專利名稱：生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將生物質(zhì)通過厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備，屬于固體廢物處理與資 源化領(lǐng)域及新能源領(lǐng)域的技術(shù)。特別是植物秸稈的厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量秸稈，樹木產(chǎn)品制作過程中產(chǎn)生大量的鋸末樹皮及邊角料 等生物質(zhì)廢物，尤其是農(nóng)業(yè)秸稈常被作為廢物就地焚燒污染環(huán)境。另一方面，生物質(zhì)中又 含有大量的有機(jī)物，是豐富的資源，有關(guān)生物質(zhì)的資源化已有很多探索。其中，要制成純 度高的產(chǎn)品則往往成本高，難于實(shí)用。而作為燃料直接燃燒，小規(guī)模則易污染，大規(guī)模則 由于能量密度低，難于高效率利用。在農(nóng)村的農(nóng)戶將其直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，雖簡(jiǎn) 單易行，但因速度慢且轉(zhuǎn)化率低，所d難于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化處理和利用。而要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘏捬?發(fā)酵制沼氣，則需解決轉(zhuǎn)化率低，速度慢和所產(chǎn)生廢液的處理問題。
因此，探索包括植物秸稈在內(nèi)的生物質(zhì)高效可綜合利用的厭氧發(fā)酵制沼氣方法和設(shè)備 對(duì)于開拓生物質(zhì)的利用途徑，從工程角度實(shí)現(xiàn)其資源化具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供將生物質(zhì)高效厭氧發(fā)酵制取沼氣，并使其綜合利用不產(chǎn)生廢物 的方法和設(shè)備，該方法具有高效率不產(chǎn)生廢物的特點(diǎn)。 本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的。
一種生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是歩驟如下 1 ).將生物難分解的生物質(zhì)物料采用水熱反應(yīng)過程分解為生物易分解物質(zhì)；
2) .將生物易分解物質(zhì)進(jìn)行生物加水分解，得到水解產(chǎn)物；
3) 將水解產(chǎn)物通過微生物的酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸；.
4) 將有機(jī)酸通過微生物轉(zhuǎn)化為甲烷氣；
5) .將歩驟4)的剩余物料返回到歩驟2)再進(jìn)行生物加水分解。
本發(fā)明的生物質(zhì)物料的厭氧發(fā)酵方法，通過水熱反應(yīng)將生物難分解物質(zhì)分解為生物易 分解物質(zhì)，再通過生物水解得到生物易利用的物質(zhì)，再通過酸發(fā)酵將生物易利用物質(zhì)變成 有機(jī)酸為甲烷氣的生成創(chuàng)造條件。將甲烷發(fā)酵過程產(chǎn)生的物料向生物水解過程回流循環(huán)使 未水解而沒有被轉(zhuǎn)變?yōu)榧综奈镔|(zhì)再次生物水解，提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化率和利用率。水熱反應(yīng) 可采用普通的高溫爆破，加溫加酸，加溫加堿等方法，如加硫酸，加氨水，溫度在100-150 。C等。生物水解，酸發(fā)酵，甲垸發(fā)酵等過程采用加溫到37r為佳，也可采用45°C。其過 程中的菌體采用普通的厭氧發(fā)酵過程中的菌進(jìn)行接菌即可，在本發(fā)明所控制的條件下菌體 會(huì)逐歩適應(yīng)其生存條件，進(jìn)行高效的發(fā)酵。
所述的生物水解過程，酸發(fā)酵過程及甲烷發(fā)酵過程的生物質(zhì)物料含量為總重量的20
355%，這些過程均實(shí)施機(jī)械攪拌。在所述濃度下，物料呈漿狀，既避免了固態(tài)發(fā)酵速度慢， 轉(zhuǎn)化率低，效率低的狀況，又避免了傳統(tǒng)的液相發(fā)酵，固含量低，產(chǎn)生大量廢液難以處理 的問題，這種漿態(tài)狀大大縮小了體積，為作為沼肥利用提供了條件。但漿狀物料間的物質(zhì) 傳遞也難以有效進(jìn)行，由此會(huì)影響發(fā)酵效率，因此，通過攪拌達(dá)到物料的混合，促進(jìn)物質(zhì) 傳遞，以保障發(fā)酵效率。即在攪拌的漿態(tài)床操作不僅可以實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)酵還能實(shí)現(xiàn)廢液利 用，為低成本環(huán)保型生物質(zhì)厭氧發(fā)酵奠定了基礎(chǔ)。攪拌速度可根據(jù)具體情況而定，低速攪 拌即可。
