专利名称：二相型甲烷发酵反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及甲烷发酵反应器，或者，更具体地说，涉及在其中通过使有机废物诸如家畜粪便发酵，产生作为有用燃料气的甲烷气体用的二相型甲烷发酵反应器。
背景技术：
现有的生产甲烷基燃料气的工业法是通过使包括家畜粪便的各种有机废物的甲烷发酵法。现已开发和应用若干种用于家畜粪便发酵处理的甲烷发酵反应器，它们包括可变体积的气柜型反应器，该类型反应器具有内装上下可移动盖的贮气柜以根据拟贮存的甲烷气的体积来改变气柜容积；固定气柜型反应器，在该类型反应器中气柜被固定在发酵槽的上部；和二相(two-phase)型反应器，该类型反应器具有污物消化罐(在污物处理厂它通常被用于厌氧处理)、酸发酵槽和甲烷发酵槽。
这些现有技术的发酵反应器具有其各自的问题和缺点。例如，在具有内装贮气柜的甲烷发酵反应器中，有时会出现含在其中的液体，即消化液，从甲烷发酵槽向酸发酵槽或原料废物贮槽的返流，或从沉降槽向甲烷发酵槽的返流，这种返流是由气柜内压变化所引起的。由于甲烷发酵能通过绝对厌氧性微生物的生长来进行，而该绝对厌氧性微生物的生长必须具有150mv到400mv的氧化-还原电位，液体从甲烷发酵槽向酸发酵槽的返流必然导致甲烷发酵槽中产甲烷微生物浓度的降低，从而降低甲烷发酵的效率。液体从沉降槽向甲烷发酵槽的返流意味着含在沉降槽中液体中的溶解氧进入到甲烷发酵槽中，从而部份地降低产甲烷微生物的活性或使部分产甲烷微生物死亡。于是，在两个组件槽之间的液体返流引起大大地降低反应器的甲烷发酵能力和导致过程的不稳定，如果尚未被提及该问题的话，会使反应器的体积不能减少，因为发酵槽的体积必须是如此之大以便适应液体的返流。
上述的缺陷阻碍了具有内装贮气柜的甲烷发酵反应器的应用，以致使此类型反应器没有显著的优势，尽管它的成本甚低。
发明内容
因此本发明的一个目的是通过克服在传统内装的气柜型甲烷发酵反应器中存在的上述的问题和缺点，提供通过保持高能力和稳定性下能长时期地操作高效甲烷发酵反应器。
发明人就开发高效二相型甲烷发酵反应器已进行了广泛的研究并获得了意想不到的发现如果在酸发酵槽与甲烷发酵槽之间和在甲烷发酵槽与沉降槽之间设置闸阀，在此情况下闸阀只允许液体从酸发酵槽向甲烷发酵槽和从甲烷发酵槽向沉降槽的单向流动，且通过利用液面的上下移动和贮气柜压力的变化来控制闸阀，以这样的方式使进料液流动和连续不断地通过酸发酵槽、甲烷发酵槽和沉降槽排出，各个槽之间的返流能被有效地防止，基于此发现而完成了本发明。
因此，本发明所提供的二相(two-phase)型甲烷发酵反应器为一完整体系，它包括(a)一个接受发酵处理用进料液的酸发酵槽；(b)一个与酸发酵槽并列的气柜型甲烷发酵槽，其上部空间用作甲烷气柜；(c)将酸发酵槽与甲烷发酵槽隔开的第一垂直隔板；(d)一个与甲烷发酵槽并列的沉降槽，消化液从其中卸出；(e)将甲烷发酵槽与沉降槽隔开的第二垂直隔板；(f)装在第一隔板上的第一闸阀，用来控制酸发酵槽与甲烷发酵槽之间的液体流动；(g)装在第二隔板上的第二闸阀，用来控制甲烷发酵槽与沉降槽之间的液体流动；和(h)一根与甲烷气柜相连接的具有一个旋塞阀的甲烷气出口管。
上述规定的非强制的而有利的本发明的反应器被制成为半地下装置或全地下装置，以达到提高发酵槽的隔热性。如果还需要进一步提高效率的话，通过例如将空气加入到进料液体贮槽中，以便引起废物的需氧分解与伴随的放热反应，从而适度地将被导入到酸发酵槽中的进料液温度提高到20-30℃。
