TWI715767B - 厭氧發酵系統 - Google Patents

Abstract

一種厭氧發酵系統，包括有一用以進行發酵產生燃燒氣體的發酵槽、一用以將發酵槽產生燃燒氣體燃燒發電的發電裝置及一用以將發電裝置的熱能回收利用加熱以使發酵槽維持恆溫的加熱裝置；其特徵在於，所述發酵槽由槽體及底面所形成有可供容裝反應物質的容置空間，容置空間內設有中心柱，槽體上設有進料管、排水管、排泥管、至少一組第一攪拌裝置及至少一組第二攪拌裝置；據此，透過第一攪拌裝置提供縱向攪拌及第二攪拌裝置提供橫向攪拌的交互作用，讓發酵槽內部的浮渣層、上層清液、活性層及槽底層能夠上下充分混合，提升槽內攪拌混合效果，使厭氧消化反應更加穩定與完全。

Description

厭氧發酵系統

本發明涉及一種厭氧發酵槽，特別指一種提升發酵槽內部的浮渣層、上層清液、活性層及槽底層能夠上下充分混合，使發酵反應更加穩定與完全的一種厭氧發酵槽系統。

按，厭氧發酵槽係利用厭氧性微生物或兼性微生物在缺乏氧氣的環境中，將有機物經由一連串的基質轉化作用，將大部分複雜的大分子有機物水解為簡單的物質，微生物再從此消化中獲取細胞生存或合成所需要的能量，最後轉化為二氧化碳、甲烷、氫、氮、硫化氫等物質。厭氧發酵的厭氧菌在新陳代謝過程中，因所產生的能量較低，故細菌的生長緩慢，世代時間較長，要獲得相等的能量，厭氧性細菌細胞消化的物質，當為好氧性細菌十倍以上，此即為高濃度的有機廢水或污泥常利用『厭氧消化法』處理的原因所在，且因此厭氧消化所需的營養劑如氮、磷等均較少，而消化後的污泥也相對減少。

又，厭氧發酵屬於綜合廢物管理系統的一部分，它可用於處理工業或生活廢物、一般農作物、以及畜牧業的動物糞便等等，上述微生物所產生的沼氣(二氧化碳、甲烷、氫、氮、硫化氫等)可直接用作為燃料、也可產生營養豐富的沼渣作為肥料，可以減少垃圾和減少排放氣體到大氣 中，因此，被廣泛當作可再生能源的來源。

現有微生物反應系統的厭氧發酵的穩定性較低，原因是微生物群體易受到環境變化及操作條件的影響而失去平衡，進而導致系統的效能的降低甚或完全失效，且由於發酵槽中的微生物群落組成複雜，大多數的生物菌種無法在實驗室中被分離純化培養，因此，如何維護生物反應系統厭氧發酵的穩定度，使發酵反應更加穩定與完全，即增加厭有機物和細菌接觸的混合攪拌效果為重點工作。

控制厭氧消化的因素有：菌種、基質、攪拌、時間、溫度控制、PH值和毒性；其中以攪拌及溫度說明如下：(1)攪拌：細菌必須與食物接觸才能發生作用，攪拌是使其接觸的最好辦法，攪拌的方法有機械攪拌翼法及回流氣體攪拌法。攪拌除可使被消化有機物和細菌接觸良好外，並可使發酵槽內溫度均勻分布，消除浮渣的堆積，使反應生成物自液相轉換到氣相而逸出，如二氧化碳、甲烷、氫、氮、硫化氫。(2)溫度：溫度為決定消化日數的重要因素，消化速率從攝氏零度或更低溫度開始，溫度愈高速率愈大，直至攝氏55度或略高止，最大速率發生在攝氏37度和50至55度。一般仍以在攝氏30至35度範圍內，消化操作較為經濟。由上述可知，發酵槽的攪拌程度及操作溫度，不僅影響槽內厭氧生物反應的速率(水解素率及甲烷生成率)，也影響生物汙泥的沉降及氣體傳輸效率。因此，有機物和細菌良好的接觸攪拌混合，以及發酵槽內溫度均勻分布的控制，可以使發酵反應更加穩定與完全。

厭氧發酵的厭氧菌在新陳代謝過程中，因所產生的能量較低，故細菌的生長緩慢，世代時間較長，要獲得相等的能量，厭氧性細菌 細胞消化的物質，當為好氧性細菌十倍以上，此即為高濃度的有機廢水或污泥常利用『厭氧消化法』處理的原因所在，且因此厭氧消化所需的營養劑如氮、磷等均較少，而消化後的污泥也相對減少。

