CN117568148A - 一种湿式两相厌氧发酵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种湿式两相厌氧发酵装置，由进水桶、第一进水泵、产酸相、第一出水泵、pH调节桶、第二进水泵、产甲烷相、第二出水泵和出水桶通过管路依次连通，所述产酸相和产甲烷相内均设有温度控制***，产酸相和pH调节桶内均设有pH控制***，所述温度控制***、pH控制***、第一进水泵、第一出水泵、第二进水泵和第二出水泵均电性连接与电脑控制***，由电脑控制***进行控制。本发明将产酸相和产甲烷相进行物理连接，并配备实时pH调控装置，以实现产酸/产氢相和产甲烷相同进同出。整个装置产酸相、产甲烷相、进出水泵、温度控制设备、pH控制设备均采用电脑控制***控制，整个设备实现了废水实时进出，大大提高了效率。
Description
技术领域
本发明属于两相厌氧发酵装置，主要用于湿式两相厌氧发酵产酸/产氢-产甲烷，产氢-产甲烷两相联动，区别于传统两相反应器分开运行的***。
背景技术
厌氧发酵按按产酸/产氢相和产甲烷相是否在同一反应器内反应可以分为单相反应和两相反应。但由于产酸/产氢相和产甲烷相菌群对于生长环境要求迥异，因此将产酸/产氢相和产甲烷相分开在不同反应器内反应已逐渐成为主流趋势。对于不同种类的发酵底物，选取不同种类的发酵设备非常重要，适合的发酵装置能及发酵工艺能大大缩短反应时间，提高产气效率，降低生产成本。因此在厌氧发酵中，对于发酵设备选择非常重要。
关于两相湿式厌氧发酵反应设备，前人已有很多关于报道，如CSTR-UASB两相湿式发酵设备(王兵.“CSTR-UASB”产氢产甲烷两相厌氧***运行研究[D].东北林业大学,2015.)，CSTR-CSTR两相湿式发酵设备(万松.2-CSTRs产氢—产甲烷两相厌氧***产能特性及生理代谢特征[D].东北林业大学,2019.)等。但对于ASBR-UASB两相湿式厌氧发酵设备研究尚未见报道，且前人设计两相反应器中，产酸/产氢相和产甲烷相大多在两个独立反应器中进行，且一般将产酸/产氢相出水收集到一定量调节好pH之后再进入产甲烷相。这样效率比较低下，且需要大量人力成本，不利于日后工业化应用。
发明内容
为了克服现有设计方法的不足，本发明提供一种湿式两相厌氧发酵装置，湿式两相厌氧发酵装置中产酸相和产甲烷相两相联动，替代两相分开的传统发酵方式；提高生产效率。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种湿式两相厌氧发酵装置，包括进水桶、产酸相、pH调节桶、产甲烷相和出水桶；
进水桶和产酸相之间通过管路连接，管路上设有第一进水泵；
产酸相和pH调节桶之间通过管路连接，管路上设有第一出水泵；
pH调节桶和产甲烷相之间通过管路连接，管路上设有第二进水泵；
产甲烷相和出水桶之间通过管路连接，管路上设有第二出水泵；
其中，所述产酸相和产甲烷相内均设有温度控制***，产酸相和pH调节桶内均设有pH控制***，所述温度控制***、pH控制***、第一进水泵、第一出水泵、第二进水泵和第二出水泵均电性连接与电脑控制***，由电脑控制***进行控制。
本发明的进一步技术：
优选的，所述进水桶、产酸相和pH调节桶均置于电磁搅拌器之上，搅拌子置于进水桶和产酸相均底部，同时配备有循环泵，电磁搅拌器和循环泵开启及关闭由电脑控制***控制。
优选的，所述产酸相采用ASBR反应器，顶部设有盖子，盖子有孔连接塑料软管连接至湿式气体气量计，然后储存于气袋中。
优选的，所述pH控制***包括设置在pH调节桶内pH电极，pH调节桶上连通酸液入料管和碱液入料管，酸液入料管上设有酸泵，碱液入料管上设有碱泵，pH电极、酸泵和碱液电性连接pH控制仪，pH控制仪电性连接电脑控制***。
优选的，所述产甲烷相采用UASB反应器，底部为进水口，顶部侧壁为出水口，UASB反应器侧壁设有若干等间距监测口，监测口上装有阀门，UASB反应器顶部装有三相分离器，将气、液、固三相分开，气体经过软管连接至湿式气体气量计，然后储存于气袋中，液体经过顶部出水口流入出水桶，
优选的，所述出水口与三相分离器之间设置了回流口，由回流泵将上清液导回进水口。
