智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统及工艺的制作方法

本发明涉及有机废弃物厌氧发酵产甲烷技术领域，特别是一种智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统及工艺。

背景技术：

随着一次石化能源的日渐枯竭，可再生能源的开发与利用成为世界各国研究的热点。利用厌氧发酵技术将各类有机废物，如畜禽粪便、生活垃圾、污水污泥及农产品加工废物等转化为生物燃气甲烷，不仅可以改善生态环境，而且对于国家能源安全和补充能源供应均具有重要意义。我国沼气能源的开发应用经历了户用模式、中小型沼气工程和大型沼气工程的发展阶段，在我国南方取得了良好的产业化应用效果。然而，在我国北方寒冷地区，各种沼气应用技术受低温影响，致使厌氧发酵系统运行不稳定，产气率低，极大制约了其推广与应用。

高寒地区沼气发酵系统难以稳定运行，根本原因是低温或温度震荡导致沼气发酵微生物代谢能力降低，尤其厌氧发酵装置仍依靠传统工程经验设计与运行，结构简单、管理粗放，未能提供适宜的厌氧消化微环境。为克服上述问题，近年来开发了一系列保温发酵罐、辅助增温设备，以及多种嗜低温厌氧菌、沼气发酵促进剂等技术措施，但仍存在沼气工程冬季运行与工艺调控上无法保障高效稳定的沼气产率的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种解决上述低温状态下沼气产率低且产率不稳定的问题的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统及工艺，结构设计合理、操作简单，基于生物相分离技术，准确控制系统进、出料有机负荷、温度、机械搅拌及沼液回流负荷等运行参数，实现有机废弃物低温高效沼气的制备。

本发明的技术方案是：

一种智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，包括水解酸化相发酵装置、产甲烷相发酵装置和PLC智能控制器，其特征在于：所述水解酸化相发酵装置和产甲烷相发酵装置之间设置酸化物料储存固液分离装置，所述酸化物料储存固液分离装置下部设有酸化液进料口，上部设有酸化液出料口，底部设有残渣出料口，所述酸化液进料口与水解酸化相发酵装置的出料口之间设有连接管路并在该连接管路上设有酸化液进料泵，所述残渣出料口与水解酸化相发酵装置的进料口之间设有连接管路并在该连接管路上设有残渣回流泵，所述酸化液出料口与产甲烷相发酵装置的进料口之间设有连接管路并在该连接管路上设有产甲烷相进料泵，所述水解酸化相发酵装置、酸化物料储存固液分离装置和产甲烷相发酵装置顶部均设有出气口，所述出气口利用管线与集气罐连接，所述集气罐另连接气体流量计。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述水解酸化相发酵装置、酸化物料储存固液分离装置与产甲烷相发酵装置的体积比为2-4：1：1。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述水解酸化相发酵装置采用双层螺旋连续搅拌釜式装置，其底部设有进料口且该进料口采用三通电磁阀，除与水解酸化相发酵装置直接相连的端口外，其中一个进料端口外侧利用管线连接有机废弃物进料泵，另一个进料端口外侧与所述残渣回流泵所在连接管路相连，所述PLC智能控制器通过控制有机废弃物进料泵和残渣回流泵调整进料负荷与沉渣回料负荷，所述水解酸化相发酵装置的上部设有出料口，所述水解酸化相发酵装置内部设置双层螺旋电动搅拌器、热电偶加热器、温度传感器、pH计及氧化还原电位计。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述产甲烷相发酵装置的径高比为1：5-8，底部设有进料口且该进料口采用三通电磁阀，除与产甲烷相发酵装置直接相连的端口外，其中一个端口作为进料端口与产甲烷相进料泵所在连接管路相连，另一个作为出料端口利用管线连接沼液循环泵，所述产甲烷相发酵装置的上部设有沼液回流口，所述沼液回流口内侧连接回流分散器，外侧与所述沼液循环泵的出口管线相连，所述PLC智能控制器通过控制产甲烷相进料泵和沼液循环泵调整进料负荷与沼液回流量，所述产甲烷相发酵装置内部对应回流分散器下方位置设有可拆分的载体承托装置，所述产甲烷相发酵装置内另设有pH计及氧化还原电位计。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述回流分散器为倒置漏斗状，底面均匀设置多孔圆形沼液喷淋口，直径为产甲烷相发酵装置直径的3/5-4/5。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述可拆分的载体承托装置位于距产甲烷相发酵装置顶部的2/3处，承托的载体高度为产甲烷相发酵装置高度的1/5-1/3，所述可拆分的载体承托装置的上、下底面均匀设置多个通孔，用于固定软质填料。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述水解酸化相发酵装置的双层螺旋电动搅拌器的上、下两层搅拌桨位于距水解酸化相发酵装置顶部的1/3与2/3处，所述搅拌桨由等间隙平行栅条组成，搅拌频次由PLC智能控制器自动控制。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述水解酸化相发酵装置的外部设有聚氨酯保温层，厚度为2-5cm。