所述的生物水解過程和酸發(fā)酵過程可以在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行，也可在同一反應(yīng)器中 進(jìn)行。在同一反應(yīng)器中進(jìn)行可以根據(jù)具體情況對(duì)發(fā)酵條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，有所側(cè)重，易 水解的生物質(zhì)在水熱反應(yīng)中糖化徹底，則可減小其生物水解過程或直接進(jìn)入酸發(fā)酵。
所述的甲烷發(fā)酵過程產(chǎn)生的物料通過菌渣分離后菌體返回甲烷發(fā)酵反應(yīng)器，生物質(zhì)渣 的一部分回流到生物水解反應(yīng)器，另一部分排出發(fā)酵系統(tǒng)。由于甲垸發(fā)酵菌的增殖速度慢， 所以如不能將其回收則造成甲烷菌隨發(fā)酵廢物的排出而流失，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)酵速度。因此， 菌體的回收就成為本技術(shù)能否應(yīng)用的關(guān)鍵。菌體的回收回流保證了漿態(tài)發(fā)酵的高效順利持 續(xù)的進(jìn)行。同時(shí)更重要的是通過回流循環(huán)解決了高濃度畫體物質(zhì)條件下，水熱反應(yīng)得到的 糖類及酸發(fā)酵過程所產(chǎn)生的醋酸等有機(jī)酸類對(duì)菌體的抑制問題，使得高菌體活性與高濃度 發(fā)酵兩立并行。
所述的甲烷發(fā)酵過程產(chǎn)生的物料經(jīng)超聲波作用后再通過菌渣分離，其菌體返回甲垸發(fā) 酵反應(yīng)器，生物質(zhì)渣的一部分回流到生物水解反應(yīng)器，另一部分排出發(fā)酵系統(tǒng)。超聲波作 用促進(jìn)了物料中氣體的放出，使得菌渣分離更為容易進(jìn)行。
所述的向發(fā)酵系統(tǒng)排出的物料鼓入空氣進(jìn)行好氧處理后排出作為肥料使用，或不加好 氧處理直接作為肥料使用。通過好氧處理使得物料中的未分解物質(zhì)進(jìn)一步分解，并消除厭 氧發(fā)酵的臭味，便于后續(xù)處理和作為肥料的使用。如發(fā)酵充分，無臭氣，也可不進(jìn)行好氧
處理。在生物質(zhì)的各個(gè)分解和發(fā)酵過程中殘余的難分解物質(zhì)通過向外排出，使得系統(tǒng)能夠 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
所述超聲波處理?xiàng)l件為超聲波密度為0. 1 5. 0W/cm2 ，作用時(shí)間20 300秒。 所述菌渣分離為振動(dòng)方式，采用振動(dòng)分離器。且所述的菌渣分離振動(dòng)分離器至少由振 動(dòng)電機(jī)，發(fā)酵物料容器，振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)組成。發(fā)酵物料容器盛裝發(fā)酵物料，并在振動(dòng)過程 中使菌體與生物質(zhì)渣相分離，從其各自的出口排出。振動(dòng)電機(jī)提供振動(dòng)動(dòng)力，振動(dòng)發(fā)生機(jī) 構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)具體情況選定和調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，振幅和機(jī)構(gòu)傾斜度等。
本發(fā)明通過回流循環(huán)漿態(tài)床式生物質(zhì)的生物水解，酸發(fā)酵和甲垸發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)了高 效率的發(fā)酵和無廢液綜合利用。通過超聲波作用和振動(dòng)分離得到甲垸菌并回流循環(huán)利用， 保證了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。通過水熱反應(yīng)及其后的生物反應(yīng)系統(tǒng)提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的流程示意圖。圖中l(wèi)-生物質(zhì)，2-水熱反應(yīng)罐，3-生物水解罐，4-酸發(fā)酵罐，—5-甲垸發(fā)酵罐，6-超聲 波處理器，7-振動(dòng)分離器，8-菌體部分，9-回流渣料，10-排出渣料，11-好氧處理槽，12-空氣，13-厭氧發(fā)酵肥料，14-沼氣。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩的詳細(xì)說明 實(shí)施例1.
