一种木质纤维原料高固体产甲烷系统 |
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| 申请号 | CN201820447369.0 | 申请日 | 2018-04-02 | 公开(公告)号 | CN208649316U | 公开(公告)日 | 2019-03-26 |
| 申请人 | 安徽师范大学; | 发明人 | 陈广银; 王晓英; 李敬宜; 吴思雅; 陈怡欣; 杨素昭; | ||||
| 摘要 | 本实用新型公开了一种木质 纤维 原料高固体产甲烷系统，包括依次连接的预处理池、接种物驯化装置和用于将驯化后的接种物与木质纤维原料接种产甲烷且将产生的 发酵 液及 水 洗液循环导入接种物驯化装置的发酵产甲烷装置，所述接种物驯化装置和发酵产甲烷装置的出气口均与排气管连接。本实用新型的工艺简单，适应性广，可操作性强，能耗低，系统运行管护方便。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种木质纤维原料高固体产甲烷系统，其特征在于：包括依次连接的预处理池、接种物驯化装置和用于将驯化后的接种物与木质纤维原料接种产甲烷且将产生的发酵液及水洗液循环导入接种物驯化装置的发酵产甲烷装置，所述接种物驯化装置和发酵产甲烷装置的出气口均与排气管连接。 |
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| 说明书全文 | 一种木质纤维原料高固体产甲烷系统技术领域背景技术[0002] 能源是经济发展、社会进步的重要保障，更是制约人类社会文明进步的重要因素。人类社会从农耕文化发展到工业化、信息化时代，能源来源也从薪柴逐渐转变到以煤炭、石油等石化燃料为主的能源时代，但由于石化燃料的大量使用，将原本储存于地球内部的碳大量释放到大气中，导致全球变暖不断加剧，石化燃料燃烧过程中释放出的颗粒物和氮氧化物、硫化物等也是空气污染的重要来源。因此，开发清洁、可再生的新能源显得尤为迫切。 [0003] 地球上每年产生数量可观的生物质资源，据估计，每年地球上新增生物质资源约1700亿吨，其中80％以上为木质纤维原料，仅农作物秸秆一项每年就达20亿吨以上。木质纤维原料的主要组成为纤维素、半纤维素和木质素，其中，纤维素和半纤维素之和占木质纤维原料干物质质量的60％～80％，木质素含量占5％～20％。通过生物技术手段将木质纤维原料转化为以甲烷为主的生物燃气是木质纤维原料资源化利用的重要方向，在获得清洁能源的同时，发酵后的沼渣沼液还是优质的有机肥可用于培肥土壤，实现碳氮资源的循环利用，且不产生二次污染。 [0004] 有机固体物料厌氧生物产甲烷技术按照发酵系统内发酵底物干物质浓度的不同可分为湿式发酵、高固体发酵和干式发酵，其对应的发酵系统内发酵底物干物质浓度分别为：≤10％、10％～20％、≥20％。在沼气工程中，根据物料的理化特性选择相应的发酵工艺、装置类型。由于木质纤维原料的含水率普遍较低，一般低于90％，对于农作物秸秆更是低于40％，故对于以木质纤维原料为主要发酵底物的沼气工程，采用高固体发酵或干式发酵更有利于节水降耗，降低运行成本，减少二次污染。近年来，采取高固体和干式发酵技术处理木质纤维原料受到越来越多关注，并已建设了一些示范工程，但仍存在一些问题，如高固体和干式发酵过程中几乎没有发酵液，对接种物的需求量较大，接种物的来源成为难题，且高固体和干式发酵中如何实现木质纤维原料的快速、均匀接种较难实现。 [0005] 鉴于木质纤维原料高固体和干式厌氧发酵存在的接种物用量大、接种物来源受限、快速均匀接种困难等问题，迫切需要一种木质纤维原料高固体产甲烷装置，用以实现在获得高活性接种物、均匀快速接种和接种物稳定供应方面具有良好的效果。