附图简单说明
图1是本发明反应器典型例子的示意剖面图。
图2是通过利用浮标的浮力来操作闸阀机构的示意说明图。
图3是装有二个酸发酵槽与二个甲烷发酵槽的本发明反应器的示意剖面图。
图4是其中装有本发明的甲烷发酵反应器的猪粪处理体系的示意流程图。
实施本发明的最佳方式在下文中，参照附图对本发明的反应器进行详细的说明。
图1是作为整体装置的本发明反应器的示意剖面图，它基本上由包括三个间隔段酸发酵槽1、甲烷发酵槽2和沉降槽3，它在酸发酵槽1与甲烷发酵槽2之间用第一垂直隔板4隔开和在甲烷发酵槽2与沉降槽3之用第二重直隔板5隔开。通过与进料液接受槽(在图中未示出)相通的进料液进口管7将进料液导入到酸发酵槽1。高于其中贮存的液体的甲烷发酵槽2的上部空间6作为甲烷气贮柜。在沉降槽3中形成的消化液通过与消化液接受槽9相通的料液排出管8卸出。具有旋塞阀10A的甲烷气排出管10被连接到甲烷发酵槽2的盖2A的顶部并与甲烷气贮柜6相通。
上述的本发明反应器的重点在于，为了提高挥发性有机酸的产率而将酸发酵槽1与甲烷发酵槽2的体积比定为1∶5到1∶10。当被加入到酸发酵槽1中的进料中的不溶固体物的含量很高特别如家畜粪便时，此比例被设定为1∶5或其附近；当被加入到酸发酵槽2中的进料含有大量的溶解物与不溶固体物如生活拉圾时，此比例被设定为1∶8或其附近，以便确保平稳而有效地进行甲烷发酵。当进料含有大量可溶的固体物诸如食品加工厂的废物时，此比例优选设定为1∶10或其附近。另一方面，沉降槽3是如此设计的以便使其具有确保悬浮固体颗粒(SS)的上行速度不超过超过静态液体中直径为10-20μm颗粒(根据斯托克斯定律计算的)的沉降速度。
分隔酸发酵槽1与甲烷发酵槽2的隔板4在其较低部分装有第一闸阀4A，它作为控制装置起使液体平稳地从酸发酵槽1流向甲烷发酵槽2的作用，而分隔甲烷发酵槽2与沉降槽3的隔板5在其较低部分装有第二闸阀5A，它作为控制装置起使液体平稳地从甲烷发酵槽2流向沉降槽3的作用。例如，考虑到由于酸发酵槽1的水平面所引起的压力与由于甲烷发酵槽2的水平面所引引起的压力加上气柜6的气体压力之间的压差，和考虑到由于甲烷发酵槽2的水平面所引起的压力加上气柜6的压力与由于沉降槽3的水平面所引起的压力之间的压差而将闸阀4A和5A的每一个分别设计成具有一定的重量。闸阀4A和5A的每一个通常具有被铰接到隔板4、5上部的折板(flap board)，并且所说的折板还通过线4C、5C使其下部分别与浮在甲烷发酵槽2和沉降槽3中液面上的浮标4B、5B相连接(参见图2)。
就此而言，重要的是甲烷发酵槽2是按如此方式构成的以致由于其中的水平面较低而使其获得必要的容积。另一方面，在酸发酵槽1中水平面的高度是这样设定和控制的，以便使液流通过打开的闸阀4A从酸发酵槽1流向甲烷发酵槽2，和使液流通过打开的闸阀5A从甲烷发酵槽2流向沉降槽3并且还通过溢流流向消化液接受槽。在甲烷发酵槽2中水平面高度是受到限制的，因为贮气柜6的内压必须保持在200mmH2O或以上。
在甲烷发酵槽2中进行甲烷发酵，在此期间当贮气柜6中的甲烷气被消耗而引起甲烷发酵槽2中的水表面向上移动，这是由于酸发酵槽1中的液体被引入到甲烷发酵槽2之故，条件是压力，因为酸发酵槽1中水平面超过甲烷发酵槽2的水平面加上贮气柜6的内压的总压力。在甲烷发酵槽2中进行的甲烷发酵起增加贮气柜6的内压作用从而补偿了甲烷气的消耗。
