一种超声强化厌氧发酵产沼气系统及其调控方法与流程

本发明涉及可再生能源及节能减排技术领域，是一种超声强化厌氧发酵产沼气系统及其调控方法。

背景技术：

能源作为关系经济全局的重大问题，推动能源生产和消费革命的重点任务之一就是推进能源的清洁低碳化，实现中国清洁能源的可持续健康发展。当前，全球面临能源新技术的重大变革，发展清洁低碳能源、应对气候变化成为新潮流。我国在此重大战略机遇期，能源需求增长强劲，石油等优质资源进口量剧增，但能源低碳化和优质化存在许多制约因素。

我国秸秆资源丰富，然而在我国农村，农作物秸秆和林业废弃物被当作生活燃料燃烧。燃烧农作物秸秆利用率低，烟气大，同时排放了大量二氧化碳等温室气体。因此，解决我国当今社会目前所面临的能源问题与我国广大农村所处的环境问题是当今和谐社会发展的重要方向。厌氧发酵是解决秸秆等有机废物有效利用的重要方式之一。传统厌氧发酵存在着产气率低、产气周期长的缺点，同时发酵过程中发酵环境易受周围环境影响，且难以调控。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对厌氧消化原料不易收集，产气速率低，温度波动大等问题，提供一种超声强化厌氧发酵产沼气系统及其调控方法，可利用超声波发生装置，偏心叶轮，实现厌氧消化过程料液的充分混合，平稳，高效产气且有机质充分分解利用。

实现本发明目的所采用的技术方案之一是：一种超声强化厌氧发酵产沼气系统，其特征在于：它包括储料罐2的第一输出端通过第一料液泵7与预处理罐12的第一输入端连通；预处理罐12的第一输出端通过第二料液泵22与主反应罐29的第一输入端连通；缓冲液罐1的输出端通过蠕动泵6经过第一进液阀13与预处理罐12的第二输入端连通，缓冲液罐1的输出端通过蠕动泵6经过第二进液阀19与主反应罐29的第二输入端连通；预处理罐12的第二输出端通过第一气体升压泵10与气体分离器35连通；主反应罐29的第一输出端通过第二气体升压泵28与气体分离器35的输入端连通；气体分离器35的输出端与储气罐36的输入端连通；储气罐36的输出端与气罐车37连通；预处理罐12的第三输出端通过第一出料阀14与沼渣收集罐26的输入端连通；主反应罐29的第二输出端通过第二出料阀25与沼渣收集罐26的输入端连通；沼渣收集罐26的输出端与沼渣运输车27的输入端连通；第一温度控制器3的输出端与低温加热池4的第一输入端连通；低温加热池4的第一输出端通过第一进液泵39与预处理罐12的夹套层8的输入端连通；预处理罐12的夹套层8的输出端与低温加热池4的第二输入端连通；第一超声波发生器5的输出端与第一超声探头18的输入端连接；第二温度控制器21的输出端与中温加热罐20的第一输入端连通；中温加热罐20的第一输出端通过第二进液泵40与主反应罐29的第三输入端连通；主反应罐29的第三输出端与中温加热罐20的输入端连通；第二超声波发生器11的输出端与第二超声探头24连接；第一orp传感器15、第一ph传感器16、第一温度传感器17、第一液位传感器42、第一搅拌器9、第一超声探头18均置于预处理罐12中；第二orp传感器30、第二ph传感器31、第二温度传感器32、第二液位传感器43、第二搅拌器23、第二超声探头24均置于主反应罐29中。

