CN112680326A - 一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及*** - Google Patents
一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及***，包括浆化调质罐和设有产甲烷外罐和水解产酸内罐的厌氧发酵罐，水解产酸内罐顶部设有溢流堰，并与产甲烷外罐相通，经浆化调质后的有机固体废物由水解产酸内罐底部泵入，进行水解产酸反应，水解产酸的产物由水解产酸内罐顶部溢流堰溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷。与现有技术相比，本发明显著提高了有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度，降低有机固体废物在厌氧消化过程中的停留时间，为有机固体废物厌氧消化***运行和后续沼气提纯节省了大量的能耗与成本，促进了有机固体废物的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种有机固体废物厌氧产甲烷的方法，尤其是涉及一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及***，属于有机固体废物资源化技术领域。
背景技术
有机固体废物通常是指可生化降解的有机废物，包括但不限于厨余垃圾、市政垃圾的有机成分、剩余污泥、作物秸秆、畜禽粪便等。有机固体废物富含有机物、易于水解，蕴含着大量的生物质能，是固体废物中重要的能源。目前有机固体废物的处理手段一般为填埋、焚烧、好氧发酵、厌氧消化等。由于牛粪、厨余垃圾、剩余污泥的生物沼气潜力分别高达3～6、6～10、10～15、15～30亿立方米，沼气产业化市场前景巨大，在化石资源枯竭、能源短缺的当下，对有机固废进行厌氧消化产甲烷，对降解有机固体废物、回收生物质能、实现环境和经济的可持续发展具有重要意义。
然而有机固体废物常规厌氧消化面临反应速度慢、甲烷产率低、所产沼气中甲烷含量低(纯度低)等问题。厌氧消化时间需要20天左右，所产沼气中甲烷含量一般为50～70％，一方面与生物天然气标准(甲烷含量95％以上)相距甚远，另一方面有机固体废物中大部分的碳转化成了二氧化碳，降低了有机固体废物的甲烷产率与能源利用率。鉴于此，提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度、提高碳利用率，对有机固体废物高效资源化具有重要意义。
目前，提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法有优化物料组分、利用电化学反应器、预处理等。专利文献CN110628828A公开了一种优化物料组分促进易腐有机固废厌氧消化产沼气的方法，该方法将易腐有机固废中的熟垃圾和生垃圾以不同比例混合，在此基础上添加水稻秸秆进行物料的配置，以此促进厌氧产沼气效率，累积甲烷最大产量达到451ml/g VS；专利文献CN111926045A公开了一种利用有机固废厌氧发酵制甲烷的电化学反应器及方法，该方法通过特制的催化电极，在电压的作用下，利用阳极将有机固废提取物转化为易降解的乙酸与氢离子，在阴极表面将氢离子合成氢气并与二氧化碳反应生成甲烷，从而提高所产沼气中甲烷的纯度；专利文献CN107382003A公开了一种基于热水解与化学调质联合预处理的污泥厌氧消化方法，该方法通过在污泥中加碱预处理，调节至中性后进行热水解，再进行酸预处理，以此提高污泥厌氧消化产气速率、增加污泥厌氧消化产气量。
然而上述处理工艺存在以下不足：
(1)通过优化物料组分等促进厌氧消化产沼气，其原理主要是平衡了物料的碳氮比以及***中的酸碱度，尽管可以提高产甲烷效率，但沼气中甲烷的纯度并没有明显的提升，后续沼气提纯的成本仍然居高不下；
(2)通过热水解、化学预处理等方法，尽管可以促进水解、强化沼气速率，但沼气中的甲烷的纯度也不会有明显的提升，且其能源输入高、需要添加化学药剂、工艺要求也比较复杂，工艺整体成本较高；
