一种木质纤维素原料厌氧发酵制沼气的反应系统及使用方法
【技术领域】
[〇〇〇1]本发明涉及一种木质纤维素原料厌氧发酵制沼气的反应系统及使用方法，属于有机固体废物生态能源化循环利用领域。
【背景技术】
[0002]总结沼气技术的发展历史，农业沼气系统大致分为两种:一种是用于生产做饭的小规模沼气池，满足农户能源自给自足；另一种是以能源作物为基础的用于发电的农用工业沼气厂，生产电能>100kW。但是这两种基本类型的沼气厂通常在经济上都是不可行的。专利CN103145308A提供了一种大型沼气工程生产沼气的方法，该方法在现有普遍的厌氧发酵技术基础上加上了一道水解酸化处理阶段，虽能加大处理量和沼气产量，但是此方法的经济成本与推广性得到大大限制。故此，找到一种便于推广且经济可行的反应器类型和发酵基质混合系统是十分必要的。
[0003]现今，高木质纤维素含量原料储量丰富，具有巨大的能源化和资源化潜能。将木质纤维素原料进行厌氧发酵处理，在减少环境固体废物污染的同时，还能提供生物质能源-沼气，厌氧发酵后残余的沼渣和沼液还是很好的有机肥料。然而，受限于结构的复杂性，木质纤维素是微生物难以分解利用的物质，导致木质纤维素的降解成为整个沼气发酵过程中的限速步骤，木质纤维素在传统的沼气发酵工艺中的降解效率很低，找到一种提高木质纤维素降解效率的方法尤为重要。专利CN 101775412A提供了一种利用木质纤维素制备沼气的方法，该方法是对木质纤维素原料挤压膨化预处理后，再进行厌氧发酵。该法仅以物理方法对原料进行预处理，而挤压膨化对于复杂的木质纤维素结构难以得到有效的解构，这就使得在厌氧发酵阶段中菌酶对于木质纤维素的降解效率依旧不高。专利93114841.3提供了强化发酵的方法，该方法利用高电压对污水厌氧发酵过程的接种物制备、适应步骤及发酵平稳阶段进行电刺激，以高电压激发能提高发酵效率的菌种并提供高电压电场环境，但由于加载的电压过高，会导致能耗过大；同时持续的高电压刺激具有一定的危险性，不利于推广。
[0004]本发明旨在以高木质纤维素含量原料为主要物料，通过对厌氧发酵系统及方法的改进，使得提高沼气生产率，也提升木质纤维素的降解率。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种木质纤维素原料厌氧发酵制沼气的反应系统，实现了整个反应系统中发酵主罐和发酵副罐中发酵基质能持续并高强度混合，从而提高沼气生产率;另外低电压持续强化生物降解技术配合瞬时脉冲放电技术，也显著提高了木质纤维素的降解率。
[0006]本发明通过以下技术方案实现发明目的:
本发明的木质纤维素原料厌氧发酵制沼气的反应系统包括进料池1、导流结构12、发酵主罐4、导流结构Π6、发酵副罐8、储气罐14、气路回流组件;其中进料池1通过管道与设置在发酵主罐4上部的导流结构12连通，发酵副罐下部通过导流结构Π 6与发酵主罐下部连通；发酵主罐4通过通气阀3与储气罐14连通，储气罐下部通过气路回流组件与发酵副罐下部连通;发酵主罐下端设置有排料口 5;其中发酵副罐8顶部设置有弹簧7，弹簧7下端连接有压力承托板10,发酵副罐罐体上设置有警报刻度线9,发酵主罐4内设置有阳电极和/或阴电极，发酵副罐8中设置有1对脉冲电极、阳电极和/或阴电极，阳电极、阴电极、脉冲电极分别与电源连接；
本发明中导流结构I和导流结构Π均为中空圆台结构，该结构内壁上设置有螺旋凸起(从圆台大口到小口螺旋渐缩)，具有增压聚流效果，导流结构I和导流结构Π的倾斜角α为35°?75°，该倾斜角α是指圆台母线与圆台下底面圆直径的夹角。
[0007]所述气路回路组件包括气体压缩机13、高压栗12、止回阀11，发酵副罐8通过止回阀11与高压栗12连接，高压栗12通过气体压缩机13与储气罐14连通。
