CN108728348A - 一种高固态厌氧消化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高固态厌氧消化装置及方法。装置包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制***;厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连;进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连;控制***通过电路线控制整个厌氧消化***的运行。在混料泵、进料泵和旋转分布器的作用下实现物料再分布和均匀混合,在不影响消化罐厌氧消化的情况下,可以实现物料连续进出料和分层采样。本发明实现高固体含量,低流动性的原料和接种料充分混合,消化罐各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放,推动反应平衡向提高产气方向进行。整个过程全程密封,减少了外界空气对消化罐内厌氧消化的干扰。
Description
技术领域
本发明涉及利用污水处理厂剩余污泥、禽畜粪便、农作物秸秆、生活有机垃圾等废弃物生产沼气能源的厌氧消化装置及方法,特别涉及一种固态厌氧消化装置及方法,属于微生物厌氧消化技术领域。
背景技术
当前,传统的厌氧消化制沼气的方法采用湿式消化,需要消耗大量的清水来调配厌氧消化浓度;而厌氧消化结束后,沼渣、沼液的排放,尤其是沼液的排放量特别大,按照传统5%以下的含固率计算,沼液的排放量就达到厌氧消化底物的95%以上,这对沼液的消纳带来了极大的问题;尤其是规模化沼气工程,厂区周边很难有打量的土地来接纳大量的沼液,处理不好就会造成二次污染。近些年兴起的固态厌氧消化技术,厌氧消化底物干物质量在15%以上,与传统湿式消化相比,明显提高了单位容积产气量,并且产生的消化产物不需要脱水处理,节约水资源和能源,降低了后续处理费用,也保护了环境。但是,目前的固态厌氧消化由于固体浓度高,难以采用连续投料的方式进行,主要采用间歇批式进料的方式,如常用的车库式厌氧消化。车库式厌氧消化底物不流动,难以搅拌,或是搅拌能耗高,底物间异质性严重,影响了容积产气率;同时,车库式固态厌氧消化采样困难,其厌氧消化过程的研究均是采用破坏性试验,这就增加了试验的麻烦,也增加了试验的成本。
高立洪等人(公开号:CN202705360U2012年提出一种可移动连续推流式干发酵装置,通过螺旋推进器实现连续进出料,同时设计了喷淋管喷淋收集的渗滤液。曹杰等人(公开号:205635602U2016年提出一种车库式干发酵模拟装置,设计了喷淋***,可以实现沼液的回流喷淋,防止局部酸中毒。但是,这些设计对发酵仓内的物料难以混合,发酵仓底部物料产沼气释放困难,也不适宜不同发酵仓部位连续采样。
发明内容
为了克服上述固态厌氧消化问题(厌氧消化底物干物质量在15%以上),本发明提供一种低能耗、可连续进出料、易搅拌混匀的固态厌氧消化装置,该装置,进出料方便,采样简单,混料均匀,提高了传热传质效率和产气效率,提高了装置的灵活性和实用性。
本发明的另一个目的是提供一种固态厌氧消化方法。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种高固态厌氧消化装置:包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制***;厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连;进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连;控制***通过电路线控制整个厌氧消化***的运行。
所述厌氧消化区包括消化罐和排气***,消化罐包括清洗***、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层;所述的消化罐底部为锥形结构,外层设有保温材料,中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热,确保消化罐内的温度保持在设定温度;压力传感器为平面膜压力传感器;消化罐上部设置旋转分布器;视镜为雨刷带灯视镜。
所述进料混料区包括混料泵和进料泵,其中混料泵直接与所述的消化罐底部相连,所述的进料泵进料口上部布置进料斗,储存消化原料。