(3)通过电化学法可以显著提升沼气中甲烷的纯度，减少后续沼气提纯的成本，然而电化学法首先需要电能输入，其次其电极存在结垢、腐蚀等问题，影响电子传递效率，从而为整个工艺增加了调控的难度和长期运行的维护成本。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的沼气中甲烷纯度不高、能源输入高、工艺复杂、长期运行维护困难等问题，提供一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的工艺及***，能提升有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度，节省后续沼气提纯的成本。整体工艺具有工艺简单、能源输入低、反应速度快、运行维护成本低的特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，该***包括经管道连接的浆化调质罐、厌氧发酵罐和沼渣沼液处理***，所述管路中设有进泥泵和出泥泵；
所述浆化调质罐为搅拌混合设备，所述浆化调质罐中加入有机固体废物，并通过连续搅拌、加酸调节pH值、加水对有机固体废物进行浆化调质；
所述厌氧发酵罐包括水解产酸内罐和产甲烷外罐，内外罐顶部相通，压强一致，内罐为搅拌混合设备，顶部设有溢流堰，经浆化调质后的有机固体废物由水解产酸内罐底部泵入，在搅拌的作用下进行水解产酸反应，水解产酸的产物由内罐顶部溢流堰溢流至产甲烷外罐，产甲烷外罐设有耐高压的内回流搅拌装置，控制物料在产甲烷外罐的液面高度始终低于内罐，物料在产甲烷外罐反应后由底部泵出得到沼渣；
所述厌氧发酵罐为耐高压装置，设有压力表和可控制的排气阀门，排气阀门在反应时处于闭合状态直至厌氧发酵罐内压强达到预定值一，再打开排气阀门排出高纯度沼气至罐内压强降到预定值二，再进行闭合，如此反复操作。
所述沼渣沼液***设有沼渣脱水单元、沼液加碱脱氨单元和水处理单元，沼渣经脱水后得到泥饼和沼液，一部分沼液经加碱后脱氨得到氨气和脱氨沼液，氨气通入产甲烷外罐，脱氨沼液和另一部分沼液进入水处理单元进行处理。
本发明中，设置水解产酸内罐和产甲烷外罐的目的为使水解产酸过程和产甲烷过程分开，以单独强化水解产酸速率、强化二氧化碳和氢气的产生速率，同时设置水解产酸内罐和产甲烷外罐相通，避免水解产酸过程中产生的二氧化碳和氢气在物料管道输送过程中的损失，为二氧化碳和氢气在氢利用型产甲烷菌的作用下转化为甲烷提供基质并加快效率。水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比、内径比和有效容积比将影响运行过程中厌氧发酵罐的容积利用率，以及内罐和外罐液面相通的可能性，内外罐有效容积比过小则降低了厌氧发酵罐的容积使用率和对有机固体废物的处理效率，比例过大则极易使内外罐液面相通，失去内外罐分开反应的作用。厌氧发酵罐内的气体储存区与液相反应区的有效容积比将影响沼气的排出顺畅成程度、影响***内压强和运行稳定程度，比例过高则降低了厌氧发酵罐的容积使用率和对有机固体废物的处理效率，比例过低则使储存气体空间太小、不利于沼气的储存，尤其本发明***处于高压运行状态，一旦释压，气体从液相中快速溢出产生大量泡沫涌向出气口，使物料通过排气口流出，堵住出气口、污染沼气收集装置。
优选地，所述浆化调质罐与水解产酸内罐的有效容积比为1:1～2:1。
优选地，所述水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比为1:3～2:3，内径比为1:3～1:2，使有效容积比为1:8～1:2。
优选地，厌氧发酵罐内的气体储存区与液相反应区的有效容积比为1:1～2:1。
优选地，厌氧发酵罐与内回流搅拌装置所耐压强的范围为4～6bar。
优选地，预定值一的压强值为2～3bar，预定值二的压强为1.2～1.5bar。
一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法，基于上述***进行处理，具体包括以下步骤：
S1、将有机固体废物加入浆化调质罐，调节其含水率和pH值，搅拌均匀；
S2、将经过浆化调质的有机固体废物泵入厌氧发酵罐的水解产酸内罐，在水解产酸内罐里进行厌氧水解产酸；
S3、经水解产酸后的产物从水解产酸内罐顶部溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷，水解产酸内罐与产甲烷外罐顶部相通，内外罐内压强一致，控制外罐液面始终低于内罐，厌氧发酵罐内压强升高至2～3bar时排气，直至压强降至1.2～1.5bar时停止排气，经此反应后得到沼渣和高纯度沼气。
