本发明属于农业废弃物厌氧发酵领域，特别涉及一种超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵方法。
背景技术
随着我国人口的增加和城市化进程的加速，人们对物质生活的需求每日剧增，因此为满足社会的需求，农业和工业的发展也随之快速发展。然而工业和农业在快速发展满足人们需求的生产过程中也给生态环境带来严重的污染，各种食品加工厂和养殖场排出的大量高含氮有机污水和畜禽粪便，远远超出了环境的承载力，对环境造成极大的破坏。
目前国内处理高浓度有机污水和农业废弃物的方法主要有好氧曝气、厌氧发酵等手段。随着工业废水和农业废弃物的不断增加，处理难度也越来越大，处理过程中出现的问题也越来越多。厌氧发酵技术是解决这些问题的有效手段，但是由于各种高含氮有机物浓度和废水厌氧消化性能低，产甲烷能力弱，导致厌氧发酵的效率降低，解决这些问题是目前环保研究领域的难题之一。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵系统，该系统能够提高高浓度有机废弃物的可溶化率，增强厌氧发酵产气能力，加强厌氧发酵对农业废弃物的处理能力。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述系统进行厌氧发酵的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵处理系统，包括第一搅拌器5、原料罐6、第二搅拌器15、水解罐21以及离心处理装置。
所述原料罐6的侧壁为中空结构，原料罐6侧壁的中空结构形成水浴夹层；所述第一搅拌器5穿过原料罐6的盖。
所述水解罐21的侧壁为中空结构，水解罐21侧壁的中空结构形成水浴夹层；水解罐21的底部设有第二出料口23，所述第二出料口23通过管道与离心处理装置连通；水解罐21的盖上设有第二进料口11和第一集气口14；所述第二搅拌器15穿过水解罐21的盖。
所述厌氧发酵处理系统还包括气体循环泵18、酸吸收罐22、厌氧反应器35以及第一蠕动泵37；其中：
水解罐21通过进气导管17与酸吸收罐22的底部连通，进气导管17的管路上设有气体循环泵18。
所述酸吸收罐22内盛有浓磷酸或浓硫酸溶液。
所述厌氧反应器35的侧壁为中空结构，厌氧反应器35侧壁的中空结构形成水浴夹层；厌氧反应器35的左侧壁或右侧壁上设有第三进料口34，与第三进料口34相对的侧壁上设有第三出料口26；第三进料口34通过进料管道与离心处理装置连通，所述进料管道上设有第一蠕动泵37。
在厌氧反应器35内部，由第三进料口34至第三出料口26设有多个隔板33；所述隔板33设在厌氧反应器35的底板上、前、后侧壁之间；所述隔板33将厌氧反应器35的内部空间由第三进料口34至第三出料口26分隔为多个隔室；隔板33的顶端位于液面以下。
在厌氧反应器35内部，由第三进料口34至第三出料口26设有多个折流板31；所述折流板31为弯折板，包括竖直段与弯折段；折流板31竖直地安装于厌氧反应器35的每个隔室内，折流板31固定于厌氧反应器35的前、后侧壁之间；折流板31的弯折段朝向厌氧反应器35的第三出料口26所在侧壁弯折；折流板31的竖直段的顶部高于第三进料口34，折流板31的弯折段的底部与厌氧反应器35的底部之间具有间隔；折流板31将隔室部分地竖直分隔为降流区和升流区，其中，折流板31弯折方向一侧为升流区，另一侧为降流区。
厌氧反应器35的顶板上设有多个第二集气口36；每个第二集气口36的位置与厌氧反应器35的每个隔室的升流区对应。
所述进气导管17的进气端穿过水解罐21的盖，且位于水解罐21内的顶部；进气导管17的出气端位于酸吸收罐22内的底部。
所述厌氧发酵处理系统还包括出气导管16，其中，出气导管16的出气端穿过水解罐21的盖，且位于水解罐21内的顶部，出气导管16的进气端位于酸吸收罐22内的顶部。
所述厌氧反应器35的第三出料口26通过出料管道与沼液收集装置连通，所述出料管道上设有第二蠕动泵24。
所述第一搅拌器5包括第一电机3和第一搅拌叶轮7，所述第一电机3固定在原料罐6的盖上，第一电机3的第一电机轴4穿过原料罐6的盖并位于原料罐6的内部；所述第一电机轴4上设有第一搅拌叶轮7；所述第二搅拌器15包括第二电机12和第二搅拌叶轮20。所述第二电机12固定在水解罐21的盖上，第二电机12的第二电机轴13穿过水解罐21的盖并位于水解罐21的内部。所述第二电机轴13上设有第二搅拌叶轮20。
