一种好氧-厌氧联合固态发酵装置及发酵方法

摘要

本发明涉及一种用于工业生物质废物干燥/堆肥的固态好氧-厌氧联合发酵装置，所述装置包括位于中央的固态厌氧发酵床以及固态厌氧发酵床外围的固态好氧发酵床，两者之间以导热板隔开；固态厌氧发酵床底部设有厌氧污泥回流系统，顶部设有产气收集系统，与动力供热系统连接。本发明还提供一种利用以上装置的好氧-厌氧联合固态发酵方法。本发明充分利用好氧发酵过程的发热量来供应另外部分原料厌氧发酵的热耗，实现了工业生物质废物全量干燥或肥料化。本发明具有适用范围广、全量化处理物料、无二次污染、环境适应性强、资源化效果显著等优点。

权利要求

1.一种好氧-厌氧联合固态发酵装置，包括位于中央的固态厌氧发酵床（2）以及固态厌氧发酵床（2）外围的固态好氧发酵床（1），其特征在于，两者之间以导热板隔开，所述固态厌氧发酵床（2）底部设有厌氧污泥回流系统（9），自下而上穿过固态厌氧发酵床（2），其末端分为两路，分别接入固态厌氧发酵床（2）与固态好氧发酵床（1），所述固态厌氧发酵床（2）顶部设有产气收集系统（6），与动力供热系统（8）连接；所述动力供热系统（8）的供热管道自下而上穿过固态厌氧发酵床（2），并均匀分布于固态厌氧发酵床（2）的内壁周边。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固态厌氧发酵床（2）与固态好氧发酵床（1）底部设有支撑结构（15）。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述厌氧污泥回流系统（9）包括厌氧污泥回流管（10）、污泥泵（11）和厌氧污泥排放管（12）。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固态厌氧发酵床（2）顶部设有进料口，底部设置为锥形，与厌氧污泥排放管（12）相连通。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固态好氧发酵床（1）包括进料及接种区（4）、底部出料口（3）及发酵床上沿的好氧发酵床搅拌系统（7）。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述好氧发酵床搅拌系统（7）的平台（21）上设置有锯齿凹槽轨道（20），所述平台（21）与一水平行走轮（17）轴连接；所述水平行走轮（17）由水平行走电机（19）驱动可沿锯齿凹槽轨道（20）水平行走；所述平台（21）下沿设有刮板搅拌器（24），由搅拌电机（16）驱动；平台（21）底部安装有导向轮（22）。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述水平行走电机（19）和搅拌电机（16）均固定在搅拌系统平台（21）上。

8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述刮板搅拌器（24）上端通过刮板支撑架（23）连接到搅拌系统平台（21），下端通过升降索（26）在前方连接到搅拌系统平台（21）上；刮板搅拌器（24）上设置有多个齿状钩（25）。

9.一种好氧-厌氧联合固态发酵方法，所述方法采用如权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，包括以下步骤：

1）启动固态好氧发酵

将已接种的物料经进料及接种区（4）放入固态好氧发酵床（1）中进行好氧发酵，待发酵完成之后，从底部出料口（3）排出，然后放入新鲜物料，并按接种比0.2～0.3从已经完成好氧发酵的物料中取出一定量与之混合接种，开始新的好氧发酵过程，随后用刮板搅拌器（23）将放入的物料前推，重复进料接种过程，直至完成整个好氧发酵床（1）中物料的更换，固态好氧发酵床（1）开始正常运行；

2）启动固态厌氧发酵

固态好氧发酵床（1）正常启动之后，将已接种的物料由进料口（5）放入固态厌氧发酵床（2），待发酵完成之后，由厌氧污泥回流系统（9）转移厌氧发酵产物到好氧发酵床（1）的进料及接种区（4），作为部分待好氧发酵的物料或接种物，同时补充新鲜物料到固态厌氧发酵床（2），如此反复，直至完成整个固态厌氧发酵床（2）中物料的更换并开始正常运行； 固态厌氧发酵床（2）中产生的沼气经产气收集系统（6）输送和净化之后，供给动力供热系统（8）燃烧，产生水蒸气，为好氧发酵床搅拌系统（7）提供能耗，残余水蒸气则可用于加热动力供热系统（8）的供热管道。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述启动固态好氧发酵步骤中的接种比为