所述管道分布区包括进料管道、管道镜、回流管道、排料管道和旋转分布器,其中进料管道和回流管道通过三通连接,二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分;管道镜为带标记有机玻璃管道镜;所述的旋转分布器由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成;旋转分布器的分布管为开孔管,孔径根据具体原料性质设置为5~15mm,间隔5~10cm,旋转客体两侧的分布管开孔方向相反,通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动。
所述控制***包括PLC控制***和变频器,其中PLC控制***为固态厌氧消化***的主控制***,通过设置固态厌氧消化***工作方法的对应程序,实现***工作的不同步骤,通过监测数据的反馈,及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯,实现进料泵和混料泵的调速控制。
利用本发明的装置进行固态厌氧消化方法,包括以下步骤:
1)通过原料泵将原料和菌剂输送入消化罐进行培养,并由混料泵进行1~2次混料循环,通过消化罐外壁保温加热层的加热装置将罐体加热到35~38℃,使消化菌稳定增殖,完成原料的接种步骤;
2)在原料泵装入原料,通过原料泵和混料泵的交替运行,交替间隔为5~10min,将原料和罐体中接种料由旋转分布器间隔撒入消化罐,形成原料和接种料在罐体高度方向上的分层布置;
3)单独开启混料泵,分层的物料在混料泵的螺旋推进器旋转搅动下,相邻物料层间的物料进行预混,再进入到混料泵的定转子区域,使预混和的物料在转子和定子的相对运行下,在狭窄空间内充分挤压搅动,均匀混合;
4)混合均匀的物料在消化罐中充分消化反应,每5~6h开启一次混料泵,物料由消化罐底部输送到消化罐顶部,在通过旋转分布器的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒,在下落过程中所产生的甲烷气体,在低阻力下充分释放;
5)物料消化完成后,开启混料泵和排料阀,关闭进料阀,将消化罐中3/4物料排出,进行后处理,剩余1/4物料与新的原料重复步骤1过程;
所述步骤4中,物料循环排气过程只需将消化罐下部2/3区域的物料进行循环,保证难排气区域物料的充分排气,上部1/3区域物料无需循环分布。
所述的清洗***,采用360度旋转清洗球,定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。
所述混料泵,设有喂料螺旋,混料定子和转子,转子为不锈钢材质,定子为可压缩的丁烯橡胶材质,原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后,在转子60~100转/min的转动下,原料和接种料充分挤压搅动混合。
所述排气***由电动球阀和排气口组成,其中排气口接入甲烷收集处理***,PLC控制***通过监测压力传感器的罐体气压值,控制电动球阀排气周期和排气量;所述安全阀,当消化罐内压力大于设定值时开启。
设备根据附图具体说明如下:
固态厌氧消化装置:固态厌氧消化总***包括安全阀1、排气***2、目镜3、消化罐4、人梯5、控制***PLC6、变频器7、人孔8、清洗***9、压力传感器10、进料管道11、管道镜12、混料泵13、进料斗14、进料泵15,其中安全阀1、排气***2、目镜3、人孔8、清洗***9和压力传感器10设在消化罐4顶部,人梯5、进料管道11和管道镜12设在消化罐4侧面,控制***PLC6、变频器7、混料泵13、进料斗14和进料泵15设在消化罐4底部。
固态厌氧消化平面示意图包括电动球阀2-1、排气口2-2、清洗球9-1、进料管道11、旋转分布器16、下落物料17、混合物料层18、原物料层19、喂料螺旋13-1、混料定转子13-2、进料阀20、排料阀21、三通接头22、保温加热层23,其中消化罐4底部与混料泵13相连,消化罐4中的污泥通过喂料螺旋13-1和混料定转子13-2的推动作用经过进料管道11进入旋转分布器16中,实现污泥混合。
混料泵13和进料泵15通过三通接头22相连,三通接头33控制物料出料或物料进料方向。
通过管道镜12观察物料进料情况,通过目镜3观察消化罐4中物料情况。
清洗***9在消化罐4中设有清洗球9-1,通过喷淋清洗消化罐4。
消化罐4顶部通过设置安全阀1和压力传感器10,来确保消化过程的安全。
旋转分布器16包括进料管道11、承重轴承16-1、密封轴承16-2、旋转壳体16-3和分布管16-4,通过旋转分布器的旋转将进料管道11中的污泥均匀分布到消化罐4中。