一种使用超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵处理系统进行厌氧发酵的方法，包括如下步骤：
a)超高温生物水解：调节原料的初始ts后，将原料加入原料罐6中，在水浴条件下，搅拌均匀后将原料罐6中的原料加入水解罐21；进入水解罐21的原料，在水浴条件下进行超高温生物水解。
所述水解罐21的水浴温度为55～80℃。
b)吹脱除氨：气体循环泵18将步骤a)中在水解罐21中水解产生的混合气体抽入酸吸收罐22中，酸吸收罐22中的浓磷酸溶液或浓硫酸溶液与混合气体中的氨气反应，完成吹脱除氨；吹脱除氨后的气体回流到水解罐21中。
c)离心处理：水解罐21中的原料经过水解后进入离心处理装置进行离心处理；经过离心处理后，得到原料液体部分和原料固体部分。
d)中温厌氧发酵：经过步骤c)离心处理后的原料液体部分进入厌氧反应器35，在水浴条件下进行中温厌氧发酵。
所述厌氧反应器35的水浴温度为33～37℃。
原料液体部分在厌氧反应器35中依次经过每个隔室的降流区和升流区，最终抽出。
步骤a)中，所述原料的初始ts为10～15％；原料在水解罐21中的水力停留时间为3-15天；所述原料罐6的水浴温度为0～7℃。
步骤b)中，所述酸吸收罐22内的酸溶液浓度为5mol/l。
步骤b)中，所述气体循环泵18的抽出速率为5～10l/min；气体循环泵18的开启频率为以每间隔30分钟的频率，每次开启1～3分钟。
步骤d)中，原料液体部分在厌氧反应器35中的水力停留时间为5～10天。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明的超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵系统，在进行厌氧发酵时，产气能力明显提高；同时，提高了高浓度有机废弃物的产甲烷潜能；
2)本发明的超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵系统，提高了厌氧发酵的效率，废弃物中的有机质被充分利用；
3)本发明的超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵方法，发酵过程中的氨氮的含量明显降低，缓解了氨氮对厌氧发酵过程的抑制，提高了整个发酵阶段微生物的活性，厌氧发酵的处理废弃物的能力进一步提高。
附图说明
图1为本发明的超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵处理系统结构示意图。
其中的附图标记为：
1.第一水浴进水口2.第一进料口
3.第一电机4.第一电机轴
5.第一搅拌器6.原料罐
7.第一搅拌叶轮8.第一水浴出水口
9.第一出料口10.第二水浴进水口
11.第二进料口12.第二电机
13.第二电机轴14.第一集气口
15.第二搅拌器16.出气导管
17.进气导管18.气体循环泵
19.第二水浴出水口20.第二搅拌叶轮
21.水解罐22.酸吸收罐
23.第二出料口24.第二蠕动泵
25.第三水浴出水口26.第三出料口
27.第四隔室28.第三隔室
29.第二隔室30.第一隔室
31.折流板32.第三水浴进口
33.隔板34.第三进料口
35.厌氧反应器36.第二集气口
37.第一蠕动泵
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵处理系统，包括第一搅拌器5、原料罐6、第二搅拌器15、水解罐21、离心处理装置、气体循环泵18、酸吸收罐22、第二蠕动泵24、厌氧反应器35及第一蠕动泵37。其中：
所述原料罐6的侧壁为中空结构，原料罐6侧壁的中空结构形成水浴夹层。原料罐6的底部设有第一出料口9，原料罐6的盖上设有第一进料口2。原料罐6侧壁的水浴夹层设有第一水浴出水口8和第一水浴进水口1。
所述第一搅拌器5穿过原料罐6的盖。
优选地，所述第一搅拌器5包括第一电机3和第一搅拌叶轮7。所述第一电机3固定在原料罐6的盖上，第一电机3的第一电机轴4穿过原料罐6的盖并位于原料罐6的内部。所述第一电机轴4上设有第一搅拌叶轮7。
优选地，所述第一搅拌叶轮7为两组，两组第一搅拌叶轮7沿第一电机轴4的轴向平行布置于第一电机轴4上。
