一种立式多级厌氧反应器的制作方法

本发明属于生物发酵设备技术领域，涉及到厌氧发酵，具体涉及一种立式多级厌氧反应器。

背景技术：

农村规模养殖业中产生的有机固体废弃物具有发酵产气快、易腐熟和产气稳定的特点。厌氧发酵法处理有机固体废弃物不但可以回收清洁能源，而且沼气完全燃烧后的产物是二氧化碳和水，不会对环境产生二次污染，发酵产物还可以在农业应用中作为土壤改良剂或优质有机肥。

反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，有助于各类微生物的平稳生长，物质和能量流动高效顺畅，是保持厌氧处理系统持续稳定的必要条件。在厌氧生物法处理有机固体废弃物的处理工艺设计进程中，反应器是厌氧发酵过程中发展较快的领域。

由于单个厌氧反应器只能进行批序式的发酵，这种类型的反应器在厌氧发酵反应过程中产气不稳定，而且每个发酵周期结束后都要重新启动，发酵周期长、效率低，不利于装置的连续操作；在完成一批原料处理后，再处理另一批原料，不能实现连续生产，并且反应过程中需要不停的搅拌，耗电量比较大，而且还会产生大量沼渣；不能达到量产化的处理目的，而且批量处理中操作复杂，不利于自动化控制和远程监测。

由此针对单级厌氧反应器的不足开展了多级连续式厌氧发酵反应器的研究，这种反应器虽然解决了单个厌氧反应器发酵周期长、产气效率低等问题，但是这种多级连续式厌氧反应器是分布式的，由多个厌氧反应器同时工作，意味着需要多个搅拌机和多个泵送电机同时工作，这就造成了多级厌氧反应器占地面积大、能耗高、操作复杂、不能连续进料等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种立式多级厌氧反应器，采用立式结构的厌氧反应器，可以由地面向空中发展，可以合理有效的利用有限的土地资源，而且立式结构采用的是一轴多罐的搅拌方式，即采用一轴连通多个反应器由一个电机带动，这样就克服了多个反应器的搅拌装置由多个电机带动的缺点，一轴联用既减少了电机的使用又可以实现集成一体化的经济效益。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种立式多级厌氧反应器，包括支承结构、罐体结构、搅拌装置、保温装置、若干管道和阀门；所述支承结构位于地面，用于承接整个反应器的重量；所述罐体结构为由若干个厌氧反应器组成的立式结构，位于支承结构之上，相邻的两个厌氧反应器中间通过法兰连接，两个厌氧反应器的连通由蝶阀控制，是厌氧反应的主要场所；所述搅拌装置位于罐体结构中，用于搅拌混合均匀，使微生物悬浮分散在物料中；所述保温装置位于罐体结构的表面，用于加热罐体结构并保持厌氧反应器内的温度；每个厌氧反应器均通过相应的管道和外界连通，管道上设有阀门，用于控制管道的开闭。

优选地，所述支承结构包括底座和槽钢，所述底座为混凝土浇筑，固定于地面；所述槽钢是截面为凹槽型的长条钢材，槽钢下部固定在底座上，槽钢上部与所述罐体结构的底部固定连接，用于保持整个反应过程中罐体的稳定。

优选地，所述罐体结构中顶部厌氧反应器的顶盖采用椭形封头，其余厌氧反应器的上下两个封头均采用平顶的锥形封头；每个厌氧反应器的顶部设有多个孔道，用于收集反应产生的气体、加料、检测内部反应物的各种反应参数；所述罐体结构中最下方厌氧反应器的底部采用锥形结构，用于防止物料沉积。

优选地，连接两个厌氧反应器的法兰结构由一对相同的法兰、中间夹一个垫片以及若干个螺栓螺母组成；两片法兰密封面的中间可以放置一块垫片，在螺栓的两头将螺母拧紧后，两法兰中间垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。