排气***2由电动球阀2-1和排气口2-2组成,通过电动球阀2-1控制消化罐4内压力。
进料阀20和排料阀21控制物料进出料,通过混料泵13、进料阀20和排料阀21协同作用,实现物料分层采样。
温加热层23外层设置保温材料,中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热。
本发明所具有的优点:可实现高固体含量,低流动性的原料和接种料充分混合,消化罐各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放,推动反应平衡向提高产气方向进行。整个厌氧消化过程,混料、进料全程密封,减少了外界空气对消化罐内厌氧消化的干扰。提供了一种低能耗、可连续进出料、易搅拌混匀的固态厌氧消化装置,提高了传热传质效率和产气效率,同时本发明还提供了利用该装置进行固态厌氧消化的方法。
附图说明
图1.固态厌氧消化装置总图;
图2.固态厌氧消化装置剖面示意图;
图3.旋转分布器结构图;
1安全阀,2排气***,3目镜,4消化罐,5人梯,6PLC控制***,7变频器,8人孔,9清洗***,10压力传感器,11进料管道,12管道镜,13混料泵,14进料斗,15进料泵,16旋转分布器,17下落物料,18混合物料层,19原物料层,20进料阀,21排料阀,22三通接头,23保温加热层;2-1电动球阀,2-2排气口,9-1清洗球,13-1喂料螺旋,13-2混料定转子,16-1承重轴承,16-2密封轴承,16-3旋转壳体,16-4分布管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明,但本发明并不受实施例所限制。
厌氧消化区,其包括消化罐和排气***,其中所述的消化罐包括清洗***、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层;
进料混料区,其包括混料泵和进料泵,其中所述的混料泵直接与所述的消化罐底部相连,所述的进料泵进料口上部布置进料斗,储存消化原料;
管道分布区,其包括进料管道、回流管道、排料管道和旋转分布器,其中所述的进料管道和回流管道通过三通连接,二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分;所述的旋转分布器,由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成;
控制***,其包括PLC控制***和变频器,其中所述的PLC控制***为固态厌氧消化***的主控制***,通过设置固态厌氧消化***工作方法的对应程序,实现***工作的不同步骤,通过监测数据的反馈,及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯,实现进料泵和混料泵的调速控制。
所述的消化罐底部为锥形结构,方便与混料泵的连接,保证具有非牛顿流体特性的高固态生物质有效吸入泵动力腔体。
所述保温加热层,外层设有保温材料,中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热,确保消化罐内的温度保持在设定温度。
优选的是,所述压力传感器为平面膜压力传感器,避免原料在传感器表面附着,并且平面膜片要伸出所述的消化罐内壁,方便所述的清洗***有效清洗。
优选的是,所述的清洗***,采用360度旋转清洗球,定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。
所述混料泵,设有喂料螺旋,混料定子和转子,转子为不锈钢材质,定子为可压缩的丁烯橡胶材质,原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后,在转子60~100转/min的转动下,原料和接种料充分挤压搅动,均匀混合。
所述的旋转分布器的分布管为开孔管,孔径根据具体原料性质设置为5~15mm,间隔5~10cm,旋转客体两侧的分布管开孔方向相反,通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动;
所述排气***由电动球阀和排气口组成,其中排气口接入甲烷收集处理***,PLC控制***通过监测压力传感器的罐体气压值,控制电动球阀排气周期和排气量;所述安全阀,当消化罐内压力大于设定值时开启。
优选的是,所述的视镜为雨刷带灯视镜,所述的管道镜为带标记有机玻璃管道镜。
