺(相同发酵容积条件下，全混式厌氧工艺产气率可比推流式厌氧发酵工艺高50％)，且排泥沙相对容易。实践证明，选择全混式厌氧工艺具有更好的投资经济性。
而对于万头以上存栏的泌乳牛牧场，合适的厌氧发酵容积约20000m3。容积越大，产气量也越大，但造价也越高。推流式发酵池单位容积造价水平(含加热和搅拌系统)约600元/m3；而全混式厌氧工艺发酵罐单位容积造价水平为900元/m3。以上造价水平均不含地基处理费用。如果天然地基承载力低(～10t/m2),则全混式工艺发酵罐的造价会更高，因为其发酵罐的液位一般都要20米以上，单位荷载较大，地基需要处理才能满足荷载要求。
综上所述，如何将厌氧发酵系统做到造价和能耗向推流式造价看齐，而产气率向全混式看齐就很有实际意义。
发明内容
针对现有技术中对粪污厌氧发酵处理技术中存在的技术问题，本发明的第一方面提出基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，包括：
发酵罐，用于接收新鲜的待发酵物料，所述发酵罐的罐体底部设有集沙坑，所述集沙坑上沿至发酵罐的罐体侧壁间形成向集沙坑倾斜的坡面，所述集沙坑内还设有排沙管，用于将集沙坑中的泥沙排出发酵罐；
水力搅拌部件，设置在所述坡面的上方；
吸液部件，设置在所述发酵罐内，并处于指定的液位高度，当发酵罐内的沼液达到指定高度时，经所述吸液部件流出发酵罐；
推流池，用于接收所述吸液部件排出的沼液；
其中，所述推流池内设有推流通道，所述推流通道的进料区与所述吸液部件连接，所述推流通道的排料区连接到循环泵的供液端，所述循环泵的排液端连接到所述水力搅拌部件，使发酵罐内溢流的沼液在推流池以及发酵罐中循环流动。
优选的，所述水力搅拌部件包括多组喷头，所述喷头通过供液管连接到循环泵的输出端，所述喷头向着所述坡面，所述喷头所射出的沼液能作用到坡面表面的区域。
优选的，多组所述喷头呈中心对称的布置，每组所述喷头中的各个喷头作用到坡面表面的区域相互具有重叠的区域。
优选的，所述吸液部件被构造成喇叭口形状，自上端向下直径逐渐变小。
优选的，所述吸液部件的底部设有溢流管，所述溢流管的第二端连接到所述推流池的进料区，所述溢流管中的沼液依靠重力由吸液部件进入到进料区。
优选的，所述推流池的进料区和推流通道之间通过溢流板分隔，所述推流池的排料区和推流通道之间通过溢流板分隔。
优选的，所述推流通道被墙体分隔构造成U型通道，所述墙体中设有加热部件，用于保持推流通道中的沼液处于预设的温度范围。
优选的，所述推流通道中设有搅拌部件，所述搅拌部件包括曝气管，所述曝气管连接压缩沼气源，用于向推流通道的底部通入压缩沼气。
优选的，所述发酵罐的顶部设有双层气膜，在所述发酵罐的液位以上、双层气膜以下的区域形成储气区。
本发明第二方面提出一种技术方案，一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵方法，其特征在于，使用上述的厌氧发酵系统，包括以下步骤：
步骤1、间断或连续的向发酵罐中送入新鲜物料，使物料在发酵罐中堆积；
步骤2、当堆积至吸液部件的高度后，沼液依靠重力流入到推流池中，使沼液在推流池中继续发酵产气；
步骤3、通过循环泵将推流池中的沼液抽回到发酵罐的底部，通过喷头对发酵罐底部的坡面发射射流形成搅拌，使新鲜物料和回流沼液混合；
其中，在步骤3中，循环泵间隔的运行。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本申请中发酵罐和推流池组合发酵体系中的物料在循环泵作用下，成为一个有机整体，由造价低的推流池提供绝大部分的发酵容积，而造价高，但混合、加热、易排泥沙的全混式发酵罐仅提供合适、较小的发酵容积即可。两者将优势互补、缺点相互克服，成为一种节能、高效、可靠的组合式发酵工艺；整个发酵体系内无转动部件，内部固定件不易损坏，因此整个工艺系统可靠性高，可确保组合式厌氧发酵工艺体系多年连续运行，不用停运检修。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是发明所示的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统的结构示意图；