因此，当贮气柜6的内压由于甲烷发酵槽2中甲烷发酵之故而增高到这样的程度时，以致使由于甲烷发酵槽2中水平面所引起的压力加上贮气柜6的内压的总压力超过由于沉降槽3中水平面的压力加上由于闸阀5A重量减少的压力的总压力，闸阀5A打开从而使液体从甲烷发酵槽2向沉降槽3流动，随着沉降槽3中水平面达到溢流管高度液体从沉降槽3中进入到消化液接受槽9。
由于当其中的水平面处于下限时在甲烷发酵槽2中液体的平均保留时间是最短的，因此，此时间因素应被作为计算装入到甲烷发酵槽2中的有机物的依据。
已经知道，废液诸如生活污水与家畜粪便的每日卸出时间表通常有1-4个高峰/日。本发明装置能有利地对进行二个卸出高峰间的半连续甲烷发酵过程进行操作。即，建立活塞式流动调节以非常有效地确保二相甲烷发酵体系，而当装置的操作模式是以这样方式排定以致贮气柜6的内压在废水出现的二个高峰的间隔期间被降低时，不会出现任何的返流。酸发酵槽1中的必不可少的容积能从甲烷发酵槽2中水平面的下限、酸发酵槽1中水平面的上限和由于闸阀4A重量减少的压力的水压头差之总值计算出来。
图2是打开与关闭图1中所示反应器的闸阀4A、5A机构的示意说明图。于是，将闸阀4A与5A的每一个通过拉线或绳4C或5C连接到漂浮在甲烷发酵槽2和沉降槽3的液面上的浮标4B和5B上，该机构的运行防止了从甲烷发酵槽2向酸发酵槽1的返流和从沉降槽3向甲烷发酵槽2的反流，和保证按来自贮气柜6的甲烷气的消耗模式将酸发酵液适当地导入甲烷发酵槽2中。
当贮气柜6的内压被增高到如此程度以致使甲烷发酵槽2中的水平面达到了设定的下限值时，液体开始从沉降槽3流出。在此情况下，涉及到废液进料流入的甲烷发酵能在设定的有机物装载量下进行，只要反应器应是这样方式设计的以致于由酸发酵槽1的水平面所引起的水压头，即使甚小但是比由甲烷发酵槽2上的贮气柜6内压减少的水压头、由甲烷发酵槽2本身和闸阀4A重量减少的水压头之总和较大也能进行废液进料流入的甲烷发酵。在甲烷发酵槽2中的水平面升高而达到上限之前，实际的有机物装入量总是被保持在低于有机物装入量的设定值，以便使反应器能安全而平稳地操作。
正如图3中被示意地说明的，一种可能的设计是这样的，本发明装置包括二个酸发酵槽1、1′，二个甲烷发酵槽2、2′和一个与二个甲烷发酵槽2、2′的二边相连并被隔板5、5′隔开的沉降槽3，隔板5、5′分别具有闸阀5A、5A′，而甲烷发酵槽2、2′分别被连接到酸发酵槽1、1′并被隔板4、4′隔开，隔板4、4′分别具有闸阀4A、4A′。各个甲烷发酵槽2、2′上的贮气柜6、6′被连接到甲烷气排出管线10、10′，并通过旋塞阀10A根据需要而与压力表或减压阀相连(在图中未示出)。
尽管是非强制性的，最好每一个甲烷发酵槽2、2′装有“载体”C，例如石棉块或板。当贮气柜6、6′的内压达到和超过规定的设定值时，闸阀10A被手动或自动地打开而将甲烷气供入到热力发电机组(heat-power co-generator engine)(图中未示出)，以产生供当地使用的电能或热水。当贮气柜6、6′的内压降低和达到下限设定值时，发动机被手动或自动地停止而将酸发酵槽1、1′中的液体及时地导入到甲烷发酵槽2、2′，以便通过溢流而从沉降槽3排出。
还可能是这样的，来自沉降槽3的溢流液通过设定沉降槽3的水平面的上限和下限值来排出，沉降槽3的水平面的上下限值是通过装在沉降槽3中的排液泵来调整的，由此将酸发酵槽1、1′中的液体平稳地转移到甲烷发酵槽2、2′。