发明内容 [0006] 本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提供一种木质纤维原料高固体产甲烷系统，目的是可为木质纤维原料高固体发酵提供性能稳定、产量足够的接种物，且实现接种物与木质纤维原料混合。 [0007] 为了实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为： [0008] 一种木质纤维原料高固体产甲烷系统，包括依次连接的预处理池、接种物驯化装置和用于将驯化后的接种物与木质纤维原料接种产甲烷且将产生的发酵液及水洗液循环导入接种物驯化装置的发酵产甲烷装置，所述接种物驯化装置和发酵产甲烷装置的出气口均与排气管连接。 [0009] 所述预处理池内分隔有多个池体，有机废水从预处理池进料口端的池体依次溢出流向出料口端的池体。 [0010] 所述池体为三格，分别为从预处理池进料口端到出口端方向依次设置的第一格池体、第二格池体和第三格池体，第一格池体设有固体废物收集网袋、设于网袋上方的进料管和用于固定网袋的挂架。网袋可为铁丝网、渔网或塑料网中的任意一种制成，在第一格池体内侧上部设置挂架，用于固定网袋。预处理池第三格底部设置出水口，出水经泵泵入接种物驯化装置。有机废水可为农村生活污水、畜禽养殖废水、豆制品加工废水、屠宰废水、厕所废水等中的一种或多种，易腐有机固体废物可为餐饮垃圾、厨余垃圾、蔬菜废物、畜禽粪便、污泥等中的一种或多种。在预处理池顶部设置遮雨棚，可以为彩钢瓦、铁皮、铝皮、塑料板、有机玻璃或塑料大棚等制成。 [0011] 所述接种物驯化装置为连续搅拌槽反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)或升流式厌氧固体反应器(Upflow Solids Reactor，USR)。 [0013] 采用USR装置，出水口位置适当下移，位于发酵装置高度1/3～1/2处(自上向下)，并在发酵罐底部至1/3高度处装入多孔材料，如砾石、碎石、波尔环、波纹管、蜂窝管、软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯滤料等中的一种或多种。 [0014] 在接种物驯化装置内设置增温和保温结构，增温保温装置同常规厌氧发酵装置，增温方式可为沼气/生物质锅炉、太阳能板、地源热泵以及其它热源中的一种或几种组合，保温结构可采用顶部用大棚或保温被保温、底部和侧壁用空心砖、挤塑板、聚氨酯泡沫、苯板、炉灰渣、岩棉等中的一种或多种。发酵温度为25℃～37℃。 [0015] 所述接种物驯化装置内设有滤料层，所述滤料层从接种物驯化装置的底部向上设置，且滤料层的厚度不超过接种物驯化装置高度的1/3。 [0016] 所述接种物驯化装置的侧面设有液位观测口。 [0017] 所述发酵产甲烷装置包括多个并联连接的车库式生物产甲烷装置，所述车库式生物产甲烷装置包括发酵单元、喷淋机构、发酵液收集沟和设于发酵单元内的木质纤维原料，接种物驯化装置驯化的接种物通过喷淋机构喷淋至木质纤维原料形成的堆体上，发酵单元的出气口与排气管连接，设置第二水泵将发酵液收集沟收集的发酵液通过循环回收管泵入接种物驯化装置内。 [0020] 发酵单元的高度不超过接种物驯化装置有效高度的2/3，发酵装置内木质纤维原料干物质浓度在10％～30％。 [0022] 所述系统生产甲烷的工艺方法，包括如下步骤： [0023] 步骤一、有机废水通过预处理池进行预处理； [0024] 步骤二、步骤一处理后的有机废水进入接种物驯化装置进行驯化接种物； [0025] 步骤三、驯化后的接种物进入发酵产甲烷装置，对发酵产甲烷装置内的木质纤维原料进行接种生产甲烷；发酵产甲烷装置产生的发酵液及水洗液导入接种物驯化装置活化后再次循环使用。 [0026] 接种物驯化装置的原料可以是有机废水，对于周边无足量有机废水的工程，通过在木质纤维原料车库式发酵单元产气后期向发酵装置内喷淋水的方式将木质纤维原料表面附着的厌氧微生物洗出，出水回流至接种物驯化装置内，并向接种物驯化装置内添加少量营养物质满足厌氧微生物新陈代谢及增殖的需要。 [0027] 分别在接种物驯化装置和木质纤维原料高固体生物产甲烷装置顶部设置有出气口，产生的沼气收集后经脱水脱硫后用于发电或供热。 [0028] 预处理池、接种物驯化装置和木质纤维原料车库式生物产甲烷装置通过管道相串联，木质纤维原料车库式生物产甲烷装置高度不超过接种物驯化装置有效高度的2/3，且接种物驯化装置1/3的排水量足够一个木质纤维原料车库式发酵单元的接种量。在预处理池、接种物驯化装置和木质纤维原料车库式生物产甲烷装置出水口以及木质纤维原料车库式生物产甲烷装置进水口设置阀门，在接种物驯化罐出气口和每个木质纤维原料车库式生物产甲烷单元出气口设置阀门，在接种物驯化装置出水口与木质纤维原料车库式生物产甲烷装置总进水口之间设置三通，三通的一端连接接种物驯化装置、一端连接木质纤维原料车库式生物产甲烷装置、另一端连接清水，清水可为清洁的河水、自来水或井水。在预处理池出水口和木质纤维原料车库式生物产甲烷装置发酵液回流至接种物驯化装置的进水口分别设置水泵。 [0029] 本实用新型的有益效果： [0030] 1、工艺简单，适应性广，可操作性强，能耗低，系统运行管护方便。 [0032] 3、对原料的适应性广，可同时满足木质纤维原料这类含水率较低的固体废物和畜禽养殖污水等这类液体废物的处理需要，且木质纤维原料无需任何预处理，极大降低了运行成本。 [0033] 4、采用多个发酵单元并联的方式，保证了整个系统日产气量相对稳定，满足大批量木质纤维原料处理的需求。 [0036] 图1是本实用新型的结构示意图； [0037] 图2是本实用新型车库式生物产甲烷装置的结构示意图； [0038] 图3是本实用新型的车库式生物产甲烷装置的局部剖视图； [0039] 图4是预处理池的结构示意图。 [0040] 图中标记为： [0041] 1、预处理池，2、进料管，3、挂架，4、网袋，5、第一水泵，6、第一水阀，7、接种物驯化装置，8、第一气阀，9、第一排气管；10、第二水阀，11、三通阀，12、第三水阀，13、车库式生物产甲烷装置，14、第二排气管，15、第二气阀，16、发酵液收集沟，17、第四水阀，18、第二水泵，19、导气导流管，20、喷淋机构，21、密封门。 具体实施方式[0042] 下面对照附图，通过对实施例的描述，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本实用新型的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。 [0043] 如图1至图4所示，一种木质纤维原料高固体产甲烷系统，包括依次连接的预处理池1、接种物驯化装置7和用于将驯化后的接种物与木质纤维原料接种产甲烷的车库式生物产甲烷装置13，接种物驯化装置7和生物产甲烷装置13的出气口分别与第一排气管9和第二排气管14连接，第一排气管9和第二排气管14串联，产生的沼气收集后经脱水脱硫后可用于发电或经提纯后进入城市燃气管网。 [0044] 预处理池1内分隔有多个池体，有机废水从预处理池进料口端2的池体依次溢出流向出料口端的池体。具体而言，在进出料口两端附近的池体高度相对较高，位于两者之间的池体侧壁高度依次降低，便于池体内的废水逐级溢流。 [0045] 预处理池体可以为三格，分别为从预处理池1进料口端到出口端方向依次设置的第一格池体、第二格池体和第三格池体，第一格池体设有固体废物收集网袋4、设于网袋上方的进料管2和用于固定网袋的挂架3。满足去除浮渣和大颗粒悬浮固体的需要，可同时满足有机废水和易腐性有机固体废物进料的需要，网袋4可为铁丝网、渔网或塑料网中的任意一种制成，在第一格池体内侧上部设置挂架3，网袋4固定于挂架3上。