优选的，所述温度控制***包括设置在反应器内的温度探头和反应器外壁的热源管路，热源管路通过热水循环泵与装有水的保温桶连通，保温桶内设有电热棒，所述温度探头、热水循环泵和电热棒电性连接温控仪，温控仪电性连接电脑控制***。
本发明的有益效果：
本发明将产酸相和产甲烷相进行物理连接，并配备实时pH调控装置，以实现产酸/产氢相和产甲烷相同进同出。整个装置产酸相、产甲烷相、进出水泵、温度控制设备、pH控制设备均采用电脑控制***控制，整个设备实现了废水实时进出，大大提高了效率，为日后工业化应用奠定基础。
附图说明
图1是本发明的***组成配置示意图；
图2是本发明进水桶示意图；
图3是本发明产酸相组成图；
图4是本发明pH调节桶设计图；
图5是本发明产甲烷相组成图；
图6是本发明电脑控制***流程图；
图7是本发明***运行流程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例而不是全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种湿式两相厌氧发酵装置，由进水桶1、第一进水泵2、产酸相3、第一出水泵4、pH调节桶5、第二进水泵6、产甲烷相7、第二出水泵8和出水桶9通过管路依次连通，所述产酸相3和产甲烷相7内均设有温度控制***，产酸相3和pH调节桶5内均设有pH控制***，所述温度控制***11、pH控制***12、第一进水泵2、第一出水泵4、第二进水泵6和第二出水泵8均电性连接与电脑控制***10，由电脑控制***10进行控制。***配置图如图1所示，下面将一一介绍各个部分组成。
1.进水桶1
内径为20cm，高为35cm，体积12L(其示意图如图2所示)。材料为丙烯酸塑料，形状为圆柱形(和方形桶相比，圆柱形桶无直角，混合更均匀)。进水桶1置于电磁搅拌器之上，搅拌子13置于进水桶1底部，同时配备有循环泵14，搅拌和循环目的是在进水前使进水充分混合；电磁搅拌器和循环泵开启及关闭由电脑控制。桶顶部中央有阀门连接充有纯氮气的气袋(体积为10L)以保持进出水时气压平衡及厌氧环境。桶外裹有铝箔纸，防止光线进入发生光合反应。
2.产酸相3
产酸相3采用ASBR反应器(以下均以ASBR指代产酸相3)，其具体组成见图3。ASBR主体形状为圆柱形，内径20cm。高径比选择1.75。反应器高度为35cm，总体积14L，有效体积7L。主体材料选择PVC管。
盖子301有孔连接塑料软管连接至湿式气体气量计302(以下简称气量计)，然后储存于气袋303中。反应器还设立了循环泵304。实际操作时，循环泵304将废水从反应器内约中部位置泵出，泵入反应器底部，以达到混合废水的目的。同时底部的电磁搅拌器，推动搅拌子305缓慢搅拌底部底泥，使得微生物与废水接触充分接触。实际运行时，ASBR分四阶段运行，分别为进水、反应、沉淀、出水。
产酸相内设有温度控制***和pH控制***:
pH控制***包括设置ASBR侧壁的pH电极317，ASBR上连通酸液入料管306和碱液入料管307，酸液入料管上设有酸泵308，碱液入料管上设有碱泵309，pH电极、酸泵和碱液电性连接pH控制仪310，pH控制仪电性连接电脑控制***10。
作用是监测反应器内pH值。当溶液中的pH值高于设定值，pH控制仪会开启酸泵向反应器内泵入0.2mol/L HCl(存储于1L塑料桶)；反之，则启动碱泵，泵入0.5mol/L NaOH(存储于5L塑料桶中)。
所述温度控制***包括设置在ASBR反应器内的温度探头311和ASBR反应器外壁的热源管路312，热源管路通过热水循环泵313与装有水的保温桶314连通，保温桶内设有电热棒315，所述温度探头、热水循环泵和电热棒电性连接温控仪316，温控仪电性连接电脑控制***10。
由于***反应设定为中温发酵，所以需要对反应器进行加热。反应器材质为塑料，所以不能采用底部直接加热的方式，故采用反应器外包裹热源管，热源管中循环热水的方式对反应器进行加热。温度探头为长约10cm的金属管，置于反应器内部液面下，外部连接温控仪；温控仪另一端通过电源插座连接热水循环泵和放置于保温桶中的电热棒。当反应器内温度高于设定温度时，温控仪会同时关掉电热棒和热水循环泵，停止热水循环，使反应器保持在设定温度；反之，则同开启二者电源，使热水温度升高，继而使反应器温度升高。在实际运行过程中，需定期向保温桶添加水，防止电热棒干烧，影响***稳定性。
3.pH调节桶5