上述的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，所述水解酸化相发酵装置和产甲烷相发酵装置分别设有多个高度不同的取样口。

一种智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵工艺，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、先将单一有机废物发酵原料或多种有机废物混合发酵原料中混入的沙粒分离出去，再与粉碎后的秸秆混合，最后调整混合物料的总固体浓度(TS％)为6％-12％、碳氮比(C/N)为20-30：1；向水解酸化相发酵装置中投入酸化相接种物，所述酸化相接种物为中温发酵沼气池沼液，接入量为水解酸化相发酵装置总容积的30％，然后将混合物料泵入到水解酸化相发酵装置中至设定容量；通过酸碱中和原理调整混合物料的初始pH值在7.0-7.5之间，并加热混合物料至30-35℃后启动连续发酵运行模式，水解酸化相发酵装置定时定量排放酸化物料至储存固液分离装置，同时补入与排放物料等量的新鲜混合物料，在此过程中，进料负荷为0.5-1.0kgVS/m³d，物料停留时间为35-40天，利用搅拌器每3h以120-150rpm/min搅拌8-10min；

步骤2、当水解酸化相发酵装置中混合物料pH值降至6.5以下，同时通过取样测定短链挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸为主要末端液相发酵产物时，由PLC智能控制器反馈pH值变化，提高进料负荷至2.0-2.5kgVS/m³d，物料停留时间缩短至25-30天，搅拌器每3h以120-150rpm/min搅拌8-10min；

步骤3、酸化物料的储存固液分离装置将分离出的酸化液以连续进料的方式泵入产甲烷相发酵装置，进料负荷为1.5-2.5kgVS/m³d，产甲烷接种物取自城市污水处理厂厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥，保持产甲烷相发酵装置中发酵温度不低于25℃，物料停留时间25-30天，物料回流比为30％～50％，水解酸化相发酵装置、酸化物料的储存固液分离装置和产甲烷相发酵装置产生的沼气分别收集于集气罐。

本发明的有益效果是：本发明系统结构设计合理，工艺操作简单，分别提供水解产酸细菌和产甲烷菌各自适宜代谢的生态条件，强化了产甲烷效能；对各类有机固体废物适应能力强，有效解决物料水解产酸过程结壳，以及有效缓解挥发酸或氨的积累对甲烷过程的抑制作用，通过PLC智能控制器可准确控制进、出料负荷，沼液回流量，水解产酸相温度与搅拌强度等工艺参数，显著提高了产甲烷相低温沼气转化效率与运行稳定性，实现有机废弃物低温高效沼气的制备。

附图说明

图1是本发明的沼气发酵系统的结构示意图。

图2是本发明以牛粪为发酵底物的水解酸化相发酵装置的挥发性脂肪酸变化示意图。

图中：1.水解酸化相发酵装置、2.进料口、3.pH计、4.氧化还原电位计、5.双层螺旋电动搅拌器、6.搅拌桨、7.热电偶加热器、8.机废弃物进料泵、9.取样口、10.出料口、11.出气口、12.集气罐、13.气体流量计、14.PLC智能控制器、15.残渣回流泵、16.酸化液进料泵、17.储存固液分离装置、18.酸化液进料口、19.残渣出料口、20.出气口、21.集气罐、22.气体流量计、23.酸化液出料口、24.产甲烷相进料泵、25.进料口、26.pH计、27.氧化还原电位计、28.产甲烷相发酵装置、29.出气口、30.沼液回流口、31.回流分散器、32.载体承托装置、33.取样口、34.沼液循环泵、35.集气罐、36.气体流量计。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，该智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，由水解酸化相发酵装置1、产甲烷相发酵装置28、连接于水解酸化相发酵装置1和产甲烷相发酵装置28之间的酸化物料储存固液分离装置17以及PLC智能控制器14组成。所述水解酸化相发酵装置1、酸化物料储存固液分离装置17与产甲烷相发酵装置28的体积比为4：1：1。

其中，所述酸化物料储存固液分离装置17下部设有酸化液进料口18，上部设有酸化液出料口23，顶部设有出气口20，底部设有残渣出料口19。所述酸化液进料口18与水解酸化相发酵装置1的出料口10之间设有连接管路并在该连接管路上设有酸化液进料泵16，所述残渣出料口19与水解酸化相发酵装置1的进料口2之间设有连接管路并在该连接管路上设有残渣回流泵15，所述酸化液出料口23与产甲烷相发酵装置28的进料口25之间设有连接管路并在该连接管路上设有产甲烷相进料泵24。所述出气口20利用管线与集气罐21连接，所述集气罐21另连接气体流量计22。