0.25。

说明书

一种好氧-厌氧联合固态发酵装置及发酵方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种可用于生物质废弃物干燥或堆肥的好氧-厌氧联合固态发酵的装置及发酵方法，属于废物资源化应用领域。

背景技术

[0002] 固态发酵是微生物在没有或基本没有游离水的固态基质上的发酵方式，固态基质中气、液、固三相并存，即多孔性的固态基质中含有水和水不溶性物质同。与液态发酵相比，固态发酵有以下优点：1、水分活度低，基质水不溶性高，微生物易生长，酶活力高，酶系丰富；2、发酵过程粗放，不需严格无菌条件；3、设备构造简单、投资少、能耗低、易操作；4、后处理简便、污染少，基本无废水排放。

[0003] 在发酵技术领域，相对于液态发酵，固态发酵因其传统技术存在的诸多弊端逐渐被克服，优势越来越明显，正日益受到广泛的关注，特别在应用于废弃生物质资源化方面。

[0004] 其中，固态厌氧发酵目前已经成为生物质特别生物质废弃物能源化的一个热点技术：厌氧发酵过程是厌氧微生物对生物质的还原分解作用，其产物是一种高效、清洁能源，即以甲烷为主要成分的沼气。一般来说，厌氧微生物的活动和还原过程需要消耗热量，通常由燃烧部分产生的沼气来供应。另外一种固态发酵技术——固态好氧发酵则是好氧微生物对有机物的氧化作用，生物质成分分解成腐殖质的过程中缓慢释放热量，通常以搅拌、通风等方式加以冷却，发酵物料的水分逐渐被蒸发，物料得以干燥。固态好氧发酵常直接用于生物质废弃物堆肥，或用做经浓缩处理后的厌氧发酵污泥堆肥技术(即固态厌氧发酵-好氧堆肥技术)，目前已经在生物质废弃物如城市生活垃圾的处理上得以广泛地成功地应用。因具有操作温度低、能耗低、效果显著等优点，固态好氧发酵常作为生物质废物利用的关键环节干燥的首选技术，受到生物质行业众多企业的青睐。

[0005] 但是，以生产沼气能源化为主要目的固态厌氧发酵过程会产生高含水的污泥，一般需经浓缩后才能进行固态好氧发酵干燥/堆肥，而浓缩过程通常会产生大量高含有机物的废水，需要专门的污水处理设施来进行处理，这一问题导致其在很多场合尤其是有环保要求但不适宜建设污水处理设施的中小企业内部不易实现；而好氧发酵干燥/堆肥过程通常需要机械方式(如搅拌、鼓风)来均化物料、释放热量，其结果是，一方面是低品位热量的浪费(低温热量的释放)，一方面则是对高品位能耗的需求(用于驱动机械运动)。因此，充分发挥固态厌氧发酵和固态好氧发酵各自的特点，最大程度地避免或平衡它们的不利方面，将大大提高固态发酵技术的综合效益和实用性。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种可用于轻工业生物质废弃物实现干燥进而利于其后续资源化、或直接用作堆肥制取有机肥料的固态好氧-厌氧联合发酵装置及发酵方法。

[0007] 本发明的目的之一在于提供一种好氧-厌氧联合固态发酵装置，包括位于中央的固态厌氧发酵床以及固态厌氧发酵床外围的固态好氧发酵床，两者之间以导热板隔开，可以充分利用固态好氧发酵过程产生的低品位热量，通过良好的热传导为固态厌氧发酵过程提供热量；所述固态厌氧发酵床底部设有厌氧污泥回流系统，自下而上穿过固态厌氧发酵床，其末端分为两路，分别接入固态厌氧发酵床与固态好氧发酵床，污泥主要被好氧干燥/堆肥外，部分用于厌氧发酵过程的接种和搅拌；顶部设有产气收集系统，与动力供热系统连接；所述动力供热系统的供热管道自下而上穿过固态厌氧发酵床，并均匀分布于固态厌氧发酵床的内壁周边。