实施例1,如图1和图2所示,本发明的固态厌氧消化装置主要由厌氧消化区、进料混料区、管道分布区、控制***组成,厌氧消化底物干物质量在15%以上。其中厌氧消化区由安全阀1、排气***2、目镜3、消化罐4、人梯5、人孔8、清洗***9、压力传感器10、保温加热层23等部件组成;进料混料区由混料泵13、进料斗14、进料泵15组成;管道分布区由进料管道11、管道镜12、旋转分布器16、进料阀20、排料阀21、三通接头22组成;控制***由PLC控制***6、变频器7组成。
所述厌氧消化区,消化罐4由支撑架支撑,外表面覆盖保温加热层23,以维持稳定的厌氧消化温度;所述安全阀1、排气***2、目镜3、人孔8、清洗***9和压力传感器10设在消化罐4顶部;排气***2由电动球阀2-1和排气口2-2组成,电动球阀2-1通过PLC控制***6输出压压力传感器10上的压力信号,自动控制排气口2-2排气周期和排气量;所述安全阀1,当消化罐4内压力大于设定值时开启,安全阀1和排气***2的作用保证了消化罐内压力稳定。
所述人梯5、进料管道11和管道镜12设在消化罐4侧面;PLC控制***6、变频器7、混料泵13、进料斗14和进料泵15设在消化罐4底部。所述PLC控制***6和变频器7为固态厌氧消化***的主控制***,通过监测数据的反馈,及时调整控制参数,使固态厌氧消化***处于设定状态。
所述旋转分布器16设在消化罐4内部,由进料管道11、承重轴承16-1、密封轴承16-2、旋转壳体16-3和分布管16-4组成,进料管道11中的物料可以通过旋转分布器16进行再分布和混匀,消化罐4各部分区域所产生的气体都可在旋转分布过程中充分释放,从而提高沼气产量。
所述混料泵13设有喂料螺旋13-1和混料定转子13-2。进料管道11上从混料泵13出口开始依次设有三通接头22、进料阀20和管道镜12。所述混料泵13在消化罐4正下方,进料泵15在混料泵13外侧,进料泵15和混料泵13通过三通接头22与进料管道11连接。
操作方法如下:
1)在物料进料时(包括菌剂接种和原料的补充,首先关闭排料阀21,开启进料阀20,再启动进料泵15和旋转分布器16,实现连续进料;
2)进料完成后关闭进料泵15、进料阀20和旋转分布器16;在物料混料时(混料间隔为5-6h,首先关闭排料阀21,开启进料阀20,再启动混料泵13和旋转分布器16,消化罐4中污泥实现连续混料;
3)混料完成后关闭进料阀20、混料泵13和旋转分布器16;在物料出料时,首先关闭进料阀20,开启排料阀21,再启动混料泵13,实现污泥连续出料;出料完成后关闭排料阀21和混料泵13;
4)在物料采样时,首先开启进料阀20和排料阀21,再启动混料泵13和和旋转分布器16,通过交替开启和关闭进料阀20和排料阀21,实现分层采样,采样结束关闭进料阀20、排料阀21、混料泵13和和旋转分布器16。
在原料和菌剂接种时,首先开启进料泵15将原料和菌剂泵送到消化罐4中,再通过混料泵13经过1~2次混料使原料和菌剂充分混合。
在消化罐4进料过程中,通过进料泵15和混料泵13的交替运行,交替间隔为5~10min,可将原料和消化罐4中物料由旋转分布器间隔分散在消化罐4中,经过几个周期的交替运行,形成原料和消化罐4中物料在消化罐4竖直方向上的分层布置。
在正常消化过程中,为保证消化罐4中物料充分消化反应,每5~6h开启一次混料泵13,物料由消化罐4底部输送到消化罐顶部,通过旋转分布器16的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒,使物料间甲烷气体在下落过程中充分释放,解决了消化罐4底部物料产沼气释放困难的问题。
物料消化完成后,关闭进料阀20,开启混料泵13和排料阀21,将消化罐4中3/4物料排出,进行后处理,关闭混料泵13和排料阀21,完成一次消化周期;剩余1/4物料与新的原料再混合,开始下一次消化周期。
所述清洗***9在消化罐4中设有清洗球9-1,在消化罐4出料完毕后,通过喷淋可以清洗消化罐4,对于不足以提供动力的,可以通过减速机驱动旋转分布器转动。
实施例2,厌氧消化工艺与实施例1相同,不同之处在于,本装置也可以用来开展常规湿式厌氧消化,厌氧消化材料不局限于污水处理厂剩余污泥、禽畜粪便、农作物秸秆、生活有机垃圾等固体废弃物。开展常规湿式厌氧消化,可以不开启旋转分布器16,而是在消化罐4进料过程中,开启进料泵15,等进料结束后,再开启混料泵13,经过5~10min的循环后,实现消化罐4内物料的均匀混合。消化罐4内物料产生的沼气直接从底部上升到液体表面释放,不需要通过旋转分布器16的再分布实现甲烷释放。