根据需要，可以非强制地将温度控制装置或者特别是加热装置设置在本发明的反应器的酸发酵槽1、甲烷发酵槽2与沉降槽3的至少一个上，以便在处理时控制其中液体的温度。例如，在各个槽的外表面或底部安装加热介质即热水或热空气的管线或导管，以及使用隔热材料诸如石棉的绝热措施。由堆肥发酵产生的废热能被用于生产热空气以作为加热介质。由甲烷发酵产生的甲烷气之燃烧热能可被用于生产热水以用作加热介质。
当此活塞流型完全二相甲烷发酵反应器被用于寒冷地区时，反应器被置于地下的深度是这样的，以致使贮气柜6的盖的高度与该地区冬季冻结深度同样高或略低。已经知道，甚至当冬季黑夜的气温降低到-20到-30℃时，1米或1米以下的地下温极少低于10℃，从而使本发明的反应器能在温度为15-20℃进行低温甲烷发酵操作。有可能甚至在不使用作为加热介质的热空气或热水的情况下，通过向进料废液接受槽通气，以控制废液引入酸发酵槽1之前废液的温度，以致使其中的温度增加到25-27℃，并由此将甲烷发酵槽2的液体温度保持在20-22℃。
在下文中，通过实施例来更详细地介绍本发明的反应器。
实施例1此例所使用的活塞流型完全二相型甲烷发酵反应器是具有图2所示结构的23升的实验型装置。用猪粪便作为进料废物的反应器试验操作是在受控的温度计恒定温度为20℃下进行的，设定的平均停留时间为20天和有机物装入量每天每立方米体积为3公斤，以平稳地得到每天为25-26升NTP的甲烷气。
当设定值被修正到一半时，平均停留时间为10天和有机物装入量被增加一倍而达到每天每立方米体积为6公斤，甲烷气的日产量为12-14升，即，前者试验的一半。
消化液中的乙酸和丙酸的浓度分别为5500克/升和2357克/升；而在平均停留时间为10天的试验中显示明显的乙酸的同化作用与丙酸的聚集作用，以及当有机物装入量高时的不完全的有机酸分解。
反应器的第三种试验以二阶段法并用体积相应于被保持在甲烷发酵槽2中最小液体体积20％的、作为载体的石棉板来进行。第一阶段以平均停留时间为20天和有机物装入量为每天每立方米体积3公斤进行20天，而第二阶段以平均停留时间为10天和有机物装入量为每天每立方米体积6公斤进行30天，得到每天为23-28升甲烷气。
实施例2通过使用具有总体积容量为50升的如附图3中所示的反应器进行处理猪粪的试验操作，操作条件包括液体温度为20-22℃、平均停留时间为10天和有机物装入量为每天每立方米体积3公斤。甲烷气的日产量为50-65升。
实施例3在图4的示意流程图所示的体系中进行处理猪粪的试验操作，有机物的装入量为每天每立方米体积4公斤和平均停留时间为10天。甲烷发酵槽中装有体积相应于10％槽体积的圆柱形管状载体的石棉。
下面是试验操作的概要。
通过装在猪舍101地板上的栅格下流的猪尿被收集在下面的尿收集槽102中。从其中将尿以每天8吨的速率转移到进料槽105中。另一方面，通过单独的螺旋推进器103将固体粪便装在小车104上并以每天1.5吨的速率送入至进料槽105。于是，进料槽(其容积为21吨)以每天9.5吨的速率接受液体与固体粪便。进料槽105装有搅动泵(在图中未示出)，通过此泵粪便被均匀搅拌。
通过泵105A将如此混合的粪便输送到螺旋式压力机106，在该处粪便被分离成液体与固体。将排泄物液体送至充气槽108，其中通过操作充气鼓风机109将空气以受控的速率吹入到排泄物液体中而使其经受充气处理，直至该液体温度达到20-25℃。