优选地，所述搅拌装置采用一轴联用的立式结构，包括搅拌轴和搅拌器；所述搅拌轴贯通整个罐体结构，每个厌氧反应器中均设有一个搅拌器，搅拌器和搅拌轴之间通过轴承连接。

优选地，所述保温装置采用夹套保温，供热介质为水，供热源包括太阳能、沼气、醇基燃料。

优选地，所述厌氧反应器的罐体材质采用碳钢，罐体内壁涂覆有聚合物涂层，用于防止罐体的腐蚀。

优选地，每个厌氧反应器的侧壁上都设有连通内部环境的液位计，用于指示反应物的体积。

优选地，每个厌氧反应器都设有人工检修口，用于设备的安装和检修。

优选地，每个厌氧反应器的盖子上都设有管孔，用于放置ph计探测仪、温度传感器和压力表等设备，这些设备用于测量物料的各项参数，保持厌氧反应器稳定运行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)可以有效减少土地面积的使用而且可以实现连续操作，每隔几天就可以进一批新的物料和出一批已经基本反应完全的残渣，又可预留菌种为下一批原料提供接种菌。

(2)反应器是立式的结构，厌氧反应器可以由地面向空中发展，可以合理有效的利用有限的土地资源。

(3)立式结构采用的是一轴多罐的搅拌方式，即采用一轴连通多个反应器由一个电机带动，这样就克服了多个反应器的搅拌装置由多个电机带动的缺点。一轴联用既减少了电机的使用又可以实现集成一体化的经济效益。

(4)前一级的反应物反应一段时间后可以直接在重力的作用下流向下一级，在下一级中继续进行反应，这时就预留了空间和菌种给下一批的物料进行厌氧发酵反应。

(5)立式的结构优化了操作步骤，使多级反应器能够连续进料和连续出料，达到了集成一体化的连续操作过程。

附图说明

图1是本发明所提供的一种立式多级厌氧反应器的结构组成示意图。

图2是本发明所提供的一种立式多级厌氧反应器中支承结构的结构示意图。

图3是本发明所提供的一种立式多级厌氧反应器中罐体结构的结构示意图。

图4是是法兰盖结构示意图。

图5是连接法兰结构示意图。

图6是蝶阀结构示意图。

图7是搅拌器的主视图。

图8是搅拌器的俯视图。

附图标记说明：1、支承结构；2、罐体结构；3、搅拌装置；4、保温装置；1-1、底座；1-2、槽钢。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明公开了一种立式多级厌氧反应器，包括支承结构1、罐体结构2、搅拌装置3、保温装置4、若干管道和阀门；所述支承结构1位于地面，用于承接整个反应器的重量；所述罐体结构2为由若干个厌氧反应器组成的立式结构，位于支承结构1之上，相邻的两个厌氧反应器中间通过法兰连接，两个厌氧反应器的连通由蝶阀控制，是厌氧反应的主要场所；所述搅拌装置3位于罐体结构2中，用于搅拌混合均匀，使微生物悬浮分散在物料中；所述保温装置4位于罐体结构2的表面，用于加热罐体结构并保持厌氧反应器内的温度；每个厌氧反应器均通过相应的管道和外界连通，管道上设有阀门，用于控制管道的开闭。

具体地，如图2所示，所述支承结构1包括底座1-1和槽钢1-2，所述底座1-1为混凝土浇筑，固定于地面；所述槽钢1-2是截面为凹槽型的长条钢材，槽钢1-2下部固定在底座1-1上，槽钢1-2上部与所述罐体结构2的底部固定连接，用于保持整个反应过程中罐体的稳定。

具体地，如图3所示，所述罐体结构2中顶部厌氧反应器的顶盖采用椭形封头，其余厌氧反应器的上下两个封头均采用平顶的锥形封头；每个厌氧反应器的顶部设有多个孔道，用于收集反应产生的气体、加料、检测内部反应物的各种反应参数；所述罐体结构中最下方厌氧反应器的底部采用锥形结构，用于防止物料沉积。