[0008]所述发酵主罐和发酵副罐中阴电极和/或阳电极为棒状、平板状、螺旋状或网状，电极垂直或水平安装在罐体内。
[0009]所述发酵副罐中脉冲电极为平板电极、同轴电极或针状电极，电极垂直或水平安装在罐体内。
[0010]所述警报刻度线9压力设置为0.23MPa?0.26MPa。
[0011]上述木质纤维素原料厌氧发酵制沼气的反应系统的使用方法，包括下述步骤:
(1)将发酵原料破碎后，在进料池配料调节pH为6?8后，由管道从导流结构I旋转进入发酵主罐和发酵副罐中，在10°C~60°C下进行厌氧发酵，发酵总固体含量浓度(TS)为2%?12%;
(2)发酵主副罐中发酵基质在持续低电压作用下进行厌氧发酵，产生沼气堆积在主罐顶部，罐体压强增大，使得主罐发酵基质压向发酵副罐中，其中低电压为0.01V?1.2V;
(3)当发酵主罐和发酵副罐中产生沼气增多时，增大至0.23MPa?0.26MPa时，发酵副罐中压力将压力承托板推至警报刻度线，开启通气阀，将发酵主罐产生的沼气导入储气罐，同时通过气路回流结构中的气体压缩机吸入部分沼气对其压缩，再通过高压栗将压缩沼气经过止回阀栗入发酵副罐中，此时对发酵副罐中基质进行脉冲放电，电场强度10 KV/cm?50KV/cm，每次脉冲作用次数为1?4个脉冲；
(4)发酵主罐沼气排出后压力释放，压强减小，对发酵副罐中的发酵基质产生牵引力，牵引发酵副罐发酵基质倒流进发酵主罐，同时发酵副罐中栗入的高压沼气与厌氧基质水汽混合后，整个基质密度降低，形成气举效果，发酵基质从发酵副罐经过导流构造Π进入发酵主罐并呈漩涡式上升，从而对发酵主罐中发酵基质起到高强度混合搅拌作用；
(5)当发酵副罐中的压力降至0.1MPa?0.15MPa时，关闭通气阀，发酵主罐继续厌氧发酵，并重复上述步骤。
[0012]本发明中发酵原料为畜禽粪便、作物秸杆、糖料产业炼制废渣、木肩、草本等木质纤维素含量高的废物。
[0013]本发明反应系统以双重方式利用气体压力来高强度混合主副罐中的发酵物料:发酵主罐气体的导出使得压力释放，吸引发酵副罐中发酵基质倒流;配合发酵副罐基质混合高压沼气产生的气举。两种形式的物料回流通过导流构造Π使得发酵主罐和发酵副罐中发酵基质呈持续并且高强度混合，从而使得沼气生产率得到大大提升。
[0014]另外，整个反应系统的搅拌是由非机电部件作用完成的，降低了反应的建造成本以及维护费用。
[0015]本发明提供的高压脉冲配合低电压技术持续强化生物发酵的方法。
[0016]首先，该方法在发酵罐中通入低电压，在电场中，微生物作为一种电介质能被电场极化，若细菌的极化频率与外电场的频率保持一致，就有可能产生共振现象，当共振现象发生时，细菌的细胞膜通透性可能是最高的，此时，细菌的代谢速度最快，其生长繁殖都有可能达到最佳的速度。由于低频电场作用于细菌有一个窗口效应，故在经过低电压2?3个生命周期的持续诱导刺激下，可使得厌氧发酵基质中诱导出能在低温、中温及高温条件下都具备生长速率快、繁殖周期短、发酵效率高、产气品质纯、同时能高效降解含木质纤维素高的废物等优点的厌氧发酵菌群；
在厌氧发酵阶段，当整个发酵基质处于被阴极电化学作用时，如图1所示，厌氧环境下，厌氧菌群吸收水分和营养物质，产生电子以及质子，释放生物降解酶;在阴电极作用下，阴极以生物酶作为介质快速吸收电子转移质子，加快了整个反应基质的传质速率;而生物酶在这期间作为介质使得与木质纤维素充分接触，反应几率提升，从而提高酶降解木质纤维素的效率。
[0017]当整个基质处于被阳极电化学作用时，如图2所示，以木质纤维素为反应中心，阳极电极释放电子以生物酶为介质传递到