专利名称：：利用高速粉碎机提高沼气产率的方法
技术领域：
：人类发现沼气并利用其为人类服务的历史相当久远。沼气的发酵是多种微生物联合作用的结果，在厌氧的条件下使各种有机质最终转化成沼气。沼气的发酵分为三个阶段，一是各种有机质液化；二是产氢产酸；三是产甲垸。沼气是一种混合气体，其中主要成分是甲烷(CH4)，占总体积的50%70%，其次是二氧化碳(C02)，占25%45%。除此之外，还含有少量的氮(N2)、氢(H2)、氧(02)、氨(NH4)、一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)等气体。在自然界和社会生产中，可用于生物沼气的生物质资源丰富，这些常用的生物沼气资源包括如下※污水处理厂的一级处理污泥，二级处理污泥；※屠宰场，食品加工〗一的废物；※城市废物，包括家庭的有机垃圾，饭馆的有机垃圾，菜市场的有机垃圾，植物垃圾；※养殖场的废物，如猪粪，牛粪，鸡粪等；※农业副产品，如玉米，蔗糖的弃渣，腐烂的废弃蔬菜和水果；※林业副产品，如鋸木j一和林业运作的殘渣；※江湖的蓝藻，藻类，浮萍，水生植物，以及海洋的藻类，浒苔等。在石油资源日益枯竭的状况下，使用生物能源将成为未来的重要产业。
背景技术：
：沼气发酵涉及要求不同基质条件的各种菌群交替联合作用发酵产生甲垸。但甲烷菌与非甲烷菌生长所需的pH不同，对氧气的需求不同，生长速度也不一样，所以沼气制取工程通常可分为单相式发酵和双相式发酵工艺。单相式发酵工艺是采用一个罐体，产氢和产甲烷同时进行。双相式发酵工艺是采用二个发酵罐，第一个为小罐，主要通过兼性厌氧微生物把复杂有机物降解为基本结构单元或简单有机酸醇等，再由产氧产乙酸细菌将其转化为氢气、乙酸和二氧化碳等。第二个为大罐，通过甲垸细菌的作用将乙酸(包括甲酸)、二氧化碳和氢气等转化为甲垸。除此之外，还有干式发酵与湿式发酵工艺，干式发酵的总固体浓度TS以25%30%为宜，TS浓度越高，产气量也越高。湿式发酵工艺中有效干物质含量约为6%，产气率低于干式发酵。纵观沼气利用和发展所涉及到的工艺、技术及装备等，沼气工程大致可以分为三个部分，一是沼气制取工程；二是沼气精制工程；三是沼气利用工程。其中沼气制取工程实质上是一种仿生学工程，在微生物产甲垸机制的基础上，利用人工的各种发酵装置和优化工艺使甲烷的有效产气量最大。沼气制取工程主要由两部分组成沼气制取工程机械预处理系统和厌氧发酵生物处理系统。在机械预处理系统中，通常原料碎浆机中原料与循环水混合，像塑料、丝织品、石头和金属等杂物在搂耙装置与重杂质分离装置分选出来，然后经过除砂装置，除去原料中残存的沙子、小石子和玻璃碎片等细小杂物，在搂耙装置和除砂装置中，通过重力以及旋流水力将浆料中的杂质分离出来的，这样可大大减少杂质对处理设备的磨损，有效地保证了最终产品的质量，有机物料最后输送到发酵罐里发酵生产沼气。参见附图(l)。由于生物发酵原料混有许多杂物，不能采用高速混合搅拌。通常，在简单的沼气发酵池，生物发酵原料经过切割粉碎搅拌，直接放到发酵池发酵；在工业化机械预处理时，一般采用碎浆混合，同吋将一些大的杂物去掉，再经过重力以及旋流水分离，进一步去掉原料里的无机颗粒物杂质，最后用固液两相流离心式泵或螺旋输送机将原料浆液输送到发酵罐。这些过程中，原生有机物料虽然被碾碎浆化了，可以用于生产沼气，但是桨液里的颗粒还是大小不均匀的，由于细菌细胞的分解代谢，与淤泥的黏附，以及细胞膜的保护，增加了厌氧微生物降解生物有机体的困难，延长了沼气生产周期。为了提高沼气中的甲烷产量，縮短反应周期，一个有效的方法就是将有机物料打碎，将细胞膜破坏使得厌氧微生物有效地与其接触反应。