具体地，连接两个厌氧反应器的法兰结构由一对相同的法兰、中间夹一个垫片以及若干个螺栓螺母组成；两片法兰密封面的中间可以放置一块垫片，在螺栓的两头将螺母拧紧后，两法兰中间垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。

具体地，所述搅拌装置3采用一轴联用的立式结构，包括搅拌轴和搅拌器；所述搅拌轴贯通整个罐体结构，每个厌氧反应器中均设有一个搅拌器，搅拌器和搅拌轴之间通过轴承连接。

具体地，所述保温装置4采用夹套保温，供热介质为水，供热源包括太阳能、沼气、醇基燃料。

具体地，所述厌氧反应器的罐体材质采用碳钢，罐体内壁涂覆有聚合物涂层，用于防止罐体的腐蚀。

具体地，每个厌氧反应器的侧壁上都设有连通内部环境的液位计，用于指示反应物的体积。

具体地，每个厌氧反应器都设有人工检修口，用于设备的安装和检修。

具体地，每个厌氧反应器的盖子上都设有管孔，用于放置ph计探测仪、温度传感器和压力表等设备，这些设备用于测量物料的各项参数，保持厌氧反应器稳定运行。

实施例

一种立式多级厌氧反应器，该反应器的总体结构是由三个厌氧反应器组成的立式结构，中间由法兰连接，每个反应器的顶盖也是由法兰连接，可使反应器的安装和拆卸更加简便，并且法兰的运用可以将罐体的重力平均分配，使反应器的重心更稳定。两级反应器的连通是由蝶阀控制，顶部反应器的顶盖采用椭形封头，其他两个封头采用平顶的锥形封头。每个反应器的顶部开设多个孔道，以便收集反应产生的气体，加料，检测内部反应物的温度、浓度和ph等反应参数。如可设置加料口、加药口和取样口，以便随时添加药液和提取反应物样本。反应器底部采用锥形结构，可避免形成死角，防止物料沉积。立式多级厌氧反应器的罐体结构如图3所示。

罐体的材质有不锈钢、碳钢和玻璃钢等。玻璃钢的优点有许多，如轻质高强、耐腐蚀和可设计性好等，但是它的弹性模量低、老化现象和剪切强度低的缺点不适用于本设计中的立式结构。不锈钢的优点是具有耐腐蚀、耐高温和强度高等，但是造价成本高。相对于不锈钢，碳钢容易生成，强度高，造价成本比不锈钢低，适合应用于立式多级厌氧反应器的罐体材质发酵罐内的料液具有一定的腐蚀性，可以通过在内壁涂聚合物涂层来防止罐体的腐蚀。

反应器盖子和密封方式对反应器来说至关重要，反应器的盖子用椭型封头，采用法兰进行密封。法兰连接的结构是由一对相同的法兰、中间夹一个垫片以及若干个螺栓螺母组成。两片法兰密封面的中间可以放置一块垫片，在螺栓的两头将螺母拧紧后，两法兰中间垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏，而且法兰连接使用方便，能够承受较大的压力，用于反应器的密封盖，可以有效地保持内部环境的稳定性，气密性能良好。图4所示为立式多级厌氧反应器的法兰盖。表1为本实施例所选法兰盖的尺寸。

表1法兰盖的尺寸

两反应器间的连接方式也是由法兰连接，这样法兰可以将压力平均分配，有利于罐体的稳定性。当法兰用于两反应器的连接时，下法兰是封闭的，中间预留圆孔可以使搅拌轴通过和出料口。图5所示为连接处法兰的示意图。表2为本实施例所选连接法兰的尺寸。

表2连接法兰的尺寸

蝶阀的应用可以使上反应器与下反应器进行连通控制，将蝶阀用螺钉固定在连接法兰的下表面。当需要出料时可以打开蝶阀，使物料通过蝶阀流向下一级。当出料结束就可以关闭蝶阀，蝶阀的防水性和气密性良好，能够有效地防止上级物料溢流向下一级。蝶阀是用圆盘式启闭件往复回转90°左右来开启、关闭或调节介质流量的一种阀门。蝶阀的优点是结构简单且体积小质量轻、操作简便等，并且在使用过程中具有良好的流量调节功能，关闭时具有良好的气密性能。