S4、经S3步骤所得沼渣经脱水后得到沼液和泥饼，一部分沼液直接进入水处理环节，一部分沼液经加碱调节pH值为9.5～10使氨气溢出，得到的脱氨沼液进入水处理，氨气通入厌氧发酵罐的产甲烷外罐。
本发明的工作原理为：
经浆化调质后的有机固体废物具有较高的流动性，将其泵入水解产酸内罐进行厌氧水解产酸，在水解产酸菌的作用下产生大量的有机酸、氢气和二氧化碳。在连续运行过程中，所加入的有机固体废物的量超出水解产酸容积时，水解产酸的产物溢流至产甲烷外罐，产甲烷菌利用有机酸、氢气和二氧化碳产甲烷。控制水解产酸内罐和产甲烷外罐顶部相通，可以使水解产酸阶段所产生的有机酸、氢气和二氧化碳在下一阶段得到充分利用，尤其是氢气和二氧化碳这两种在通过管道输送产物时难以得到同步输送的气体。使厌氧发酵罐内压强升高至2～3bar时排气，一方面可以通过提升***压力加快反应速率，提高有机物的水解产酸与产甲烷的速率，另一方面可以使水解产酸过程产生的氢气和二氧化碳，以及乙酸利用型产甲烷过程生成的二氧化碳大幅溶解于液相中，同时提高***内氢分压，使溶解于液相中的二氧化碳和氢气被氢利用型产甲烷菌利用转化为甲烷，从而降低所产沼气中二氧化碳的含量，提高沼气纯度。控制水解产酸内罐物料的温度为40～45℃，在较高温度下进行水解产酸反应，加速有机固体废物的水解、产酸，以及二氧化碳和氢气的产生和释放，提高进入产甲烷外罐中的有机酸、二氧化碳和氢气的量，同时抑制该阶段的产甲烷过程；控制产甲烷外罐中的温度为15～25℃，一方面是因为***在高压条件下已经具备较高的反应速率，毋需加温维持常规厌氧消化37℃的条件，另一方面，较低的温度可提高二氧化碳和氢气在液体中的溶解度，使其在高压条件下尽可能的溶解于液相中，在氢利用型产甲烷菌的作用下产甲烷，以此进一步提高二氧化碳利用率和沼气纯度。将沼液中的一部分氨氮回收为氨气通回至厌氧发酵罐的产甲烷外罐，一方面可以进一步提高外罐内液体的pH值，增强二氧化碳在外罐中的溶解度和溶解率，提高二氧化碳转化为甲烷的效率。
优选地，步骤S1中，所述有机固体废物为厨余垃圾、市政垃圾的有机成分、剩余污泥、作物秸秆、畜禽粪便的任意一种或组合，其挥发性固体占总固体的质量比例(VS/TS)为40～90％，调节其含水率至95～90％，pH值至5～6。
优选地，步骤S1中，所述搅拌方式为连续机械搅拌，搅拌速率为50～100r/min。
优选地，步骤S2中，所述有机固体废物泵入厌氧消化罐的水解酸化内罐的方式为从内罐的底部间歇式泵入，每天1次，每次泵入体积为内罐有效容积的1/2～1，使有机固体废物在水解酸化内罐的停留时间为1～2天。
优选地，步骤S2中，所述水解酸化内罐里物料温度为40～45℃,内罐的搅拌方式为连续机械搅拌，搅拌速率为50～100r/min。
优选地，步骤S3中，所述产甲烷外罐内物料温度为15～25℃，外罐的搅拌方式为物料连续内回流搅拌，每天回流物料的总体积为外罐有效容积的1～2倍。
优选地，步骤S3中，所述厌氧发酵罐的排气方式为间歇式运行，***内的压强由物料厌氧反应所产气体形成，压强升高至2～3bar时打开排气阀门，排出沼气至压强降至1.2～1.5bar时关闭排气阀门。
优选地，步骤S3中，所述沼渣从产甲烷外罐底部的泵出方式为间歇式运行，每天1次，且该次在当天中某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/2～1/5，使有机固体废物在产甲烷外罐中的停留时间为2～5天。
优选地，步骤S3中，所述沼渣VS降解率为50～80％，高纯度沼气中甲烷的体积占比为80～90％。
优选地，步骤S4中，所述用于加碱的沼液占沼液总体积的5～10％。
本发明中，步骤S1中调节有机固体废物含水率并搅拌的目的是将有机固体废物混合均匀、降低有机固体废物的粘度、提高***内的水分含量，搅拌速率过高将加速搅拌桨的磨损、增加运行成本，搅拌速率过低不能将有机固体废物有效混合均匀、不能降低其粘度，以至于影响***后续的稳定性；将pH值调节为酸性的目的是加快有机固体废物的水解产酸，pH值过高则无法强化水解产酸，过低则将影响***内水解产酸菌的活性。因此本发明控制浆化调质罐中有机固体废物的含水率为95～90％，搅拌速率为50～100r/min，pH值为5～6。
