CN113493733A - 一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电解池‑厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，具体涉及废弃物混合厌氧发酵设备技术领域，包括位于反应器上部中心的气压调节室、外侧的电解池和下部的发酵池。所述发酵池与所述气压调节室通过旋转桨叶连通，所述气压调节室内设有带弹簧的活塞并通过网孔和侧管与电解池连通。本发明所述的发酵装置通过内部空间结构设计，利用发酵池中产生沼气的压力推动气压调节室内的活塞移动，气压随发酵池的运行状态改变，自动控制电解后硫酸盐废水的加入量，并通过设计的路径流入发酵池与秸秆混合发酵，加快秸秆中木质纤维素的降解，提高发酵速度和甲烷的产量，实现硫酸盐废水的资源化利用，建立发酵池运行状态与底物量的动态联系。
Description
技术领域
本发明涉及一种厌氧发酵装置，具体涉及一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，属于沼气发酵技术领域。
背景技术
目前，部分企业排放的含高浓度硫酸盐废水pH值较低、产量大、难降解，大部分企业不得不投入大量资金来保证其达到排放标准，严重影响了企业的经济效益，如果处理不当还会污染环境。研究表明低浓度的硫酸盐废水能够促进挥发性脂肪酸(如丙酸、丁酸等)的降解，提高厌氧发酵过程中的甲烷含量，将其作为厌氧发酵原料是进行无害化处理和资源化利用的有效途径，但加入硫酸盐废水的量不能太多，否则会由于硫酸根的大量存在而对厌氧发酵产生抑制作用，因此除去硫酸根是提高硫酸盐废水使用量的关键措施。目前去除硫酸根的方法有化学沉淀法、离子交换法、电解法等，其中电解法具有无二次污染、工艺简单、硫酸根去除率高等优点，具有广阔的前景。另外秸秆中干物质含量较高、含水率低，在进行厌氧发酵过程中需要加入大量的水，并且木质纤维素结构需经过预处理才能够正常进入产气状态，单一发酵存在营养不均衡的问题，严重影响秸秆沼气的推广应用，因此混合发酵是解决秸秆类物料厌氧发酵瓶颈问题的关键措施。目前也有将硫酸盐废水与秸秆厌氧发酵的研究，并取得了初步的成效，但还存在硫酸盐废水用量少，硫酸盐废水处理和厌氧发酵不在同一个反应器内进行，需要通过增压泵进行转移，能耗高，操作复杂等问题，混合发酵难度大。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，设计一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，将被电解后的硫酸盐废水加入厌氧发酵池，对秸秆进行预处理，并为厌氧发酵提供了营养，提高了秸秆厌氧发酵的启动速度，缩短了发酵周期，提高了沼气的产量，也无公害地处理了硫酸盐废水，节约能耗，保护环境。
本发明的技术方案是：一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，包括出料口(1)、搅拌桨叶(2)、进料口(3)、排污口(4)、废水进口(5)、带弹簧的活塞(6)、气压调节室(7)、旋转桨叶(8)、增压泵(9)、电磁阀门a(10)、电磁阀门b(11)、电磁阀门c(12)、压力表b(13)、电解装置(14)、抽气式气体收集装置(15)、侧管(16)、电解池(17)、发酵池(18)、接种污泥进口(19)、控制柜(20)、夹套(21)和压力表a(22)。
本发明的工作过程是：
打开进料口(3)及接种污泥进口(19)将粉碎后的秸秆和发酵接种物依次加入发酵池(18)，开启搅拌桨叶(2)进行间歇性搅拌使其混合均匀。打开废水进口(5)，将高浓度硫酸盐废水加入电解池(17)。确定压力表a(22)和压力表b(13)的读数为当地的大气压力值后，开启电解装置(14)。打开控制柜(20)的开关，可实现反应装置的自动控制。随着发酵的进行，发酵池(18)的压力在不断升高，气压调节室(7)中的带有弹簧的活塞(6)由于沼气产生的压力而压缩，随着弹簧的上升，使侧管(16)与气压调节室(7)相连接的网孔露出来，此时产生的沼气可沿着发酵池(18)上部可自由旋转的桨叶(8)进入气压调节室(7)，沿着侧管(16)进入电解池(17)。经过电解的硫酸盐废水通过侧管(16)流入气压调节室(7)，流经旋转桨叶(8)使螺旋叶片自由旋转带动硫酸盐废水向发酵池(18)内部均匀喷洒，同时搅拌桨叶(2)的开启使发酵池(18)内部物料混合均匀。