蝶阀在厌氧反应器中可以运送浆液，在管道口积存液体最少。低压下，可以实现良好的密封。阀杆为通杆结构，经过调质处理，有良好的综合力学性能和抗腐蚀性，抗擦伤性。蝶阀启闭时阀杆只作旋转运动而不作升降运行，阀杆的填料不易破坏，密封可靠。安装方便，当蝶阀超过使用寿命之后可随时拆解更换。图6所示为蝶阀的结构示意图。表3为本实施例所选蝶阀的尺寸。

表3蝶阀尺寸

立式多级厌氧反应器的总体结构图1所示，设有搅拌装置3、保温装置4和支承结构1。

本反应器是使用生活垃圾液态混合物的lbp多相分离技术处理后获得的液态垃圾有机质浆液来进行厌氧发酵产沼气的，每一级的反应器的旁边都设有连通内部环境的液位计，用以指示反应物的体积。设置人工检修口，用于设备的安装和检修。并且每级反应器的盖子上都设置有管孔用来放置ph计探测仪、温度传感器和压力表等用来对料液的各项参数加以测量，使其可以在一定的环境下保持稳定，这样就有利于连续产气。并且在连续进料和连续出料的操作过程中可以监测内部环境的变化加以调节。各个反应器的顶部都设有取样口，用以测量甲烷的浓度和反应物的参数。每级反应器的外侧都设置一个保温夹套，内通保温水对罐体进行保温。每级反应器的顶部都有一个进料口，通过管道并连，由底部用泵将原料分别打入到反应器的内部。每级反应器顶端的出气口用管道连接集中收集。在反应器的底部设置一个菌种回流口，用泵通过管道可以将菌种打到前两级反应器中，用于菌种回流。

三个反应器产生的混合气体可以由管道集中收集，管道的出口处设置甲烷浓度感应器和三通电磁阀，当甲烷浓度较高杂气浓度较低时三通阀打开直接收集甲烷气体，当杂气浓度较高时三通阀关闭，杂气直接排出。由于第一级发酵反应器产生的杂气较多，所以在第一级反应器的出气管道上也设置一个甲烷浓度感应器和三通电磁阀。

整个反应器用四根槽钢1-2焊接、平均分布在反应器的外侧来承接反应器的重量，底下由混凝土浇筑的底座1-1来承接槽钢，如图2所示，保持整个反应过程中罐体的稳定。槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。截面形状为槽形的型钢在使用中具有较好的焊接、铆接性能及综合机械性能。用在工程结构中承受较大作用力的地方，本实施例中槽钢1-2用于承受整个反应器的重量。表4和表5为本实施例支承结构1的设计参数。

表4槽钢参数

表5混凝土底座参数

有机质浆液在发酵过程中要处于流动状态，这时发酵微生物才能有效地利用有机质浆液进行厌氧发酵，从而提高发酵的效果。发酵液的分层不利于产气所以，在厌氧反应器中设置一个搅拌器。搅拌过程能让原料和菌种均匀分散在反应器中，增加微生物与原料的接触面，从而在较短的时间内完成混合、传热或者是进行生化反应。进而提高厌氧发酵速度，提高产气量，此外，也有利于防止沼渣的上浮和促进发酵产生的co2和甲烷的排放，对有加热装置的发酵反应器来说，搅拌有利于热能的传递。

