本發(fā)明涉及一種基于全混合厭氧反應(yīng)器的沼液攪拌和破殼系統(tǒng)，屬于沼氣發(fā)酵裝備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
厭氧反應(yīng)器處于靜態(tài)發(fā)酵狀態(tài)時(shí)，發(fā)酵物料從下到上逐漸分成污泥層、活性層、上清液層和浮渣層，大量浮渣懸浮于發(fā)酵液表面，在發(fā)酵液面形成結(jié)殼，造成發(fā)酵液傳熱、傳質(zhì)不均勻等現(xiàn)象，且嚴(yán)重影響沼氣從發(fā)酵液中溢出，以致沼氣產(chǎn)量也逐漸降低，最后甚至停止產(chǎn)氣，同時(shí)由于靜態(tài)發(fā)酵狀態(tài)時(shí)活性層在反應(yīng)器內(nèi)分布容積較小，導(dǎo)致大部分區(qū)域厭氧消化效率低，因此必須采取措施使厭氧消化微生物和沼氣發(fā)酵物料均勻分布于反應(yīng)器內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)酵。
全混合厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)是通過攪拌將發(fā)酵原料和微生物完全混合，增加原料和微生物接觸的機(jī)會，提高發(fā)酵效果，并且能有效防止發(fā)酵料液的浮渣結(jié)殼，促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)沼氣從料液中溢出，因此，攪拌在全混合厭氧消化工藝中具有十分重要的作用。目前，技術(shù)比較成熟且應(yīng)用得比較廣泛的攪拌方式主要有機(jī)械攪拌、沼氣攪拌和水力循環(huán)攪拌3種。
對于機(jī)械攪拌，由于發(fā)酵料液容易腐蝕在反應(yīng)器內(nèi)的機(jī)械攪拌設(shè)備，需要打開反應(yīng)器對機(jī)械攪拌設(shè)備進(jìn)行維修更換，這樣不僅終止了厭氧消化系統(tǒng)，而且在打開反應(yīng)器時(shí)也容易對罐體造成破壞，同時(shí)對機(jī)械攪拌設(shè)備的維修更換也增加了運(yùn)行費(fèi)用；對于沼氣攪拌，由于需要將貯存在貯氣柜中的部分沼氣回用以攪拌反應(yīng)器的料液，因此，需要額外增加貯氣柜的體積，這樣會造成投資的增加，另外，沼氣攪拌工藝較為復(fù)雜，需要較多的附屬設(shè)備，增加了投資，同時(shí)這些的運(yùn)行需要提供大量電力，導(dǎo)致能耗較高；對于水力循環(huán)攪拌，水力攪拌所需的設(shè)備只有泵，設(shè)備少，投資低，并且能耗也較低，即使出現(xiàn)故障，由于僅只是在罐體外更換或維修攪拌設(shè)備，對厭氧反應(yīng)器不會造成影響。
針對水力循環(huán)攪拌，我們于2012年9月申請了國家實(shí)用新型專利《一種厭氧反應(yīng)器的沼液攪拌和破殼的循環(huán)沼液管路》（ZL 201220500972.3），并且于2013年3月獲得了授權(quán)，我們這種循環(huán)沼液管路，是采用循環(huán)泵將反應(yīng)器底部發(fā)酵物料泵送到頂部，形成上下循環(huán)攪拌，達(dá)到破除發(fā)酵液面結(jié)殼和避免分層狀態(tài)的目的，但在后來的工程實(shí)際驗(yàn)證中，我們發(fā)現(xiàn)這種單一的循環(huán)沼液管路有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)，一是反應(yīng)器進(jìn)料的時(shí)候不能同時(shí)進(jìn)行循環(huán)攪拌，導(dǎo)致攪拌不均勻，二是經(jīng)過循環(huán)泵葉輪的劇烈攪動(dòng)，會將污泥層的污泥打得粉碎，會引起上清液懸浮顆粒物過大，對消化污泥的固液分離非常不利，活性污泥與發(fā)酵液完全混合在一起，在出料時(shí)會將富含大量厭氧消化微生物的活性污泥排出，這對厭氧消化產(chǎn)生了極大的抑制作用，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了避免上述傳統(tǒng)水力循環(huán)攪拌的兩個(gè)問題，可以采用多級水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)。其方法通常為設(shè)置多級水力循環(huán)的管路系統(tǒng)；第一級循環(huán)管路從厭氧反應(yīng)器的污泥層泵入發(fā)酵液，水力循環(huán)管從反應(yīng)器頂部進(jìn)入反應(yīng)器，管路中間增加循環(huán)泵和閥門；第二級循環(huán)管路從厭氧反應(yīng)器的活性層泵入發(fā)酵液，水力循環(huán)管從反應(yīng)器頂部進(jìn)入反應(yīng)器，管路中間增加循環(huán)泵和閥門；第三級循環(huán)管路從厭氧反應(yīng)器的上清液層泵入發(fā)酵液，水力循環(huán)管從反應(yīng)器頂部進(jìn)入反應(yīng)器，管路中間增加循環(huán)泵和閥門；根據(jù)厭氧反應(yīng)器的高度大小，設(shè)置不同級數(shù)的水力循環(huán)管路，若厭氧反應(yīng)器高度較高，可在污泥層、活性層、上清液層，在原來每層只有一套水力循環(huán)管路的基礎(chǔ)上再各自增加一套或多套水力循環(huán)管路，設(shè)計(jì)成四級、五級，甚至更多級數(shù)的水力循環(huán)管路。
