一种干湿两步沼气发酵装置及方法

摘要

本发明涉及一种干湿两步沼气发酵装置及方法，该沼气发酵装置包括一级干发酵机构和二级湿发酵机构；一级干发酵机构包括填充有料液干发酵罐，填充有物料且浸泡在料液中的网箱，以及密封设置于网箱顶部的水封罩；干发酵罐的侧壁上分别设置有上排料管和第一导气管；二级湿发酵机构包括一体设置于干发酵罐底部并与之相连通的湿发酵罐，设置于湿发酵罐内并与循环热水相连通的换热器，以及悬空固定于湿发酵罐内的生物膜；湿发酵罐的侧壁上分别设置有第二导气管、出料管和下排料管。本发明能够为不同呼吸类型的菌群提供了适宜的兼性厌氧和全厌氧的良好的生存环境，而且还解决了污泥泵易堵塞的问题，缩短了纤维物料的降解时间，提高了发酵原料的利用率，增加了装置的容积产气率，提高了沼气中甲烷的含量。

权利要求

1.一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，它包括一级干发酵机构和二级湿发酵机构；

所述一级干发酵机构包括一填充有料液的干发酵罐，若干填充有物料且浸泡在所述料液中的网箱，以及若干密封设置于所述网箱顶部的水封罩；所述干发酵罐的侧壁下部设置有上排料管，所述干发酵罐的侧壁上部设置有第一导气管；

所述二级湿发酵机构包括一一体设置于所述干发酵罐底部并与之相连通的湿发酵罐，一设置于所述湿发酵罐内并与循环热水相连通的换热器，以及一悬空固定于所述湿发酵罐内的生物膜；所述湿发酵罐的侧壁上部分别设置有第二导气管和出料管，所述湿发酵罐的侧壁下部设置有下排料管；所述湿发酵罐的侧壁上还设置有水力搅拌管和沼气搅拌管，所述水力搅拌管经泵与所述出料管相连接，所述沼气搅拌管经压缩机与所述第二导气管相连接；

在所述干发酵罐和湿发酵罐的外部设置一空气夹层保温结构，所述空气夹层保温结构包括内层的空气夹层和外层的常规外保温层；其中，所述空气夹层的空隙厚度为3～5cm，所述空气夹层内设置竖向支撑和热风管，所述竖向支撑选用轻型工字钢或PVC材料，所述热风管的进风端连接热风机。

2.如权利要求1所述的一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，所述干发酵罐的上盖均匀开设有若干通孔，所述网箱由所述通孔插入并浸泡在所述干发酵罐内的料液中。

3.如权利要求1或2所述的一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，所述生物膜采用锦纶布制成，且所述锦纶布的微孔为80～120目，每层所述锦纶布的厚度为0.15～0.2mm，叠折4～6层。

4.如权利要求1或2所述的一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，所述干发酵罐内填充的料液为人、畜和/或禽粪便污水，所述网箱内填充的物料为秸秆、杂草、烂菜叶和/或厨余垃圾。

5.如权利要求1或2所述的一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，所述换热器上设置有进水管和出水管，所述进水管和出水管分别对应与设置在所述湿发酵罐外部的燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口相连接。

6.一种基于权利要求1到5任一项所述装置的干湿两步沼气发酵方法，其包括以下步骤：

1)将物料切碎后分别装入多个网箱内；

2)将稀释的料液提前加热到40℃后注入干发酵罐内；

3)将网箱浸泡在稀释的料液内，然后将水封罩分别盖在每个网箱顶部进行密封；

4)网箱内的物料在稀释的料液内水解、酸化和部分甲烷化以进行一级发酵，并将一级发酵产生的沼气通过第一导气管送入沼气收集装置；

5)一级发酵产生的料液流入湿发酵罐内，同时持续向换热器内通入循环热水为湿发酵罐内的料液提供适宜的温度，使湿发酵罐内的料液进行二级厌氧发酵，并将二级厌氧发酵产生的沼气通过第二导气管送入沼气收集装置；

6)待网箱内物料完成降解发酵后，通过人工或机械吊装的方法更换新的网箱。

7.如权利要求6所述的干湿两步沼气发酵方法，其特征在于，在进行所述步骤5)时，将一部分二级厌氧发酵产生的沼气通过压缩机和沼气搅拌管喷入湿发酵罐，同时将一部分料液经泵和水力搅拌管注入湿发酵罐，以保证二级湿发酵罐内料液的搅拌均匀。

