本发明属于废弃物处理和资源化利用领域，具体涉及一种处理低浓度(总固体含量TS＜5％)畜禽粪便的工艺方法。
背景技术：
目前大型畜禽养殖场出于提高生产效率和加强防疫安全的考虑，通常采用水冲粪的饲养方法，即采用水将畜禽粪便通过管道输送到集中处理粪便的沼气站。这样的流程设计既可以减轻人工清粪的强度提高清粪效率，更重要的是地下管道输送粪便，使清洁工作区与粪便清除区分层，两种截然不同卫生标准的工作区域处于不同空间确保了养殖场的防疫安全，这是大型养殖场普遍采用的清污工艺。
由于采用水力输送粪便的方法使得集中到沼气站的粪便被稀释通常浓度TS﹤5％，对于这样低浓度的畜禽粪便目前普遍采用的技术是将该低浓度的畜禽粪便适当浓缩后全部直接提升至完全混合厌氧发酵反应器,在反应器内各种物料充分混合。在反应器保持35℃-38℃的条件下,充分混合的物料在停留20-25天以上后排至沼液储存池。这样的发酵工艺其单位反应器容积产沼气效率很难超过一立方米反应器空间产沼气一立方米。
虽然有关文献和专利(201210006583。X)、(01127501.4)公开了处理相类似废弃物的方法，但公开的运行参数以及运行方式，均不适用于低浓度畜禽粪便，并且这些专利也没有提出实际运行的厌氧生物反应器运行设计参数，如搅拌器的设计选型、投料的方式，余热利用方式等。采用上述专利公开的方法与参数均不能高效的处理低浓度畜禽粪便。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种处理低浓度畜禽粪便的工艺方法，采用的设备包括粪便缓存池、初级浓缩池、厌氧生物倍增发酵反应器、短程厌氧生物发酵反应器和二级浓缩池，所述方法包括如下步骤：
S1、物料的预处理：将低浓度的畜禽粪便送入缓存池，待该畜禽粪便混合均匀后泵入初级浓缩池，使得低浓度的畜禽粪便在重力作用下分层，形成上清液和底部浓缩物；
S2、物料的发酵处理；该步骤包括如下两个子步骤：
S21：将步骤S1中的上清液直接泵入短程厌氧生物发酵反应器，与厌氧微生物进行厌氧发酵反应；
S22：将步骤S1中的底部浓缩物提升至厌氧生物倍增发酵反应器，在所述厌氧生物倍增发酵反应器内与生物菌群完全混合，经发酵后的物料排放至短程厌氧生物发酵反应器，与厌氧微生物继续进行厌氧发酵反应；
S3：将短程厌氧生物发酵反应器顶部较稀的沼液排入二级浓缩池，经浓缩后，将二级浓缩池顶部的上清液排入沼液池。
可选地或优选地，所述步骤S3还包括：
将短程厌氧生物发酵反应器底部较浓的混合液回流至厌氧生物倍增发酵反应器；以及
将二级浓缩池底部的浓缩液回流至厌氧生物倍增发酵反应器；所述二级浓缩池底部的浓缩液还回流到缓存池。
可选地或优选地，所述厌氧生物倍增发酵反应器设置搅拌器，搅拌强度不低于6W/m3，搅拌器全罐翻腾次数：不小于5—6次/小时，一般不小于5小时。
可选地或优选地，所述短程厌氧生物发酵反应器设置有搅拌器，其搅拌强度为厌氧生物倍增发酵反应器搅拌强度的40％—80％。即其搅拌时间为厌氧生物倍增发酵反应器搅拌强度的40％—80％。
可选地或优选地，厌氧生物倍增发酵反应器的水力停留时间7—12天；
短程厌氧生物发酵反应器的水力停留时间3—6天；
全部厌氧发酵过程小于16天；
短程生物厌氧发酵反应器与厌氧生物倍增发酵反应器容积比为1:1.5-1:3。
可选地或优选地，厌氧生物倍增发酵反应器与短程厌氧生物发酵反应器采用的进料方式为：每天至少分6个运行周期，最多不超过12个周期，每个周期4至2小时。在每个运行周期内，首先开启搅拌器并持续运行全周期的50—75％的时间，停止搅拌25—50％的时间；在开启搅拌器运行30分钟后开始投料，厌氧生物倍增发酵反应器与短程厌氧生物发酵反应器的投料时间为搅拌时间的25％—50％。
