一种两段式厌氧发酵装置及利用该装置进行厌氧发酵产甲烷的方法

摘要

一种两段式厌氧发酵装置及利用该装置进行厌氧发酵产甲烷的方法，本发明涉及利用生物质废弃物进行两段式厌氧发酵控制装置。本发明要解决目前国内厌氧发酵技术存在的沼气产量低，冬季运行不稳定，补热能好大，管路堵塞难修，运行效率低下的问题。本发明装置由产酸发酵段和产甲烷段两部分组成；方法：一、制备产酸相发酵原料；二、发酵，产甲烷。本发明使厌氧过程生物相分离，减少了正常的驯化培养，缩短启动时间，节省能耗，同时可以通过生物调控和工艺调控的方法提高运行效能。

说明书

技术领域

本发明涉及利用生物质废弃物进行两段式厌氧发酵控制装置。

背景技术

厌氧消化生物质废弃物产沼气技术已经发展应用了一个多世纪，然而事实上由于厌氧 消化设备造价高，包括搅拌和加温等附助设备能量消耗高，并未取得良好的经济收益和普 遍应用推广。我国对于沼气技术有了更深层次的认识和较广范围的应用主要始于20世纪 80年代，此后在厌氧发酵微生物学原理和发酵工艺研究方面都取得了重要进展。目前， 在我国南方应用较为成熟并应用推广的沼气技术如“一池三改”、“三位一体”、“四位一体” 等生态工程模式已取得良好的应用效果。然而，我国北方自发展沼气应用，一直立足于农 村户用型沼气的推广，基本采用的都是自然温度混合批次发酵工艺或半连续发酵工艺，未 对整个发酵过程进行工艺的优化和有效的调控。从国内外现有的厌氧法处理有机生物质的 实例看出，应用较多的地区是温、热带地区，而在北方低温地区的工程较少。在北方的一 些低温地区容积产气率约0.1m³/m³·d，沼气池利用率约为50%，原料分解不到30%，沼 气池每年的使用时间只有3-6个月。这种状况在一定程度上限制了北方地区沼气的发展， 也使的北方沼气的普及和应用远落后于南方的非低温地区。为此，在北方低温地区合理开 发利用沼气新技术是一个急待解决的问题。

目前，在现有发酵工艺中两相厌氧发酵工艺是消化畜禽粪便等生物质废弃物产沼气 较为稳定、高效的发酵工艺。由于其将发酵过程的生物相分离，使得整个复杂的厌氧发 酵过程更易于进行生理、生态调控，可有效提高原料转化效率，获得较理想的产气率。 现有较为高效的产甲烷相反应器主要以第二及第三代厌氧生物反应器为代表，如上流式 厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket,UASB)、升流式厌氧流化床(Upflow  Fluided Bed,UFB)、内循环式反应器(Internal Cyclic Reactor,IC)、内外循环反厌氧应器 （Internal And External Circulation Reactor，IEC）、旋流内循环厌氧反应器（Eddy Internal  circulation Reactor，EIC）等产气率可达0.8m³·d以上。由于应用了固体的流态化技术、 旋流技术及内外循环相结合的技术，为厌氧微生物的快速生长代谢提供了较为理想的物 理环境。这些正是现有厌氧发酵装置所不足之处。因此，应从考虑开发有利于创造优越 的厌氧发酵宏观物理环境入手，同时要适应不同底物性质（如粪便、秸秆或混合发酵底 物等）的新型高效生物质厌氧消化反应器。同时优化运行操作参数，可以在一定程度上 降低温度对厌氧反应器效率的要求，同时可节省一定的辅助能源。同时，由于产甲烷相 是两相发酵工艺消化产能的最后阶段，能否保证产甲烷相稳定运行，将直接影响发酵工 艺的平衡及效率，其主要影响生态因子包括与产酸相合适的有机负荷量、适合产甲烷菌 群代谢的PH调控等。