调节桶的作用为调节ASBR出水pH，使其在6.5～7.5之间，为进入产甲烷相7做准备。调节桶为圆柱形PVC管，高25cm，内径20cm，共8L，见图4(图中尺寸单位为cm)。pH调节桶5内均设有pH控制***,所述pH控制***包括设置在pH调节桶内pH电极41，pH调节桶上连通酸液入料管42和碱液入料管43，酸液入料管上设有酸泵44，碱液入料管上设有碱泵45，pH电极、酸泵和碱液电性连接pH控制仪46，pH控制仪电性连接电脑控制***10。pH控制仪，酸泵，碱泵，酸碱溶液和底部的搅拌子48与ASBR反应器所用均一致，原理也相同，不再赘述。顶端有氮气袋47，使调节桶在进出水时保持厌氧环境。
4.产甲烷相7
产甲烷相7采用UASB反应器(以下均以UASB指代产甲烷相7)，其具体组成见图5。UASB反应器的原理是在形成沉降性能良好的污泥凝絮体的基础上，在反应器内设置污泥沉淀***使气、液、固三相得到分离。反应器主体形状采用圆形，材料为PVC管。设计体积为25L，内径为15cm。高径比为9:1，反应器主反应区高度设定为137cm。
产甲烷相7内设有温度控制***,所述温度控制***包括设置在UASB反应器内的温度探头701和UASB反应器外壁的热源管路702，热源管路通过热水循环泵703与装有水的保温桶704连通，保温桶内设有电热棒705，所述温度探头、热水循环泵和电热棒电性连接温控仪706，温控仪706电性连接电脑控制***10。
产甲烷相内温度控制***与产酸相内设有温度控制***原理相同。
UASB反应器底部是由ABS塑料制成的圆锥体，用胶水与PVC管底部粘连密封。底部45°圆锥体设计能够使得进水均匀分布，这对废水与污泥作用起着至关重要的作用，所述产甲烷相采用UASB反应器，底部为进水口，顶部侧壁为出水口。
UASB顶部装有三相分离器707，其作用是将气、液、固三相分开。气体经过软管连接至湿式气体气量计708，然后储存于气袋709中，液体经过顶部出水口流入出水桶8，为了了解反应器不同部位的污泥状况及pH值，从下至上设置了5个等间距监测口710。5个口均装有阀门711，方便取样。在出水口与三相分离器之间设置了回流口，由回流泵712将上清液导回进水口。回流设计可使泥水接触几率增大，减少短路情况发生，基质反应更充分，实际反应速率相应增高；同时出水的高碱度可抑制酸化现象的发生，提高反应器抗冲击能力。从分离器上部回流也可避免将初期成型的颗粒污泥碾碎。
5.电脑控制***10
电脑控制***10由控制软件、控制器和继电器组成，各部分连接关系如图6所示。
实际运行中，将设计好程序输入控制软件，通过软件发送信号给控制器，控制器给继电器发送开/关信号，继电器控制插座的电源开关，继而控制插在插座上的泵/pH控制器及温度控制器等元件。下面对各部分装置进行一一介绍。
(1)控制器
控制器需具备存储指令、执行命令及反馈数据等功能。本设计采用美国CampbellScientific公司的CR1000型控制器，
(2)继电器
本设计选用的继电器是美国Crydom公司的CL240D05C继电器。输入电压3-32VDC，输出电压24-280VAC，最高电流5A。输入端分别连接控制器的控制口和接地口，输出端连接插排的电源线，泵等仪器插在插排上。
(3)软件程序
电脑控制***10使用的软件是Campbell Scientific公司的Loggernet4.4，该软件具有程序编写、状态监控等功能。
本部分程序以两个反应器HRT均为24h，ASBR 4h一个循环为例。具体设定如图7所示。
具体步骤如下：
I：进水阶段：第0min：ASBR进水泵运行；第4min：ASBR进水泵关闭；同时开始ASBR第一阶段搅拌，搅拌器和循环泵开启；
II：反应阶段：第6min：ASBR的pH控制器开启；第17min：开启UASB进水泵和回流泵；第64min：ASBR第一阶段搅拌停止；第94～154min：开始ASBR第二阶段搅拌；第184min：开始ASBR第三阶段搅拌开始；第204min：第三阶段搅拌停止，同时关闭ASBR pH控制器，关闭ASBR搅拌和循环；
III：出水阶段：第235min：开启ASBR出水泵，同时关闭UASB进水泵和回流泵；开启进水桶1搅拌器和循环泵，为下次进水做准备；第240min：关闭ASBR出水泵，关闭ASBR进水桶1搅拌器和循环泵。
运行过程及相关参数
