气提对流循环厌氧消化反应器

摘要

本发明涉及一种气提对流循环厌氧消化反应器，该反应器整体为柱形罐体，所述反应器内竖向分隔为升流区发酵间和降流区发酵间，在升流区发酵间的底部安装进料管，升流区发酵间的顶面低于反应器料液面，并向上安装复数根气提管，气提管向上延伸，在降流区发酵间的中下部安装回流通道，在降流区发酵间的底部安装排渣管，回流通道的入口高于降流区发酵间排渣管，回流通道的出口连接升流区发酵间的底部。发酵物料从进料管注入升流区发酵间底部发酵并产生沼气，沼气带动料液上升并在顶面聚集，通过气提管将气料混合物提升后喷涌、反冲，实现了气体与料液的分离，同时实现了浮渣、泡沫的破碎、淋湿与厌氧菌再接种。具有机负荷高、厌氧消化完全、能耗低、产气量大等特点。

权利要求

1.一种气提对流循环厌氧消化反应器，其特征在于：所述反应器内竖向分隔为升流区发酵间（3）和降流区发酵间（5），在升流区发酵间（3）的底部安装进料管（1），升流区发酵间（3）的顶面低于反应器料液面，并向上安装复数根气提管（4），气提管（4）向上延伸，其出口低于反应器料液面50cm以内或者直接高于反应器料液面，在降流区发酵间（5）的中下部安装复数条回流通道（6），在降流区发酵间（5）的底部安装排渣管（8），回流通道（6）的入口高于降流区发酵间排渣管（8），回流通道（6）的出口连接升流区发酵间（3）的底部，在所述气提管（4）的出口安装反冲部用于料液的反冲，反冲部为折流帽（11）或为100°～180°弯头。

2.根据权利要求1所述的气提对流循环厌氧消化反应器，其特征在于：在所述反应器上设置沼气泵（16）及配气管（13），配气管（13）位于升流区发酵间（3）下部。

3.根据权利要求1所述的气提对流循环厌氧消化反应器，其特征在于：在所述升流区发酵间（3）的底部设置沉沙沟（14）和升流区发酵间排渣管（15）。

4.根据权利要求1所述的气提对流循环厌氧消化反应器，其特征在于：在所述反应器上安装温度传感器和保温层，在升流发酵间（3）和降流发酵间（5）的间隔上设置换热器（9），或通过配气管（13）向反应器中注入蒸汽进行加温。

说明书

气提对流循环厌氧消化反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及有机物厌氧处理与沼气发生技术领域，具体是一种气提对流循环厌氧消化反应器，可用于有机废弃物或能源作物的厌氧消化处理并生产沼气。

背景技术

[0002] 厌氧消化反应是有机物被厌氧菌在厌氧条件分解产生沼气的过程。沼气中一般含甲烷50～70%，可以直接作为燃料、化工原料使用，也可以提纯甲烷后作为天然气进行利用。因厌氧消化反应温和、转化率高，能有效处理并利用多种复杂有机物，而广泛应用于生活和工农业有机废弃物的处理上，同时厌氧消化制取沼气作为生物质能源高效率的转化方式，越来越受到人们的重视。例如德国到2009年底，共有约1000个沼气企业，5000处大中型沼气工程在生产运行，沼气发电占德国用电量的2.3%，并计划到2020年将建成12000个沼气工程，装机总量为4800MW，使沼气发电将占全德国发电总量的7.5%；在瑞典2006年车用提纯沼气的量就已经超过常规天然气了，到2007年提纯沼气驱动的车达1.5万辆；我国到2010年底，已经建成大中型沼气4700处，建设沼气提纯工程十余处。

[0003] 厌氧消化反应器是沼气工程的核心设备，其造价、能耗和消化效率是决定沼气工程项目可行性的关键因素,根据厌氧消化物料的特点进行反应器的研究与创新，是有机物厌氧消化领域的重点。厌氧消化能有效处理并利用多种复杂有机物，但所发酵物料例如餐厨垃圾、禽畜粪便、作物秸秆等成分复杂，其不同组份比重不同、可生化性不同，需要发酵的时间也长短不一，特别是发酵物料中如果混合了植物秸秆等高纤维比例的物料，很容易造成分层与浮渣结壳。厌氧反应器中分层通常表现为，由上至下依次第一层是浮渣层，是一些难溶于水的原料，细菌少，有机物得不到消化。如果浮渣太厚、干燥，会结壳，如果发酵物总固体浓度大，粘稠度高时还会产生大量泡沫，两者都会影响沼气进入气室并严重影响发酵进程。比较有效的解决方法是对浮渣进行破碎、湿润与厌氧微生物的再接种；第二层是上清液，其原料浓度稀，厌氧菌少；第三层是活性层，含大量发酵残余物；第四层是沼渣层，为物料中发酵充分的熟料与泥沙等比重较大的物质。这种情况下厌氧微生物只限于在活性层较为旺盛，而其它层或因可被利用的原料缺乏，或因条件不适宜微生物的活动，使厌氧消化效率降低。