发明内容本发明是一个单项工艺流程，它被应用在生产沼气前，对有机物料进行机械预处理的工艺系统中，可以有效地提高沼气制取工程中的沼气产率。本发明是在生产沼气的原生有机物料被输送到发酵罐之前，增加一道高速离心分散粉碎机工艺。经高速离心分散粉碎后有机发酵物质，溶液中COD可增加20%-300%，进一步输入厌氧发酵生物处理系统后，其产气率要高于没有经过高速分散粉碎处理的有机发酵物质，产气率增加5%-30%。高速分散粉碎原始有机发酵物质的次数可以进行1-10次，，高速离心分散机的转速N在400-5000r/分(rpm)范围。从经济效益考虑，高速离心分散粉碎次数为1-3次，高速分散机转速选用1000-2500r/分(rpm)。参见附图(2)。如上所述，生物原料经过预处理后，原料里的杂质基本上去除。这时，高速离心分散粉碎机可以对生物原料浆液进行高速分散粉碎、研磨、混合等机械处理，其结果是所有的有机物料颗粒被转变成微颗粒，颗粒大小不一的原料浆液变成为一个超微颗粒的均匀体，有机物料颗粒的比表面积增大，一部分细菌细胞，生物细胞质表皮被打开，细胞内的有机体和无机体物质流出与外界溶液混合，同吋水溶液里可溶性COD增加。高速分散粉碎这个过程，不仅起到了机械物理粉碎混合，而且可以改变了原料浆料的部分化学性质，这个变化是更有利于下一步的微生物生产沼气。有机物料进一步输入厌氧发酵生物处理系统，由于微颗粒与厌氧菌接触面增大，其产气率要高于没有经过高速分散处理的有机浆料，反应周期也相应縮短。参见附图(3)无论沼气制取工程采取单相式发酵，双相式发酵，干式发酵或湿式发酵，本发明的高速离心分散粉碎工艺适合于任何沼气制取工程的机械预处理系统。原始高速分散浆料物质浓度从0.1%到45%都可以应用本发明的高速离心分散工艺，原始高速分散浆料物质浓度一般为0，1-15%，如果浆料干物质浓度大于15%，原生有机桨料在进入高速分散机以前可使用工艺罐里的缓冲水来稀释到15%以下，高速分散后的出口有机浆料物质浓度根据发酵工艺要求可以调节为0.1%到45%。参见附图(4)高速分散粉碎机分连续性高速分散和间歇式高速分散。连续性高速分散粉碎机类似固液两相流离心式泵，与固液两相流离心式泵不同的是在转轴的转子(转盘)表面有齿牙。园周边的定子(定盘)和对应的叶片也有齿牙，两边的间距可以调节，分散粉碎依靠磨盘齿形斜面的相对运动而成。有机物料进入高速离心分散粉碎机后，物料在高速定子/转子结构内产生强力的冲击、剪切、扩散和湍流作用，能在极短时间内就可以实现混合、分散、剪切功能，在机械力和剪切力的作用下，有机物料在极短时间内被粉碎成微颗粒。间歇式高速分散机是由一个或数个高速分散头加入到物料罐里，在高速旋转的转子产生的离心力作用下，强劲的离心力将物料从径向甩入定、转子之间狭窄的间隙中。同时高速旋转的4转子外端产生至少10m/s以上的线速度，最高可至40m/s，并形成强烈的机械及液力剪切、液层摩擦、撞击撕裂，使物料充分的分散、均质、破碎、并通过定子槽射出。间歇式高速分散机产生的效果与连续性高速分散粉碎式一样的。对于单一的不含有杂质的有机物料，譬如，饭馆泔脚，养殖场的猪粪，江湖的蓝藻等，可选用胶体磨来进行高速分散粉碎，胶体磨是一种有效的高速分散粉碎机有些有机物料中多少含有一些细小沙石，植物的纤维等，在使用连续性高速离心分散机时，这些杂质会损坏高速离心分散机的叶片或引起堵塞，使得高速离心分散机不能正常运行。因此，本发明进一步选用的高速离心分散机设备是一种具有去除细小沙石，植物的纤维功能，并可以连续生产的高速离心分散机，典型的这种高速离心分散机的叶片和构造在美国专利US7282114中描述。附图，工业化生物物料生产沼气的现行工艺图；附图二采用本发明后的工业化沼气生产工艺流程图；附图三采用本发明后生物料的型态变化示意图；附图四有机物料进出的浓度调节。具体实施例实例1500升经过浆化后的饭馆泔脚，固含量7%，高速分散粉碎机使用JM-180a型胶体磨，处理量约3000升/小时，转述2900r/分。