由于电解池(17)中流入的沼气使压力表a(22)压力示数不断升高，当压力达到压力表a(22)设定的压力，电磁阀a(10)和电磁阀c(12)开启，气体进入抽气式气体收集装置(15)。此时电解池(17)内的压力会下降，当降到设定压力时，控制柜(20)会关闭电磁阀a(10)和电磁阀c(12)。同时气压调节室(7)内的压力下降使带有弹簧的活塞(6)下移堵塞网孔，电解后的硫酸盐废水停止进入发酵池(18)内。当进入发酵池(18)内的硫酸盐废水量过多，体系出现“酸化”运行不稳定时，或是气压调节室(7)内的压力超过弹簧的弹性限度所对应的压力时，控制柜自动或手动打开电磁阀b(11)和电磁阀c(12)及增压泵(9)，将抽气式气体收集装置(15)中的沼气回流至气压调节室(7)，使带有弹簧的活塞(6)向下移动紧急切断电解池(17)和发酵池(18)连通的网孔，控制加入发酵池(18)内硫酸盐废水的量。当发酵时间较长发酵池(18)内的压力过小，产气量较少时，说明发酵池(18)内秸秆原料降解基本完全，此时打开发酵池(18)内出料口(1)和进料口(3)，加入新鲜原料，重新进入产气状态。当发酵时间较短发酵池(18)内的压力过小，产气量较少时，气体无法推动带有弹簧的活塞(6)上移，说明发酵状况不佳没有进入正常运行状态，此时打开接种污泥进口(19)加入接种污泥，增加发酵池(18)内微生物的量，以便迅速恢复到正常运行状态。
本发明结构设计合理，电解池、发酵池及气压调节室的设计可以较好的利用压力的变化控制电解后硫酸盐废水的加入量，通过控制柜、电磁阀和压力表的配合进行自动控制，从而实现高浓度硫酸盐废水与秸秆的高效混合发酵。
本发明与现有技术相比较有如下有益效果：通过电解池、发酵池及气压调节室的设计使高浓度硫酸盐废水的电解处理和秸秆沼气发酵在一个反应器内进行，并能够较好地控制沼气的流通路径，从而控制发酵池内压力的变化，建立发酵池内的运行状态与硫酸盐废水量、秸秆原料及接种污泥量的动态联系，通过控制柜、电磁阀和压力表的配合进行自动控制，同时达到硫酸盐废水处理和秸秆厌氧发酵预处理和营养匹配的要求，操作简便，成本低，便于在大中型沼气工程中应用。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；图1右侧是本发明装置A处关于侧管与气压调节室(7)连接处的左视图。
图1中各标号：出料口(1)、搅拌桨叶(2)、进料口(3)、排污口(4)、废水进口(5)、带弹簧的活塞(6)、气压调节室(7)、旋转桨叶(8)、增压泵(9)、电磁阀门a(10)、电磁阀门b(11)、电磁阀门c(12)、压力表b(13)、电解装置(14)、抽气式气体收集装置(15)、侧管(16)、电解池(17)、发酵池(18)、接种污泥进口(19)、控制柜(20)、夹套(21)、压力表a(22)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。
本实施例提供一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，结合图1所示，所述的反应装置包括气压调节室(7)、电解池(17)和发酵池(18)。具体地，整体装置分为上下两个部分，上部中心位置为气压调节室(7)，气压调节室(7)外部为电解池(17)，下部为发酵池(18)，电解池(17)和发酵池(18)的容积比为1：10～15，较好地为1：12，具体依据实际需要处理的硫酸盐废水量和发酵状态确定。
具体地，发酵池(18)左下角和右上角分别设有出料口(1)和进料口(3)，右上部设有接种污泥进口(19)，底部设有搅拌桨叶(2)。发酵初始，打开进料口(3)和接种污泥进口(19)，将粉碎后的秸秆和接种污泥先后加入发酵池(18)。需要说明的是，添加的秸秆与接种污泥的质量比为1：20～30(最佳配比应保持TS为8％)，秸秆和接种污泥的总体积占发酵池有效总容积的70％。按比例混合后由于秸秆中的可溶性物质优先被降解，经过延滞期后，会产生大量气体，发酵池(18)中产生的气体可以通过旋转桨叶(8)进入气压调节室(7)。需要说明的是，发酵池(18)顶部为倾斜面与水平面(发酵装置底部水平线)的夹角成15°～30°，可以保证产生气体能够最大程度的进入气压调节室(7)。