可选地或优选地，每24小时至少检测一次厌氧生物倍增发酵反应器与短程厌氧生物发酵反应器内物料的总碱度(TAC)和挥发酸(FOS)，并计测FOS/TAC的比值，FOS值为应维持在2500至3500mg/L的范围以内；当厌氧生物倍增反应器中FOS/TAC小于0.3时，证明反应器中负荷较低，可增加厌氧生物倍增发酵反应器的进料量，并减小短程厌氧生物发酵反应器底部混合液的回流量；当FOS/TAC介于0.3-0.4时，应保持稳定的进料负荷；当FOS/TAC大于0.4时，负荷较高，应降低进料量，增加短程厌氧反应器的混合液的回流量，直至FOS/TAC小于0.4。
可选地或优选地，短程厌氧生物发酵反应器至厌氧生物倍增发酵反应器的回流比为50％—150％。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采取了分质进料的方案，易降解有机物与不易降解有机物分别处于两个反应器，即将不易降解含有大分子有机物的浓缩物经初级浓缩池浓缩后，投入厌氧生物倍增发酵反应器，将较易降解沉淀上清液投入短程厌氧生物发酵反应器中，避免了现有技术均衡投料后的效率损失，缩短了系统水力停留时间20％。
2、本发明增设了短程厌氧生物发酵反应器和二级浓缩池的底部物料回流至厌氧生物倍增发酵反应器的方案，即采用了多点回流，与现有技术相比厌氧生物倍增发酵反应器中，拥有更高的厌氧微生物菌群浓度，可以承受较高的进料负荷。较高浓度的物料在搅拌器的作用下迅速均匀分散至反应器各处，充分地与微生物菌群发生接触并高效反应。部分物料由于短流现象并没有充分反应，随出料进入短程厌氧生物发酵反应器仍继续进行微生物降解反应，同时，短程厌氧反应器及二级浓缩池的回流作用将会让微生物获得更长的倍增时间，保证厌氧系统中保持较高的菌群浓度，让吸附在菌群中的有机质获得更长的反应停留时间，因此获得更高的降解率。
3、本发明优化了搅拌器设计与运行方案，确保了系统的正常运行，并节约能耗10％以上。
4、本发明采取了均衡运行方案，运行稳定，产气效率提高20％。
5、本发明确定了采用检测总碱度(TAC)和挥发酸(FOS)，控制系统的有效参数。确保了系统的稳定运行。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图中：1—粪便缓存池，2—初级浓缩池，3—厌氧生物倍增发酵反应器，4—短程厌氧生物发酵反应器，5—二级浓缩池，6—沼液池。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，一种处理低浓度畜禽粪便的工艺方法，采用的主要实施与设备包括粪便缓存池1、初级浓缩池2、厌氧生物倍增发酵反应器3、短程厌氧生物发酵反应器4和二级浓缩池5，所述方法包括如下步骤：
S1、物料的预处理：低浓度的畜禽粪便进入粪便缓存池1，将该畜禽粪便混合均匀后泵入初级浓缩池2，在重力作用下低浓度的畜禽粪便分层，形成上清液和底部浓缩物。
S2、物料的发酵处理；该步骤包括2个可同时进行的子步骤，一个子步骤S21是将步骤S1中的上清液直接泵入短程厌氧生物发酵反应器4，与厌氧微生物进行厌氧发酵反应；
另一子步骤S22是将步骤S1中的底部浓缩物提升至厌氧生物倍增发酵反应器3，在所述厌氧生物倍增发酵反应器3内与厌氧生物菌群完全混合，经充分发酵后的物料排放至短程厌氧生物发酵反应器4，与厌氧微生物进行厌氧发酵反应；
S3、物料的回流处理：将所述短程厌氧生物发酵反应器4底部较浓的混合液回流至厌氧生物倍增发酵反应器3；此外，还可以将二级浓缩池顶部的上清液排入沼液池。
所述短程厌氧生物发酵反应器4顶部较稀的沼液排入二级浓缩池5，。
所述二级浓缩池5底部的浓缩液回流至厌氧生物倍增发酵反应器3，还可以回流至粪便缓存池1。
所述二级浓缩池5顶部的上清液排入沼液池6。