挂架3与网袋4优选采用可拆卸的连接方式连接；有机废水由第一格池体上方的进料管2经网袋3进入预处理池，网袋用于存放少量易腐有机固体废物，网袋内的有机固体废物经有机废水冲刷、淋溶，有机固体废物中的易分解有机物进入有机废水中。预处理池1的第三格池体底部设置出水口，出水经第一水泵5泵入接种物驯化装置7，在第一水泵5与接种物驯化装置7之间的输料管上设有第一水阀6，便于控制是否向接种物驯化装置7进料。有机废水可为农村生活污水、畜禽养殖废水、豆制品加工废水、屠宰废水、厕所废水等中的一种或多种，易腐有机固体废物可为餐饮垃圾、厨余垃圾、蔬菜废物、畜禽粪便、污泥等中的一种或多种。在预处理池1顶部设置遮雨棚，可以为彩钢瓦、铁皮、铝皮、塑料板、有机玻璃或塑料大棚等制成。 [0046] 接种物驯化装置可以为连续搅拌槽反应器(Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR)或升流式厌氧固体反应器(Upflow Solids Reactor，USR)。 [0047] 接种物驯化装置7的进水口设于侧面底部，出水口位于该装置有效高度约1/3处，且出水口处设置第二水阀10，产生的沼气经第一排气管9收集后集中处理。若采用USR装置，出水口位置需适当下移，位于接种物驯化装置7高度1/3～1/2处(自上向下)，并在接种物驯化装置7底部至1/3高度处装入多孔材料，如砾石、碎石、波尔环、波纹管、蜂窝管、软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯滤料等中的一种或多种。 [0048] 为满足接种物驯化装置增温和保温的需求，可以设置增温和保温结构，增温保温装置同常规厌氧发酵装置，增温方式可为沼气/生物质锅炉、太阳能板、地源热泵以及其它热源中的一种或几种组合，保温结构可采用顶部用大棚或保温被保温、底部和侧壁用空心砖、挤塑板、聚氨酯泡沫、苯板、炉灰渣、岩棉等中的一种或多种。接种物驯化装置7内设有滤料层，滤料层从接种物驯化装置的底部向上设置，且滤料层的厚度不超过接种物驯化装置7高度的1/3，以增加装置内厌氧微生物数量。滤料层采用多孔材料，如砾石、碎石、波尔环、波纹管、蜂窝管、软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯滤料等中的一种或多种。 [0049] 接种物驯化装置7的侧面设有液位观测口，可随时观测接种物驯化装置内液位高度，液位高度不宜高于接种物驯化装置总高度的85％，液位过高时应进行接种物外排操作。接种物驯化装置7采取批次出水的方式，即在后续单元需要用接种物时从接种物驯化装置中批次排出一定量接种物。 [0050] 发酵产甲烷装置包括多个并联连接的车库式生物产甲烷装置，车库式生物产甲烷装置包括发酵单元13、喷淋机构20、发酵液收集沟16、导气导流管19和设于发酵单元13内的木质纤维原料，接种物驯化装置7驯化的接种物通过喷淋机构20喷淋至木质纤维原料形成的堆体上，发酵单元13的第二排气管14与第一排气管9连接，设置第二水泵18将发酵液收集沟16收集的发酵液通过管道收集后经第二水泵18泵入接种物驯化装置7内。导气导流管19设于木质原料堆体内。导气导流管19采用聚氯乙烯管、聚乙烯管或聚丙烯管。优选的，在管壁打若干小孔，孔径4mm～10mm。喷淋机构20可以采用多个喷头，通过发酵单元顶部的喷头将接种物均匀喷淋至木质纤维堆体上，接种物随堆体内的导气导流管19以及堆体的下渗作用到达堆体的各个部位，并通过接种物的连续多次回流达到接种物与木质纤维原料的充分接触。发酵单元底部中间位置设置发酵液收集沟16，在发酵液收集沟16顶部有多孔挡板及滤网，发酵单元底部两侧向中间倾斜一定角度，倾斜角度在5～10°(根据发酵装置宽度适当调整)，木质纤维原料堆体的发酵液最终汇集至发酵液收集沟16内，发酵液收集沟16出水经第二水泵18泵至接种物驯化装置7内，实现接种物的再生。