图2是本发明所示的发酵罐的结构示意图；
图3是本发明所示的喷头在发酵罐底部的分布示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
应当理解的，本申请是基于万头以上存栏的泌乳牛牧场所提出的厌氧发酵系统，这种规模的发酵系统的容积约20000m3。虽然普通的推流式发酵池具有造价低的优点，并且适合针对牛粪进行厌氧发酵处理，但是如此大规模的进料，相较于普通的推流发酵池来说，发酵池底部的泥沙堆积含量更高，影响反应器的有效体积和反应效率，导致需要后期需要维护清理；而全混式的厌氧发酵必须使用发酵罐，如此大容量的发酵罐会带来极高的建造成本，并且所使用的搅拌装置也会成倍的增加，使后期的维护和使用成本激增，因此，基于上述难点，本申请旨在提供一种建造、使用成本相对低、而产气率量高的厌氧发酵系统。
发明人希望利用推流池低成本的优点制造大容量的发酵空间，但同时实现高产气率的前提是控制推流池的进料，因此，发明人利用全混式工艺的优点，设计全混和推流组合式厌氧发酵系统，先利用全混式工艺处理进料，对物料中的泥沙进行处理，并且排入到推流池的物料温度已达到理想的发酵温度，避免推流池本身不易加热以及加热不均匀的问题。
【基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统】
结合图1-2所示，本发明的第一方面提出一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，包括发酵罐10、水力搅拌部件20、吸液部件30和推流池40，发酵罐10用于接收新鲜的待发酵物料，发酵罐10的底部设有进料管，用于向发酵罐10的底部输送新鲜物料，发酵罐10的罐体底部设有集沙坑11，集沙坑11上沿至发酵罐10的罐体侧壁间形成向集沙坑11倾斜的坡面12，集沙坑11内还设有排沙管111，用于将集沙坑11中的泥沙排出发酵罐10。
在物料输送到发酵罐10内并不断的向上堆积的过程中，物料发生厌氧反应，在此过程中，浮渣向上漂浮并堆积在沼液顶部，长时间的堆积可能造成硬化结壳，而底部也堆积泥沙，压缩发酵罐内的体积，进一步的，水力搅拌部件20设置在坡面12的上方，吸液部件30设置在发酵罐10内，并处于指定的液位高度，当发酵罐10内的沼液达到指定高度时，经吸液部件30流出发酵罐10。
如此，集中收集物料中的泥沙，并定时的排除出发酵罐10，能保持发酵罐10的有效容积，吸液部件30保持沼液上表面的高度，并持续让沼液上表面流动，实现破壳作用，避免浮渣堆积。
在可选的实施例中，坡面12是发酵罐10底部设置的8-12°向心缓坡。
进一步的，结合图2-3所示，水力搅拌部件20包括多组喷头201，喷头201通过供液管211连接到循环泵21的输出端，喷头201向着坡面12，喷头201所射出的沼液能作用到坡面12表面的区域。如此，喷头201出口高流速液体向下冲击，每个喷头201可覆盖10平方以上区域，局部形成激烈的水力搅拌效果。
优选的，多组喷头201呈中心对称的布置，每组喷头201中的各个喷头作用到坡面12表面的区域相互具有重叠的区域。通过循环泵21依次向每组喷头201泵液，可在发酵罐10的底部形成连续的不同区域的搅拌，并逐渐的将坡面12上堆积的泥沙赶至集沙坑11，集沙坑11的底部设有四个排沙管111，通过沼液高度的压力作用将集沙坑11中的泥沙通过排沙管111排出发酵罐10的外部。
进一步的，吸液部件30被构造成喇叭口形状，自上端向下直径逐渐变小。如此，放大的喇叭口能降低吸入口液体流速，减少液体夹带的沼气。
结合图2所示，发酵罐10的顶部设有双层气膜13，在发酵罐10的液位以上、双层气膜13以下的区域形成储气区103。
如此，在发酵罐10中产生的沼气可以堆积在储气区103，不需要单独的建造气柜，节约占地空间。