查，現有一種習用槽內沉水式機械攪拌翼，其設備器件係設置在槽底部，而須從槽頂部吊入槽內，由於吊出與吊入的動作屬於重作業負荷，其費力費時，並且設備器件長時間沉浸在有腐蝕性，甚至是糞尿沼液之中，易受損害而影響使用壽命，且維修時必須開啟上部槽蓋，因而破壞槽內氣密。又，在使用『槽內沉水式機械攪拌翼』在槽內定點設置，在槽體直徑較大時(例如20m直徑以上)為了混合效果較佳需要設置兩台，增加成本費用。

又查，如第10圖所示，有一種習用外置式攪拌器8，其驅動馬達81設在槽體84外部，而連結桿82垂直深入於槽體84之中，其僅在攪拌翼片83旋轉的橫向造成有攪拌作用，缺乏在整個槽體84的縱向有攪拌作用，顯然有攪拌不均勻的缺弊，無法有效增加厭氧發酵的攪拌混合效果。

再查，如第11圖所示，有一種習用傾斜式攪拌器9，驅動馬達91設在槽體94外部，連結桿92呈傾斜一預定角度的方式設置，而僅在其攪拌翼片93設置的該處角落範圍內，可以產生有預定角度範圍內的橫向以及某種程度的縱向攪拌作用，對於體積相當大的發酵槽來說其實際上的效用不大，而仍然存在有相當大的區域範圍屬於攪拌死角，同樣存在有不均勻，以及無法有效增加厭氧發酵的攪拌混合效果的缺弊，仍須改善。

本發明要解決的技術問題在於，針對上述現有發酵槽的攪拌 裝置的設計結構的缺點，提供一種具有縱向與橫向交互攪拌作用的發酵槽，使發酵槽內部的浮渣層、上層清液、活性層及槽底層能夠上下充分混合，提升攪拌混合效果，使發酵反應更加穩定與完全的厭氧發酵系統。

為了提供發酵槽具有縱向攪拌作用，本發明在發酵槽的槽體內部上方設置有至少一組第一攪拌裝置，使其可以打破浮渣層造成垂直方向的層流作用，進而提升攪拌混合效果。

又，為了提供發酵槽具有水平橫向攪拌作用，本發明在發酵槽的槽體內側設置有一吸一出的第二攪拌裝置，使槽體內部橫向形成有潮湧流勢的旋轉流體攪拌作用，提升攪拌混合效果。

本發明解決現有技術問題所採用的技術手段在於：一種厭氧發酵系統，包括有一用以進行發酵產生燃燒氣體的發酵槽、一用以將發酵槽產生燃燒氣體燃燒發電的發電裝置及一用以將發電裝置的熱能回收利用加熱以使發酵槽維持恆溫的加熱裝置；其特徵在於，所述發酵槽由槽體及底面所形成有可供容裝反應物質的容置空間，容置空間內設有中心柱，槽體上設有進料管、排水管、排泥管、至少一組第一攪拌裝置及至少一組第二攪拌裝置，其中所述第一攪拌裝置設置在發酵槽中心柱與槽體之間，其至少包括有一驅動馬達、一攪拌器及複數攪拌翼片，所述第二攪拌裝置至少包括有一泵、一入水管及一出水管，其中所述泵設在槽體外部，入水管入口端及出水管出口端伸入槽體內側；據此，透過第一攪拌裝置提供縱向攪拌及第二攪拌裝置提供橫向攪拌的交互作用，讓發酵槽內部的浮渣層、上層清液、活性層及槽底層能夠上下充分混合，提升槽內攪拌混合效果，使厭氧消化反應更加穩定與完全。

本發明為了提供槽體內部橫向形成有潮湧流勢的流體旋轉攪拌作用，本發明進一步的技術特徵在於，其中所述入水管的入口端及出水管的出口端為平行設置或有高度差設置，據此，透過泵的吸入與輸出作用，產生潮湧流勢的流體旋轉攪拌的交互作用，提升攪拌混合效果。前述本發明所述的入口端與出口端呈平行設置時，可以設為左進右出或右進左出，入口端與出口端呈高度差設置時，可以設為下進上出或上進下出設定。

又，本發明為了提供槽體內側上方可以打破浮渣層造成縱向的層流作用，本發明進一步的技術特徵在於，其中所述第一攪拌裝置的驅動馬達設於槽體外側，攪拌器設在槽體內側，所述攪拌器一端與驅動馬達連接並受驅動馬達帶動而可旋轉，另一端設於中心柱外側；據此，透過攪拌器上的攪拌翼片提供旋轉攪拌作用，可以提升攪拌混合效果。