目前，利用牛粪为发酵底物进行一体式两相厌氧发酵产沼气工艺仍存在问题，在常 规的一体式两相厌氧发酵过程中，产甲烷细菌比产酸发酵细菌的种群和数量相差较大， 两大类微生物对环境的要求差异性较大，在一个池体维持它们的协调和平衡非常不易， 当平衡失调，对产甲烷菌活性影响较大，导致产气率下降，并且易造成有机酸积累，发 生“酸化”现象，工艺运行过程失效。

发明内容

本发明要解决国内厌氧发酵技术存在的沼气产量低，冬季运行不稳定，补热能好大， 管路堵塞难修，运行效率低下的问题，而提供一种两段式厌氧发酵装置及利用该装置进行 厌氧发酵产甲烷的方法。

一种两段式厌氧发酵装置，由产酸发酵段和产甲烷段组成，产酸发酵段为产酸发酵反 应器，产甲烷段为产甲烷反应器；

其中，进料口A设置在产酸发酵反应器的一侧的下部，氧化还原电极A设置在进料口 A的上部，在产酸发酵反应器的另一侧的上部设有出料口A、下部设有温控温度探头A,温 控缠绕电阻丝A缠绕在产酸发酵反应器的外周，产酸发酵反应器的顶端盖板与罐身采用法 兰盘连接，在产酸发酵反应器的顶端设有排气口A，变速搅拌器A设置在产酸发酵反应器 的内部，取样口A设置在变速搅拌器A上，排渣口A设置在产酸发酵反应器的下端；

进料口B设置在产甲烷反应器的一侧的下部，氧化还原电极B设置在进料口B的上部， 在产甲烷反应器的另一侧的上部设有出料口B、下部设有温控温度探头B,温控缠绕电阻丝 B缠绕在产甲烷反应器的外周,在产甲烷反应器的顶端设有排气口B,变速搅拌器B设置在 产甲烷反应器的内部，取样口B设置在变速搅拌器B上，排渣口B设置在产甲烷反应器的 下端；

由连接管将产酸发酵反应器的出料口A与产甲烷反应器的进料口B连通，产酸发酵反 应器的出料口A的水平位置高于产甲烷反应器的进料口B的水平位置。

利用上述两段式厌氧发酵装置进行厌氧发酵产甲烷的方法，具体是按照以下步骤进行 的：

一、以牛粪和秸秆的混合物作为产酸发酵段的发酵原料，沼气池沼液作为产酸发酵段 的接种物，将接种物接种到发酵原料中，接种量为30%～40%，得到产酸相发酵原料；

二、向上述的两段式厌氧发酵装置通入氮气30min以上，同时将步骤一得到的产酸 相投加到产酸发酵反应器中进行中温驯化，当产酸相发酵原料的pH为6.2、乙酸体积含 量达到70%以上时，再次向产酸发酵反应器中投加发酵原料，然后产酸发酵反应器内生 产出的发酵液进入产甲烷反应器中，开启产甲烷反应，保持2天～5天，产生含甲烷的 混合气体，然后采集，完成利用两段式厌氧发酵装置进行厌氧发酵产甲烷的方法；

其中，步骤一和步骤二所述发酵原料中C元素与N元素的质量比为25∶1，发酵原 料的总固体含量为6%～8%，发酵原料pH为7～7.5；

步骤二中产甲烷反应器中以沼液作为基质。

本发明的有益效果是：本发明厌氧过程生物相分离，减少了正常的驯化培养，缩短启 动时间，同时可以通过生物调控和工艺调控的方法提高运行效能；本发明所选原料为农业 废弃物牛粪和秸秆，以及发酵池的沼液，有利于节能和减排，同时以沼液做为产甲烷段的 基质，可保持丰富的产甲烷菌群，有利于快速启动，提高产甲烷量；本发明不需要进行厌 氧污泥培养与驯化，又能保证产酸发酵微生物和产甲烷菌的种群和数量，保证了生物量和 活性；本发明厌氧发酵的周期缩短至产酸相为3～5天，产甲烷相为2～5天。