实施例3,厌氧消化工艺与实施例1相同,不同之处在于,每天定量排出消化罐4中物料1/30~1/60,同时进等量新原料,实现消化反应每天连续进出料,水力停留时间为30~60d,每天进料后,开启混料泵13混料1~2个循环,使新进原料与消化罐4中物料充分混合。
Claims (10)
1.一种高固态厌氧消化装置;包括厌氧消化区、进料混料区、管道分布区和控制***;厌氧消化区和进料混料区通过混料泵相连;进料混料区通过管道分布区的进料管道、旋转分布器与厌氧消化区的消化罐上部相连;控制***通过电路线控制整个厌氧消化***的运行。
2.如权利要求1所述的装置,其特征是厌氧消化区包括消化罐和排气***,消化罐包括清洗***、压力传感器、安全阀、人孔、视镜、人梯和保温加热层;所述的消化罐底部为锥形结构,外层设有保温材料,中间层利用电加热方式或是水循环加热方式加热,确保消化罐内的温度保持在设定温度;压力传感器为平面膜压力传感器;消化罐上部设置旋转分布器;视镜为雨刷带灯视镜。
3.如权利要求1所述的装置,其特征是进料混料区包括混料泵和进料泵,其中混料泵直接与所述的消化罐底部相连,所述的进料泵进料口上部布置进料斗,储存消化原料。
4.如权利要求1所述的装置,其特征是管道分布区包括进料管道、管道镜、回流管道、排料管道和旋转分布器,其中进料管道和回流管道通过三通连接,二者共用三通连接到旋转分布器的管道部分;管道镜为带标记有机玻璃管道镜;所述的旋转分布器由承重轴承、密封轴承、旋转壳体和分布管组成;旋转分布器的分布管为开孔管,孔径根据具体原料性质设置为5~15mm,间隔5~10cm,旋转客体两侧的分布管开孔方向相反,通过物料流出管孔的动能作用实现旋转分布器的转动。
5.如权利要求1所述的装置,其特征是控制***包括PLC控制***和变频器,其中PLC控制***为固态厌氧消化***的主控制***,通过设置固态厌氧消化***工作方法的对应程序,实现***工作的不同步骤,通过监测数据的反馈,及时调整控制参数和通过与变频器的RS485通讯,实现进料泵和混料泵的调速控制。
6.利用权利要求1的装置进行固态厌氧消化方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)通过原料泵将原料和菌剂输送入消化罐进行培养,并由混料泵进行1~2次混料循环,通过消化罐外壁保温加热层的加热装置将罐体加热到35~38℃,使消化菌稳定增殖,完成原料的接种步骤;
2)在原料泵装入原料,通过原料泵和混料泵的交替运行,交替间隔为5~10min,将原料和罐体中接种料由旋转分布器间隔撒入消化罐,形成原料和接种料在罐体高度方向上的分层布置;
3)单独开启混料泵,分层的物料在混料泵的螺旋推进器旋转搅动下,相邻物料层间的物料进行预混,再进入到混料泵的定转子区域,使预混和的物料在转子和定子的相对运行下,在狭窄空间内充分挤压搅动,均匀混合;
4)混合均匀的物料在消化罐中充分消化反应,每5~6h开启一次混料泵,物料由消化罐底部输送到消化罐顶部,在通过旋转分布器的分布管孔后形成直径小于15mm的流线或颗粒,在下落过程中所产生的甲烷气体,在低阻力下充分释放;或是每天定量排出消化罐中物料1/30~1/60,同时进等量新原料,实现消化反应每天连续进出料,水力停留时间为30~60d,每天进料后,开启混料泵混料1~2个循环,使新进原料与消化罐中物料充分混合;
5)物料消化完成后,开启混料泵和排料阀,关闭进料阀,将消化罐中3/4物料排出,进行后处理,剩余1/4物料与新的原料重复步骤1)过程。
7.如权利要求6所述的方法,其特征是所述步骤4)中,物料循环排气过程只需将消化罐下部2/3区域的物料进行循环,保证难排气区域物料的充分排气,上部1/3区域物料无需循环分布。
8.如权利要求6所述的方法,其特征是所述的清洗***,采用360度旋转清洗球,定期接入0.3MPa以上压力水源对所述的消化罐进行清洗。
9.如权利要求6所述的方法,其特征是所述混料泵,设有喂料螺旋,混料定子和转子,转子为不锈钢材质,定子为可压缩的丁烯橡胶材质,原料和接种料通过喂料螺旋输送到混料定转子区域后,在转子60~100转/min的转动下,原料和接种料充分挤压搅动混合。
10.如权利要求6所述的方法,其特征是所述排气***由电动球阀和排气口组成,其中排气口接入甲烷收集处理***,PLC控制***通过监测压力传感器的罐体气压值,控制电动球阀排气周期和排气量;所述安全阀,当消化罐内压力大于设定值时开启。
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