专利名称：一种混合原料发酵生产沼气的系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种沼气生产系统及方法，特别是涉及ー种采用混合原料生产沼气的系统及方法，属于厌氧发酵的甲烷生产领域。
背景技术：
能源危机与环境污染是当今全球同时面对的两大环境问题，将废弃物减量化、无害化处理进而资源化利用已成为世界各国政府和科学家普遍关注与亟待解决的技术问题。目前，农村畜禽养殖污染、农作物秸杆焚烧等由农业废弃物引起的农业面源污染已成为我国农村环境污染的最重要来源之一，是我国农村生态环境治理建设面临的技术问题之一。农村沼气项目的建设，沼气的生产及综合利用是解决实现农村废弃物无害化处理与资源化利用的重要技木。随着农村沼气生产与利用规模的扩大，沼气生产应用基础科研的深入，人们发现单一富碳生物原料或者单一富氮生物原料作为沼气生产原料均存在营养失衡、产气 率较低、降解慢、运行不稳定、原料季节性短缺等弊端，影响用户建设与使用沼气的积极性。现有技木“牲畜粪便与麦杆混合厌氧发酵的产气量、发酵时间及最优温度”(《应用生态学报》2008，19(8) :1817-182)公开了ー种采用牲畜粪便与麦杆混合厌氧发酵生产沼气的方法。但该方法(包括类似的以混合原料发酵生产沼气的方法)仅限于实验室条件下应用，使用的沼气生产设置仅限于各种试验器材，实验条件简单可控，无法成功应用于实际的生产实践取得理想的效果。例如，该方法认为只要采用了粪便与秸杆混合发酵，便能解决秸杆在发酵时易浮料结壳的缺点，提高发酵效果。但实际上，这样的技术效果仅限于实验室环境中的理想操作条件之下。在实际的沼气生产现场，发酵罐中的混合发酵材料会出现自然分层，秸杆悬浮在发酵液上部并形成厚实的结壳层，无法与粪便均匀混合实现混合厌氧发酵，发酵效果受到严重影响。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供ー种混合原料发酵生产沼气的系统，该系统适用于将富碳生物原料与富氮生物原料混合进行厌氮发酵生产沼气。为实现上述目的，本发明的技术方案如下ー种混合原料发酵生产沼气的系统，包括由管道依次连接的原料池、混合池、厌氧发酵罐、沉淀池；原料池中安装送水/料装置，混合池中安装搅拌装置与送水/料装置；其特征在于所述原料池包括分别与混合池连接的富碳生物原料池与富氮生物原料池；所述沉淀池中安装送水/料装置，并通过管道分别连接至富碳生物原料池与富氮生物原料池。上述沼气生产系统适用于富碳生物原料与富的氮生物原料混合发酵生产沼气的方法。由于两类生物原料的先期处理方法不同，因此系统将原料池分为富碳生物原料池与富氮生物原料池以满足生物原料先期处理的需要。系统在沉淀池中安装送水/料装置，将经沉淀的沼渣沼液的上清液通过密封管道分别输送至富碳生物原料池与富氮生物原料池用于生物原料先期处理时使用。该沼气生产系统可以解决沼气生产过程中三方面技术问题一、将生物原料池分开，有利于在各自的最适作用环境下完成不同生物原料的先期预处理；二、将沼渣沼液的上清液输送至生物原料池，有利于节约生产用水；三、沼渣沼液的上清液含有丰富的微生物与矿物元素，可以为富碳生物原料或富氮生物原料预处理提供优质菌种和微生物生长代谢所需矿物元素，由此能够缩短原料先期预处理的周期。混合原料生产沼气的一个技术关键是厌氧发酵过程中生物原料充分混合。但是实际生产中，由于富碳生物原料与富氮生物原料物理形态与密度不同，两种原料只有在搅拌条件下才能够混合充分，一旦搅拌停止一段时间后，富碳生物原料与富氮生物原料便会出现分层，前者浮于发酵罐上部形成结壳层，后者悬浮在中下部。在生物原料发酵工序中，如果不强化原料混合则无法达到混合发酵的技术效果，但采用常规搅拌方法很难取得理想的效果。例如，若常规搅拌装置搅拌时处于结壳层以下，则很难打破结壳层使两种原料混合；若常规搅拌装置搅拌时触及结壳层，则会向发酵液中带入空气，破坏厌氧发酵条件。两种设计都会使发酵效率急剧下降。本发明提供的沼气生产系统对厌氧发酵罐进行优化设计，增加了专门的发酵液混合装置一一循环破壳装置。