进一步的，推流池40用于接收吸液部件30排出的沼液，在可选的实施例中，发酵罐10和推流池40的容积比可以是1：9左右，满足20000m3的容积需求。
具体的，发酵罐10采用9-10米直径，高度在20m左右，容积达到1500-2000m3。
结合图1所示，推流池40内设有推流通道402，推流通道402的进料区401与吸液部件30连接，推流通道402的排料区403连接到循环泵21的供液端，循环泵21的排液端连接到水力搅拌部件20，使发酵罐10内溢流的沼液在推流池40以及发酵罐10中循环流动。
可选的，吸液部件30的底部设有溢流管31，溢流管31的第二端连接到推流池40的进料区401，溢流管31中的沼液依靠重力由吸液部件30进入到进料区401。
应当理解的，厌氧反应分为三个阶段，第一阶段是接触阶段，在厌氧反应开始时，有机物质(新鲜原料)与微生物(如细菌、古菌等)发生接触。这个阶段的目的是使底物与微生物充分混合，以便后续的反应能够顺利进行。接触阶段通常需要一定的时间，因为底物分子需要与微生物表面结合，形成一个反应界面。
第二阶段是酸化阶段，这个阶段的主要特点是底物被分解成较小的有机酸分子。这些有机酸分子可以是接触阶段之后，乙酸、丙酸等。酸化阶段需要一定的时间，因为底物的分解需要经过一系列的酶催化反应。在酸化阶段中，微生物利用底物作为能源进行代谢，同时产生一些副产物，如二氧化碳和一些有机化合物。这些副产物进步促进了厌氧反应的进行。
第三个阶段是产气阶段，在酸化阶段之后，底物的分解产物进一步被微生物代谢，产生大量的气体。这个阶段被称为产气阶段。产气阶段的主要特点是底物分解速率加快，同时气体生成速率也加快。在产气阶段，厌氧反应的反应速率达到最大值。此时，所产生的气体会逐渐积聚在反应体系中，产生压力。当压力达到一定值时，反应会进入平衡状态，反应速率将不再增加。
在本申请中，发酵罐10中新鲜物料完成第一阶段和第二阶段的厌氧反应后再通过溢流管31中进入到推流池40的进料区401，由于发酵罐10内部设置足够的加热面积，满足将所有新鲜物料加热到目标温度，这样进入推流池的物料温度已经达到目标值，同时，由于推流池内沼液流动置换加快，温度的均匀性也有很好保障，因此，进入到推流池40中的沼液处于较高的温度，可以减少在推流池40中布置的加热部件的耗能，并且进入到推流池40中的沼液处于发酵的第三阶段，不需要水解酸化段，在推流池40中的反应效率更高，也不会在推流池40中代入泥沙，并且从推流池40中反应后的沼液可以再通过循环泵21的循环利用喷头201射出的方式进入到发酵罐10的底部，这样能与新鲜的物料进行混合，促进新鲜物料的分解，菌群也不会被浪费。
进一步的，推流池40的进料区401和推流通道402之间通过溢流板43分隔，推流池40的排料区403和推流通道402之间通过溢流板43分隔。
如此，当发酵罐10流出的沼液，先进入到进料区401堆积后，达到溢流液位后，才进入到推流池40的推流通道402内，在推流通道402中堆积后才进入到排料区403，避免低温的沼液回流到发酵罐10中，能保证正常运行时，发酵罐10和推流池40中各点的温度均衡。
结合图1所示，推流池40被分为两个推流通道402，每个推流通道402对应一个进料区401，溢流管31在每个进料区401具有支管，支管上设有阀门，如此，可以先进入到一个推流通道402中，当一个推流通道402满后，再进入到另一个推流通道402，然后保持两个推流通道402同步运行。
更进一步的，溢流管31还在排料区403连接支管，并单独的设置阀门，使部分溢流的沼液进入到排料区403中，循环泵21和排料区403之前设有抽液管22，如此排料区403中的沼液能被循环泵21抽液循环至发酵罐10的底部。
在可选的实施例中，推流通道402被墙体41分隔构造成U型通道，墙体41中设有加热部件，用于保持推流通道402中的沼液处于预设的温度范围。
其中，在推流池40周围设置与推流通道402连通的沼气收集装置，并可利用收集的部分沼气压缩注入到推流通道402中对沼液形成搅拌。