本发明装置产酸发酵反应器顶端盖板与罐身采用法兰盘连接，物料即可采用连续进 料，也可采用半连续投加进料，利于防堵塞和维修；本发明产酸发酵反应器的出料口A 的水平位置高于产甲烷反应器的进料口B的水平位置，发酵液在重力作用下可缓慢进入产 甲烷段，减少动力消耗。

本发明用于两段式厌氧发酵产甲烷。

附图说明

图1为本发明一种两段式厌氧发酵装置的示意图；

图2为实施例一产酸发酵段进出料的COD测试曲线图，其中“◆”代表进料，“◇” 代表出料，图3为产酸发酵段进出料的VFA测试曲线图，其中“◆”代表进料，“△”代 表进料；

图4实施例一产甲烷段进出料的COD测试曲线图，其中“◆”代表进料，“◇”代 表出料，图5为产甲烷段进出料的VFA测试曲线图，其中“◆”代表进料，“△”代表进 料；

图6为实施例一产甲烷段沼气产量随时间的变化曲线图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的 任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种两段式厌氧发酵装置由产酸发酵段和产甲烷段组 成，产酸发酵段为产酸发酵反应器21，产甲烷段为产甲烷反应器22；

其中，进料口A1设置在产酸发酵反应器21的一侧的下部，氧化还原电极A2设置在 进料口A1的上部，在产酸发酵反应器21的另一侧的上部设有出料口A7、下部设有温控 温度探头A9,温控缠绕电阻丝A3缠绕在产酸发酵反应器21的外周，产酸发酵反应器21 的顶端盖板与罐身采用法兰盘4连接，在产酸发酵反应器21的顶端设有排气口A5，变速 搅拌器A6设置在产酸发酵反应器21的内部，取样口A8设置在变速搅拌器A6上，排渣口 A10设置在产酸发酵反应器21的下端；

进料口B11设置在产甲烷反应器22的一侧的下部，氧化还原电极B12设置在进料口 B11的上部，在产甲烷反应器22的另一侧的上部设有出料口B16、下部设有温控温度探头 B18,温控缠绕电阻丝B13缠绕在产甲烷反应器22的外周,在产甲烷反应器22的顶端设有 排气口B14,变速搅拌器B15设置在产甲烷反应器22的内部，取样口B17设置在变速搅拌 器B15上，排渣口B19设置在产甲烷反应器22的下端；

由连接管20将产酸发酵反应器21的出料口A7与产甲烷反应器22的进料口B11连通， 产酸发酵反应器21的出料口A7的水平位置高于产甲烷反应器22的进料口B11的水平位 置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：产酸发酵反应器21的出 料口A7的水平位置高于产甲烷反应器22的进料口B11的水平位置20cm。其它与具体实 施方式一相同。

具体实施方式三：利用具体实施方式一所述的一种两段式厌氧发酵装置进行厌氧发酵 产甲烷的方法，具体是按照以下步骤进行的：

一、以牛粪和秸秆的混合物作为产酸发酵段的发酵原料，沼气池沼液作为产酸发酵段 的接种物，将接种物接种到发酵原料中，接种量为30%～40%，得到产酸相发酵原料；

二、向具体实施方式一所述的两段式厌氧发酵装置通入氮气30min以上，同时将步 骤一得到的产酸相投加到产酸发酵反应器21中进行中温驯化，当产酸相发酵原料的pH 为6.2、乙酸体积含量达到70%以上时，再次向产酸发酵反应器21中投加发酵原料，然 后产酸发酵反应器21内生产出的发酵液进入产甲烷反应器22中，开启产甲烷反应，保持 2天～5天，产生含甲烷的混合气体，然后采集，完成利用两段式厌氧发酵装置进行厌 氧发酵产甲烷的方法；