本发明中，步骤S2中有机固体废物在水解产酸内罐的停留时间是影响其水解产酸效率的重要参数，时间过长则会降低有机固体废物处理效率、提高运行成本，时间过短则无法使有机固体废物的到有效的水解产酸；提高水解产酸内罐的温度的目的是为了加快水解产酸效率，加速二氧化碳和氢气的释放，温度过高则影响水解产酸菌的活性，温度过低则无法有效促进水解产酸效率；在水解产酸内罐进行搅拌的目的是促进水解产酸菌与有机固体废物的接触与混合，提高反应速率，并有利于二氧化碳和氢气的释放，搅拌速率过高将加速搅拌桨的磨损、增加运行成本，搅拌速率过低将不能将无聊均匀混合强化水解产酸菌与有机固体废物的利用，同时也影响二氧化碳和氢气的释放。因此本发明控制有机固体废物泵入厌氧消化罐的水解酸化内罐的方式为间歇式泵入，每天1次，每次泵入体积为内罐有效容积的1/2～1，使有机固体废物在水解酸化内罐的停留时间为1～2天，水解酸化内罐里物料温度为40～45℃,内罐的连续机械搅拌速率为50～100r/min。
本发明中，步骤S3中水解产酸后的产物在产甲烷外罐中的停留时间是影响其产甲烷的关键参数，时间过长会降低水解产酸后的产物的处理效率、提高运行成本，时间过短则无法使水解产酸后的产物得到有效的产甲烷；降低产甲烷外罐中的温度的目的是为了提高二氧化碳和氢气在外罐液相中的溶解度，强化产甲烷菌对其的利用，温度过高则无法达到这一目的，温度过低将影响产甲烷菌的活性；采用连续内回流的搅拌方式是为了对内罐的物料进行均匀搅拌，强化上部气体通过液面进入液相中的效率，并避免沼气搅拌等方式产生泡沫而影响二氧化碳与氢气溶于液相中的速率，每天回流物料总体积太高则提高里回流泵的使用程度、提高运行成本，回流物料总体积太低则不能实现良好的搅拌功能；提高厌氧反应罐内压强的目的为提高***内的反应速率，提高水解产酸阶段所产二氧化碳和氢气，以及乙酸利用型产甲烷阶段所产的二氧化碳在产甲烷外罐的溶解度，使二氧化碳和氢在氢利用型产甲烷菌的作用下尽可能的转化为甲烷，提高产甲烷效率，并提高沼气中甲烷的纯度，压强过高对设备的控制和运行提出了更高的要求、运行与维护成本更好，压强过低则无法有效提高产甲烷效率和沼气中甲烷的纯度。因此本发明控制产甲烷外罐内物料温度为15～25℃，外罐连续内回流搅拌时每天回流物料的总体积为外罐有效容积的1～2倍，厌氧发酵罐的压强升高至2～3bar时打开排气阀门，排出沼气至压强降至1.2～1.5bar时关闭排气阀门，沼渣从产甲烷外罐的泵出方式为每天1次，且该次在当天中某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/2～1/5，使有机固体废物在产甲烷外罐中的停留时间为2～5天，经此反应后所得所述沼渣VS降解率为50～80％，高纯度沼气中甲烷的体积占比为80～90％。
步骤S4中，所述用于加碱的沼液占沼液总体积的比例将影响产甲烷外罐中的反应，比例过高则使产甲烷相中氨氮浓度过高而抑制产甲烷菌的活性，影响甲烷的产生，比例过低则无法有效提高产甲烷外罐中的pH值从而提高二氧化碳的溶解率和溶解度。因此本发明控制用于加碱的沼液占沼液总体积的5～10％。
本发明的创新点主要在于：
(1)现有强化甲烷产率的方法如优化物料组分、对物料进行物理化学生物与处理等近罐可以提高产甲烷效率，但难以提升甲烷的纯度，是后续沼气提纯的成本居高不下，且预处理方式的能源输入高、工艺整体成本高；而电化学法虽然可以显著提高沼气中甲烷的纯度，减少沼气提纯的成本，但是其能源输入高，电极容易结垢、腐蚀，影响其强化效率并增加调控难度和维护成本。本发明采用高压厌氧消化，在物料反应产气使***自动加压的作用下，保持***处于高压环境，增加二氧化碳和氢气在液相中的溶解度和溶解率，促进其被氢利用型产甲烷菌利用产甲烷，促进二氧化碳转化为甲烷，减少沼气中二氧化碳的含量，提升沼气的纯度；同时***在高压条件下反应动力得到大幅增强，有机固体废物的水解产酸产甲烷速率都得到大幅提升。
(2)现有两相厌氧消化***大多利用外源控制两相反应的温度一致，这是两相厌氧消化的常规方法。本发明采用两相各自调温、各自调节pH的方法，控制水解产酸相高温低pH条件、产甲烷相低温高pH条件，可使***在高压条件下，高温低pH条件下加快水解产酸反应速率、加快二氧化碳和氢气从该相中的释放，低温高pH条件下大幅提高二氧化碳和氢气在液相中的溶解度和溶解率，进一步促进二氧化碳和氢气转化为甲烷，达到同时提高甲烷产率和纯度的目的。