循环破壳装置是一个安装在厌氧发酵罐内的输送管道类结构。循环破壳装置上部 为喇叭件，开口于发酵液的富碳生物原料悬浮层，喇叭件下部连接负压管，负压管出口段安装电动叶片，电动叶片转动轴与负压管出口端轴向平行。当电动叶片转动时向循环破壳装置外侧输送液体介质，负压管内产生负压，喇叭件开口附件悬浮的富碳生物原料被吸入装置内。经理论计算与现场试验测试证实，将负压管设计为L型管，L型管上端连接喇叭件，L型管直臂与厌氧发酵罐罐壁平行，能产生更好的促进生物原料混合的效果。循环破壳装置利用在发酵液中形成有序的平稳对流，利用负压抽力使两种生物原料均匀混合同时尽量保持发酵罐内的厌氧条件。本发明还提供一种利用上述系统生产沼气的方法，具体技术方案为一种混合原料发酵生产沼气的方法，采用富碳生物原料与富氮生物原料混合物作为发酵原料，其特征在于工艺步骤为富碳生物原料加水调配至含水率65% 75%待用，富氮生物原料加水调配至TS浓度3% 8%待用；将调配后富碳生物原料与调配后富氮生物原料按1:9 2:8 (Dff/Dff)均匀混合作为发酵原料；发酵原料在温度25 55°C下进行厌氧发酵生产沼气，厌氧发酵过程中保持富碳生物原料与富氮生物原料充分混合状态；发酵后的沼渣沼液进行沉淀，沉淀后上清液用于发酵原料的调制用水。富碳生物原料中木质素与半纤维素包裹纤维素影响微生物发酵反应的效率，因为，上述发明方法在优选条件下首先对富碳生物原料进行预处理，具体是向富碳生物原料中接种将混合菌液分解原料中的木质素。混合菌液包含硬毛栓菌(Trametes hirsuta)(菌种编号 CGMCC NO. 3772)与杂色栓菌(Trametes versicolor)(菌种编号 CGMCC NO. 3773)以及菌株生长所需的激活剂酵母粉，具体处理方法采用CN201010182173. KCN102261004A)公开的木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法。通过预处理，降解富碳生物原料中的木质素、半纤维素以及少量纤维素成份，降低木质素和半纤维素对纤维素的包裹作用，使原料疏松，软化，利于提高后续厌氧发酵的可生化性；同时利于降低富碳生物原料上浮结壳。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)沼气生产系统将生物原料池分开，有利于分别在各自的最适作用环境下完成不同生物原料的先期预处理；(2)将沼渣沼液的上清液输送至生物原料池，一方面能够大幅度节约生产用水，同时利用沼渣沼液的上清液含有丰富的微生物和矿物元素，可以为富碳生物原料和富氮生物原料预处理提供优质菌种与微生物生长代谢所需矿物元素；(3)厌氧发酵罐内的循环破壳装置在发酵罐中形成平稳对流利用负压将发酵液上结壳层的料液吸入破壳装置，沿料液循环管至发酵罐内侧底部，实现发酵料液均匀混合，既解决了秸杆原料发酵过程中上层料液结壳、传质效果差和局部酸积累和发酵过程不易调控的技术难点，又避免普通搅拌装置破壳效果不理想且易破坏厌氧发酵条件影响产气率；(4)通过微生物预处理富碳生物原料，降低了木质素与半纤维素对纤维素的包裹作用，使原料疏松，软化，从而利于后续厌氧消化，提高厌氧发酵产气效率。
图I是混合原料发酵生产沼气的系统结构示意图。图2是循环破壳装置结构示意图。图3是混合原料发酵生产沼气工艺流程示意图 附图中的数字标记分别是11富碳生物原料池 12富氮生物原料池 2混合池 21搅拌装置3厌氧发酵罐 31循环破壳装置 311喇叭件 312负压管313电动叶片 314负压嘴 4沉淀池 5送水/料装置