实际运行过程中进水6L，体系HRT为24h，ASBR 4h一个循环，则每次需进水1L，进出水泵速度为250ml/min，需运行4min。
ASBR出水后进入pH调节桶5，需要17min进行pH调节。UASB为实时进水，且进水和出水同时进行，进出水泵运行时间为219min(24h除去产氢相出水和pH调节时间)。回流泵回流比为1.5:1，经计算，UASB进出水泵流速为4.6ml/min。
实际实验过程中，通入6L猪场废水与啤酒废水混合物，在有机负荷8.6g COD/L/d，HRT 16h，37℃，下氢气产率为295ml/L/d，其中氢气含量为32％；甲烷产率为1.1L/L/d，甲烷含量在65％左右。两相***COD去除率达到86％。两相***联动效果良好，大大并未出现运行问题。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，包括进水桶、产酸相、pH调节桶、产甲烷相和出水桶；
进水桶和产酸相之间通过管路连接，管路上设有第一进水泵；
产酸相和pH调节桶之间通过管路连接，管路上设有第一出水泵；
pH调节桶和产甲烷相之间通过管路连接，管路上设有第二进水泵；
产甲烷相和出水桶之间通过管路连接，管路上设有第二出水泵；
其中，所述产酸相和产甲烷相内均设有温度控制***，产酸相和pH调节桶内均设有pH控制***，所述温度控制***、pH控制***、第一进水泵、第一出水泵、第二进水泵和第二出水泵均电性连接与电脑控制***，由电脑控制***进行控制。
2.根据权利要求1中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述进水桶、产酸相和pH调节桶均置于电磁搅拌器之上，搅拌子置于进水桶和产酸相均底部，同时配备有循环泵，电磁搅拌器和循环泵开启及关闭由电脑控制***控制。
3.根据权利要求1中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述产酸相采用ASBR反应器，顶部设有盖子，盖子有孔连接塑料软管连接至湿式气体气量计，然后储存于气袋中。
4.根据权利要求1中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述pH控制***包括设置在pH调节桶内pH电极，pH调节桶上连通酸液入料管和碱液入料管，酸液入料管上设有酸泵，碱液入料管上设有碱泵，pH电极、酸泵和碱液电性连接pH控制仪，pH控制仪电性连接电脑控制***。
5.根据权利要求1中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述产甲烷相采用UASB反应器，底部为进水口，顶部侧壁为出水口，UASB反应器侧壁设有若干等间距监测口，监测口上装有阀门，UASB反应器顶部装有三相分离器，将气、液、固三相分开，气体经过软管连接至湿式气体气量计，然后储存于气袋中，液体经过顶部出水口流入出水桶。
6.根据权利要求5中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述出水口与三相分离器之间设置了回流口，由回流泵将上清液导回进水口。
7.根据权利要求3或5中所述的一种湿式两相厌氧发酵装置，其特征在于，所述温度控制***包括设置在反应器内的温度探头和反应器外壁的热源管路，热源管路通过热水循环泵与装有水的保温桶连通，保温桶内设有电热棒，所述温度探头、热水循环泵和电热棒电性连接温控仪，温控仪电性连接电脑控制***。
Priority Applications (1)
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| CN202311428815.5A CN117568148A (zh) | 2023-10-31 | 2023-10-31 | 一种湿式两相厌氧发酵装置 |
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-10-31 CN CN202311428815.5A patent/CN117568148A/zh active Pending
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