说明书

一种干湿两步沼气发酵装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种沼气发酵装置及方法，具体涉及一种能够对高纤维富碳秸秆、厨余垃圾和富氮畜禽粪便等有机废弃物进行处理以制取沼气及有机肥的干湿两步沼气发酵装置及方法，属于沼气发酵技术领域。

背景技术

[0002] 随着我国新农村建设的快速发展，日益严重的生活垃圾污染令人担忧，生活餐余垃圾和秸秆任意堆放，牲畜粪便随处可见，生活污水直流地下，这些环境污染问题如果不尽快科学治理，将会严重影响社会主义新农村建设的进程。治理有机废弃物常用的方法是厌氧发酵，该方法可以变废为宝，即可以将有机废弃物经厌氧发酵生成沼气和沼渣液，沼气是一种可再生的新能源，沼渣液则可以作为有机肥或生产有机复合肥的基质。目前，常规的厌氧发酵装置一般采用全混式发酵罐(CSTR)，当前利用该装置所建沼气工程的通病和存在的问题是：将秸秆和畜禽粪便放入同一个发酵罐内进行厌氧发酵，一方面由于秸秆密度小，常易漂浮在发酵罐顶部，易造成物料顶部结壳或物料短路，而且容易导致污泥泵的堵塞；另一方面对于秸秆类高纤维的富碳原料在沼气发酵过程中需要先经过酸化阶段，酸化阶段适宜的菌群是兼性厌氧菌，而采用全混式沼气发酵装置试将所有物料厌氧发酵，这样导致了秸秆类物料的利用率的降低，致使容积产气率降低，加大了装置的建造成本，性价比差，不利于使用和推广。

发明内容

[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对高纤维富碳秸秆、厨余垃圾和富氮畜禽粪便等有机废弃物进行处理以制取沼气及有机肥的干湿两步沼气发酵装置及方法。

[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种干湿两步沼气发酵装置，其特征在于，它包括一级干发酵机构和二级湿发酵机构；所述一级干发酵机构包括一填充有料液的干发酵罐，若干填充有物料且浸泡在所述料液中的网箱，以及若干密封设置于所述网箱顶部的水封罩；所述干发酵罐的侧壁下部设置有上排料管，所述干发酵罐的侧壁上部设置有第一导气管；所述二级湿发酵机构包括一一体设置于所述干发酵罐底部并与之相连通的湿发酵罐，一设置于所述湿发酵罐内并与循环热水相连通的换热器，以及一悬空固定于所述湿发酵罐内的生物膜；所述湿发酵罐的侧壁上部分别设置有第二导气管和出料管，所述湿发酵罐的侧壁下部设置有下排料管。

[0005] 在一个优选的实施例中，所述干发酵罐的上盖均匀开设有若干通孔，所述网箱由所述通孔插入并浸泡在所述干发酵罐内的料液中。

[0006] 在一个优选的实施例中，所述湿发酵罐的侧壁上还设置有水力搅拌管和沼气搅拌管，所述水力搅拌管经泵与所述出料管相连接，所述沼气搅拌管经压缩机与所述第二导气管相连接。

[0007] 在一个优选的实施例中，所述生物膜采用锦纶布制成，且所述锦纶布的微孔为80～120目，每层所述锦纶布的厚度为0.15～0.2mm，叠折4～6层。

[0008] 在一个优选的实施例中，在所述干发酵罐和湿发酵罐的外部设置一空气夹层保温结构，所述空气夹层保温结构包括内层的空气夹层和外层的常规外保温层；其中，所述空气夹层的空隙厚度为3～5cm，所述空气夹层内设置竖向支撑和热风管，所述竖向支撑选用轻型工字钢或PVC材料，所述热风管的进风端连接热风机。

[0009] 在一个优选的实施例中，所述干发酵罐内填充的料液为人、畜和/或禽粪便污水，所述网箱内填充的物料为秸秆、杂草、烂菜叶和/或厨余垃圾。

[0010] 在一个优选的实施例中，所述换热器上设置有进水管和出水管，所述进水管和出水管分别对应与设置在所述湿发酵罐外部的燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口相连接。