其中，步骤一和步骤二所述发酵原料中C元素与N元素的质量比为25∶1，发酵原 料的总固体含量为6%～8%，发酵原料pH为7～7.5；

步骤二中产甲烷反应器22中以沼液作为基质。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤一中接种量为 32%～35%。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中再次投加发酵原 料的投加方式为半连续投加或连续投加。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中保持3天～4 天。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中中温驯化温度为 35℃。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中氮气的体积浓度 为99.99%。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中控制产酸发酵反 应器21和产甲烷反应器22中的氧化还原电位低于-200mV。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三不同的是：步骤二中产酸发酵段每5 小时打搅拌1小时，产甲烷段每天打搅拌10分钟。其它与具体实施方式三相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种两段式厌氧发酵装置由产酸发酵段和产甲烷段组成，产酸发酵段为产酸 发酵反应器21，产甲烷段为产甲烷反应器22；

其中，进料口A1设置在产酸发酵反应器21的一侧的下部，氧化还原电极A2设置在 进料口A1的上部，在产酸发酵反应器21的另一侧的上部设有出料口A7、下部设有温控 温度探头A9,温控缠绕电阻丝A3缠绕在产酸发酵反应器21的外周，产酸发酵反应器21 的顶端盖板与罐身采用法兰盘4连接，在产酸发酵反应器21的顶端设有排气口A5，变速 搅拌器A6设置在产酸发酵反应器21的内部，取样口A8设置在变速搅拌器A6上，排渣口 A10设置在产酸发酵反应器21的下端；

进料口B11设置在产甲烷反应器22的一侧的下部，氧化还原电极B12设置在进料口 B11的上部，在产甲烷反应器22的另一侧的上部设有出料口B16、下部设有温控温度探头 B18,温控缠绕电阻丝B13缠绕在产甲烷反应器22的外周,在产甲烷反应器22的顶端设有 排气口B14,变速搅拌器B15设置在产甲烷反应器22的内部，取样口B17设置在变速搅拌 器B15上，排渣口B19设置在产甲烷反应器22的下端；

由连接管20将产酸发酵反应器21的出料口A7与产甲烷反应器22的进料口B11连通， 产酸发酵反应器21的出料口A7的水平位置高于产甲烷反应器22的进料口B11的水平位 置。

利用上述的一种两段式厌氧发酵装置进行厌氧发酵产甲烷的方法，具体是按照以下步 骤进行的：

一、以牛粪和秸秆的混合物作为产酸发酵段的发酵原料，沼气池沼液作为产酸发酵段 的接种物，将接种物接种到发酵原料中，接种量为30%～40%，得到产酸相发酵原料；

二、向具体实施方式一所述的两段式厌氧发酵装置通入氮气30min以上，同时将步 骤一得到的产酸相投加到产酸发酵反应器21中进行中温驯化，当产酸相发酵原料的pH 为6.2、乙酸体积含量达到70%以上时，再次向产酸发酵反应器21中投加发酵原料，然 后产酸发酵反应器21内生产出的发酵液进入产甲烷反应器22中，开启产甲烷反应，保持 5天，产生含甲烷的混合气体，然后采集，完成利用两段式厌氧发酵装置进行厌氧发酵产 甲烷的方法；

其中，步骤一和步骤二所述发酵原料中C元素与N元素的质量比为25∶1，发酵原 料的总固体含量为6%～8%，发酵原料pH为7；

步骤二中产甲烷反应器22中以沼液作为基质。

本实施例步骤二中再次投加发酵原料的投加方式为半连续投加，步骤二中中温驯化温 度为35℃，步骤二中氮气的体积浓度为99.99%，步骤二中控制产酸发酵反应器21和产 甲烷反应器22中的氧化还原电位低于-200mV。

本实施例产酸发酵段进出料的COD测试曲线图如图2所示，其中“◆”代表进料， “◇”代表出料，产酸发酵段进出料的VFA测试曲线图如图3所示，其中“◆”代表进 料，“△”代表进料；

本实施例产甲烷段进出料的COD测试曲线图如图4所示，其中“◆”代表进料，“◇” 代表出料，产甲烷段进出料的VFA测试曲线图如图5所示，其中“◆”代表进料，“△” 代表进料；

本实施例产甲烷段沼气产量随时间的变化曲线图如图6所示。