实现本发明目的所采用的技术方案之二是：一种超声强化厌氧发酵产沼气系统的调控方法，其特征在于：通过实时监测温度、ph值、orp、液位高度、超声参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，低温加热池4的温度由所述第一温度传感器17进行监测，中温加热罐20的温度由第二温度传感器32进行监测，并把信号传送给控制中心38，控制第一温度控制器3和第二温度控制器21进行温度调节；ph调节由第一ph传感器16和第二ph传感器31的测量信号通过工控机41对蠕动泵6进行转速控制，加入缓冲液；orp由第一orp传感器15和第二orp传感器30进行测量并把信号传送给控制中心38，确保预处理罐12和主反应罐29的厌氧环境，监测预处理罐12和主反应罐29的气密性；液位由第一液位传感器42和第二液位传感器43进行监测，并把信号传送给控制中心，低于设定液位后自动报警；采用滴定法测定预处理罐12中挥发性脂肪酸的含量，当挥发性脂肪酸含量低于设定值时，预处理罐12中增强超声强度、增加作用时间，超声强度调节范围为35～65w，作用时间调节范围为5～10min/h；采用琼脂平板法和基因测序技术检测主反应罐29中产甲烷菌数量，当产甲烷菌数量少于设定值时，主反应罐29中增强超声强度、增加作用时间，超声强度调节范围为20～40w，作用时间调节范围为8～15min/h。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统优点体现在：一是采用工控机通过蠕动泵控制缓冲液进入系统的预处理罐和主反应罐中，进行实时在线调节厌氧消化过程ph的变化，使ph维持在稳定的范围内，为厌氧微生物提供最佳的生长环境；二是预处理罐采用夹套式加热方式，通过低温加热池加热，将水注入预处理罐的夹套层，配合预处理罐中第一搅拌器的搅拌，可使罐内受热均匀，结构简单，节省了罐内空间；三是第一超声探头和第二超声探头通过超声波发生器产生声场，在预处理罐和主反应罐采用不同的超声强度和作用时间，在预处理罐内加速固形物和大分子有机物质的水解，在主反应罐提高厌氧微生物生物膜的通透性，促进营养物质的吸收加速厌氧微生物的生长繁殖，加速厌氧微生物体内的生化反应，强化有机质的传质，提高有机质的降解率，使资源利用更加充分，增加产气量和效率；四是采用偏心搅拌，偏心搅拌与传统中心搅拌比较，偏心搅拌能够使罐内物质更加充分的混合，保证了料液在完全混合的情况下接受超声作用，避免了大颗粒固形物沉积导致的超声波在罐内分布不均匀的情况；五是在超声强化厌氧发酵产沼气系统中进行运行调节，通过实时监测温度、ph值、orp、液位高度、反应器气体压力、超声参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行；六是本发明系统结构简单、合理、造价低廉、无特殊要求设备、具有模块化、可实施性好，更重要的是提高了可再生能源的利用效率，使沼气产生量更加平稳、连续、保持较高产气率和产气量，实现了可再生能源高效、经济、节能、环保的效果且显著；七是本发明系统的调控方法可操作性强，实现自动调节运行。

附图说明

图1为一种超声强化厌氧发酵产沼气系统结构示意图；

图2为一种超声强化厌氧发酵产沼气系统的调控方法框图。

图中：1缓冲液罐，2储料池，3第一温度控制器，4低温加热池，5第一超声波发生器，6蠕动泵，7第一料液泵，8夹套层，9第一搅拌器，10第一气体升压泵，11第二超声波发生器，12预处理罐，13第一进液阀，14第一出料阀，15第一orp传感器，16第一ph传感器，17第一温度传感器，18第一超声探头，19第二进液阀，20中温加热罐，21第二温度控制器，22第二料液泵，23第二搅拌器，24第二超声探头，25第二出料阀，26沼渣收集罐，27沼渣运输车，28第二气体升压泵，29主反应罐，30第二orp传感器，31第二ph传感器，32第二温度传感器，33进气阀，34气体检测器，35气体分离器，36储气罐，37气体运输车，38控制中心，39第一进液泵，40第二进液泵，41工控机，42第一液位传感器，43第二液位传感器。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的一种超声强化厌氧发酵产沼气系统，包括储料罐2的第一输出端通过第一料液泵7与预处理罐12的第一输入端连通；预处理罐12的第一输出端通过第二料液泵22与主反应罐29的第一输入端连通；缓冲液罐1的输出端通过蠕动泵6经过第一进液阀13与预处理罐12的第二输入端的第二输入端连通；缓冲液罐1的输出端通过蠕动泵6经过第二进液阀19与主反应罐29的第二输入端连通；预处理罐12的第二输出端通过第一气体升压泵10与气体分离器35连通；主反应罐29的第一输出端通过第二气体升压泵28与气体分离器35的输入端连通；气体分离器35的输出端与储气罐36的输入端连通；储气罐36的输出端与气罐车37连通；预处理罐12的第三输出端通过第一出料阀14与沼渣收集罐26的输入端连通；主反应罐29的第二输出端通过第二出料阀25与沼渣收集罐26的输入端连通；沼渣收集罐26的输出端与沼渣运输车27的输入端连通；第一温度控制器3的输出端与低温加热池4的第一输入端连通；低温加热池4的第一输出端通过第一进液泵39与预处理罐12的夹套层8的输入端连通；预处理罐12的夹套层8的输出端与低温加热池4的第二输入端连通；第一超声波发生器5的输出端与第一超声波探头18的输入端连接；第二温度控制器21的输出端与中温加热罐20的第一输入端连通；中温加热罐20的第一输出端通过第二进液泵40与主反应罐29的第三输入端连通；主反应罐29的第三输出端与中温加热罐20的输入端连通；第二超声波发生器11的输出端与第二超声探头24连接；第一orp传感器15、第一ph传感器16、第一温度传感器17、第一液位传感器42、第一搅拌器9、第一超声探头18均置于预处理罐12中；第二orp传感器30、第二ph传感器31、第二温度传感器32、第二液位传感器43、第二搅拌器23、第二超声波探头24均置于主反应罐29中。