具体地，气压调节室(7)包括带有弹簧的活塞(6)、气体回流***、压力表b(13)。带有弹簧的活塞受到气体气压推动时，可以在气压调节室(7)内向上移动，移动的距离与产生气体的压力有关。产生的气体越多，压力越大，则活塞在气压调节室内上移的距离也越高。活塞上移后，气压调节室(7)与电解池侧壁上的网孔相继暴露出来，气体通过电解池侧壁网孔及侧管(16)、电磁阀门a(10)、电磁阀门c(12)进入抽气式气体收集装置(15)，同时电解后的废水也可通过侧管(16)、电解池侧壁网孔、旋转桨叶(8)均匀喷洒到发酵池(18)上部，将搅拌桨叶2与秸秆混合后对秸秆进行处理提高厌氧发酵过程木质纤维素的降解率，气体进入抽气式气体收集装置(15)后气压调节室(7)的压力降低，活塞(6)下移，重新封堵网孔，电解后的废水停止进入发酵池(18)。进一步说明，加入电解后硫酸盐废水的量与产生气体的量及压力相关，调节压力使加入硫酸盐废水的质量与发酵池中物料的总质量比为1：16～25，与接种污泥的质量比为1：3～5。网孔的设计是为了使气压调节室中的气体及电解池中废水顺利通过，同时通过暴露网孔的数量控制废水和气体流量的大小。需要说明的是所述的压力表b(13)与电磁阀门b(11)、电磁阀门c(12)、增压泵(9)通过控制柜(20)可以实现自动控制。
电解池(17)左下角和右上角分别设有排污口(4)和废水进口(5)，内侧壁设有侧管(16)，内部设有电解装置(14)。具体地，压力表a(22)在排污口(4)的上部，电解池(17)上部通过电磁阀门a(10)、电磁阀门c(12)与抽气式气体收集装置(15)连通实现自动控制气体的收集。需要进一步说明的是电解装置(14)的阴极和阳极由位于反应器顶端的外部直流电源供电，电极材料选用原则主要考虑有利于硫酸根离子的电化学反应，最终选用以铅片为阳极，以惰性导电材料为阴极，电解电压为15V，排污口(4)与电解装置(14)的阳极设置在同一侧，便于排渣。进一步地，电解池(17)通过网孔、侧管(16)与气压调节室(7)相连通。
需要说明的是，在发酵过程中出料口(1)、进料口(3)和接种污泥进口(19)需根据发酵池(18)内的发酵情况确定进出料和接种污泥加入的量和频率。具体地，当发酵池内处于正常发酵状态而产气量较低时，打开进料口(3)和出料口(1)加入新鲜秸秆，所加秸秆的质量为发酵池内总质量的1/50，进出料量相等，每次产气高峰过后继续按照此比例向发酵池内加入新料。当发酵池内的pH值低于7.0，出现“酸化”现象而产气量较低时，打开接种污泥进口(19)和出料口(1)，进出料量相等，加入接种污泥的量为发酵池内总质量的20％～30％，每次进出料后开启搅拌桨叶(2)使发酵池(18)内的物料混合均匀，每天固定时间搅拌1次，每次搅拌15min。电解后硫酸盐废水对秸秆预处理后，秸秆的VS产甲烷量可以提高10％～30％，容积产气率提高10％～40％。
实施例2
本实施例提供一种手动控制该反应装置添加硫酸盐废水的具体方法。
由于电解池(17)与发酵池(18)的容积比为1:10～15，添加的硫酸盐废水与接种污泥的质量比为1：3～5，并且电解的时间与整个发酵周期相比又很短，所以进行连续式发酵需要多次向电解池(17)补充硫酸盐废水，从而源源不断地为发酵池(18)补充发酵底物。
需要说明的是，由于发酵的进行，当电磁阀门a(10)没有打开时，电解池(17)始终充斥着沼气，如果这时打开废水进口(5)会损失一部分沼气，造成能源的浪费。
进一步地，关闭控制柜(20)以实现手动控制。打开电磁阀门a(10)和电磁阀门c(12)，这时电解池(17)的沼气不断流入抽气式气体收集装置(15)，压力表a(22)的示数不断降低，当达到近真空状态时，关闭电磁阀门a(10)和电磁阀门c(12)。
需要说明的是，抽气式气体收集装置(15)的特点是加装抽气泵，以实现辅助抽气，从而快速地回收沼气。
较好地，打开废水进口(5)加硫酸盐废水。加装结束后，关闭废水进口(5)重新打开控制柜(20)以实现自动控制。
实施例3
本实施例提供一种控制该反应装置紧急切断电解池(17)与发酵池(18)联系的具体方法。
当压力表a(22)出现故障导致电磁阀门a(10)、电磁阀门c(12)无法自动打开时，电解池(17)的压强会不断升高，这时弹簧活塞会不断被压缩，一旦弹簧过度压缩超过其弹性限度时会使弹簧失效，这时会使整个发酵装置失去自控性，甚至导致发酵过程被破坏中断。因此需要紧急切断电解池(17)与发酵池(18)的联系。
当进入发酵池(18)内的硫酸盐废水量过多，体系可能出现“酸化”运行不稳定导致产气量较少，因此也需要紧急切断电解池(17)与发酵池(18)的联系。
具体地，当活塞压缩时，压力表b(13)示数会增大，当增大到设定的弹簧弹性限度90％所对应的压强时，控制柜(20)控制电磁阀c(12)、电磁阀b(11)和增压泵(9)打开，这时沼气会回流至气压调节室(7)。
进一步地，由于压力差会使活塞向下移动，堵住电解池(17)和发酵池(18)的连接口，从而使弹簧恢复初始长度。