[0008] 本发明所述固态厌氧发酵床与固态好氧发酵床底部设有支撑结构。

[0009] 本发明所述厌氧污泥回流系统包括厌氧污泥回流管、污泥泵和厌氧污泥排放管。

[0010] 本发明所述固态厌氧发酵床顶部设有进料口，底部设置为锥形，利于污泥的排出，与厌氧污泥排放管相连通。

[0011] 所述固态好氧发酵床包括进料及接种区、底部出料口及发酵床上沿的好氧发酵床搅拌系统。其中，所述好氧发酵床搅拌系统的平台上设置有锯齿凹槽轨道，所述平台与一水平行走轮轴连接；所述水平行走轮由水平行走电机驱动可沿锯齿凹槽轨道水平行走；所述平台下沿设有刮板搅拌器，由搅拌电机驱动；平台底部安装有导向轮。所述水平行走电机和搅拌电机均固定在搅拌系统平台上。

[0012] 所述刮板搅拌器上端通过刮板支撑架连接到搅拌系统平台，下端通过升降索在前方连接到搅拌系统平台上；刮板搅拌器上设置有多个齿状钩。

[0013] 好氧发酵床搅拌系统布置了带齿刮板搅拌器，能实现物料的上下翻转、彻底的混合；好氧发酵床搅拌系统布置了升降索，用于调节搅拌的高度，也起到分散了刮板支撑架受力的作用；好氧发酵床搅拌系统采用凸齿状行走轮和锯齿凹槽轨道，能推动发酵物料水平行走，便于进料和出料，并控制物料的搅拌强度与停留时间。

[0014] 本发明的另一目的在于提供一种好氧-厌氧联合固态发酵方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0015] 1)启动固态好氧发酵

[0016] 将已接种的物料经进料及接种区放入固态好氧发酵床中进行好氧发酵，待发酵完成之后，从底部出料口排出，然后放入新鲜物料，并按接种比0.2～0.3从已经完成好氧发酵的腐料中取出一定量与之混合接种，开始新的好氧发酵过程，随后用刮板搅拌器将放入的物料前推，重复进料接种过程，直至完成整个好氧发酵床中物料的更换，固态好氧发酵床开始正常运行；

[0017] 2)启动固态厌氧发酵

[0018] 固态好氧发酵床正常启动之后，将已接种的物料由进料口放入固态厌氧发酵床，待发酵完成之后，由厌氧污泥回流系统转移厌氧发酵产物到好氧发酵床的进料及接种区，作为部分待好氧发酵的物料或接种物，同时补充新鲜物料到固态厌氧发酵床，如此反复，直至完成整个固态厌氧发酵床中物料的更换并开始正常运行；

[0019] 固态厌氧发酵床中产生的沼气经产气收集系统输送和净化之后，供给动力供热系统燃烧，产生水蒸气，为好氧发酵床搅拌系统提供能耗，残余水蒸气则可用于加热动力供热系统的供热管道。

[0020] 所述启动好氧发酵步骤中的接种比优选为0.25。

[0021] 与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

[0022] 本发明所涉及的装置实现了固态好氧-厌氧发酵的有机联合，充分利用固态好氧发酵过程产生的低品位热量，通过良好的热传导为固态厌氧发酵过程提供热量，而厌氧发酵产生的沼气通过在加热保暖系统的锅炉内燃烧，产生高温水蒸气，驱动蒸汽发电机发电，以供应好氧发酵过程的机械能耗，剩余蒸汽则可加热回流管道，通过供热管道补充厌氧发酵过程的额外热耗及极端低温条件下装置的保暖。通过合理的发酵床结构设计和优化的物料的投放比例，使得厌氧发酵过程产生的高含水污泥能全量添加到好氧发酵物料中一起被好氧发酵过程完全消化，从而彻底避免了二次废水的排放。

