一种有机物的发酵设备及发酵方法
技术领域
本发明涉及一种有机物的发酵设备及发酵方法。
背景技术
有机物厌氧发酵是处理固体或液体有机废物的重要解决方案，能把有机物转化为可再生能源气体和有机肥料。有机物厌氧发酵技术通常分为三类：待处理物料的含固率小于5％时，是废水的厌氧发酵；当含固率介于5％和20％之间时，是湿式厌氧发酵；以及有机物含固率大于20％时，是干式厌氧发酵。
湿式厌氧发酵的主要工艺为完全混合工艺：例如使用完全搅拌釜式反应器(CSTR)。在这种类型的反应器中，介质的混合通过浸入反应器中的机械搅拌器来确保，该搅拌器用于搅拌整个反应器内部。或者，可以通过往反应器内注入沼气来进行混合，沼气从反应器中央注入，并引起反应器内强烈混合。另外还有通过外部循环(通过泵将物料从发酵罐的一端循环到另一端)来实现反应器的混合的。
在连续干式厌氧发酵中，有机物在发酵罐的一端引入，然后以活塞流的形式前进到发酵罐的另一端。这些发酵罐可以是水平的也可以是垂直的。这些发酵罐中的搅拌或者是通过缓慢的搅拌器将物料逐渐推向发酵罐的出口，或者是通过泵将物料从发酵罐的一端循环到另一端或通过往发酵罐中注入沼气来确保的。
这些技术都无法精确控制发酵罐中物料的含固率。因此，这些技术无法为厌氧菌的繁殖创造最佳条件。对于完全混合的技术，有机物的停留时间至少要30天，对于连续干式发酵的技术则要至少20天。这些技术对投入发酵罐的有机负荷(每天被消化的有机物的量)的波动也非常敏感，因此，必须精确控制投入到发酵罐内的有机负荷，以保证设备正常运行，这要求操作员具备大量专业知识，并使操作非常不灵活。此外，在不控制含固率的情况下，这些技术会遇到形成悬浮层和沉淀层的许多问题，不利于发酵罐的运行。同时，发酵罐中机械搅拌部件的维护比较复杂且费用昂贵。
在分批式干式发酵技术中，固体有机物在发酵罐中保持静态。有机物分批进入反应装置后由液体浇淋，液体下沉后循环浇淋。在这类技术中，有机固体不进行搅拌，因此有机固体的发酵非常缓慢且难以控制，每批停留时间大约为60天。另外，这类技术是分批操作的。这种发酵的不连续特性使这项技术的操作变得特别复杂。
为了得到更广泛的应用，厌氧发酵技术必须降低投资额和运行费用，减小反应器的体积以便在有场所限制的地方使用。厌氧发酵技术还必须提高发酵效率以提高能源产出，降低污染，并提高工艺的稳定性以确保生产的稳定性。
发明内容
本发明为了解决现有技术中厌氧发酵技术中难以控制有机物发酵设备中的物料含固率，有机物发酵耗时长、效率低，设备复杂且体积大，运行费用高等问题，而提供了一种有机物的发酵设备及发酵方法。本发明的发酵设备能够有效控制有机物发酵设备中的含固率，从而为厌氧菌的繁殖创造最佳条件，有机物发酵时间短，沼气产量高，仪器操作简便，工艺稳定。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
本发明提供了一种有机物的发酵设备，其包括依次连接的第一发酵罐、输送系统和半渗透区；所述输送系统用于将所述第一发酵罐中的物料输送至所述半渗透区；所述半渗透区设有具有孔隙的材料，孔隙尺寸为200μm～5mm，用于分离所述第一发酵罐中的物料；所述半渗透区还设有与所述第一发酵罐连接的回路，所述回路用于将所述分离后的高含固率的物料输送至所述第一发酵罐。
本发明中，所述第一发酵罐可为本领域常规的发酵罐。
较佳地，所述第一发酵罐包括一第一进口、一第五进口、一第一出口、一第二出口、一第九出口和一第一发酵罐物料输出管道；所述第一进口为所述分离后的高含固率的物料的进料通道；所述第五进口为所述第一发酵罐的进料通道，用于将新鲜待发酵的有机物输送至所述第一发酵罐中；所述第一发酵罐物料输出管道的一端与所述第一出口连接，用于将所述第一发酵罐的物料经所述输送系统输送至所述半渗透区；所述第二出口为所述第一发酵罐的气体收集通道；所述第九出口为所述第一发酵罐的发酵产物出料通道，用于将发酵产物排出所述第一发酵罐。本发明中，所述新鲜待发酵的有机物是指从未进入本发酵设备处理的待处理原料。
其中，较佳地，所述第一进口位于所述第一发酵罐的上部。
其中，较佳地，所述第五进口位于所述第一发酵罐的上部。
一优选实施方式中，所述第一发酵罐的第一进口和第五进口可为同一进口，即所述第一进口既可为所述第一发酵罐的进料通道，又可为所述高含固率的物料的进料通道。
其中，较佳地，所述第一出口位于所述第一发酵罐的下部。
其中，较佳地，所述第二出口位于所述第一发酵罐的上部。
其中，较佳地，所述第九出口位于所述第一发酵罐的下部。
较佳地，所述第一发酵罐的内部不设有搅拌部件。
本发明中，所述输送系统可为本领域常规的输送系统，所述输送系统可调节物料的输送速度。