如圖1所示，將破碎到3mm的生物質(zhì)1 (本例中為玉米秸稈)送入物理化學(xué)處理的水 熱反應(yīng)罐2 (按生物質(zhì)重量含量20% 25%)，按添加量為重量比2%加入硫酸，9(TC條件 下進(jìn)行水熱反應(yīng)，將秸稈分解成生物易分解物質(zhì)后，送入生物水解罐3，在37'C下經(jīng)加水 分解后，送入生物酸發(fā)酵罐4，在37'C下將物料分解成以醋酸為主的有機(jī)酸，再送入甲烷 發(fā)酵罐5在37'C下將有機(jī)酸轉(zhuǎn)變成甲烷。甲垸發(fā)酵結(jié)束后的物料排入超聲波處理器6在 0.15W/cm2， 3rain作用后，送入振動(dòng)分離器7，經(jīng)振動(dòng)分離后將菌體8返送至甲垸發(fā)酵罐5 中，從罐5排出的約70%的渣料9返送至生物水解罐3中再水解，其余30%的料渣10排 入好氧處理槽11，在其中進(jìn)行空氣12曝氣的好氧處理后排出作為肥料13使用。發(fā)酵過程 產(chǎn)生的沼氣14送入沼氣凈化系統(tǒng)，凈化后作為燃料使用。水熱反應(yīng)罐，生物水解罐，酸 發(fā)酵罐，甲垸發(fā)酵罐和好氧處理槽均設(shè)有機(jī)械攪拌裝置，攪拌轉(zhuǎn)速45轉(zhuǎn)/分。轉(zhuǎn)化率達(dá)到 80%以上。對(duì)菌渣振動(dòng)分離器的容器施以保溫措施，使得物料的溫度降低很少。生物水解 罐，酸發(fā)酵罐和甲垸發(fā)酵罐中的微生物菌從普通的厭氧發(fā)酵設(shè)施中取得菌種進(jìn)行接種，經(jīng) 過10-15日的培養(yǎng)馴化，即可適應(yīng)本實(shí)施例的發(fā)酵條件，進(jìn)行高效的發(fā)酵。 實(shí)施例2:
將破碎到2mm的小麥秸稈與木材鋸末的混合物(按重量比，小麥秸稈:木材鋸末為 6:10)送往水熱反應(yīng)罐，經(jīng)水熱反應(yīng)后進(jìn)入生物反應(yīng)系統(tǒng)。其反應(yīng)系統(tǒng)如圖1，反應(yīng)條件 如實(shí)施例1，所不同的是沒有設(shè)置超聲波處理器并且生物水解與酸發(fā)酵在同一罐中進(jìn)行。 酸發(fā)酵罐和甲烷發(fā)酵罐等生物反應(yīng)系統(tǒng)中的生物質(zhì)重量含量為30% 35%之間。轉(zhuǎn)化率達(dá) 到75%以上。 實(shí)施例3:
將破碎到3mm的水稻秸稈與lmm的木薯稈(按重量比，水稻秸稈:木薯稈為6.5:10) 送入水熱反應(yīng)罐水解(138°C，水熱反應(yīng)物料中氨水含量2%)后送入如圖l所示的系統(tǒng)中 進(jìn)行生物處理得到沼氣。所不同的是在45'C下經(jīng)加水分解后，送入生物酸發(fā)酵罐4，在45 'C下將物料分解成以醋酸為主的有機(jī)酸，再送入甲烷發(fā)酵罐5在45。C下將有機(jī)酸轉(zhuǎn)變成甲 垸。排出的物料不經(jīng)空氣曝氣的好氧處理，直接作肥料使用。在生物水解罐，酸發(fā)酵罐， 甲烷發(fā)酵罐中的生物質(zhì)重量含量為45%-50%，超聲波在3W/cm2下，作用0.2min。轉(zhuǎn)化率 達(dá)到78%以上。
權(quán)利要求
1.一種生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是步驟如下1).將生物難分解的生物質(zhì)物料采用水熱反應(yīng)過程分解為生物易分解物質(zhì)；2).將生物易分解物質(zhì)進(jìn)行生物加水分解，得到水解產(chǎn)物；3)將水解產(chǎn)物通過微生物的酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸；4)將有機(jī)酸通過微生物轉(zhuǎn)化為甲烷氣；5).將步驟4)的剩余物料返回到步驟2)再進(jìn)行生物加水分解。