[0023] 本装置及相应的技术方案能适应产生生物质废物的各类场所，无需额外的能耗，甚至产生富余电能，环境适应性强，无二次污染。特别是对于追求残余生物质资源化的中小型轻工生物质企业，该装置能作为一种高效、低能耗的生物质干燥设备，为生物质废物后续实现包括堆制有机肥在内的多种资源化过程提供支持。

附图说明

[0024] 附图1为本发明好氧-厌氧联合固态发酵装置俯视图；

[0025] 附图2为图1A-A向剖面示意图；

[0026] 附图3本发明好氧发酵床搅拌系统结构示意图。

[0027] 图中：

[0028] 1-固态好氧发酵床、2-固态厌氧发酵床、3-好氧发酵床出料口、4-好氧发酵床进料及接种区、5-厌氧发酵床进料口、6-厌氧发酵床产气收集系统、7-好氧发酵床搅拌系统、8-动力供热系统、9-厌氧污泥回流系统、10-厌氧污泥回流管、11-污泥泵、12-厌氧污泥排放管、13-好氧生物质废物原料、14-厌氧生物质废物原料、15-支撑结构、16-搅拌电机、
17-水平行走轮、18-皮带、19-水平行走电机、20-锯齿凹槽轨道、21-搅拌系统平台、22-导向轮、23-刮板支撑架、24-刮板搅拌器、25-齿状钩、26-升降索

[0029] 下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。

具体实施方式

[0030] 为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

[0031] 一种好氧-厌氧联合固态发酵装置，包括位于中央的固态厌氧发酵床2以及固态厌氧发酵床2外围的固态好氧发酵床1，两者之间以传热良好的导热板(如铁板、铝板或铜板等)隔开，可以充分利用固态好氧发酵过程产生的低品位热量，通过良好的热传导为固态厌氧发酵过程提供热量。

[0032] 所述固态厌氧发酵床2顶部设有进料口5，底部设置为锥形，与厌氧污泥排放管12相连通。

[0033] 本发明所述的固态厌氧发酵床2底部设有厌氧污泥回流系统9包括厌氧污泥回流管10、污泥泵11和厌氧污泥排放管12，自下而上穿过固态厌氧发酵床2，其末端分为两路，一路到固态厌氧发酵床2顶部，一路到好氧发酵床1上边沿(好氧发酵床进料及接种区4)，污泥主要被好氧干燥/堆肥外，部分用于厌氧发酵过程的接种和搅拌；顶部设有产气收集系统6，用于收集厌氧发酵过程产生的沼气，与动力供热系统8的锅炉连接；所述动力供热系统8包括沼气锅炉及供热管道、蒸汽发电机及线路、热交换器、发酵床外保温层、管道保温层等，供热管道自下而上穿过固态厌氧发酵床，并均匀分布于固态厌氧发酵床2的内壁周边。