多級水力循環(huán)管路的運(yùn)行通過循環(huán)泵和閥門來控制，可根據(jù)需要來運(yùn)行這些不同級數(shù)的水力循環(huán)管路。我們以三級水力循環(huán)管路來舉例說明，當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4、打開一級閥門5及打開總閥門10，關(guān)閉二級循環(huán)泵6和三級循環(huán)泵8、二級閥門7和三級閥門9時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器整體循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4和三級循環(huán)泵8，打開一級閥門5和三級閥門9，關(guān)閉二級循環(huán)泵6、二級閥門7和總閥門10時(shí)，可實(shí)現(xiàn)第一級和第三級之間的雙層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4和二級循環(huán)泵6，打開一級閥門5和二級閥門7，關(guān)閉三級循環(huán)泵8、三級閥門9和總閥門10時(shí)，可實(shí)現(xiàn)第一級和第二級之間的單層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)二級循環(huán)泵6，打開二級閥門7和總閥門10，關(guān)閉一級循環(huán)泵4和三級循環(huán)泵8、一級閥門5和三級閥門9時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器局部循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)二級循環(huán)泵6和三級循環(huán)泵8，打開閥二級閥門7和三級閥門9，關(guān)閉一級循環(huán)泵4、一級閥門5和總閥門10時(shí)，可實(shí)現(xiàn)第二級和第三級之間的單層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)三級循環(huán)泵8，打開三級閥門9和總閥門10，關(guān)閉一級循環(huán)泵4和二級循環(huán)泵6、一級閥門5和二級閥門7時(shí)，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器局部循環(huán)攪拌和持續(xù)破殼的效果；三級以上的水力循環(huán)管路的運(yùn)行方式以此類推。
通過多級水力循環(huán)管路的設(shè)置，克服了我們的實(shí)用新型專利《一種厭氧反應(yīng)器的沼液攪拌和破殼的循環(huán)沼液管路》存在的不能同時(shí)進(jìn)料和攪拌的缺點(diǎn)；多級水力循環(huán)攪拌比單一的水力循環(huán)攪拌而言，既可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器發(fā)酵物料的分層攪拌和局部攪拌，這樣可以保證底部的活性污泥不至于在出料時(shí)被排出反應(yīng)器，又可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵物料的整體攪拌，使得反應(yīng)器的水力攪拌強(qiáng)度不降低，增強(qiáng)了發(fā)酵液結(jié)殼的破殼效果，有利于厭氧消化的傳質(zhì)和傳熱，從而維持均衡的產(chǎn)沼氣速率和厭氧消化效果。相關(guān)原理可參見附圖（以三級水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)為例）。
附圖說明：
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖（以三級水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)為例）。圖中包括：進(jìn)料泵1、布料器2、排泥口3、一級循環(huán)泵4、一級閥門5、二級循環(huán)泵6、二級閥門7、三級循環(huán)泵8、三級閥門9、總閥門10、水力循環(huán)管路11、分料器12、沼氣出口13、出料口14、厭氧反應(yīng)器15、進(jìn)料管16。
具體實(shí)施方式：
實(shí)施例1
本專利技術(shù)已經(jīng)在普洱市思茅區(qū)金豬養(yǎng)殖場沼氣工程中得到應(yīng)用，普洱市思茅區(qū)金豬養(yǎng)殖場沼氣工程每天對該養(yǎng)殖場32.88噸的生豬糞污進(jìn)行沼氣能源化處理。
該沼氣工程的CSTR全混合厭氧反應(yīng)器的容積為550m3，直徑為9.4m，高為8m；對于該沼氣工程，我們應(yīng)用的是兩級水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)，在厭氧反應(yīng)器的1.5m高處設(shè)置第一級水力循環(huán)管路、一級循環(huán)泵4及一級閥門5，在3m高處設(shè)置第二級水力循環(huán)管路、二級循環(huán)泵6及二級閥門7，在循環(huán)管上設(shè)置總閥門10。當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4、打開一級閥門5和總閥門10，關(guān)閉二級循環(huán)泵6和二級閥門7時(shí)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器整體循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)二級循環(huán)泵6、打開二級閥門7和總閥門10，關(guān)閉一級循環(huán)泵4和一級閥門5時(shí)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器局部循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4和二級循環(huán)泵6、打開一級5閥門和二級閥門7，關(guān)閉總閥門10時(shí)，實(shí)現(xiàn)了第一級和第二級之間的單層循環(huán)攪拌。