与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)传统有机固体废物厌氧消化停留时间需要15～20天，本发明采用两相调温、高压控制的方法及***，可使有机固体废物整体的厌氧消化停留时间降至3～7天，其中水解产酸1～2天，产甲烷2～5天，大幅提升厌氧消化的效率和产甲烷效率。
(2)本发明采用高压厌氧消化方法及***，在***产气所自然形成压强的条件下，不额外添加能源，促进二氧化碳和氢气溶解于液相中并转化为甲烷，可使沼气中甲烷的体积占比达到80～90％，大幅提升了沼气的纯度。
(3)综合以上优点，本发明在较低能耗与成本的前提下，降低了有机固体废物在***中的停留时间，提高了有机固体废物厌氧消化的甲烷产率与纯度，为后续沼气的提纯节省了大量的成本，能够有效促进有机固体废物的资源化利用。
附图说明
图1为本发明的工艺流程框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及***，如图1，包括浆化调质罐、厌氧发酵罐和沼渣沼液处理***，步骤如下：
(1)将VS/TS为40％的剩余污泥加入浆化调质罐，调节其含水率至95％，pH值为6，搅拌速率为50r/min。
(2)将经过浆化调质的有机固体废物泵入厌氧发酵罐的水解产酸内罐，在水解产酸内罐里进行厌氧水解产酸，浆化调质罐与水解产酸内罐的有效容积比为1:1，每次泵入的有机固体废物体积为内罐有效容积的1/2，有机固体废物在水解酸化罐的停留时间为2天，水解酸化罐内物料温度为40℃，内罐连续搅拌速率为50r/min。
(3)经水解产酸后的产物从水解产酸内罐顶部溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷，水解产酸内罐与产甲烷外罐顶部相通，内外罐内压强一致，厌氧发酵罐与内回流搅拌装置耐压能力为4bar，水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比为1:3，内径比为1:3，有效容积比为1:8，控制外罐液面始终低于内罐，内罐物料温度为15℃，内罐内回流搅拌时回流物料的总体积为外罐有效容积的1倍，厌氧发酵罐内压强升高至2bar时排气，直至压强降至1.2bar时停止排气，得到高纯度沼气和沼渣，沼渣从产甲烷外罐底部每天泵出1次，且在当天某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/5，有机固体固废在产甲烷外罐中的停留时间为5天；
(4)所得沼渣经脱水后得到沼液和泥饼，所得沼液体积的95％直接进入水处理环节，5％经加碱调节pH值为10使氨气溢出，得到的脱氨沼液进入水处理环节，氨气通回厌氧发酵罐的产甲烷外罐。
(5)通过此方法和***，得到的沼渣VS降解率为50％，高纯度沼气中甲烷体积占比80％。
实施例2：
一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及***，如图1，包括浆化调质罐、厌氧发酵罐和沼渣沼液处理***，步骤如下：
(1)将VS/TS为80％的餐厨垃圾加入浆化调质罐，调节其含水率至92％，pH值为5，搅拌速率为100r/min。
(2)将经过浆化调质的有机固体废物泵入厌氧发酵罐的水解产酸内罐，在水解产酸内罐里进行厌氧水解产酸，浆化调质罐与水解产酸内罐的有效容积比为2:1，每次泵入的有机固体废物体积为内罐有效容积的1/1，有机固体废物在水解酸化罐的停留时间为1天，水解酸化罐内物料温度为45℃，内罐连续搅拌速率为100r/min。
(3)经水解产酸后的产物从水解产酸内罐顶部溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷，水解产酸内罐与产甲烷外罐顶部相通，内外罐内压强一致，厌氧发酵罐与内回流搅拌装置耐压能力为6bar，水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比为2:3，内径比为1:2，有效容积比为1:2，控制外罐液面始终低于内罐，内罐物料温度为25℃，内罐内回流搅拌时回流物料的总体积为外罐有效容积的1倍，厌氧发酵罐内压强升高至3bar时排气，直至压强降至1.5bar时停止排气，得到高纯度沼气和沼渣，沼渣从产甲烷外罐底部每天泵出1次，且在当天某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/2，有机固体固废在产甲烷外罐中的停留时间为2天；