搅拌器的主要作用是搅拌混合均匀，使微生物悬浮分散在物料中，搅拌还可以防止物料与菌体的堆积有利于厌氧发酵高速、高效的进行，同时强化传热过程。

厌氧反应过程中要对反应物进行间歇性搅拌，搅拌的方式有三种，即机械搅拌、液搅拌和气搅拌。本实施例根据需要，采用的搅拌方式为机械搅拌。

常用的搅拌器按搅拌用途可分为：低粘流体用搅拌器(在发酵反应物浓度较低时使用)和高粘流体用搅拌器(适用于反应物浓度较高)。低粘流体搅拌器有推进式、浆式和圆盘涡轮式等。高粘流体搅拌器有锚式、框式和螺旋螺带式等。本实施例根据有机质浆液的性质，即有机质浆液含有悬浮固体，粘度较高的特点选择锚式搅拌器，材料为不锈钢。虽然螺带式搅拌器的搅拌速度是最好的、能够对物料进行均匀的搅动，但是螺带式搅拌器的加工困难且造价高，所以暂不考虑。本实施例所选搅拌器的尺寸如表6所示。图7和图8为锚式搅拌器的结构示意图。

表6锚式搅拌器的尺寸

锚式搅拌器结构简单，适用于粘度在100pa·s以下的流体搅拌器。当流体粘度在10至100pa·s时，可在锚式浆中间加一横浆叶，即为框式搅拌器。这种搅拌器的结构在搅拌过程中可以增加容器中部反应物的混合。锚框式搅拌器的特点为结构简单，适用于粘度大处理量大的物料。而且低速旋转时沿壁面能得到大的剪切力，能够减少物料沉降以及反应物在壁面附着。搅拌器的底部形状与罐体的结构和中间的底轴承相似，其间仅有很小间隙,可清除附在槽壁上的粘性反应产物或堆积于槽底的固体物，保持较好的传热效果。

由于本实施例是一轴联用的立式结构，所以搅拌轴较长，因此将搅拌器的轴分成两至三段进行加工，再用连轴器组成牢固的刚性连接，这样方便于安装和拆解。刚性联轴器的结构简单，且制造成本较低，装拆、维护方便，能保证两轴有较高的对中性，在搅拌过程中能保持罐体的稳定。根据本实施例需要，连轴器的尺寸如表7所示。

表7连轴器的尺寸

每级发酵罐的底部都装有底轴承，目的是对轴进行固定，防止摆动同时又不影响转动。由于有机质浆液里面有水，所以轴承要有一定的防漏性和耐酸碱腐蚀性。轴承属于基本零部件，属于标准件，任何需要转动的机械设备都需要轴承的支撑，轴承在机械设备中起到防摩擦和承受载荷的作用，轴承一般分为滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承与滑动轴承相比，具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便和易于更换等优点。本实施例选用的轴承见表8。

表8轴承的参数

本实施例的立式多级厌氧反应器的保温装置4是用夹套保温，供热介质是水，供热源是太阳能、沼气、醇基燃料等，电加热也可以作为热源，但考虑到有些农村地区供电负荷及供电稳定性问题，本实施例暂不考虑。厌氧发酵反应过程中要保持整个系统供热的可靠性。太阳能作为一种绿色、可再生的清洁能源，用于热水器对水进行加热具有取之不尽、环保无污染的特点，只要有阳光便可以正常运行。但考虑到太阳能热水器在阴天或冬季制热效果就会变差的缺点，在冬季时可以使用沼气和醇基燃料来提供热源，醇基燃料是石油的附属品，是一种清洁能源，完全燃烧后的产物为二氧化碳和水，对环境无污染，而且醇基燃料易于加工提炼、成本低。

从理论上分析，立式多级厌氧反应器的运行工艺有多种选择，根据lbp一体化实验设备以往的运行经验，重点对以下两种工艺方案进行设计。

工艺方案一

由于生活垃圾液态混合物的lbp多相分离技术处理后获得液态垃圾有机质浆液是不连续的，所以在立式多级厌氧反应器的前端设置液态有机质浆液的存储设备，液态有机质浆液在该设备中处于厌氧状态进行酸发酵，酸发酵完成后由输送泵将有机质浆液输送到立式多级厌氧反应器中，在内部和菌种直接进行厌氧发酵产气。该方案的整体控制流程如下(下述r1、r2、r3分别表示从上至下的三个厌氧反应器)。