[0011] 一种基于上述装置的干湿两步沼气发酵方法，其包括以下步骤：

[0012] 1)将物料切碎后分别装入多个网箱内；

[0013] 2)将稀释的料液提前加热到40℃后注入干发酵罐内；

[0014] 3)将网箱浸泡在稀释的料液内，然后将水封罩分别盖在每个网箱顶部进行密封；

[0015] 4)网箱内的物料在稀释的料液内水解、酸化和部分甲烷化以进行一级发酵，并将一级发酵产生的沼气通过第一导气管送入沼气收集装置；

[0016] 5)一级发酵产生的料液流入湿发酵罐内，同时持续向换热器内通入循环热水为湿发酵罐内的料液提供适宜的温度，使湿发酵罐内的料液进行二级厌氧发酵，并将二级厌氧发酵产生的沼气通过第二导气管送入沼气收集装置；

[0017] 6)待网箱内物料完成降解发酵后，通过人工或机械吊装的方法更换新的网箱。

[0018] 在进行所述步骤5)时，将一部分二级厌氧发酵产生的沼气通过压缩机和沼气搅拌管喷入湿发酵罐，同时将一部分料液经泵和水力搅拌管注入湿发酵罐，以保证二级湿发酵罐内料液的搅拌均匀。

[0019] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用干湿两步发酵装置和方法，将装有秸秆类高纤维的富碳发酵物料的网箱放置到填充有料液的干发酵罐中进行水解、酸化和部分甲烷化(一级发酵)，物料完成酸化过程后取出更换，保证了物料的兼性厌氧环境，增强了兼性厌氧菌的活性，缩短了物料的降解时间；然后将一级发酵完成后的料液通注入湿发酵罐内进行二级厌氧发酵，二级发酵罐满足完全厌氧的环境，增强了厌氧甲烷菌的活性，提高了料液的容积产气率。2、本发明采用干湿两步发酵装置，将秸秆类物料放置在网箱内，通过人工或机械的方法使其整进整出，避免了秸秆类发酵物料的上浮结壳，物料短路以及污泥泵的堵塞等问题，提高了发酵物料的利用率，增加了发酵装置的容积产气率，并且也提高了所产沼气中甲烷的含量。3、本发明的生物膜采用高强、高密、耐腐蚀、不降解的锦纶布制成，且锦纶布的微孔为80～120目，每层锦纶布的厚度为0.15～0.2mm，叠折4～6层，则其比表面积比硬聚乙烯菌床增大8～12倍，有利于截留和富集菌种，防止排料时菌种流失，提高菌群的附着和繁生能力及活性，同时死亡的菌体极易剥落，不影响新生菌群的附着与繁殖。4、本发明在干、湿发酵罐外设置由空气夹层和常规外保温层组成的空气夹层保温结构，并通过向空气夹层鼓入热风以保证干、湿发酵罐内温度恒定，产沼气连续稳定，提高容积产气率，相比传统发酵装置，该装置显著降低了能耗，节约了能源，降低了成本。5、本发明在湿发酵罐的侧壁上还设置有水力搅拌管和沼气搅拌管，将一部分料液和沼气注入湿发酵罐，以保证湿发酵罐内料液的搅拌均匀。6、本发明提供的干湿两步发酵装置能够实现组件装配化生产，安装便捷，能耗低，成本低，温度恒定，搅拌均匀，可广泛用于秸秆类纤维富碳物料和畜禽粪便类富氮物料的小型沼气发酵过程中。由此可见，本发明巧妙地解决了不同呼吸类型的菌群能在各自适宜的环境下生存，而不是将不同类型的发酵物料放置到同一个全混发酵罐内，全面提升了技术含量，充分满足其发酵的内因条件，提高了产气率，并尽量做到组件装配化，以利于工厂化生产，降低造价。

附图说明

[0020] 图1是本发明干湿两步沼气发酵装置的主视示意图；

[0021] 图2是本发明干湿两步沼气发酵装置的俯视示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

[0023] 如图1所示，本发明提供的干湿两步沼气发酵装置包括一级干发酵机构1和二级湿发酵机构2。

[0024] 如图1、图2所示，一级干发酵机构1包括一干发酵罐11、若干网箱12和若干水封罩13。其中，干发酵罐11内填充有料液，且干发酵罐11的上盖上均匀开设有若干通孔。网箱12内填充有物料，网箱12经通孔浸泡在干发酵罐11内的料液中，每一网箱12的顶部均设置一水封罩13进行密封。干发酵罐11的侧壁下部设置有上排料管14，干发酵罐11的侧壁上部设置有导气管15。