所述水解酸化相发酵装置1采用双层螺旋连续搅拌釜式装置，其底部设有进料口2且该进料口2采用三通电磁阀，除与水解酸化相发酵装置1直接相连的端口外，其中一个进料端口外侧利用管线连接有机废弃物进料泵8，另一个进料端口外侧与所述残渣回流泵15所在连接管路相连，所述PLC智能控制器14通过控制有机废弃物进料泵8和残渣回流泵15调整进料负荷与沉渣回料负荷。所述水解酸化相发酵装置1的上部设有出料口10，所述水解酸化相发酵装置1内部设置双层螺旋电动搅拌器5、热电偶加热器7、温度传感器、pH计3及氧化还原电位计4，顶部设有出气口11且出气口11利用管线连接集气罐12，集气罐12另连接有气体流量计13。所述双层螺旋电动搅拌器5的上、下两层搅拌桨6位于距水解酸化相发酵装置1顶部的1/3与2/3处，所述搅拌桨6由等间隙平行栅条组成，搅拌频次由PLC智能控制器14自动控制。所述水解酸化相发酵装置1的外部设有聚氨酯保温层，厚度为2cm。

所述产甲烷相发酵装置28的径高比为1：5，底部设有进料口25且该进料口25采用三通电磁阀，除与产甲烷相发酵装置28直接相连的端口外，其中一个端口作为进料端口与产甲烷相进料泵24所在连接管路相连，另一个作为出料端口利用管线连接沼液循环泵34，所述产甲烷相发酵装置28的上部设有沼液回流口30，所述沼液回流口30内侧连接回流分散器31，所述回流分散器31为倒置漏斗状，底面均匀设置多孔圆形沼液喷淋口，直径为产甲烷相发酵装置28直径的3/5。所述沼液回流口30外侧与所述沼液循环泵34的出口管线相连，所述PLC智能控制器14通过控制产甲烷相进料泵24和沼液循环泵34调整进料负荷与沼液回流量。所述产甲烷相发酵装置28内部对应回流分散器31下方位置设有可拆分的载体承托装置32，所述可拆分的载体承托装置32位于距产甲烷相发酵装置28顶部的2/3处，承托的载体高度为产甲烷相发酵装置28高度的1/5，所述可拆分的载体承托装置32的上、下底面均匀设置多个通孔，用于固定软质填料。所述产甲烷相发酵装置28顶部设有出气口29且出气口29利用管线连接集气罐35，集气罐35另连接有气体流量计36，所述产甲烷相发酵装置28内另设有pH计26及氧化还原电位计27。所述水解酸化相发酵装置1和产甲烷相发酵装置28分别设有多个高度不同的取样口9、33。

利用上述系统的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵工艺，包括如下步骤：

步骤1、先将牛粪中混入的沙粒分离出去，再与粉碎后的秸秆混合，最后加水调整混合物料的总固体浓度(TS％)为6％、碳氮比(C/N)为20：1。向水解酸化相发酵装置1中投入酸化相接种物，所述酸化相接种物为35℃的中温发酵沼气池沼液，接入量为水解酸化相发酵装置总容积的30％，然后将混合物料通过有机废弃物进料泵8泵入到水解酸化相发酵装置1中至设定容量。通过酸碱中和原理调整混合物料的初始pH值至7.0，并加热混合物料至35℃后启动连续发酵运行模式，水解酸化相发酵装置1定时定量排放酸化物料至储存固液分离装置17，同时补入与排放物料等量的牛粪和粉碎后的秸秆混合物料，在此过程中，进料负荷为0.5kgVS/m³d，物料停留时间为40天，利用搅拌器每3h以120rpm/min搅拌8min。

步骤2、当水解酸化相发酵装置1中混合物料pH值降至6.5以下，同时通过取样口9取样测定短链挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸为主要末端液相发酵产物时(参见图2)，由PLC智能控制器14反馈pH值变化，提高进料负荷至2.0kgVS/m³d，物料停留时间缩短至30天，搅拌器每3h以120rpm/min搅拌8min。

步骤3、酸化物料的储存固液分离装置17将分离出的酸化液以连续进料的方式通过产甲烷相进料泵24泵入产甲烷相发酵装置28，进料负荷为1.5kgVS/m³d，产甲烷接种物取自城市污水处理厂厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥，保持产甲烷相发酵装置28中发酵温度不低于25℃，物料停留时间25天，物料回流比为30％，水解酸化相发酵装置1、酸化物料的储存固液分离装置17和产甲烷相发酵装置28产生的沼气分别收集于对应的集气罐并通过气体流量计计量。