(4)所得沼渣经脱水后得到沼液和泥饼，所得沼液体积的90％直接进入水处理环节，10％经加碱调节pH值为9.5使氨气溢出，得到的脱氨沼液进入水处理环节，氨气通回厌氧发酵罐的产甲烷外罐。
(5)通过此方法和***，得到的沼渣VS降解率为80％，高纯度沼气中甲烷体积占比90％。
实施例3：
一种控制压强提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法及***，如图1，包括浆化调质罐、厌氧发酵罐和沼渣沼液处理***，步骤如下：
(1)将VS/TS为60％剩余污泥和畜禽粪便混合物加入浆化调质罐，调节其含水率至90％，pH值为5，搅拌速率为80r/min。
(2)将经过浆化调质的有机固体废物泵入厌氧发酵罐的水解产酸内罐，在水解产酸内罐里进行厌氧水解产酸，浆化调质罐与水解产酸内罐的有效容积比为2:1，每次泵入的有机固体废物体积为内罐有效容积的1/1，有机固体废物在水解酸化罐的停留时间为1天，水解酸化罐内物料温度为42℃，内罐连续搅拌速率为80r/min。
(3)经水解产酸后的产物从水解产酸内罐顶部溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷，水解产酸内罐与产甲烷外罐顶部相通，内外罐内压强一致，厌氧发酵罐与内回流搅拌装置耐压能力为5bar，水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比为2:3，内径比为1:2，有效容积比为1:2，控制外罐液面始终低于内罐，内罐物料温度为22℃，内罐内回流搅拌时回流物料的总体积为外罐有效容积的1倍，厌氧发酵罐内压强升高至2.5bar时排气，直至压强降至1.2bar时停止排气，得到高纯度沼气和沼渣，沼渣从产甲烷外罐底部每天泵出1次，且在当天某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/4，有机固体固废在产甲烷外罐中的停留时间为4天；
(4)所得沼渣经脱水后得到沼液和泥饼，所得沼液体积的92％直接进入水处理环节，8％经加碱调节pH值为10使氨气溢出，得到的脱氨沼液进入水处理环节，氨气通回厌氧发酵罐的产甲烷外罐。
(5)通过此方法和***，得到的沼渣VS降解率为70％，高纯度沼气中甲烷体积占比85％。
对比例1：
与实施例1相比，厌氧消化罐处于连续排气、不加压状态，其余条件均相同，结果由于物料在厌氧消化罐内停留时间过短而使***崩溃，崩溃前沼渣降解率不到20％，所产沼气中甲烷占比55％。这表明压强控制对***内物料降解、甲烷产率和纯度具有较大影响。
对比例2：
与实施例2相比，水解产酸内罐和产甲外烷的温度控制在常规的35-37℃，其余条件均相同，结果得到的沼渣降解率为60％，且产甲烷外罐中由于温度较高影响了二氧化碳的溶解度，使的到的沼气中甲烷占比70％。这表明两相***的温度控制对***内物料降解和甲烷纯度具有较大影响。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，该***包括：
浆化调质罐，为搅拌混合设备，用于对加入的有机固体废物进行浆化调质；
厌氧发酵罐，包括产甲烷外罐和设于所述产甲烷外罐内的水解产酸内罐，所述水解产酸内罐为搅拌混合设备，顶部设有溢流堰，并与所述产甲烷外罐相通，经浆化调质后的有机固体废物由水解产酸内罐底部泵入，进行水解产酸反应，水解产酸的产物由所述水解产酸内罐顶部溢流堰溢流至所述产甲烷外罐；
内回流搅拌装置，设于所述产甲烷外罐外部，用于控制物料在所述产甲烷外罐内的液面高度始终低于所述水解产酸内罐；及
沼渣沼液处理***，设于所述产甲烷外罐外部，用于处理所述产甲烷外罐反应后由底部泵出的沼渣。
2.根据权利要求1所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，所述浆化调质罐出口通过管路连接所述水解产酸内罐底部，所述管路中设有进泥泵，所述产甲烷外罐外部与所述沼渣沼液处理***之间设有出泥泵。