本發明進一步的技術特徵在於，其中所述發酵槽槽體頂面設有可以收集發酵氣體的集氣罩。

本發明進一步的技術特徵在於，其中所述發電裝置設置在發酵槽外部，其與集氣罩連結，並可將來自集氣罩收集的氣體燃燒進行發電。

本發明進一步的技術特徵在於，其中所述加熱裝置設置在發酵槽外部，用以將發電裝置的熱能回收利用加熱，使發酵槽維持恆溫，進而維護發酵反應的穩定度，所述加熱裝置至少包括有一設置於槽體外部的熱交換式儲水保溫桶，以及一連通所述儲水保溫桶且繞著該槽體內側周緣呈複數環圈狀設置的加熱水管，以循環換熱方法對槽體加溫。

本發明進一步的技術特徵在於，其中所進料管設置在槽體上方或下方。

綜合上述針對本發明所描述的各項技術特徵之下，本發明的優點在於：(1)由於本發明除了在槽體內部上方上設有縱向攪拌作用的第一攪拌裝置，可以打破浮渣層造成垂直方向的層流；另外，在槽體內側設有橫向攪拌作用的第二攪拌裝置，可以在發酵槽活性層位置形成橫向潮湧流勢的旋轉攪拌作用，因此，可以提供對發酵槽的縱向與橫向進行充分攪拌作用，使得發酵槽中的浮渣層、上層清液、活性層及槽底層能夠上下充分混合，提升發酵槽產氣效率。(2)由於本發明第一攪拌裝置的驅動馬達及第二攪拌裝置的泵均設置於槽體外部，因此，可以方便且容易進行設備維修。(3)本發明利用發電裝置的回收熱能，使槽體內部消化液保持在一定溫度狀態下，而得以維護發酵反應的穩定度。

本發明確實能增加反應穩定度與提升攪拌效率，可以更有效地將有機廢物轉換成可用的再生能源，符合環保與綠資源利用概念，因此本發明可說是一種相當具有實用性及進步性的發明，相當值得產業界來推廣，並公諸於社會大眾。