2. 如權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)、 3)和4) 的生物質(zhì)物料含量為總重量的20 55%。
3. 如權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)、 3)和4) 的過程均實(shí)施機(jī)械攪拌。
4. 如權(quán)利要求1所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)和3)在 不同的反應(yīng)器中進(jìn)行或在同一反應(yīng)器中進(jìn)行。
5. 如權(quán)利要求l所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟5)是甲垸 發(fā)酵過程產(chǎn)生的物料經(jīng)超聲波作用后再通過菌渣分離或不經(jīng)超聲波作用直接通過菌渣分 離，所得菌體返回甲垸發(fā)酵反應(yīng)器，生物質(zhì)渣的一部分回流到生物水解反應(yīng)器，生物質(zhì) 渣的另一部分排出發(fā)酵系統(tǒng)。
6. 如權(quán)利要求5所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的超聲波處理?xiàng)l件 為超聲波密度為0. 1 5. 0W/cm2 ，作用時(shí)間20 300秒。
7. 如權(quán)利要求5所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是所述的菌渣分離采用振 動(dòng)分離器的振動(dòng)方式。
8. 如權(quán)利要求5所述的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法，其特征是排出發(fā)酵系統(tǒng)的物料的 處理方法是向排出的物料鼓入空氣進(jìn)行好氧處理后排出作為肥料使用，或不加好氧處理 直接作為肥料使用。
9. 如權(quán)利要求5或7的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵制取沼氣的方法的裝置，其特征是菌渣分離振動(dòng)分 離器至少由振動(dòng)電機(jī)，發(fā)酵物料容器和振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種將生物質(zhì)通過厭氧發(fā)酵制沼氣的方法與設(shè)備，步驟如下1)將生物難分解的生物質(zhì)物料采用水熱反應(yīng)過程分解為生物易分解物質(zhì)；2)將生物易分解物質(zhì)進(jìn)行生物加水分解，得到水解產(chǎn)物；3)將水解產(chǎn)物通過微生物的酸發(fā)酵轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸；4)將有機(jī)酸通過微生物轉(zhuǎn)化為甲烷氣；5)將步驟4)的剩余物料返回到步驟2)再進(jìn)行生物加水分解。本發(fā)明通過回流循環(huán)漿態(tài)床式生物質(zhì)的生物水解，酸發(fā)酵和甲烷發(fā)酵工藝，實(shí)現(xiàn)了高效率的發(fā)酵和無廢液綜合利用。通過超聲波作用和振動(dòng)分離得到甲烷菌并回流循環(huán)利用，保證了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。通過水熱反應(yīng)及其后的生物反應(yīng)系統(tǒng)提高了生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。
文檔編號(hào)C12P5/02GK101492698SQ200910068000
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者張書廷 申請(qǐng)人:天津大學(xué)