对木质纤维原料车库式生物产甲烷装置四周及底部设置保温措施。优选的，发酵单元的高度不超过接种物驯化装置有效高度的2/3，发酵装置内木质纤维原料干物质浓度在10％～30％。 [0051] 上述的木质纤维原料可为农业秸秆、园林修剪废物、木材加工废物、食用菌下脚料、蔬菜废物、枯枝落叶中的一种或多种，农业秸秆可为收集的打捆秸秆直接用于发酵产沼气。 [0052] 采用上述系统生产甲烷的工艺方法，包括如下步骤： [0053] 步骤一、有机废水通过预处理池进行预处理； [0054] 步骤二、步骤一处理后的有机废水进入接种物驯化装置进行驯化接种物； [0055] 步骤三、驯化后的接种物进入发酵产甲烷装置，对发酵产甲烷装置内的木质纤维原料进行接种生产甲烷；发酵产甲烷装置产生的发酵液及水洗液导入接种物驯化装置活化后再次循环使用。 [0056] 具体而言，有机生活垃圾、蔬菜废物、畜禽粪便等装入网袋，并在废水中浸泡一段时间后，定期更换网袋内固体废物，废水和固体有机废物水解物经预处理池1预处理后用第一水泵5经第一阀门6泵入接种物驯化装置7内。在接种物驯化装置7的1/3以下位置设置滤料层以增加装置内厌氧微生物数量。在接种物驯化装置7高度约2/3位置设有接种物排出管和第一出料阀5，当需要使用接种物时，接种物经接种物排出管和第二水阀10进入木质纤维原料车库式发酵单元13内。在接种物驯化装置7的顶部设置出气口，通过第一排气管连接至排气总管，在第一排气管上设置第一气阀8，打开第一气阀8将接种物驯化装置产生的沼气经第一排气管排出。在每个车库式发酵单元13接种物接入口处均设有第三水阀12，平时第三水阀12均为关闭状态，仅在该发酵单元需要加入接种物时开启。木质纤维原料经机械或人工从发酵单元13的密封门21处装入，在木质纤维原料堆体中插入若干根导气导流管19。在发酵单元13顶部设置喷淋机构20，该喷淋机构连接接种物接入管，接种物喷淋机构可实现接种物的均匀喷淋，并控制接种物喷淋的速度。在发酵单元启动时，打开第二排气管上的第二气阀15，开启喷淋机构20，将接种物与发酵单元内的木质纤维原料充分接触，发酵单元 13启动后的前3天，定时对发酵单元13内接种物进行回流，回流时需关闭第二气阀15。在发酵单元13底部中间位置设置发酵液收集沟16，沿发酵单元13边缘向发酵液收集沟16设置斜面，便于发酵液的导向流出，其倾角θ为5～10°，在发酵液收集沟16出水口处设置第四水阀 17，打开四水阀17后，发酵液收集沟16内的发酵液经第二水泵18泵至接种物驯化装置7内再生。 [0057] 在外源污水量较少或不足时，为满足木质纤维原料厌氧发酵对接种物的需求，打开三通阀11，采取向停止产气的发酵单元内泵入清水(自来水或未污染的河水)将附着于木质纤维原料表面的厌氧微生物冲洗下来回流至接种物驯化装置7内，同时，向接种物驯化装置7内补充碳、氮、磷、铁、钴、镍等营养元素，确保接种物的稳定供应。在废水量较少时，也可人工用泵将预处理池1第三格池体内的废水泵入第一格池体内，利用废水中的微生物加速固体有机物的水解，同时在第三格池体内加入少量自来水或未污染的河水。在接种物驯化装置7和车库式发酵单元13顶部分别设有出气管收集产生的沼气，出气管并联并各有相应的阀门控制，收集的沼气经脱水脱硫后用于发电或供热。 [0058] 本实用新型的木质纤维原料高固体产甲烷系统及其加工制作简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。该装置增保温系统同普通的沼气发酵装置，除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。 [0059] 下面通过实施例对本实用新型的有益效果作进一步的阐述。 [0060] 实施例1 [0061] 分别以1个总容积为12L(直径18cm，高45cm)和3个总容积为5L(直径15cm，高30cm)的有机玻璃罐作为接种物驯化装置和木质纤维原料高固体产甲烷系统。首先，用猪场废水作为有机废水，以猪场运行良好的沼气工程的沼渣作为接种物启动接种物驯化装置，猪场废水水力停留时间为20天，发酵温度为(37±1)℃。在接种物驯化装置后依次连接3个秸秆高固体发酵罐，每个发酵罐内装入干物质重300g搓揉的小麦秸(风干后切碎至2-3cm)，密封，于(37±1)℃下进行实验。待接种物驯化装置内接种物达到发酵罐总容积80％时一次性排出约2.7L接种物通过蠕动泵泵入第一个秸秆高固体发酵罐内。考虑秸秆吸水是一个缓慢的过程，加入的接种物很多直接进入罐底部，故采取边加接种物，边用蠕动泵将发酵罐底部接种物回泵至接种物驯化装置内的方式，每天回流2次，连续回流3天，3天后秸秆高固体产甲烷系统已正常产沼气，之后按照以上方式依次启动第二、第三个秸秆发酵罐，每次在启动新的秸秆发酵罐之前均确保接种物驯化罐内接种物总量已超过接种物驯化装置总容量的80％以上。秸秆发酵罐稳定产气期约30天，之后日产气量逐渐降低，当容积产气量低于 0.2m3.m-3.d-1时，从接种物驯化罐放出部分接种物进入秸秆发酵罐，将秸秆发酵罐内秸秆干物质浓度调节至约5％，并通过发酵液内循环方式对秸秆发酵罐进行“搅拌”，第二天日产气量明显增加，并维持较高的产气量约10天，之后产气量逐渐下降，当容积产气量低于 0.05m3.m-3.d-1时停止实验，将秸秆发酵罐内发酵液全部用泵泵入接种物驯化罐内继续驯化后使用。实验过程中，每天测定产气量和甲烷含量。 [0063] 实施例2 [0064] 以实施例1的接种物驯化装置内的接种物继续进行本实验，所用接种物驯化装置和木质纤维原料高固体产甲烷系统同例1。首先，用猪场废水作为有机废水启动接种物驯化装置，在接种物驯化装置后依次连接3个秸秆高固体发酵罐，向每个秸秆发酵罐内加入干物质质量300g的麦秸(风干后切碎至2-3cm)，密封后于(37±1)℃下进行实验。待接种物驯化装置内接种物达到发酵罐总容积80％时一次性排出约2.7L接种物通过蠕动泵泵入第一个秸秆高固体发酵罐内，之后对发酵罐内接种物进行回流3天，回流方式同例1。之后由于没有外源有机废水，故接种物驯化装置无外源有机废水补充。待第1个秸秆发酵罐产气结束时，首先将发酵罐内发酵液全量泵回至接种物驯化装置内，之后向秸秆发酵罐内缓慢加入自来水1.5L，产生的渗滤液通过蠕动泵直接泵回至秸秆发酵罐顶部。如此连续回流约30min，将水洗液全量泵入接种物驯化装置内，同时向接种物驯化装置内加入自配的营养液(由葡萄糖、碳酸氢铵、过磷酸钾和少量微量元素组成)，每天向接种物驯化装置内补充少量营养液。1周后，从接种物驯化装置内一次性排出约2.7L接种物进入第2个秸秆发酵罐，其它操作同第一个发酵罐。待第2个秸秆发酵罐产气结束时，加入自来水清洗厌氧微生物，操作同第一个发酵罐，之后运行第3个发酵罐、第4个发酵罐。实验过程中，每天测定产气量和甲烷含量。 [0065] 本例中，秸秆发酵罐总运行期为55天，最大日产气量略低于例1，达到产气高峰所需要的时间较例1延长3-5天，3个发酵罐(第1个发酵罐不计入)内秸秆累积产气量平均为(302±18)mL，甲烷平均体积分数为55.44％±0.68％，3个装置产气平行性好，未出现酸化。 [0066] 以上结合附图对本实用新型进行了示例性描述。显然，本实用新型具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本实用新型的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。 |
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