習用符號：

8‧‧‧外置式攪拌器

81‧‧‧驅動馬達

82‧‧‧連結桿

83‧‧‧攪拌翼片

84‧‧‧槽體

9‧‧‧傾斜式攪拌器

91‧‧‧驅動馬達

92‧‧‧連結桿

93‧‧‧攪拌翼片

94‧‧‧槽體

本發明符號：

1‧‧‧發酵槽

101‧‧‧槽體

102‧‧‧底面

11‧‧‧容置空間

111‧‧‧中心柱

12‧‧‧進料管

13‧‧‧出水管

131‧‧‧溢水槽

14‧‧‧排泥管

15‧‧‧集氣罩

2‧‧‧發電裝置

3‧‧‧加熱裝置

31‧‧‧儲水保溫筒

32‧‧‧加熱水管

4、4a、4b‧‧‧第二攪拌裝置

41‧‧‧泵

42‧‧‧入水管

421‧‧‧入口端

43‧‧‧出水管

431‧‧‧出口端

5‧‧‧第一攪拌裝置

51‧‧‧驅動馬達

52‧‧‧攪拌器

53‧‧‧攪拌翼片

第1圖為第一實施例槽體上設有一圈4個第二攪拌裝置(入水管入口端及出水管出口端有高度差設置)的平面側視示意圖。

第2圖為第1圖於A-A方向的剖視示意圖。

第3圖為第1圖於B-B方向的剖視示意圖。

第4圖為第2圖於C-C方向的剖視示意圖。

第5圖為第2圖於D-D方向的剖視示意圖。

第6圖為第2二實施例槽體上設有一圈6個第二攪拌裝置(入水管入口端及出水管出口端為平行設置)的平面側視示意圖。

第7圖為第二實施例的剖視示意圖。

第8圖為第三實施例槽體上設有兩圈上下6個第二攪拌裝置(入水管入口端及出水管出口端為平行設置)的平面側視示意圖。

第9圖為第三實施例的剖視示意圖。

第10圖為習用外置式攪拌器的剖視示意圖。

第11圖為習用傾斜式攪拌器的剖視示意圖。

為了讓本發明的目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉三種較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。請參閱第1圖至第5圖第一實施例示意圖，圖中所述一種厭氧發酵系統，包括有一用以進行發酵產生燃燒氣體的發酵槽1、一用以將發酵槽1產生燃燒氣體燃燒發電的發電裝置2及一用以將發電裝置2的熱能回收利用加熱以使發酵槽1維持恆溫的加熱裝置3；其特徵在於，所述發酵槽1由槽體101及底面102所形成有可供容裝反應物質的容置空間11，容置空間11內設有中心柱111，槽體101上設有進料管12、排水管13、排泥管14、至少一組用以提供縱向攪拌作用的第一攪拌裝置5及至少一組用以提供橫向攪拌作用的第二攪拌裝置4，其中所述第一攪拌裝置5設置在發酵槽1中心柱111與槽體101之間，其至少包括有一驅動馬達51、一攪拌器52及複數攪拌翼片53，所述第二攪拌裝置4至少包括有一泵41、一入水管42及一出水管43，其中所述泵41設在槽體101外部，入水管42入口端421及出水管43出口端431伸入槽體101內側(前述為本 發明主實施例的主要技術特徵，其對應本案申請專利範圍第一項的內容，得以詳知本發明的目的與實施型態，而其餘附屬申請專利範圍所述的技術特徵是為對申請專利範圍第一項內容的詳述或附加技術特徵，而非用以限制申請專利範圍第一項的界定範圍，應知本案申請專利範圍第一項不必要一定包含其餘附屬申請專利範圍所述的技術特徵)。

承上所述，本發明一種厭氧發酵系統，請配合參閱第2圖與第4圖所示，其中所述入水管42的入口端421及出水管43的出口端431呈上、下高度差設置，且入水管42的入口端421及出水管43的出口端431呈一左一右設置，本實施例圖示設置有一圈4個第二攪拌裝置4，其中入水管42設於下方，出水管43設於上方，又，如第二圖所示，入水管42的入口端421設於左側，出水管43的出口端431設於右側，當該泵(pump)41啟動時可以藉由該入水管42的入口端421從該槽體101左側吸入的後，再由該出水管43的出口端431送回該槽體101右側，又，因下方入水管42與上方出水管43為呈一高一低及一左一右的設置型態，可以充分地將該槽體101活性層從左邊往右邊翻動混合，且沿槽體旋轉進行橫向攪拌作用，可以達到攪拌均勻的目的。

又，請配合參閱第2圖及第4圖所示，本發明厭氧發酵系統的發酵槽內部上方設有二組第一攪拌裝置5的示意圖，其中每一組第一攪拌裝置5包括有驅動馬達51、攪拌器52及複數攪拌翼片53，其中驅動馬達51設於槽體101外部，可以方便且容易進行驅動馬達51設備的維修，如第4圖所示，攪拌器52設置高度位於出水管13下方，且位於第二攪拌裝置4的上方，其中攪拌器52一端與驅動馬達51連接並受其帶動而可旋轉，攪拌器52另一端設於槽體101的中心柱111外側，本發明實施例中二攪拌器52呈平行 且以一前一後的型態，如第5圖所示，設置於中心柱111外側，二攪拌器52的旋轉方向可以不同或相同方向設定旋轉，據此，透過該攪拌器52上的攪拌翼片53，可以對槽體101上方的各一半部位提供相對方向或反方向的攪拌作用，減少浮渣層的形成。

再者，本發明厭氧發酵系統，藉由該第二攪拌裝置4可以充分地將該槽體101下方內部活性層的反應物質從底部往上攪拌翻起，且從左邊往右邊翻動混合，形成橫向潮湧流勢的流體旋轉攪拌作用，因此，可以對槽體101的內部橫向進行充分攪拌作用，可增加混合攪拌的功效，使厭氧消化反應可以更加穩定與完全，而徹底將大部分為複雜大分子的有機物降解反應後，得以再生利用，達到能源再生與利用的目的。

再參閱第2圖及第4圖所示，其中，所述出水管13設於槽體101上，入口設有溢水槽131，用以提供上層清液可以從該溢水槽131進入後再由出水管13排出。

又，請參閱第1圖及第4圖所示，所述加熱裝置3包括設置於槽體101外部的熱交換式儲水保溫筒31以及一連通該儲水保溫筒31且繞著該槽體101內側周緣呈複數環圈狀設置的加熱水管32，所述加熱裝置3是藉發電裝置2發電產生的回收熱氣，對儲水保溫筒31內的水提供加熱作用，水再循環進入加熱水管32內，本實施例中，所述複數環圈狀的加熱水管32設置在第一攪拌裝置4的入水管42的入口端421及出水管43的出口端431之間位置，據以使發酵槽1維持恆溫而能維護厭氧發酵的穩定度。

