[发明专利]两段式半固态生物质沼气发酵系统及装置

说明书

技术领域

本发明涉及环境保护与资源再利用领域，具体地涉及到一种两段式半固态生物质沼气发酵系统及装置。 

技术背景

沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质(如人畜粪便等)在一定的水分、温度和厌氧的条件下，被种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合气体(沼气)的复杂的生物化学过程。 

沼气发酵方式根据物料中干物质含量的不同，一般可分为湿式发酵(TS为4％～10％)和干式发酵(TS为25～40％)，目前国内已建成运行的生物质沼气发酵工程普遍采用湿式发酵。湿式发酵物料流动性好、发酵物料与接种物混合均匀、传质传热好，但所需反应器体积大、产气效率低、稀释发酵底物用水量大、沼液处理量大、工艺成本高；干式厌氧发酵TS含量高，高TS导致进出料难、物料传输困难、传热传质不均匀等制约了干式沼气发酵的应用。城市生活垃圾中的餐厨垃圾、水果蔬菜残渣等可被微生物降解的物质经采用超高压挤压装置(压榨脱水装置本发明人已申请专利，申请专利号：201110549074.0)成为胶体状物质，其富含糖类、蛋白质、脂肪和由垃圾中微生物降解上述营养物质产生的低分子量有机酸、胺类和氨，干物质含量(TS)为15～25％，流动性差，呈半固体胶体状，我们将这一类干物质含量在15～25％的物料定义为半固体。半固体沼气发酵基质流动差，限制了参与发酵过程的微生物的运动性，不能有效地进行传质和传热。 

发明内容

本发明揭示了一种两段式半固态生物质沼气发酵系统及装置。城市生活垃圾经过超高压挤压干湿分离后得到TS介于15～25％之间的、流动性差的半固态生物质。半固态生物质沼气发酵基质流动差，限制了参与发酵过程的微生物的运动性，不能有效地进行传质和传热，因此采用传统的厌氧发酵装置进行沼气发酵效果较差。本发明结合半固态物料的特性，在传统的湿式与干式发酵工艺上进行创新改进，将发酵系统分为水解酸化与厌氧发酵两个阶段，通过合理设计发酵装置，运用流体力学原理，采用发酵过的沼液回料接种法，使其更加适用于半固态物料的发酵，提高了沼气发酵效果，缩短了发酵周期，降低了建设和运行成本。本 发明发酵系统主要由储料槽、螺杆泵、酸化罐、混合罐、发酵罐、加热控温装置、进出料控制系统七大部分组成，酸化罐与发酵罐罐体下端设计为倒置锥台形状，罐体通过合理设计高径比及物料自身重量，使物料在输送及发酵反应过程中实现“先进先出、后进后出”的活塞流运行状态，省去了传统的动力搅拌装置。半固态物料从储料槽通过螺杆泵进入酸化罐开始酸化。酸化罐与发酵罐之间设置混合罐，混合罐进出料端均为锥台形状，完全酸化的物料与发酵引种液在混合罐中以1∶1的比例充分混匀接种，混合料利用螺杆泵的挤压力挤入发酵罐中进行厌氧发酵。在预定时间完成发酵后，物料以活塞流的方式经罐底由螺杆泵泵出，一部分进入混合罐引种，一部分通过出料旁通排出。整个沼气发酵系统通过温控装置维持在37℃(±2)，物料的进出量由电磁流量计与控制系统进行联动控制。当半固态生物质完成沼气发酵之后，排出的消化液进入干化系统，采用城市污泥穿孔凝缩干化技术(由本发明人申请并得到授权，专利号：200810003740.5)进行后续干化处理。整个发酵过程中产生的酸化气体与沼气通过罐顶的气体排出孔进入除臭系统，回收单质硫(本发明人已申请并得到授权，专利号：200810142572.8)，沼气可进行回收加以资源化利用。 

附图说明

图1是两段式半固态生物质沼气发酵装置结构图，具体组成如下： 

1、螺杆泵2、罐体支架3、储料槽4、电磁流量计5、PVC管6、气体排出孔7、保温加热套8、酸化罐9、酸化罐测温孔10、混合进料三通11、混合罐12、混合罐测温孔13、发酵罐进料口14、发酵罐15、窥视窗16、发酵罐测温孔17、发酵罐出料三通 

具体实施方式

经过压榨脱水的半固态(TS介于15～25％之间)生物质垃圾通过物料传送装置进入到(3)，当(3)被注满之后，由控制系统开启储料螺杆泵将物料泵入(8)，通过(4)准确计量泵入量；物料在(8)中进行酸化，通过(7)进行保温加热，由温控装置使罐体温度始终维持在37℃(±2)，物料在(8)进行厌氧水解酸化，每日取样进行生化指标测定，观察物料的变化情况，当各指标综合数据达到酸化要求时，则物料已经酸化完全；按照活塞流的运动方式，罐底的物料最先酸化，此时可进入下一阶段，由自控系统同时开启酸化罐与发酵罐螺杆泵，酸化物料与沼液引种液通过(10)进入(11)进行1∶1均匀混合，混匀后的物料被泵的挤压力挤入(13)进入(14)，混合罐温度通过(7)与温度控制装置进行联控，保持在37℃(±2)；混合物料进入(14)后开始进行厌氧沼气发酵，管温(16)、(7)与温度控制系统使其始终维持在37℃(±2)，通过(15)可对罐内的物料变化情况进行直观观察，每日取样对物料进行理化指标监测，依此判断物料变化及产沼情况，在产气达到高峰时可通过(6) 对沼气进行收集分析，计算甲烷含量，当物料达到预定发酵周期，且产气出现低谷时，则说明物料进入发酵末期；按照活塞流的运动方式，发酵罐底物料最先进入发酵末期，开启螺杆泵，通过(17)定量排出活力降低的沼液，为了使整个系统保持物料平衡，使甲烷菌负荷保持恒定，排出沼液的量与酸化罐的出料量相同，其中一部分沼液进入混合罐进行下一周期循环，另一部分被排出进入沼渣沼液分离干化系统。整个系统所产生的酸化气体与沼气通过(6)排出进入除臭系统，沼气回收资源化利用。酸化罐与发酵罐每排出一次物料需要进行相同量的补充，以保证整个沼气发酵过程周期性循环。