CN102604816B - 一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器及其制备沼气的方法 - Google Patents

一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器及其制备沼气的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器及使用该发酵反应器制备沼气的方法，该反应器包括反应器主体、搅拌器、增温盘管、双膜式储气装置、酸化区进料管、产甲烷区进料管、出料管，其中主体反应器为内外双层结构，外层为水解酸化区，内层为产甲烷区。物料由水解酸化区进料管沿反应器切线方向打入酸化区，并从酸化区顶部溢流入产甲烷区，发酵完毕的物料最终从所述产甲烷区顶部溢流出反应器。该反应装置有效提高了保温效率，运行负荷高，***整体停留时间较传统沼气发酵反应装置短，且增加了沼气产量。

Description

一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器及其制备沼气的方法
技术领域
本发明涉及沼气发酵反应装置领域，尤其涉及一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器及使用该反应器制备沼气的方法。
背景技术
近年来，秸秆、有机垃圾、农副产品等有机固体废弃物的污染逐渐受到人们的重视，常规的处理方法如填埋、焚烧、堆肥等均存在一定问题。事实上，以上这些垃圾成分以有机组分为主，具有较高的生物可降解性，采用厌氧消化技术，在处理有机废弃物的同时回收沼气作为生物质能，且发酵产物经处理后可作肥料，具有较强的可行性。
常规的厌氧反应装置主要分为两类，即单相厌氧消化及两相厌氧消化。
单相厌氧消化反应装置的类型主要有完全混合式厌氧反应器(CSTR)、升流式固体反应器(USR)、厌氧滤器(AF)，及升流式厌氧污泥床(UASB)反应器等几种类型，以上反应装置的区别主要在于搅拌方式、进料方式、污泥截留方式等方面。单相厌氧消化反应器在畜禽粪便沼气工程中得到成熟应用。
区别于畜禽粪便的发酵过程，像秸秆、有机垃圾、农副产品等固态物料并不能进行一步式发酵产甲烷反应，发酵时相对容易酸化。可以采用固体物料两相厌氧消化工艺，将固态物料的发酵分解为产酸及产甲烷两个过程，使固态物料的沼气发酵变为可能，同时有利于不同阶段反应器的运行模式控制。常规的两相厌氧消化反应装置多集中在实验室研究阶段，反应器形式为连接两座不同体积的反应器，分别通过控制不同的停留时间、不同的温度、pH等参数实现酸化相与产甲烷相得分离。但是，分别设置两座反应器占地面积较大，且由于两座反应器的裸露表面积过大，容易造成大量热量的散失。
从上述现有技术中可以看出，已成熟应用于畜禽粪便沼气工程中的单相厌氧消化技术，在处理秸秆、有机垃圾、农副产品等固态物料时，整体停留时间较长，且由于容易发生酸化现象，导致产气率偏低。而传统的两相厌氧消化又存在占地面积大，保温效率不高等问题。
发明内容
本发明提供了一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器，目的是有效提高***保温效率、运行负荷，缩短***整体停留时间，增加沼气产量。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器，包括反应器主体、搅拌器、增温盘管、双膜式储气装置、酸化区进料管、产甲烷区进料管、出料管，所述的反应器主体为内外双层结构，外层为水解酸化区，内层为产甲烷区，内外层区间体积不同，物料由酸化区进料管沿反应器切线方向打入水解酸化区，并从水解酸化区顶部的产甲烷区进料管溢流入产甲烷区，增温盘管设置在产甲烷区的内壁，增温盘管内部为循环热水，水解酸化区与产甲烷区内分别设置能上下提升的搅拌器，双膜式储气装置设置在发酵反应器顶部。
搅拌器可采用现有的潜水搅拌机，增温盘管内部的循环热水主要用于保持产甲烷区的温度，其散发的热量用于维持外侧酸化区的温度。
本发明还提供了一种使用该一体化固体物料两相沼气发酵反应器制备沼气的方法，物料在水泵作用下连续沿切线方向打入水解酸化区，使水解酸化区内的物料保持旋转，物料在厌氧微生物的作用下，转化为小分子为主的有机物，其中酸化区间进料次数为2次/天，根据设计的停留时间决定每次进入物料的相应数量，停留时间为2-4天，温度为25-35℃，PH值为5.5-6，搅拌频率为5-10r/min，酸化后的物料从水解酸化区顶部的产甲烷区进料管溢流入产甲烷区，在产甲烷区内继续转化为以甲烷为主的沼气，其中产甲烷区停留时间为15-20天，温度为35℃-55℃，PH值为6-8，搅拌频率为5-10r/min，产生的沼气储存在顶部双膜式储气装置内，并经管道输出至后续处理。
本发明的有益效果是：
本发明主要是采用两相厌氧消化的技术原理，将两座反应器在结构上合并为一座，仅利用一套保温***，酸化相的温度主要依靠产甲烷相的散热，这样极大程度的提高了***的热能利用率。通过合理设置选型的搅拌器，实现了***的低能耗运转，且可用于顶部结壳的破碎。
综上，该套反应装置考虑了沼气发酵中***保温、运行负荷、停留时间、占地面积及沼气产量等环节，整体工艺流程简单，体现了高效节能的环保理念，不仅弥补了沼气发酵中存在的不足，还为产业化推广奠定了一定技术基础。
附图说明
图1为本发明反应装置的结构俯视图
图2为本发明反应装置的结构剖面图
1搅拌器  2双膜式储气装置  3增温盘管  4酸化区进料管  5产甲烷区进料管
6出料管  7水解酸化区  8产甲烷区  9溢流堰  10热水进出管  11搅拌器固定轴
12外保温
具体实施方式
本发明的一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器。结合附图对本发明的具体实施例进行说明，从图中可看出：
所述发酵反应器由反应器主体、搅拌器1、增温盘管3、双膜式储气装置2、酸化区进料管4、产甲烷区进料管5、出料管6等构成，主体反应器为内外双层结构，外层为水解酸化区7，内层为产甲烷区8。
所述反应器为圆筒状，通过内外区间体积的不同，其中水解酸化区的体积是产甲烷区体积的1/3-1/5，原始物料首先进入水解酸化区，酸化区的物料在反应数天后，随着后续物料的连续加入，已完成酸化反应的物料通过溢流进入产甲烷区，从而实现发酵过程产酸相及产甲烷相的分离。通常，水解酸化区，停留时间为2-4d，温度为25℃-35℃，产甲烷区，停留时间为15-20d，温度为35℃-55℃。
在所述发酵反应器用于沼气发酵的过程中，物料由水解酸化区进料管4沿反应器切线方向打入酸化区7，并从水解酸化区7顶部溢流入产甲烷区8，水解酸化区7及产甲烷区8内分别设置两台可上下提升的机械搅拌器1，每个区域的两台搅拌器呈同方向设置，用于维持反应区物料沿固定方向旋转，同时，所述机械搅拌装置可上下提升，其高度可通过电动葫芦控制，既可以实现不同高度物料的均匀混合，也可用于击碎顶部的物料结壳。
物料在厌氧微生物的作用下，在所述水解酸化区7转化为小分子为主的有机物，其产物在产甲烷区8内继续转化为以甲烷为主的沼气，所述沼气储存在顶部双膜式储气装置2内，并经管道输出至后续处理装置。
通过上述的配套装置结构，可将沼气发酵过程分隔为产酸相及产甲烷相，并对不同的微生物采用不同的控制措施，在基本不增加***占地面积的同时，充分提高反应器产气效率，提高***运行安全性，同时搅拌器既可实现对物料的充分搅拌，又可用于反应器顶部结壳的破碎，在发生故障时可及时检修，从而促进***的高效运转。