(1)在反应的起始阶段在r1、r2和r3中都加满100％的原料进行厌氧反应。

(2)发酵进行稳定产气后，打开r3出料蝶阀，观察r3的液位计，排出50％的发酵产物，预留50％的发酵菌种。然后打开r2和r3之间的蝶阀同时观看r2中的液位计，将r2中50％的物料放入到r3中与r3中预留的菌种继续进行厌氧发酵反应。同理将r1中50％的物料放入到r2中与r2中剩余的菌种继续进行反应。这时再向r1中用输送泵将50％的原料注入到r1中进行发酵。

(3)物料在上述的反应器中反应3天后，重复步骤(2)即以3天为一周期，持续出50％的产物同时又进50％的原料，达到了连续进出料的厌氧反应流程。

由于在反应器物料是按容量的50％向下流动的，所以理想状态下50％的物料在每个反应器中进行厌氧发酵产气的时间是6天，即物料在立式三级厌氧反应器中的反应周期为18天。

这个方案的优点是在反应器的前阶段进行酸化反应后，直接进入到反应器中开始发酵产气，能够达到连续进料连续出料的效果并且产气量稳定且处理量大，达到集成一体化的效果。

工艺方案二

在lbp多相分离技术处理后获得液态垃圾有机质浆液的量比较少的情况下，不用在立式多级厌氧反应器的前端设置储存发酵罐。可以使用立式多级厌氧反应器的第一级进行酸发酵，发酵完全后可直接放入到下级反应器中进行厌氧发酵产气。该方案的整体流程如下(下述r1、r2、r3分别表示从上至下的三个厌氧反应器)。

(1)反应的起始阶段在r1中加满100％的原料，在r3中放入50％准备好的带菌种物质，即物料在r1中进行水解酸化消耗氧气产酸；

(2)反应3天后打开r1和r2之间的蝶阀同时观看r1中的液位计；将r1中50％的原料放入到r2中，同时用泵将r3中25％的带菌种物质打到r2中进行反应，之后将r1中剩余的50％原料用输送泵输送到r3中和r3中剩余的带菌物质进行反应，这时r1为空，r2、r3中各有75％的物料进行厌氧发酵反应。

(3)反应10天后向r1中注满原料，打开r3出料蝶阀排出50％的发酵产物，预留25％的反应物做菌种。再将r2中50％的反应物放入到r3中继续进行反应，再进行反应3天后再放出50％的反应物，将在r1中已经发酵三天的原料分别放入到r2、r3中进行反应。如此重复步骤(3)，即可以16天为一周期，持续厌氧发酵反应。

该方案的优点是反应过程中水解酸化阶段和产甲烷阶段都在一套反应设备中进行，不需要在立式多级厌氧反应器的前端设置一个储存罐，达到连续一体化处理的效果。

厌氧发酵中菌种数量的多少和质量的好坏直接影响到沼气的产生，回流装置的设置能够有效的利用厌氧发酵的菌种，能够有效提高上级厌氧发酵中菌种的浓度和质量。在立式多级厌氧反应器的发酵过程中可以另外设置一个储存菌种的厌氧反应罐，这样可以防止立式多级厌氧反应器中某级反应器停止发酵或不产气时就可以利用这些菌种进行启动反应。厌氧反应过程中需要随时测定内部发酵反应物的各种参数如温度、ph和浓度等，所以在立式多级厌氧反应器的上部都预留位置供传感器等的测量设备通过。所有的测量设备和控制设备都可以集成在一个电路板中进行自动化在线监控和控制。每级反应器外侧设有和内部连通的液位计，可以指示内部反应物的容量，方便进行操作。

立式多级厌氧反应器的启动可以参照上述两个方案，而且立式的结构还可以设计多种进料方式，如在方案一中连续出料只出25％，进料也进25％，这样可以缩短进出料的时间达到连续操作的效果。由于不同的有机废物的发酵效果是不一样的，所以对于含纤维较多等难发酵的物质需要发酵的时间较长，进料量的方案就不一样，进出料的多少要根据实际的情况进行控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。