参照图2，本发明的一种超声强化厌氧发酵产沼气系统的调控方法，通过实时监测温度、ph值、orp、液位高度、超声参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，低温加热池4的温度由所述第一温度传感器17进行监测，中温加热罐20的温度由第二温度传感器32进行监测，并把信号传送给控制中心38，控制第一温度控制器3和第二温度控制器21进行温度调节；ph调节由第一ph传感器16和第二ph传感器31的测量信号通过工控机41对蠕动泵6进行转速控制，加入缓冲液；orp由第一orp传感器15和第二orp传感器30进行测量并把信号传送给控制中心38，确保预处理罐12和主反应罐29的厌氧环境，监测预处理罐12和主反应罐29的气密性；液位由第一液位传感器42和第二液位传感器43进行监测，并把信号传送给控制中心，低于设定液位后自动报警；采用滴定法测定预处理罐12中挥发性脂肪酸的含量，当挥发性脂肪酸含量低于设定值时，预处理罐12中增强超声强度、增加作用时间，超声强度为调节范围为35～65w，作用时间调节范围为5～10min/h；采用琼脂平板法和基因测序技术检测主反应罐29中产甲烷菌数量，当产甲烷菌数量少于设定值时，主反应罐29中增强超声强度、增加作用时间，超声强度调节范围为20～40w，作用时间调节范围为8～15min/h。

实施例的一种超声强化厌氧发酵产沼气系统，具体工作过程为：第一温度控制器3控制低温热水加热池4把水加热到预处理罐12所需要的温度通过第一进液泵39送入预处理罐12的夹套层8中，进行温度调节；第二温度控制器21控制中温加热罐20把水加热到主反应罐29所需的温度，通过第二进液泵40送入主反应罐29，进行温度调节；储料池2通过第一料液泵7将废水送入预处理罐12进行预处理，有机废物降解成大分子物质，通过第二料液泵22送入主反应罐29；缓冲液罐1通过蠕动泵6经第一进液阀13和第二进液阀19将缓冲液分别送入预处理罐12和主反应罐29进行ph调节；预处理罐12和主反应罐29产生的气体分别通过第一气体升压阀10和第二气体升压阀28送入气体分离器35，分离出的甲烷送入储气罐36，最终送入气体运输车37；来自预处理罐12和主反应罐29的沼气经过进气阀33进入气体检测器34进行定期检测；预处理罐12和主反应罐29产生的沼渣分别经第一出料阀14和第二出料阀25进入沼渣收集罐，最终进入沼渣运输车27；第一超声波发生器5调节第一超声探头18产生声场作用于预处理罐12；第二超声波发生器11调节第二超声探头24产生声场作用于主反应罐29。