[0004] 公知为解决发酵物料在厌氧反应器中分层与浮渣结壳，人们采用机械搅拌、沼气搅拌或整体推流等措施来促进微生物与原料的接触。常见的厌氧消化反应器有完全混合式反应器（CSTR)、塞流式反应器(PFR)与升流式厌氧污泥床反应器(UASB)等。完全混合式反应器是目前应用最多的反应器类型，如德国大中型沼气工程中约90%为立式完全混合反应器，其通过安装机械装置进行搅拌。这增加了成本，提高了能耗，搅拌装置通过消化反应器的轴承密封也容易产生气密性问题，而且完全混合往往造成部分活性污泥与未发酵完成的物料一同排出，降低了有机物的处理率与沼气的生产量。塞流式反应器通过料液整体推流的方式强化传质效应，其抗环境冲击性强，成本与能耗较低，但也存在着（1）需要固体和微生物的回流作为接种物；（2）反应器面积/体积比较大，反应器内难以保持一致的温度；（3）易产生厚的结壳等方面的缺点。 升流式厌氧污泥床反应器利用了物料厌氧消化产生的沼气进行搅拌，但反应器上部需要设置气、固、液三相分离器，反应器底部需设置均匀布水系统，在水力负荷较高或SS负荷较高时易流失固体和微生物，所以建造成本高，运行技术要求高，且对发酵料有严格的干物质浓度限制。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种气提对流循环厌氧消化反应器。

[0006] 本发明目的的实现是将反应器分隔为升流区发酵间和降流区发酵间，升流区发酵间与降流区发酵间通过气提管和回流通道相连。反应器利用沼气浮力、气提效应与气提产生的压力差三者协同，使反应器的升流区发酵间和降流区发酵间形成升、降流的对流循环；发酵料液在升流区接近于完全混合，而降流区接近于推拉式，整个反应器形成了完全混合与推流式的循环串联，从而实现低能耗匀质搅拌，提高了传质效应和有机负荷。同时通过气提管将升流区发酵物料提升至反应器顶部后喷涌与反冲，实现沼气与料液相分离，实现了浮渣、泡沫的自动破碎、淋湿与厌氧菌再接种，且厌氧消化反应器结构简单紧凑厌氧消化效果好，沼气产量大。

[0007] 本发明的技术方案是：本发明的技术方案是：反应器整体为立式柱形罐体，可以是圆柱形也可以是矩形；所述反应器内竖向分隔为升流区发酵间和降流区发酵间，在升流区发酵间的底部安装进料管，升流区发酵间的顶面低于反应器料液面，并向上安装复数根气提管，气提管向上延伸，其出口可低于反应器料液面50cm以内或者直接高于反应器料液面，并在气提管的出口安装折流帽或安装100°～180°弯头用于料液的反冲；在降流区发酵间的中下部安装复数条回流通道，在降流区发酵间的底部安装排渣管，回流通道的入口高于降流区发酵间排渣管，回流通道的出口连接升流区发酵间的底部。

[0008] 本发明，其发酵物料由进料管注入反应器升流区发酵间，发酵并产生沼气，沼气带动料液上升并在顶面聚集，通过气提管将气料混合物提升至降流区发酵间上部，物料从气提管涌出，经折流帽或弯头折流反冲，冲淋顶层浮渣，沼气与料液分离并同时完成顶层浮渣、泡沫的破碎、淋湿与再接种，促使浮渣层有机物达到有效发酵。物料于降流区发酵间继续发酵，并在重力与回流通道回吸的双重作用下，向下运动。回流通道入口位置高于降流区发酵间排渣管，物料中发酵充分的熟料稳定性强、比重较大，更多的在降流区发酵间底部沉积，并通过降流区发酵间排渣管排出。发酵不充分的生料与活性菌体密度较小，更多的通过回流通道进入升流区发酵间底部，并冲击、搅拌、接种新进物料。如此不断发酵产生沼气，升流区发酵间和降流区发酵间形成升、降流的对流循环。

[0009] 本发明，所述反应器可安装沼气泵和配气管，沼气泵位于反应器罐体外，配气管位于升流区发酵间下部，反应过程中要求加大对流循环强度时，可通过沼气泵经配气管泵入沼气，提高升流区发酵间中沼气量。

[0010] 本发明，所述反应器在处理鸡粪等泥沙含量大的有机废弃物时，为防止升流区发酵间泥沙等比重较大的物质淤积，可在反应器底部设置沉沙沟和升流区发酵间排渣管。

[0011] 本发明，所述反应器为控制发酵过程的温度，在厌氧消化反应器上安装温度传感器和保温层,在升、降流发酵间间隔上设置换热器,也可以通过配气管向反应器中注入蒸汽进行加温。

[0012] 本发明的有益效果是:

[0013] （1）物料于气提对流循环厌氧消化反应器升流区和降流区对流循环，在升流区接近于完全混合，而降流区接近于推流式，整个反应器形成了完全混合与推流式的循环串联，从而提高传质效应和有机负荷，克服反应器通常的反混、沟流现象。反应器有机负荷高、厌氧消化完全、产气量大，尤其适宜餐厨垃圾、禽畜粪便、作物秸秆、污水厂污泥等高固体有机物的厌氧消化；

[0014] （2）反应器利用了沼气的浮力，省去了机械搅拌装置，降低了成本，提高了可靠性并具有节能的效果。利用气提管将发酵物料提升至反应器顶部后反冲，实现了气体与料液的分离，实现了浮渣、泡沫的自动破碎、淋湿与厌氧菌再接种，解决了分层、浮渣结壳与料液泛起泡沫等问题；

[0015] （3）反应器抗冲击性强，对所发酵物料总固体浓度适宜跨度大，这既扩展了可应用范围，又降低在具体工程中原料含水率的调配成本。反应器可实现大高径比，且结构简单紧凑，制造、安装、维修方便，占地少投资省适合规模化生产。

附图说明

[0016] 图1是实施例的立面剖视结构示意图；图2、图3分别是实施例罐体为圆柱体时图1的A-A、B-B剖视图。图4、图5分别是实施例罐体为矩形柱体时图1的A-A、B-B剖视图。

[0017] 图中，1、进料管 2、柱形罐体 3、升流区发酵间 4、气提管 5、降流区发酵间 6、回流通道 7、排气管 8、降流区发酵间排渣管 9、换热器 10、折流帽支架 11、折流帽 12、气提管支架 13、配气管 14、沉渣沟 15、升流区发酵间排渣管 16、沼气泵。

具体实施方式

[0018] 下面结合附图对本发明作进一步描述：

[0019] 参照图1-图5，一种气提对流循环厌氧消化反应器，由进料管1、柱形罐体2、升流区发酵间3、气提管4、降流区发酵间5、回流通道6、排气管7、降流区发酵间排渣管8、换热器9、折流帽支架10、折流帽11、气提管支架12、配气管13、沉渣沟14、升流区发酵间排渣管15、沼气泵16构成。

[0020] 本实施例，在反应器柱形罐体2内竖向分隔为升流区发酵间3和降流区发酵间5，升流区发酵间3底部安装进料管1、配气管13并设置沉沙沟14，配气管13连接罐体外沼气泵16，沉沙沟14端口安装升流区发酵间排渣管15。升流区发酵间3的顶面低于反应器料液面，并向上安装复数根气提管4，气提管4向上延伸，其出口高于反应器料液面，气提管4的出口安装折流帽支架10和折流帽11，用于料液的反冲，在其它的实施例中，折流帽11也可以由100°～180°弯头所代替，在降流区发酵间5的中下部安装复数条回流通道6，在降流区发酵间5的底部安装排渣管8，回流通道6的入口高于降流区发酵间排渣管8，回流通道6的出口连接升流区发酵间3的底部。反应器罐体的剖面是圆柱形或者矩形，本实施例不作限定。

[0021] 其工作原理是：将需发酵物料从进料管1注入柱形罐体2的升流区发酵间3发酵并产生沼气，沼气带动料液上升并在顶面聚集，升流区发酵间3的顶面低于反应器的料液面，气料混合物通过气提管4进一步提升至降流区发酵间5上部，物料从气提管涌出，经折流帽11或弯头折流反冲，冲淋顶层浮渣，沼气与料液分离，并同时完成顶层浮渣的破碎、淋湿与厌氧菌再接种，促使浮渣层有机物有效发酵。物料于降流区发酵间继续发酵，并在重力与回流通道6的回吸双重作用下，向下运动。回流通道入口高于降流区发酵间排渣管8，物料中发酵充分的熟料稳定性强比重较大，更多的在降流区发酵间底部沉积，并通过降流区发酵间排渣管8排出。发酵不充分的生料与活性微生物体密度较小，更多的通过回流通道6进入升流区发酵间3底部，并冲击、搅拌、接种新进物料。如此往复形成升流发酵间与降流发酵间的对流循环，不断产生沼气。沼气在反应器顶部聚集由排气管7输出进行利用。

[0022] 当所发酵物料可生化性差、总固体浓度高，反应过程中要求加大对流搅拌强度时，可通过沼气泵16经配气管13泵入沼气，提高升流区发酵间3中沼气量，强化搅拌。

[0023] 当发酵物料中泥沙等比重较大的无机物无法通过沼气带动上升时，会沉积在反应器升流区发酵间3底部沉沙沟14中，可通过升流区发酵间排渣管15，在泥沙淤积时排出。

[0024] 为了控制发酵过程的温度，在反应器上安装温度传感器和保温层，在反应器升流发酵间3和降流发酵间5的间隔上设置换热器9。

[0025] 虽然所述实施例中气提对流循环厌氧消化反应器降流区发酵间5为左右对称的两个，但并不限定气提对流循环厌氧消化反应器降流区发酵间5为左右对称的两个。

[0026] 以上所述仅为本发明的具体实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。