另外，本發明中的集氣罩15、發電裝置2及加熱裝置3的結構與動作原理，屬習知且非本發明的主要技術特徵，在此不予贅述。

請參閱第6圖及第7圖第二實施例的槽體101上設有一圈6個第二攪拌裝置4a的示意圖，其中每個第二攪拌裝置4a的入水管42入口端421及出水管43出口端431為平行設置，又6個第二攪拌裝置4a設置在加熱水管32下方。

再請參閱第8圖及第9圖第三實施例的槽體101上設有兩圈上下各6個第二攪拌裝置4b的示意圖，其中第二攪拌裝置4b的入水管42入口端421及出水管43出口端431為平行設置，又兩圈第二攪拌裝置4b設置在加熱水管32上方及下方。

在上述三種實施例中，透過槽體101上方第一攪拌裝置5及槽體內側的第二攪拌裝置4的特別設計，在發酵槽1的槽體101內部可以提供分層攪拌的交互作用，使得槽體101縱向與橫向都能夠達到有充分的攪拌作用，並且對槽體101周緣提供有熱水循環輸送而能使槽體101保持處於一定溫度狀態，使厭氧消化反應可以更加穩定於完全，進而達到有效將有機物轉換成可用的再生能源，具符合環保與綠資源利用概念，同時實用性符合產業上發展所需，且所揭露的發明亦前所未有，具有新穎性。再者，本發明可以改善習用因為攪拌不均勻、以及攪拌有死角而造成厭氧消化反應無法完全的使用缺失，因此，本發明較習用更具功效，且具有進步性應無疑慮。

雖然本發明已以三種較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧發酵槽

101‧‧‧槽體

102‧‧‧底面

11‧‧‧容置空間

111‧‧‧中心柱

12‧‧‧進料管

13‧‧‧出水管

131‧‧‧溢水槽

14‧‧‧排泥管

15‧‧‧集氣罩

2‧‧‧發電裝置

3‧‧‧加熱裝置

31‧‧‧儲水保溫筒

32‧‧‧加熱水管

4‧‧‧第二攪拌裝置

421‧‧‧入口端

431‧‧‧出口端

5‧‧‧第一攪拌裝置

51‧‧‧驅動馬達

52‧‧‧攪拌器

53‧‧‧攪拌翼片

Claims (8)

1. 一種厭氧發酵系統，包括有一用以進行發酵產生燃燒氣體的發酵槽、一用以將發酵槽產生燃燒氣體燃燒發電的發電裝置及一用以將發電裝置的熱能回收利用加熱以使發酵槽維持恆溫的加熱裝置；其特徵在於，所述發酵槽由槽體及底面所形成有可供容裝反應物質的容置空間，容置空間內設有中心柱，槽體上設有進料管、排水管、排泥管、至少一組用以提供縱向攪拌作用的第一攪拌裝置及至少一組用以提供橫向攪拌作用的第二攪拌裝置，其中所述第一攪拌裝置設置在發酵槽中心柱與槽體之間，其至少包括有一驅動馬達、一攪拌器及複數攪拌翼片，所述第二攪拌裝置至少包括有一泵、一入水管及一出水管，其中所述泵設在槽體外部，入水管入口端及出水管出口端伸入槽體內側。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之厭氧發酵系統，其中所述第二攪拌裝置的入水管入口端及出水管出口端為平行設置或有高度差設置。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之厭氧發酵系統，其中所述第二攪拌裝置的入水管入口端及出水管出口端為左右設置。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之厭氧發酵系統，其中所述第一攪拌裝置的驅動馬達設於槽體外側，攪拌器設在槽體內側，所述攪拌器一端與驅動馬達連接並受驅動馬達帶動而可旋轉，另一端設於中心柱外側。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之厭氧發酵系統，其中所述發酵槽槽體頂面設有集氣罩，用以收集發酵氣體。
6. 依據申請專利範圍第1或5項所述之厭氧發酵系統，其中所述發電裝置設置在發酵槽外部，其與集氣罩連結，能夠將來自集氣罩收集之氣體燃燒 進行發電。
7. 依據申請專利範圍第1或6項所述之厭氧發酵系統，其中所述加熱裝置設置在發酵槽外部，用以將發電裝置的熱能回收利用加熱，使發酵槽維持恆溫，所述加熱裝置至少包括有一設置於槽體外部的儲水保溫桶，以及一連通所述儲水保溫桶且繞著該槽體內側周緣呈複數環圈狀設置的加熱水管。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之厭氧發酵系統，其中所述進料管設置在槽體上方或下方。

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