所述厌氧生物倍增发酵反应器3设置搅拌器，搅拌强度不低于6W/m3，即每立方米的池容，搅拌电机功率不低于6W。搅拌器全罐翻腾次数：不小于5—6次/小时；所述短程厌氧生物发酵反应器4设置有搅拌器和，其搅拌强度为厌氧生物倍增发酵反应器3搅拌强度的40％—80％，短程厌氧生物发酵反应器4与厌氧生物倍增发酵反应器3容积比为1:1.5—1:3；短程厌氧生物发酵反应器所需的水利停留时间短，反应器有机负荷低，特别是考虑到在该反应器的底部形成必要的浓缩作用，以便于通过回流提高厌氧生物倍增发酵反应器厌氧生物菌群数量，因此可以降低搅拌强度，以节约能耗。所述短程厌氧生物发酵反应器3还设置有回流管道，所述回流管道与厌氧生物倍增发酵反应器3连接，用于回流所述短程厌氧生物发酵反应器4底部较浓的混合液。短程厌氧生物发酵反应器4至厌氧生物倍增发酵反应器3的回流比为50％—150％。在计算回流比时，回流量按照短程厌氧生物发酵反应器4和的二级浓缩池5总回流量计算，进料量为缓存池接受的畜禽粪便总量。总回流量与进料量的比值即为回流比。
厌氧生物倍增发酵反应器3的水力停留时间7—12天，短程厌氧生物发酵反应器4的水力停留时间3—6天，全部厌氧过程小于16天。现有技术中，发酵反应器的投料普遍为集中投料，即一般在早上或晚上一次性地将全部物料投入到反应器中反应，但是这种投料方式没有充分考虑到反应器内环境的运行负荷，导致反应效率低。为解决此问题，发明人采用了均衡运行的进料方案，均衡运行是保证厌氧生物反应稳定进行的重要条件，厌氧生物倍增发酵反应器3与短程厌氧生物发酵反应器4采用的进料方式为：每天至少分6个运行周期，最多不超过12个周期，每个周期4至2小时。在每个运行周期内，首先开启搅拌器并持续运行全周期的50—75％的时间，停止搅拌25—50％的时间，这样既可以保证搅拌均匀，又可以节约能耗。在一个周期内，搅拌机开启后30分钟后开始投料，这是为了保证搅拌均匀。厌氧生物倍增发酵反应器3与短程厌氧生物发酵反应器4的投料时间为搅拌时间的25％—50％。在均衡运行中，进料方式是按照周期间隔进行的，这样可以保证每个周期内都能为物料提供足够的生物浓度，提高了反应效率。
在处理过程中，沼气产量会随着各反应器内反应环境而发生变化，而现有技术中并不能掌控这种变化的内因。本发明为了保持沼气的生产效率，每24小时至少检测一次厌氧生物倍增发酵反应器3与短程厌氧生物发酵反应器4内物料的总碱度(TAC)、挥发酸(FOS)等指标，以了解沼气产量变化的原因。厌氧生物倍增发酵反应器3与短程厌氧生物发酵反应器4的FOS值为应维持在2500至3500mg/L的范围以内。每日重点监测数据为FOS/TAC的比值，当厌氧生物倍增反应器3中FOS/TAC小于0.3时，证明反应器中负荷较低，可直接增加反应器的进料量，适当减少短程厌氧生物发酵反应器4底部混合液的回流量；当FOS/TAC介于0.3-0.4时，反应器处于正常状态，应保持稳定的进料负荷；当FOS/TAC大于0.4时，反应器负荷过载，应降低进料量，增加短程厌氧反应器4的混合液的回流量，直至FOS/TAC小于0.4。
应用例
某奶牛养殖场采用水冲粪清污工艺，TS％小于4％。粪便处理采用了本发明的方案。其厌氧生物倍增发酵反应器3设计2座，每座3000立方米；设置3台搅拌机，每台功率45KW。短程厌氧生物发酵反应器4设计1座，容积3000立方米；设置3台搅拌机，每台功率35KW。总有效发酵容积为9000m3。粪便处理系统日均进料量800m3/d，VS/TS＝80％，采用中温发酵(38℃)。短程厌氧生物发酵反应器4至厌氧生物倍增发酵反应器3的回流比为80％。虽然水力停留时间(HRT)仅为12天，但日均产气量为12000m3以上，容积产气率大于1.2m3/m3.d，单位VS产气量达到450-480m3/t VS，较常规工艺产气量提升20％以上。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。