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。实施例一如图I、图2所示，制造一种混合原料发酵生产沼气的系统。图I是混合原料发酵生产沼气的系统结构示意图。混合原料发酵生产沼气的系统，包括由密封管道依次连接的原料池、混合池2、厌氧发酵罐3、沉淀池4 ;原料池中安装送水/料装置5，混合池2中安装搅拌装置21与送水/料装置5。原料池包括分别与混合池2连接的富碳生物原料池11与富氮生物原料池12 ;沉淀池4中安装送水/料装置5，并通过管道分别连接至富碳生物原料池11与富氮生物原料池12。富碳原料池11优选为方形、地上式，配套的送水/料装置5采用螺旋推料器，安装在富碳原料池11出料口与混合池2进料口之间；富氮原料池12优选为方形、地下式，配套的送水/料装置5采用潜水排污泵，安装在富氮生物原料池12出料口和混合池2进料口之间；混合池2池优选为方形、地下式，配套的送水/料装置5潜水排污泵，用于将混合好的生物原料输送至厌氧发酵罐3 ;厌氧发酵罐3为地上式；沉淀池4优选为方形、地下式，底部设有潜污泵，用于回流至原料池。图2是循环破壳装置结构示意图。厌氧发酵罐3中布置循环破壳装置31。循环破壳装置31是输送管道类结构，上部为喇叭件311，喇叭件311开口于富碳生物原料上浮结壳层，喇叭件311下端连接负压管312，负压管312设计为L型管，L型管上端连接喇叭件311，L型管直臂与厌氧发酵罐3罐壁平行；负压管312出口段安装电动叶片313 ;电动叶片313转动轴与负压管312出口段轴向平行。负压管312内部结构设有负压嘴314用于调节负压大小。实施例二
采用实施例一所述的混合原料发酵生产沼气的系统生产沼气，其エ艺流程示意图如图3。I、生物原料富碳生物原料选用自然晾干的普通农田稻杆，粉碎至3mm IOmm粗粒,常规样品干燥法烘干测量含水率；富氮生物原料选用农村畜禽粪便，常规样品干燥法烘干测量含水率。2、生产エ艺取秸杆粗粒16Kg (DW)装入富碳生物原料池11，加水调配至含水率60% 65% ;取畜禽粪便150Kg (DW)装入富氮生物原料池12，加水调配至TS浓度3% 8% ;通过各送水/料装置5将调配后秸杆粗粒与调配后畜禽粪便按1:9 2:8 (DW/DW)送入混合池2，均匀混合作为发酵原料；将发酵原料送入厌氧发酵罐3在温度25°C 30°C下厌氧发酵生产沼气； 厌氧发酵过程中保持循环破壳装置31运行，发酵后的沼渣沼液送入沉淀池，经静置沉淀后将上清液送入原料池用于发酵原料的调制用水。实施例三采用实施例一所述的混合原料发酵生产沼气的系统生产沼气，其与实施例二相同之处不再重复，不同之处在于对富碳生物原料进行预处理。混合菌液包含硬毛栓菌(Trametes hirsuta)与杂色栓菌(Trametesversicolor)以及菌株生长所需的激活剂酵母粉。富碳生物原料预处理工艺为取秸杆粗粒16Kg (Dff)装入富碳生物原料池11，カロ水调配至含水率60% 65% ;接种混合菌液，接种量5% 10% (W/W);接种后发酵处理3 4d，温度 25°C 40°C。处理完毕送入混合池2按1:9 2:8 (DW/DW)与调配后畜禽粪便混合继续后续エ艺步骤。预处理详细エ艺采用CN201010182173. I公开的木质纤维素原料的生物-化学联合预处理方法(CN102261004A)。实施例四采用实施例一所述的混合原料发酵生产沼气的系统生产沼气，其与实施例三相同之处不再重复，不同之处混合菌液接种量8%，接种后发酵处理4 6d，温度25°C 30°C ;或者混合菌液接种量6%，接种后发酵处理4 6d，温度30°C 40°C。依照实施例三或四实施的沼气生产项目，设计标准为50户集中供气工程。经实践，每天生产沼气50m3，消耗富碳生物原料16kg，富氮生物原料150kg，水0L，可以供50户使用。与现有常见沼气生产项目相比，由于采用沼渣沼液上清液回收再利用，每生产50m3沼气，节约生产用水约2000L，减少沼渣沼液出料人工2hr。由于采用微生物预处理富碳生物原料，原料产气率提高20%以上，并且浮渣减少明显。
权利要求
1.一种混合原料发酵生产沼气的系统，包括由管道依次连接的原料池、混合池(2)、厌氧发酵罐(3)、沉淀池(4);原料池中安装送水/料装置(5)，混合池(2)中安装搅拌装置(21)与送水/料装置(5);其特征在于所述原料池包括分别与混合池(2)连接的富碳生物原料池(11)与富氮生物原料池(12);所述沉淀池(4)中安装送水/料装置(5)，并通过管道分别连接至富碳生物原料池(11)与富氮生物原料池(12)。