所述水解罐21的侧壁为中空结构，水解罐21侧壁的中空结构形成水浴夹层。水解罐21的底部设有第二出料口23，水解罐21的第二出料口23通过管道与离心处理装置连通。水解罐21的盖上设有第二进料口11和第一集气口14。水解罐21侧壁的水浴夹层设有第二水浴出水口19和第二水浴进水口10。
第二搅拌器15穿过水解罐21的盖。
优选地，所述第二搅拌器15包括第二电机12和第二搅拌叶轮20。所述第二电机12固定在水解罐21的盖上，第二电机12的第二电机轴13穿过水解罐21的盖并位于水解罐21的内部。所述第二电机轴13上设有第二搅拌叶轮20。
优选地，所述第二搅拌叶轮20为两组，两组第二搅拌叶轮20沿第二电机轴13的轴向平行布置于第二电机轴13上。
水解罐21通过进气导管17与酸吸收罐22的底部连通。所述进气导管17的进气端穿过水解罐21的盖，且位于水解罐21内的顶部。所述进气导管17的出气端位于酸吸收罐22内的底部。所述进气导管17的管路上设有气体循环泵18。
水解罐21通过出气导管16与酸吸收罐22的顶部连通；其中，出气导管16的出气端穿过水解罐21的盖，且位于水解罐21内的顶部，出气导管16的进气端位于酸吸收罐22内的顶部。
所述酸吸收罐22内盛有浓磷酸或浓硫酸溶液。
所述厌氧反应器35的侧壁为中空结构，厌氧反应器35侧壁的中空结构形成水浴夹层。厌氧反应器35侧壁的水浴夹层上设有第三水浴进水口32和第三水浴出水口25。厌氧反应器35的左侧壁或右侧壁上设有第三进料口34，与第三进料口34相对的侧壁上设有第三出料口26。第三进料口34通过进料管道与离心处理装置连通，所述进料管道上设有第一蠕动泵37。厌氧反应器35的第三出料口26通过出料管道与沼液收集装置连通，所述出料管道上设有第二蠕动泵24。
在厌氧反应器35内部，由第三进料口34至第三出料口26设有多个隔板33。所述隔板33设在厌氧反应器35的底板上、前、后侧壁之间。所述隔板33将厌氧反应器35的内部空间由第三进料口34至第三出料口26分隔为多个隔室。优选地，隔板33与厌氧反应器35的前后侧壁垂直。使用时，隔板33的顶端位于液面以下。
在厌氧反应器35内部，由第三进料口34至第三出料口26设有多个折流板31。折流板31为弯折板，包括竖直段与弯折段。折流板31竖直地安装于厌氧反应器35的每个隔室内。折流板31固定于厌氧反应器35的前、后侧壁之间并优选与前、后侧壁垂直。折流板31的弯折段朝向厌氧反应器35的第三出料口26所在侧壁弯折，折流板31的竖直段的顶部高于第三进料口34；折流板31的弯折段的底部与厌氧反应器35的底部之间具有间隔。折流板31将隔室部分地竖直分隔为降流区和升流区，其中，折流板31弯折方向一侧为升流区，另一侧为降流区。
优选地，所述隔板33为三个，厌氧反应器35内的空间分隔为四个隔室，由第三进料口34至第三出料口26依次为第一隔室30、第二隔室29、第三隔室28以及第四隔室27。
厌氧反应器35的顶板上设有多个第二集气口36。每个第二集气口36的位置与厌氧反应器35的每个隔室的升流区对应。
本发明的超高温生物水解同步脱氨的厌氧发酵方法包括如下步骤：
进行厌氧发酵前，第一集气口14以及第二集气口36分别与气体收集袋相连通。
a)超高温生物水解：将原料的初始ts(总固体含量)调至10～15％后，通过第一进料口2手动加入原料罐6中。通过向原料罐6的水浴夹层循环注入温度为0～7℃的水，形成恒温水浴条件。原料罐6中的原料通过第一搅拌器5的搅拌保持均匀。
原料罐6中的原料经过一段时间的搅拌后，通过第一出料口9手动出料，原料出料后通过第二进料口11手动加入水解罐21中。
进入水解罐21的原料，通过第二搅拌器15的搅拌进一步混合均匀，使原料中的发酵液充分与微生物接触。水解罐21中的原料的ts(总固体含量)为10～20％。通过向水解罐21的水浴夹层中注入温度为55～80℃的水，对水解罐21进行保温。至此，原料在水解罐21中发生超高温生物水解，进行厌氧发酵水解反应，产生少量混合气体，所述气体中含有大量氨气。
在水解过程中，原料在水解罐6中的水力停留时间为3-15天。
优选地，所述原料罐6的水浴夹层循环注入的水的温度为4℃。
优选地，所述水解罐21的水浴夹层注入的水的温度为70℃。
b)吹脱除氨：气体循环泵18将步骤a中在水解罐21中水解产生的混合气体抽出，通过进气导管17进入酸吸收罐22中，酸吸收罐22中的浓磷酸溶液或浓硫酸溶液与混合气体中的氨气反应，从而实现对混合气体中氨气的吸收和去除，完成吹脱除氨。