需要说明的是，增压泵(9)可以实现增压的作用，以防止回流沼气的压力不足以消除压力差。根据弹簧恢复的情况，可以适当地调节增压泵的增压效果以及开闭。这样可以防止自控过程中弹簧失效和***酸化的问题。
较好地，最后手动打开电磁阀a(10)，过量的沼气会进入抽气式气体收集装置(15)，检修压力表a(22)后，反应装置恢复正常。
较好地，打开接种污泥口(19)加入适量的接种物，以解决硫酸盐废水流入过多的问题，从而恢复正常的产气。
实施例4
本实施例提供一种手动控制该反应装置缩短延滞期的具体方法。
在初始阶段，由于微生物要适应新的环境，所以发酵池(18)并不会立即产生沼气，所以该装置就存在一个延滞期。
具体地，为了缩短延滞期可以等到反应装置初期电解池(17)电解完全以后，打开排渣口(4)，将电解后的硫酸盐废水收集，打开接种污泥口(19)，向发酵池(18)加入电解后的硫酸盐废水，这样可以缩短延滞期，加快厌氧发酵的启动速度。
进一步地，在厌氧发酵结束时，打开出料口(1)，排出发酵结束的物料，在污泥接种口(19)重新加入发酵物重新启动厌氧发酵。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，包括出料口(1)、搅拌桨叶(2)、进料口(3)、排污口(4)、废水进口(5)、带弹簧的活塞(6)、气压调节室(7)、旋转桨叶(8)、增压泵(9)、电磁阀门a(10)、电磁阀门b(11)、电磁阀门c(12)、压力表b(13)、电解装置(14)、抽气式气体收集装置(15)、侧管(16)、电解池(17)、发酵池(18)、接种污泥进口(19)、控制柜(20)、夹套(21)、压力表a(22)。
2.根据权利要求1所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征在于：整体装置分为上下两个部分，上部中心位置为气压调节室(7)，所述气压调节室(7)外部为电解池(17)，下部为发酵池(18)；所述电解池(17)和发酵池(18)的容积比为1:10～15；所述电解池(17)底部(发酵池(18)顶部)与水平面(发酵装置底部水平线)的夹角成15°～30°。
3.根据权利要求2所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，发酵池(18)左下角和右上角分别设有出料口(1)和进料口(3)，右上部设有接种污泥进口(19)，底部设有搅拌桨叶(2)。
4.根据权利要求2所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，电解池(17)左下角和右上角分别设有排污口(4)和废水进口(5)，排污口(4)的左上部设置压力表a(22)；所述电解池(17)上部通过电磁阀门a(10)、电磁阀门c(12)与抽气式气体收集装置(15)连通；所述电解池(17)内的气压可通过压力表b(22)和控制柜(20)实现自动控制。
5.根据权利要求2所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，气压调节室(7)内设有带弹簧的活塞(6)，所述带弹簧的活塞(6)通过弹簧可以在所述气压调节室(7)内上下移动；所述气压调节室(7)上部设有压力表b(13)，并通过增压泵(9)、电磁阀门b(11)、电磁阀门c(12)与抽气式气体收集装置(15)相连，并通过控制柜(20)实现气压的自动控制。
6.根据权利要求2所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，发酵池(18)与气压调节室(7)通过旋转桨叶(8)连通；所述气压调节室(7)与电解池侧壁网孔及侧管(16)相连通。
7.根据权利要求4所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，电解装置(14)的运行参数为15V/12A，以铅片为阳极，以惰性导电材料为阴极；排污口(4)与电解装置(14)的阳极(铅片)设置在同一侧，便于排渣。
8.根据权利要求2所述的一种电解池-厌氧发酵一体式混合厌氧发酵装置，其特征是，发酵池(18)中的气体可以通过旋转桨叶(8)、电解池侧壁网孔及侧管(16)、电磁阀门a(10)、电磁阀门c(12)进入抽气式气体收集装置(15)，同时电解后的废水也可通过侧管(16)、电解池侧壁网孔、旋转桨叶(8)进入发酵池(18)。
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