2.根据权利要求I所述的系统，其特征在于所述厌氧发酵罐(3)中布置循环破壳装置(31);所述循环破壳装置(31)上部为喇叭件(311)，喇叭件(311)下部连接负压管(312 )，负压管(312)出口段安装电动叶片(313);电动叶片(313)转动轴与负压管(312)出口段轴向平行。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述负压管(312)为L型管，L型管上端连接喇叭件(311)，L型管直臂与厌氧发酵罐(3)罐壁平行。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于所述负压管(312)内部安装负压嘴(314);当负压管(312)为L型管时，负压嘴(314)安装在L型管直臂内。
5.根据权利要求I或2或3所述的系统，其特征在于所述富碳原料池(11)为地上式，富氮原料池(12)为地下式，混合池(2)为地下式，厌氧发酵罐(3)为地上式，沉淀池(4)为地下式。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于所述富碳原料池(11)中的送水/料装置(5)是螺旋推料器，所述富氮原料池(12)中的送水/料装置(5)是潜水排污泵。
7.一种混合原料发酵生产沼气的方法，采用富碳生物原料与富氮生物原料混合物作为发酵原料，其特征在于工艺步骤为富碳生物原料加水调配至含水率60% 65%待用，富氮生物原料加水调配至TS浓度3% 5%待用；将调配后富碳生物原料与调配后富氮生物原料按1:9 2:8 (DW/DW)均匀混合作为发酵原料；发酵原料在温度25 55°C下进行厌氧发酵生产沼气，厌氧发酵过程中保持富碳生物原料与富氮生物原料充分混合状态；发酵后的沼渣沼液进行沉淀，沉淀后上清液用于发酵原料的调制用水。
8.一种利用权利要求2所述的系统实现的混合原料发酵生产沼气的方法，其特征在于将富碳生物原料放入富碳生物原料池(11)加水调配至含水率60% 65%，将富氮生物原料放入富氮生物原料池(12)加水调配至TS浓度6% 8% ;将富碳生物原料池(11)中调配后富碳生物原料与富氮生物原料池(12)中调配后富氮生物原料按比例1:9 2:8 (Dff/Dff)送入混合池(2)均匀混合作为混合原料；将混合池(2)中混合原料送入厌氧发酵罐(3)并保持循环破壳装置(31)运行状态，在温度25 55°C下进行厌氧发酵生产沼气；发酵后的沼渣沼液送入沉淀池(4)进行沉淀，沉淀后上清液送入富碳生物原料池(11)与富氮生物原料池(12)作为生产用水。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述富碳生物原料加水调配至含水率60% 65%后进行预处理后待用；所述预处理是向富碳生物原料中接种混合菌液分解原料中的木质素，所述混合菌液包含硬毛栓菌与杂色栓菌以及菌株生长所需的激活剂酵母粉。
全文摘要
本发明公开了一种混合原料发酵生产沼气的系统及方法。针对现有技术中利用混合原料发酵生产沼气的生产系统中存在富碳生物原料与富氮生物原料不能保持充分混合状态的缺陷，本发明提供了一种混合原料发酵生产沼气的系统。该系统包括由管道依次连接的原料池、混合池、厌氧发酵罐、沉淀池，其中原料池分为独立并联的富碳与富氮生物原料池，厌氧发酵罐中布置有循环破壳装置，利用负压形成平稳对流将发酵液上富碳生物原料结壳层打破与富氮生物原料充分混合。本发明还提供一种混合原料发酵生产沼气的方法。本发明结构设计简洁，建设成本低廉，能大幅度提高发酵效率增加产气量，同时节约生产用水，降低人工出渣工时。系统与方法能充分满足农村家庭集中使用需要。
文档编号C12M1/02GK102839116SQ20121033277
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者闫志英, 刘晓风, 袁月祥, 廖银章 申请人:中国科学院成都生物研究所