实施例2

该智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，水解酸化相发酵装置1、酸化物料储存固液分离装置17与产甲烷相发酵装置28的体积比为4：1：1。述产甲烷相发酵装置28的径高比为1：8，所述产甲烷相发酵装置28内的可拆分的载体承托装置32位于距产甲烷相发酵装置28顶部的2/3处，承托的载体高度为产甲烷相发酵装置28高度的1/3。其他同实施例1。

利用上述系统的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵工艺，包括如下步骤：

步骤1、先将猪粪和污水污泥中混入的沙粒分离出去，再与粉碎后的秸秆混合，最后加水调整混合物料的总固体浓度(TS％)为10％、碳氮比(C/N)为25：1。向水解酸化相发酵装置1中投入酸化相接种物，所述酸化相接种物为30℃的中温发酵沼气池沼液，接入量为水解酸化相发酵装置1总容积的30％，然后将混合物料通过有机废弃物进料泵8泵入到水解酸化相发酵装置1中至设定容量。通过酸碱中和原理调整混合物料的初始pH值至7.2，并加热混合物料至30℃后启动连续发酵运行模式，水解酸化相发酵装置1定时定量排放酸化物料至储存固液分离装置17，同时补入与排放物料等量的猪粪、污水污泥和粉碎后的秸秆混合物料，在此过程中，进料负荷为0.8kgVS/m³d，物料停留时间为35天，利用搅拌器每3h以140rpm/min搅拌9min。残渣回流泵15将部分沉渣泵入水解酸化相发酵装置1中。

步骤2、当水解酸化相发酵装置1中混合物料pH值降至6.5以下，同时通过取样口9取样测定短链挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸为主要末端液相发酵产物时，由PLC智能控制器14反馈pH值变化，提高进料负荷至2.3kgVS/m³d，物料停留时间缩短至25天，搅拌器每3h以140rpm/min搅拌9min。

步骤3、酸化物料的储存固液分离装置17将分离出的酸化液以连续进料的方式通过产甲烷相进料泵24泵入产甲烷相发酵装置28，进料负荷为2kgVS/m³d，产甲烷接种物取自城市污水处理厂厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥，保持产甲烷相发酵装置28中发酵温度不低于25℃，物料停留时间28天，物料回流比为40％，水解酸化相发酵装置1、酸化物料的储存固液分离装置17和产甲烷相发酵装置28产生的沼气分别收集于对应的集气罐并通过气体流量计计量。

实施例3

该智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵系统，水解酸化相发酵装置1、酸化物料储存固液分离装置17与产甲烷相发酵装置28的体积比为3：1：1。所述产甲烷相发酵装置28的径高比为1：6，回流分散器31的直径为产甲烷相发酵装置28直径的4/5，可拆分的载体承托装置32位于距产甲烷相发酵装置28顶部的2/3处，承托的载体高度为产甲烷相发酵装置28高度的1/4。其他同实施例1。

利用上述系统的智能控制两相厌氧生物膜沼气发酵工艺，包括如下步骤：

步骤1、先将鸡粪中混入的沙粒分离出去，再与粉碎后的秸秆混合，最后调整混合物料的总固体浓度(TS％)为12％、碳氮比(C/N)为30：1。向水解酸化相发酵装置1中投入酸化相接种物，所述酸化相接种物为中温发酵沼气池沼液，接入量为水解酸化相发酵装置1总容积的30％，然后将混合物料泵入到水解酸化相发酵装置1中至设定容量。通过酸碱中和原理调整混合物料的初始pH值至7.5，并加热混合物料至33℃后启动连续发酵运行模式，水解酸化相发酵装置1定时定量排放酸化物料至储存固液分离装置17，同时补入与排放物料等量的新鲜混合物料，在此过程中，进料负荷为1.0kgVS/m³d，物料停留时间为38天，利用搅拌器每3h以150rpm/min搅拌10min。

步骤2、当水解酸化相发酵装置1中混合物料pH值降至6.5以下，同时通过取样测定短链挥发性脂肪酸以乙酸和丁酸为主要末端液相发酵产物时，由PLC智能控制器14反馈pH值变化，提高进料负荷至2.5kgVS/m³d，物料停留时间缩短至28天，搅拌器每3h以150rpm/min搅拌10min。

步骤3、酸化物料的储存固液分离装置17将分离出的酸化液以连续进料的方式泵入产甲烷相发酵装置28，进料负荷为2.5kgVS/m³d，产甲烷接种物取自城市污水处理厂厌氧反应器中的厌氧颗粒污泥，保持产甲烷相发酵装置28中发酵温度不低于25℃，物料停留时间30天，物料回流比为50％，水解酸化相发酵装置1、酸化物料的储存固液分离装置17和产甲烷相发酵装置28产生的沼气分别收集于对应的集气罐并通过气体流量计计量。