工程應(yīng)用效果表明：本專利技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)全混合厭氧反應(yīng)器同時(shí)進(jìn)料和同時(shí)攪拌的目的，并且能達(dá)到反應(yīng)器發(fā)酵物料分層攪拌和整體攪拌的效果，同時(shí)也有效避免了發(fā)酵液面的結(jié)殼現(xiàn)象；本專利技術(shù)能顯著降低原料中固形物含量，使沼氣發(fā)酵微生物易于導(dǎo)致原料發(fā)酵，顯著提高反應(yīng)器的效率，形成了全混合發(fā)酵，進(jìn)料時(shí)料液濃度為6%，發(fā)酵后料液濃度僅為1.8%，干物質(zhì)去除率達(dá)到了70%，日產(chǎn)沼氣量達(dá)到了440m3，保持了常年穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣速率，沼氣工程自從2013年3月投入使用以來，一直運(yùn)行正常，還沒有出現(xiàn)由于結(jié)殼現(xiàn)象導(dǎo)致的不產(chǎn)氣情況和發(fā)酵料液混合不均勻?qū)е碌漠a(chǎn)氣不均衡情況，驗(yàn)證了本專利技術(shù)在沼氣工程上的準(zhǔn)確性和適用性。
實(shí)施例2
本專利技術(shù)也已經(jīng)在昭通市昭陽區(qū)萬寶生豬有限公司沼氣工程中得到應(yīng)用，昭通市昭陽區(qū)萬寶生豬有限公司沼氣工程每天對該養(yǎng)殖場71噸的生豬糞污進(jìn)行沼氣能源化處理。
該沼氣工程的CSTR全混合厭氧反應(yīng)器的容積為1000m3，直徑為12m，高為9m；對于該沼氣工程，我們應(yīng)用的是三級水力循環(huán)攪拌系統(tǒng)，在厭氧反應(yīng)器的2m高處設(shè)置第一級水力循環(huán)管路、一級循環(huán)泵4及一級閥門5，在4m高處設(shè)置第二級水力循環(huán)管路、二級循環(huán)泵6及二級閥門7，在6m高處設(shè)置第三級水力循環(huán)管路、三級循環(huán)泵8及三級閥門9，在循環(huán)管上設(shè)置總閥門10。當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4、打開一級閥門5及打開總閥門10，關(guān)閉二級循環(huán)泵6和三級循環(huán)泵8、二級閥門7和三級閥門9時(shí)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器整體循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4和三級循環(huán)泵8，打開一級閥門5和三級閥門9，關(guān)閉二級循環(huán)泵6、二級閥門7和總閥門10時(shí)，實(shí)現(xiàn)了第一級和第三級之間的雙層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)一級循環(huán)泵4和二級循環(huán)泵6，打開一級閥門5和二級閥門7，關(guān)閉三級循環(huán)泵8、三級閥門9和總閥門10時(shí)，實(shí)現(xiàn)了第一級和第二級之間的單層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)二級循環(huán)泵6，打開二級閥門7和總閥門10，關(guān)閉一級循環(huán)泵4和三級循環(huán)泵8、一級閥門5和三級閥門9時(shí)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器局部循環(huán)攪拌和破殼的效果；當(dāng)啟動(dòng)二級循環(huán)泵6和三級循環(huán)泵8，打開二級閥門7和三級閥門9，關(guān)閉一級循環(huán)泵4、一級閥門5和總閥門10時(shí)，實(shí)現(xiàn)了第二級和第三級之間的單層循環(huán)攪拌；當(dāng)啟動(dòng)三級循環(huán)泵8，打開三級閥門9和總閥門10，關(guān)閉一級循環(huán)泵4和二級循環(huán)泵6、一級閥門5和二級閥門7時(shí)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器局部循環(huán)攪拌和持續(xù)破殼的效果
工程應(yīng)用效果表明：本專利技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)全混合厭氧反應(yīng)器同時(shí)進(jìn)料和同時(shí)攪拌的目的，并且能達(dá)到反應(yīng)器發(fā)酵物料分層攪拌和整體攪拌的效果，同時(shí)也有效避免了發(fā)酵液面的結(jié)殼現(xiàn)象；本專利技術(shù)能顯著降低原料中固形物含量，使沼氣發(fā)酵微生物易于導(dǎo)致原料發(fā)酵，顯著提高反應(yīng)器的效率，形成了全混合發(fā)酵，進(jìn)料時(shí)料液濃度為6%，發(fā)酵后料液濃度僅為1.5%，干物質(zhì)去除率達(dá)到了75%，日產(chǎn)沼氣量達(dá)到了720m3，保持了常年穩(wěn)定的產(chǎn)沼氣速率，沼氣工程自從2011年4月投入使用以來，一直運(yùn)行正常，還沒有出現(xiàn)由于結(jié)殼現(xiàn)象導(dǎo)致的不產(chǎn)氣情況和發(fā)酵料液混合不均勻?qū)е碌漠a(chǎn)氣不均衡情況，驗(yàn)證了本專利技術(shù)在沼氣工程上的準(zhǔn)確性和適用性。