3.根据权利要求1所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，所述厌氧发酵罐设有压力表和可控制的排气阀门，所述排气阀门在反应时处于闭合状态直至厌氧发酵罐内压强达到预定值一，再打开排气阀门排出高纯度沼气至罐内压强降到预定值二，再进行闭合，如此反复操作。
4.根据权利要求3所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，所述厌氧发酵罐与所述内回流搅拌装置所耐压强的范围为4～6bar，所述预定值一的压强值为2～3bar，所述预定值二的压强为1.2～1.5bar。
5.根据权利要求1所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，所述沼渣沼液处理***设有沼渣脱水单元、沼液加碱脱氨单元和水处理单元，沼渣经脱水后得到泥饼和沼液，一部分沼液经加碱后脱氨得到氨气和脱氨沼液，氨气通入产甲烷外罐，脱氨沼液和另一部分沼液进入水处理单元进行处理。
6.根据权利要求1所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的***，其特征在于，所述浆化调质罐与水解产酸内罐的有效容积比为1:1～2:1，所述水解产酸内罐与产甲烷外罐的高度比为1:3～2:3，内径比为1:3～1:2，有效容积比为1:8～1:2，所述厌氧发酵罐内的气体储存区与液相反应区的有效容积比为1:1～2:1。
7.一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法，其特征在于，采用如权利要求1-6任一项所述的***进行处理，包括以下步骤：
S1、将有机固体废物加入浆化调质罐，调节含水率和pH值，搅拌均匀；
S2、将经过浆化调质的有机固体废物泵入水解产酸内罐，在水解产酸内罐里进行厌氧水解产酸；
S3、经水解产酸后的产物从水解产酸内罐顶部溢流至产甲烷外罐，进行厌氧产甲烷，厌氧发酵罐内压强升高至2～3bar时排气，直至压强降至1.2～1.5bar时停止排气，经此反应后得到沼渣和高纯度沼气；
S4、经S3步骤所得沼渣经脱水后得到沼液和泥饼，一部分沼液直接进入水处理环节，一部分沼液经加碱调节pH值为9.5～10使氨气溢出，得到的脱氨沼液进入水处理环节，氨气通入厌氧发酵罐的产甲烷外罐。
8.根据权利要求7所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法，其特征在于，步骤S1中，所述有机固体废物为厨余垃圾、市政垃圾的有机成分、剩余污泥、作物秸秆、畜禽粪便的任意一种或组合，其挥发性固体占总固体的质量比例为40～90％，调节其含水率至95～90％，pH值至5～6，所述搅拌方式为连续机械搅拌，搅拌速率为50～100r/min。
9.根据权利要求7所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法，其特征在于，步骤S2中，所述有机固体废物泵入厌氧消化罐的水解酸化内罐的方式为从内罐的底部间歇式泵入，每天1次，每次泵入体积为内罐有效容积的1/2～1，使有机固体废物在水解酸化内罐的停留时间为1～2天，水解酸化内罐里物料温度为40～45℃，内罐的搅拌方式为连续机械搅拌，搅拌速率为50～100r/min。
10.根据权利要求7所述的一种提高有机固体废物厌氧甲烷产率与纯度的方法，其特征在于，步骤S3中，所述产甲烷外罐内物料温度为15～25℃，外罐的搅拌方式为物料连续内回流搅拌，每天回流物料的总体积为外罐有效容积的1～2倍，厌氧发酵罐的排气方式为间歇式运行，***内的压强由物料厌氧反应所产气体形成，压强升高至2～3bar时打开排气阀门，排出沼气至压强降至1.2～1.5bar时关闭排气阀门；
步骤S3中，所述沼渣从产甲烷外罐底部的泵出方式为间歇式运行，每天1次，且该次在当天中某次排气之后，每次泵出体积为外罐有效容积的1/2～1/5，使有机固体废物在产甲烷外罐中的停留时间为2～5天。
步骤S4中，用于加碱的沼液占沼液总体积的5～10％。
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