[0034] 所述固态厌氧发酵床2与固态好氧发酵床1底部设有支撑结构15，例如立柱形式。

[0035] 所述固态好氧发酵床1包括进料及接种区4、底部出料口3及发酵床上沿的好氧发酵床搅拌系统7。

[0036] 好氧发酵床搅拌系统7的核心部件包括搅拌电机16、水平行走轮17、水平行走电机19、锯齿凹槽轨道20、搅拌系统平台21、刮板搅拌器24。搅拌系统平台21通过轴承与能转动的水平行走轮17轴连接，水平行走电机19和搅拌电机16均固定在搅拌系统平台21上，水平行走轮17和刮板搅拌器24分别由水平行走电机19和搅拌电机16通过皮带18来驱动，实现在安置于固态好氧发酵床1上沿的锯齿凹槽轨道20上的水平行走及在固态好氧发酵床1中对物料的搅拌，刮板搅拌器24上安置多个齿状钩25，能将前方底部的物料翻转到后方顶部，刮板搅拌器24上端通过刮板支撑架23连接到搅拌系统平台21，起到支撑作用，下端通过升降索26在前方连接到搅拌系统平台21上，减轻刮板搅拌器24对刮板支撑架23的扭力，调节升降索26长度可改变搅拌物料的深度。导向轮22安装在搅拌系统平台21底部，并卡在底部开槽的锯齿凹槽轨道20下端，可引导方向使其绕环形轨道行走。

[0037] 本发明还提供了一种好氧-厌氧联合固态发酵方法：

[0038] 设发酵装置设计、运行参数如下：

[0039] V1＝(1+R1)Q1*T1/ρ1

[0040] V1-固态厌氧发酵床有效体积，m3；R1-厌氧发酵回流比，Q1-厌氧发酵负荷量，t/d；3
T1-厌氧发酵周期，d；ρ1-厌氧发酵物料密度，t/m。

[0041] V2＝(1+R2)Q2*T2/ρ2

[0042] V2-固态好氧发酵床有效体积，m3；R2-好氧发酵接种比，Q2-好氧发酵负荷量，t/d；3
T2-好氧发酵周期，d；ρ2-好氧发酵物料密度，t/m。

[0043] 将总体积V2的已接种待好氧处理的物料经好氧发酵床进料及接种区4放入固态好氧发酵床1中，进行好氧发酵，待好氧发酵周期T2天发酵完成之后，第T2+1天从好氧发酵床出料口3排出负荷量Q2的物料，然后放入负荷量Q2的新鲜的待好氧处理的物料，并从余下的已经完成好氧发酵的腐料中取出R2*Q2与之进行混合接种，开始新的好氧发酵过程，第T2+2天用刮板搅拌器23将前一天放入的物料前推，并重复进料接种过程，直至第2T2天完成整个好氧发酵床中物料的更换，固态好氧发酵床1开始正常运行。

[0044] 发酵的过程中，好氧发酵床搅拌系统7除了前推物料的过程中，也完成物料的适度强度的上下翻动，以便于供氧和散热。物料的前推与搅拌可通过调节水平行走电机19与搅拌电机16的转速比来确定，存在一个平衡比值，在此比值状态下运行，好氧发酵床搅拌系统7水平行走距离内的物料刚好能被刮板搅拌器24从前方翻转到后方，当大于此平衡比值时，物料被向前推移，而小于此比值时，刮板搅拌器24出现一定程度的空载。这一比值与好氧发酵物料的堆放高度有关。

[0045] 固态好氧发酵床1正常启动之后，按以下程序启动固态厌氧发酵床2：将体积V1的已完成接种的待厌氧发酵处理的物料由厌氧发酵床进料口5放入固态厌氧发酵床2，厌氧发酵周期T1天发酵完成之后，第T1+1天由厌氧污泥回流系统9转移厌氧发酵发酵产物(负荷量Q1)到好氧发酵床1的进料及接种区4，作为部分待好氧发酵的物料或接种物，同时补充新鲜待厌氧发酵处理的物料(负荷量Q1)到固态厌氧发酵床2。如此反复，直至第2T1天后完成整个固态厌氧发酵床2中物料的更换并开始正常运行。

[0046] 固态厌氧发酵床2中产生的沼气经发酵床产气收集系统6输送和净化之后，供给动力供热系统8的锅炉内燃烧，产生水蒸气，以驱动蒸汽发电机，可为好氧发酵床搅拌系统提供能耗，蒸汽发电机出口残余水蒸气则可用于加热动力供热系统8的供热管道，补充低温条件下发酵过程的热耗和装置的热损，进而维持整个系统独立、稳定地运行。

[0047] 申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及发酵方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及发酵方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及发酵方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。