[0025] 二级湿发酵机构2包括一湿发酵罐21、一换热器22和一生物膜23。其中，湿发酵罐21一体设置于干发酵罐11底部，并通过设置在干发酵罐11侧壁下部的出料管16与干发酵罐
11相连通。换热器22设置在湿发酵罐21内，且换热器22上设置有连通热循环水的进水管221和出水管222。生物膜23则通过支架悬空固定在湿发酵罐22内。湿发酵罐22的侧壁上部分别设置有导气管24和出料管25，湿发酵罐22的侧壁下部设置有下排料管26。

[0026] 在一个优选的实施例中，湿发酵罐22的侧壁上还设置有水力搅拌管27和沼气搅拌管28，该水力搅拌管27经泵29与出料管25相连接，该沼气搅拌管28经压缩机20与导气管24相连接。

[0027] 在一个优选的实施例中，生物膜23采用高强、高密、耐腐蚀、不降解的锦纶布制成，且锦纶布的微孔为80～120目，每层锦纶布的厚度为0.15～0.2mm，叠折4～6层，则其比表面积比硬聚乙烯菌床增大8～12倍，有利于截留和富集菌种，防止排料时菌种流失，提高菌群的附着和繁生能力及活性，同时死亡的菌体极易剥落，不影响新生菌群的附着与繁殖。

[0028] 在一个优选的实施例中，还可以在干发酵罐11和湿发酵罐21的外部设置一空气夹层保温结构3，该空气夹层保温结构3包括内层的空气夹层31和外层的常规外保温层32。其中，空气夹层31的空隙厚度为3～5cm，空气夹层31内设置竖向支撑和热风管311，竖向支撑可选用轻型工字钢或PVC材料，热风管311的进风端连接热风机。常规外保温层32采用带护围彩钢板或喷涂发泡聚胺脂。空气夹层保温结构3的设置保证了干发酵罐11和湿发酵罐21内料液适宜温度的恒定，显著节约了能耗。

[0029] 在一个优选的实施例中，换热器22的进水管211和出水管212分别对应与设置在湿发酵罐21外部的燃气锅炉或热电联产机组内的余热水的出水口和进水口相连(图中未示出)，用于对湿发酵罐21内的料液提供适宜的温度。

[0030] 在一个优选的实施例中，干发酵罐11内填充的料液可以是人、畜和/或禽粪便污水等。

[0031] 在一个优选的实施例中，网箱12内填充的物料可以是秸秆、杂草、烂菜叶和/或厨余垃圾等。

[0032] 根据上述实施例中提供的干湿两步沼气发酵装置，本发明还提出了一种干湿两步沼气发酵方法，其包括以下步骤：

[0033] 1)将秸秆类物料切碎后分别装入多个网箱12内；

[0034] 2)将稀释的粪污类料液提前加热到40℃后注入干发酵罐11内；

[0035] 3)将网箱12经干发酵罐11上盖的通孔插入干发酵罐11内并浸泡在稀释的粪污类料液内，然后将水封罩13分别盖在每个网箱12顶部进行密封；

[0036] 4)网箱12内的秸秆类物料在稀释的粪污类料液内水解、酸化和部分甲烷化以进行一级发酵，并将一级发酵产生的沼气通过导气管15送入沼气收集装置，这样可以避免物料的上浮结壳以及短路，提高了产气率；

[0037] 5)一级发酵产生的料液经出料管16进入湿发酵罐21内，同时持续向换热器22内通入循环热水为湿发酵罐21内的料液提供适宜的温度，使湿发酵罐21内的料液进行二级厌氧发酵；

[0038] 6)将二级厌氧发酵产生的沼气通过导气管24送入沼气收集装置，另一部分则通过压缩机20和沼气搅拌管28喷入湿发酵罐21，同时开启泵29以将一部分料液经水力搅拌管27注入湿发酵罐21，以保证二级湿发酵罐2内料液的搅拌均匀；

[0039] 7)待网箱12内物料完成降解发酵后，通过人工或机械吊装的方法更换新的网箱12。

[0040] 上述各实施例仅用于对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。