所述蠕动泵6和第一进液泵13由工控机41通过第一ph传感器16信号进行转速和开关控制；蠕动泵6和第二进液阀19由工控机41通过第二ph传感器31信号进行转速和开关控制；本发明所用蠕动泵、工控机、传感器等功能设备和器件均采用市售产品。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统采用工控机41通过蠕动泵6控制缓冲液进入系统的预处理罐12和主反应罐29中，进行实时在线调节厌氧消化过程ph的变化，使ph维持在稳定的范围内，为厌氧微生物提供最佳的生长环境。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统的预处理罐12采用夹套式加热方式，通过低温加热池4加热，将水注入预处理罐12的夹套层8，配合预处理罐中第一搅拌器9的搅拌，可使罐内受热均匀，结构简单，节省了罐内空间。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统的超声探头通过超声波发生器产生声场，在预处理罐12和主反应罐29采用不同的超声强度和作用时间，在预处理罐12中加速固形物和大分子有机物质的水解，采用滴定法测定预处理罐12中挥发性脂肪酸的含量，当挥发性脂肪酸含量低于设定值时，预处理罐12中增强超声强度、增加作用时间；在主反应罐29中提高厌氧微生物生物膜的通透性，促进营养物质的吸收加速厌氧微生物的生长繁殖，加速厌氧微生物体内的生化反应，强化有机质的传质，提高有机质的降解率，使资源利用更加充分，增加产气量和效率，采用琼脂平板法和基因测序技术检测主反应罐29中产甲烷菌数量，当产甲烷菌数量少于设定值时，主反应罐29中增强超声强度、增加作用时间。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统采用偏心搅拌，偏心搅拌与传统中心搅拌比较，偏心搅拌能够使罐内物质更加充分的混合，保证了料液在完全混合的情况下接受超声作用，避免了大颗粒固形物沉积导致的超声波在罐内分布不均匀的情况。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统结构简单、合理、造价低廉、无特殊要求设备、具有模块化、可实施性好，更重要的是提高了可再生能源的利用效率，使沼气产生量更加平稳、连续、保持较高产气率和产气量，实现了可再生能源高效、经济、节能、环保的效果且显著。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统的调控方法，通过实时监测温度、ph值、orp、液位高度、超声参数，构建调节控制模型，实现自动调节运行，低温加热池4的温度由所述第一温度传感器17进行监测，中温加热罐20的温度由第二温度传感器32进行监测，并把信号传送给控制中心38，控制第一温度控制器3和第二温度控制器21进行温度调节；ph调节由第一ph传感器16和第二ph传感器31的测量信号通过工控机41对蠕动泵6进行转速控制，加入缓冲液；orp由第一orp传感器15和第二orp传感器30进行测量并把信号传送给控制中心38，确保预处理罐12和主反应罐29的厌氧环境，监测预处理罐12和主反应罐29的气密性；液位由第一液位传感器42和第二液位传感器43进行监测，并把信号传送给控制中心，低于设定液位后自动报警；在预处理罐12中每天取样一次，采用滴定法测定挥发性脂肪酸的含量，当挥发性脂肪酸含量低于设定值时，调节第一超声波发生器5，超声强度在35～65w范围内逐渐增强，作用时间在5～10min/h范围内逐渐增加；在主反应罐29中每天取样一次，采用琼脂平板法和基因测序技术检测产甲烷菌数量，当产甲烷菌数量少于设定值时，调节第二超声波发生器11，超声强度在20～40w范围内逐渐增强，作用时间在8～15min/h范围内逐渐增加。

本发明的超声强化厌氧发酵产沼气系统的调控方法可以克服如下缺点：①厌氧微生物无法在最佳的生态环境下繁殖、生长；②环境低温条件下厌氧消化系统无法正常运行，常温条件下厌氧消化系统产气速率低；③有机质质如秸秆等无有效利用途径，焚烧排放浓烟，大气污染严重。超声强化厌氧消化产沼气系统，既能提供最佳的厌氧微生物生长环境，提高了能源利用率，又就地消纳了大量的有机质，减少了环境污染。

本发明的具体实施方式仅为一种限的实例，并非穷举，本领域技术人员根据本发明的启示所做的任何显而易见的改动，都属于本发明权利保护的范围。