所述气体循环泵18的抽出速率为5～10l/min。
气体循环泵18的开启频率为以每间隔30分钟的频率，每次开启1～3分钟。
优选地，所述酸吸收罐22内的酸溶液浓度为5mol/l。
吹脱除氨后的气体通过出气导管16回流到水解罐21中。
c)离心处理：水解罐21中的原料经过水解后通过第二出料口23进入离心处理装置进行离心处理。经过离心处理后，得到原料液体部分和原料固体部分。
d)中温厌氧发酵：经过步骤c离心处理后的原料液体部分在第一蠕动泵37的作用下进入厌氧反应器35中，在水浴条件下进行中温厌氧发酵。
所述中温厌氧发酵的温度为33～37℃。
原料液体部分在厌氧反应器35中的水力停留时间为5～10天。
原料液体部分在厌氧反应器35中依次经过每个隔室的降流区和升流区，最终在第二蠕动泵24的作用下通过第三出料口26抽出，进入沼液收集装置。每个隔室的降流区和升流区能够提高厌氧反应时间以及进一步使原料均质。
中温条件下，有机废水在厌氧反应器35内被微生物分解利用产生沼气。有机物分解过程中伴随着氨氮的产生。
发酵结束后，开启与第二集气口36相连的集气袋，从而对厌氧反应器35内产生的气体进行回收利用。
实施例1
对鸡粪进行超高温生物水解及同步除氨。水解罐21的有效容积为10l，酸吸收罐22的有效容积为0.5l。
进行厌氧发酵前，第一集气口14以及第二集气口36分别与气体收集袋相连通。
a)超高温生物水解。
将鸡粪原料的初始ts(总固体含量)为10～15％。
水解罐21中的鸡粪原料的ts(总固体含量)为10～20％。
在水解过程中，鸡粪原料在水解罐21中的水力停留时间为5天。
所述原料罐6的水浴夹层循环注入的水的温度为4℃。
所述水解罐21的水浴夹层注入的水的温度为70℃。
b)吹脱除氨
气体循环泵18将步骤a)中水解罐21中水解产生的混合气体抽出，通过进气导管17进入酸吸收罐22中，酸吸收罐22中的浓磷酸溶液与混合气体中的氨气反应，从而实现对混合气体中氨气的吸收和去除，完成吹脱除氨。
所述气体循环泵18的抽出速率为5l/min。
气体循环泵18的开启频率为以每间隔30分钟的频率，每次开启3分钟。
所述酸吸收罐22内的浓磷酸浓度为5mol/l。
吹脱除氨后的气体通过出气导管16回流到水解罐21中。
经检测，进行步骤b)吹脱除氨之前，水解罐21内的氨氮浓度为6000-7000mg/l，当开启酸吸收罐22进行步骤b)吹脱除氨7天后，水解罐21内的氨氮浓度下降并稳定在3000-4000mg/l。
c)离心处理。
d)中温厌氧发酵。
所述发酵温度为33～37℃。鸡粪原料在厌氧反应器35中的水力停留时间为10天。分解单位挥发性固体的甲烷产率平均为260ml-ch4/g-cod。
发酵结束后，开启与第二集气口36相连的集气袋，从而对厌氧反应器35内产生的气体进行回收利用。
实施例2
对猪粪进行超高温生物水解及同步除氨。水解罐21的有效容积为10l,酸吸收罐22的有效容积为0.5l。
进行厌氧发酵前，第一集气口14以及第二集气口36分别与气体收集袋相连通。
a)超高温生物水解。
将猪粪原料的初始ts(总固体含量)为10～15％。
水解罐21中的猪粪原料的ts(总固体含量)为10～20％。
在水解过程中，猪粪原料在水解罐21中的水力停留时间为3天。
所述原料罐6的水浴夹层循环注入的水的温度为4℃。
所述水解罐21的水浴夹层注入的水的温度为70℃。
b)吹脱除氨。
气体循环泵18将步骤a)中水解罐21中水解产生的混合气体抽出，通过进气导管17进入酸吸收罐22中，酸吸收罐22中的浓磷酸溶液与混合气体中的氨气反应，从而实现对混合气体中氨气的吸收和去除，完成吹脱除氨。
所述气体循环泵18的抽出速率为5l/min。
气体循环泵18的开启频率为以每间隔30分钟的频率，每次开启1分钟。
所述酸吸收罐22内的浓磷酸浓度为5mol/l。
吹脱除氨后的气体通过出气导管16回流到水解罐21中。
经检测，进行步骤b)吹脱除氨之前，水解罐21内的氨氮浓度为5000-6000mg/l；当开启酸吸收罐22进行步骤b)吹脱除氨7天后，水解罐21内的氨氮浓度下降并稳定在2500-3000mg/l。
c)离心处理。
d)中温厌氧发酵。
所述发酵温度为33～37℃。猪粪原料在厌氧反应器35中的水力停留时间为5天。分解单位挥发性固体的甲烷产率平均为300ml-ch4/g-cod。
发酵结束后，开启与第二集气口36相连的集气袋，从而对厌氧反应器35内产生的气体进行回收利用。