饭馆泔脚分两批分散粉碎，第一批250升只是粉碎一次，原料进入胶体直接导出，第二批250升循坏40分钟，即原料总共约分散粉碎8次。分散粉碎后原料和原始原料分别放入密封的1升瓶里，然后恒温35进行厌氧发酵，厌氧发酵瓶每天震荡一次。厌氧发酵瓶瓶塞接有导管，连接到气相色谱分析甲垸含量。原始原料和分散粉碎后的原料同时-也作COD分析，对比它们分散粉碎前后的浓度变化。样品饭馆泔脚原始原料分散粉碎一次分散粉碎八次CODtng/L95001500022000干重%6,865，2甲垸产量(NmlCH4/g)310370370甲烷%556565厌氧发酵天数202020实例2500升城市生活污水厂的二级处理污泥，用JM-180a型胶体磨进行分散粉碎，然后对比分散粉碎前后的甲垸产量。操作过程与实列l相同。样品二级污泥原始原料分散粉碎一次分散粉碎八次CODmag/L3507003000干重%6,05.85.5甲垸产量(NmlCH4/g)190220225甲垸厌氧发酵%天数6320632062205实例3200升饭馆泔脚，200升太湖蓝藻和100升二级处理的污水厂污泥混合，用JM-180a型胶体磨进行分散粉碎，然后对比分散粉碎前后的甲垸产量。操作过程与实列l相同<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>500升城市生活污水厂的一级处理污泥，用间歇式高剪切分散粉碎乳化机ME-130型处理30分钟，其他步骤与实列D棺同<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>实例6250升猪牛混合粪，200升屠宰场废水和50升城市园林垃圾混合，操作步骤与实例4相同<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>权利要求1沼气制取工程的有机原料预处理系统工程中，在有机发酵物质输送到发酵罐或发酵池之前，增加一道高速分散粉碎机工艺。高速分散粉碎方式包括连续性高速分散粉碎和间歇式高速分散粉碎两种方式。2.高速分散粉碎机结构由带有齿牙的定子和转子(或带有齿牙的定盘和转盘)组成，定子和转子之间的间隙可以调节。在转子(转盘)的高速离心旋转的过程中，定子和转子(定盘和转盘)之间产生强力的冲击、剪切、扩散和湍流作用。3，高速分散粉碎原始有机发酵物质的次数为1-10次，，高速分散机的转速在800-4000r/分(rpm)范围。4，在含有纤维和沙石杂质有机原料里，高速分散粉碎工艺使用带有自动去除纤维和沙石杂质，不堵赛功能的固液两相流高速离心分散粉碎泵。典型的这种高速离心分散机的叶片和构造在美国专利US7282114中描述。5，本发明的高速分散粉碎工艺用于沼气制取工程中，生产沼气的原始发酵物质固含量浓度(TS)从0.1。/。到40%的物料。当原始发酵物质固含量浓度高于12-20%以上，可用系统的缓冲水来稀释。出口浆料干物质浓度根据发酵工艺要求可以调节为0.1%到40%。6，本发明所述生产沼气的有机生物和植物原料包括污水处理厂的一级处理污泥，二级处理污泥，屠宰場，食品加工厂的废物。城市废物，包括家庭的有机垃圾，饭馆的有机垃圾，菜市场的有机垃圾，园林植物垃圾养殖场的废物，如猪粪，牛粪，鸡粪等农业副产品，如玉米，蔗糖的弃渣，腐烂的废弃蔬菜和水果林业副产品，如鋸木厂和林业运作的殘渣。江湖的蓝藻，藻类，浮萍，水生植物，海洋的浒苔，蓝藻，藻类，海洋水生植物，渔业的废物，包括海水和淡水鱼的有机废物等等。全文摘要本发明公开了一种利用高速粉碎混合机对沼气生物和植物原料进行超细化匀质处理，使其以细微颗粒浆料状态进入厌氧发酵工序，从而有效提高沼气产率的方法。文档编号C12P5/02GK101659968SQ20081004373公开日2010年3月3日申请日期2008年8月26日优先权日2008年8月26日发明者应忠书,王建国申请人:王建国