Claims (2)

1.一种一体化固体物料两相沼气发酵反应器，包括圆筒状的反应器主体、搅拌器(1)、双膜式储气装置(2)、增温盘管(3)、酸化区进料管(4)、产甲烷区进料管(5)、出料管(6)，其特征在于：所述的反应器主体为内外双层结构，外层为水解酸化区(7)，内层为产甲烷区(8)，内外层区间体积不同，物料由酸化区进料管(4)沿反应器切线方向打入水解酸化区(7)，并从水解酸化区(7)顶部的产甲烷区进料管(5)溢流入产甲烷区(8)，增温盘管(3)设置在产甲烷区(8)的内壁，增温盘管(3)内部为循环热水，水解酸化区(7)与产甲烷区(8)内分别设置能上下提升的搅拌器(1)，双膜式储气装置(2)设置在发酵反应器顶部。
2.一种使用如权利要求1所述的一体化固体物料两相沼气发酵反应器制备沼气的方法，其特征在于：物料在水泵作用下连续沿切线方向打入水解酸化区(7)，使水解酸化区(7)内的物料保持旋转，物料在厌氧微生物的作用下，转化为小分子为主的有机物，其中水解酸化区(7)进料次数为2次/天，停留时间为2-4天，温度为25-35℃，PH值为5.5-6，搅拌频率为5-10r/min，酸化后的物料从水解酸化区(7)顶部的产甲烷区进料管(5)溢流入产甲烷区(8)，在产甲烷区(8)内继续转化为以甲烷为主的沼气，其中产甲烷区(8)停留时间为15-20天，温度为35℃-55℃，PH值为6-8，搅拌频率为5-10r/min，产生的沼气储存在顶部双膜式储气装置(2)内，并经管道输出至后续处理。
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