在螺旋式压力机106中分离的排泄物固体被送到堆肥发酵槽107，并在其中在鼓风机110吹入的空气下保留5天以便使固体温度增加到60-75℃，接着将其转移到堆肥室115中，在该处堆肥块经受老化发酵处理二、三个月，期间无空气流动以便成为老化过的堆肥，通常用作农用有机肥料。
装在温度为20-25℃的充气槽108中的排泄物液体被输送到酸发酵槽111，然后通过闸阀111A进入到具有有效容积为130吨的甲烷发酵槽112，在该处液体根据预先被引入到进料槽105的稀释水体积经受时间约为10-13天的厌氧发酵处理。甲烷发酵槽112上部的空间用作所谓沼气的贮气柜，所谓的沼气是排泄物液体地厌氧发酵产生的。此处，被收集在贮气柜的治气含有65-70％体积的甲烷、30-35％体积的二氧化碳和0.2-0.4％体积的硫化氢。
甲烷气的产率达到每天80-130立方米并能用作燃料气，例如室内供热。从甲烷发酵槽通过闸阀112A排出的液体通过安装在控制槽113中的泵从控制槽113与沉降槽114中排出，能被用作农田的有机液体肥料。在二月和三月进行的二次试验操作的结果示于下表1中。
表1
工业实用性本发明提供一种通过利用各种有机废物诸如猪粪便与厨房垃圾进行有效的甲烷发酵的反应器。该装置包括按序连接在一起的酸发酵槽、甲烷发酵槽和沉降槽，其中能完全避免由于处理时液体返流所引起的问题，从而能够长时期地进行稳定的发酵操作。
权利要求
1.一种有机废物的二相甲烷发酵反应器，它包括(a)一个接受发酵处理用进料液的酸发酵槽；(b)一个与酸发酵槽并列的气柜型甲烷发酵槽，其上部空间用作甲烷气柜；(c)将酸发酵槽与甲烷发酵槽隔开的第一垂直隔板；(d)一个与甲烷发酵槽并列的沉降槽，消化液从其中卸出；(e)将甲烷发酵槽与沉降槽隔开的第二垂直隔板；(f)装在第一隔板上的第一闸阀，用来控制酸发酵槽与甲烷发酵槽之间的液体流动；(g)装在第二隔板上的第二闸阀，用来控制甲烷发酵槽与沉降槽之间的液体流动；和(h)一根与甲烷气柜相连接的具有一个旋塞阀的甲烷气出口管。
2.如权利要求1的有机废物的二相甲烷发酵反应器，其中在隔开酸发酵槽与甲烷发酵槽的第一隔板中的闸阀与漂浮在甲烷发酵槽中液面上的浮标相连接，以如此方式使该闸阀通过浮标移动来操作。
3.如权利要求1的有机废物的二相甲烷发酵反应器，其中在隔开甲烷发酵槽与沉降槽的第二隔板中的闸阀与漂浮在沉降槽中液面上的浮标相连接，以如此方式使该闸阀通过浮标移动来操作。
4.如权利要求1的有机废物的二相甲烷发酵反应器，其中酸发酵槽、甲烷发酵槽和沉降槽的至少一个装有控制其中的液体温度的装置。
5.如权利要求1的有机废物的二相甲烷发酵反应器，其中酸发酵槽与甲烷发酵槽的容量比为1∶5到1∶10。
全文摘要
本发明提供一种能长时期地进行稳定操作的有机废物诸如家畜粪便的二相甲烷发酵反应器。该装置包括与进料槽相连的酸发酵槽(1)、用具有闸阀(4A)的隔板(4)与酸发酵槽(1)相隔开的甲烷发酵槽(2)和用具有闸阀(5A)的第二隔板(5)与甲烷发酵槽(2)相隔开的沉降槽(3),且甲烷发酵槽(2)上部的空间用作贮气柜(6)。在甲烷发酵槽(2)中所产生的甲烷气被收集在贮气柜(6)中,并通过贮气柜(6)盖中的孔从甲烷排出管线(10)中取出。
文档编号C02F11/04GK1367822SQ00811062
公开日2002年9月4日 申请日期2000年7月26日 优先权日1999年7月30日
发明者前川孝昭 申请人:生物爱克思株式会社