进一步的，为了促进推流通道402中物料的反应，在推流通道402中设有搅拌部件，搅拌部件包括曝气管，曝气管连接压缩沼气源，用于向推流通道402的底部通入压缩沼气。利用压缩沼气形成的气泡在沼液中形成搅拌作用，促进物料之间的接触，提高反应效率。
【一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵方法】
本发明第二方面提出一种技术方案，一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵方法，其特征在于，使用上述的厌氧发酵系统，包括以下步骤：
步骤1、间断或连续的向发酵罐10中送入新鲜物料，使物料在发酵罐10中堆积；
步骤2、当堆积至吸液部件30的高度后，沼液依靠重力流入到推流池40中，使沼液在推流池40中继续发酵产气；
步骤3、通过循环泵21将推流池40中的沼液抽回到发酵罐10的底部，通过喷头201对发酵罐10底部的坡面12发射射流形成搅拌，使新鲜物料和回流沼液混合；
其中，在步骤3中，循环泵21间隔的运行。
在可选的实施例中，当堆积至吸液部件30的高度后，沼液依靠重力流入到推流池40中，尤其是先通过溢流管31进入到进料区401，并优先对其中一个推流通道402供料，其中，溢流管31中的部分沼液排入到排料区403中，供循环泵21抽液搅拌时使用。
结合图3所示，包含六组喷头201，每组喷头201和循环泵21之间通过供液管211连接，每组包含五个喷头201，每个喷头201的覆盖范围为10平方，其中，循环泵21每间隔2小时连续运行一小时，每一组喷头201连续喷射10分钟，六组喷头依次喷射，以保证每一组喷头的喷射压力，利用喷头201射出的射流能清扫坡面12上堆积的泥沙，并赶至集沙坑11中排出，同时大范围的射流能与底部的新鲜物料形成搅拌。
进一步的，在发酵罐10内的不同高度设置沼液温度检测点，通过对温度的检测控制进料和回流沼液的流量，以保持各点的温度均衡。
结合以上实施例，本申请中，发酵罐的罐体外仅设置一台循环供液泵，每组喷组支管与循环供液泵出口环管相连，每组喷嘴有自动阀门控制，转动机械仅有泵和自动阀门，且在罐体外部安装，易于检修、更换，罐体内设施均为固定部件(管道、激流喷嘴)，不易损坏，因此整个工艺系统可靠性高，可确保厌氧罐多年连续运行，不用停运检修，并且运行能耗明显低于全混式发酵罐工艺。
推流池和发酵罐内部的沼液在沼液循环泵的作用下混为一体，1-2天内即可循环一次，达到物料和温度混合均匀的目的，提高发酵产气率。
新鲜物料全部加到全混式发酵罐，在发酵罐内物料得到持续加热升，温至理想的发酵温度；推流发酵池只接受全混式发酵罐溢流出的物料，其温度已达到理想的发酵温度。这样推流式发酵池的加热系统，可以简化，仅满足冬季最大散热量即可，避免了推流式发酵池本身加热温度不易不均的缺点，同时其入料口的酸化水解区段也不存在了。
由于新鲜原料全部加到全混式发酵罐，新鲜料中的较大颗粒泥沙绝大部分聚集在全混式发酵罐集泥沙坑内，通过排泥沙管，比较容易排出，极大减少推流池内的泥沙淤积。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，包括：
发酵罐(10)，用于接收新鲜的待发酵物料，所述发酵罐(10)的罐体底部设有集沙坑(11)，所述集沙坑(11)上沿至发酵罐(10)的罐体侧壁间形成向集沙坑(11)倾斜的坡面(12)，所述集沙坑(11)内还设有排沙管(111)，用于将集沙坑(11)中的泥沙排出发酵罐(10)；
水力搅拌部件(20)，设置在所述坡面(12)的上方；
吸液部件(30)，设置在所述发酵罐(10)内，并处于指定的液位高度，当发酵罐(10)内的沼液达到指定高度时，经所述吸液部件(30)流出发酵罐(10)；
推流池(40)，用于接收所述吸液部件(30)排出的沼液；
其中，所述推流池(40)内设有推流通道(402)，所述推流通道(402)的进料区(401)与所述吸液部件(30)连接，所述推流通道(402)的排料区(403)连接到循环泵(21)的供液端，所述循环泵(21)的排液端连接到所述水力搅拌部件(20)，使发酵罐(10)内溢流的沼液在推流池(40)以及发酵罐(10)中循环流动。
2.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述水力搅拌部件(20)包括多组喷头(201)，所述喷头(201)通过供液管(211)连接到循环泵(21)的输出端，所述喷头(201)向着所述坡面(12)，所述喷头(201)所射出的沼液能作用到坡面(12)表面的区域。
3.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，多组所述喷头(201)呈中心对称的布置，每组所述喷头(201)中的各个喷头作用到坡面(12)表面的区域相互具有重叠的区域。
4.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述吸液部件(30)被构造成喇叭口形状，自上端向下直径逐渐变小。
5.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述吸液部件(30)的底部设有溢流管(31)，所述溢流管(31)的第二端连接到所述推流池(40)的进料区(401)，所述溢流管(31)中的沼液依靠重力由吸液部件(30)进入到进料区(401)。
6.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述推流池(40)的进料区(401)和推流通道(402)之间通过溢流板(43)分隔，所述推流池(40)的排料区(403)和推流通道(402)之间通过溢流板(43)分隔。
7.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述推流通道(402)被墙体(41)分隔构造成U型通道，所述墙体(41)中设有加热部件，用于保持推流通道(402)中的沼液处于预设的温度范围。
8.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述推流通道(402)中设有搅拌部件，所述搅拌部件包括曝气管，所述曝气管连接压缩沼气源，用于向推流通道(402)的底部通入压缩沼气。
9.根据权利要求1所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，其特征在于，所述发酵罐(10)的顶部设有双层气膜(13)，在所述发酵罐(10)的液位以上、双层气膜(13)以下的区域形成储气区(103)。
10.一种基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵方法，其特征在于，使用权利要求1-9中的任意一项所述的基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统，包括以下步骤：
步骤1、间断或连续的向发酵罐(10)中送入新鲜物料，使物料在发酵罐(10)中堆积；
步骤2、当堆积至吸液部件(30)的高度后，沼液依靠重力流入到推流池(40)中，使沼液在推流池(40)中继续发酵产气；
步骤3、通过循环泵(21)将推流池(40)中的沼液抽回到发酵罐(10)的底部，通过喷头(201)对发酵罐(10)底部的坡面(12)发射射流形成搅拌，使新鲜物料和回流沼液混合；
其中，在步骤3中，循环泵(21)间隔的运行。
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| CN202311730837.7A CN117735797A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 基于激流喷嘴水力搅拌的全混和推流组合式厌氧发酵系统和发酵方法 |
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2023
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