本发明中，在使用所述发酵设备时，所述半渗透区分离得到的高含固率的物料输送回所述第一发酵罐，较佳地，所述半渗透区还设有将所述分离后的低含固率的物料排出所述半渗透区的管路。其中，所述低含固率是指含固率小于所述第一发酵罐中的物料的含固率，所述高含固率是指含固率大于所述第一发酵罐中的物料的含固率。
其中，较佳地，所述半渗透区包括一第二进口、一第三出口、一第四出口和一高含固率物料输出管道；所述第二进口与所述第一发酵罐物料输出管道的另一端连接，形成所述半渗透区的进料通道；所述第三出口为低含固率的物料的出料通道；所述第四出口为所述高含固率的物料的出料通道；所述高含固率物料输出管道的一端与所述第四出口连接，另一端与所述第一发酵罐连接，用于将所述分离后的高含固率的物料输送至所述第一发酵罐。
其中，较佳地，所述半渗透区为一斜式、蛇形、立式或卧式设备。
更佳地，当所述半渗透区为一卧式设备时，所述卧式设备为蛇形管。更佳地，当所述半渗透区为一立式设备时，所述第二进口位于所述半渗透区的下部；所述第三出口位于所述半渗透区的下部，且高于所述第二进口；更佳地，所述第三出口距离所述半渗透区底部的高度占所述半渗透区的高度的15％以内；所述第四出口位于所述半渗透区的上部。
较佳地，所述半渗透区中的半渗透材料为布料、不锈钢、塑料或陶瓷等。
较佳地，所述半渗透区包括一反吹系统，所述反吹系统可为本领域常规，用于清洁半渗透区中所述的孔隙。更佳地，当所述半渗透区为一立式设备时，所述反吹系统位于所述半渗透区的上部。
本发明中，较佳地，所述发酵设备包括一流速调节设备，所述流速调节设备位于所述第四出口和所述第一进口之间。所述流速调节设备可为本领域常规，可以调节所述高含固率的物料在所述半渗透区中的流速。
本发明中，较佳地，所述发酵设备包括一第五出口，所述第五出口位于所述第四出口和所述第一进口之间，为所述半渗透区的下游发酵产物的出料通道。
本发明中，较佳地，所述发酵设备包括一加热系统，所述加热系统位于所述第四出口和所述第一进口之间。
一优选实施方式中，所述第四出口将所述半渗透区依次与所述流速调节设备、所述第五出口和所述加热系统连接。
本发明中，较佳地，所述发酵设备包括一物料引入系统，所述物料引入系统与所述第一进口或所述第五进口连接，用于将新鲜待发酵的有机物的引入所述发酵设备。
本发明中，较佳地，所述发酵设备包括一第二发酵罐；所述第二发酵罐包括一第三进口、一第六出口、一第七出口、一第八出口、一低含固率物料输入管道和一第二发酵罐物料输出管道；所述低含固率物料输入管道一端与所述半渗透区(可为所述半渗透区的所述第三出口)连接，另一端与所述第三进口连接，用于将所述低含固率的物料输送至所述第二发酵罐中；所述第一发酵罐包括一第四进口；所述第二发酵罐物料输出管道一端与所述第六出口连接，另一端与所述第四进口连接，用于将部分所述第二发酵罐的物料输送回所述第一发酵罐；所述第七出口用于将第二发酵罐的剩余物料排出所述第二发酵罐；所述第八出口为所述第二发酵罐的气体收集通道。
其中，较佳地，所述第三进口位于所述第二发酵罐的下部。
其中，较佳地，所述第四进口位于所述第一发酵罐的上部。
其中，较佳地，所述第六出口位于所述第二发酵罐的上部。
其中，较佳地，所述第七出口位于所述第二发酵罐的上部。
其中，较佳地，所述第八出口位于所述第二发酵罐的上部。
本发明还提供了一种有机物的发酵方法，所述有机物的发酵方法采用如前所述的发酵设备进行，其步骤包含，所述有机物于所述第一发酵罐发酵；所述输送系统将所述第一发酵罐中的物料输送至所述半渗透区进行固液分离，所述半渗透区分离得到的低含固率的物料排出所述半渗透区，所述半渗透区分离得到的高含固率的物料输送回所述第一发酵罐；
其中，所述低含固率是指含固率小于所述第一发酵罐中的物料的含固率；所述高含固率是指含固率大于所述第一发酵罐中的物料的含固率。
本发明可在确保控制所述第一发酵罐中有机物的含固率的同时，有效地混合有机物。所述输送系统将所述第一发酵罐中的物料(已部分发酵的固体和液体)抽出，经所述半渗透区进行固液分离后，将部分物料(低含固率)排出，并将分离得到的物料(高含固率)输送回所述第一发酵罐，通过这种方式可确保所述第一发酵罐内物料的充分混合；并且，通过调节所述输送系统的循环速度和循环的物料量可调节发酵罐中的含固率。因此，本发明可以精确控制发酵罐中含固率，同时有效地混合发酵罐的全部发酵物料。使用单个系统同时实现混合和控制含固率使得对这两个参数进行精细控制成为可能，这是现有技术无法实现的。
本发明可用于有机物发酵技术领域，其特别适用于含固率相对较高(通常含固率大于5％，较佳地大于10％，更佳地大于15％且小于35％)的有机物的厌氧发酵。所述有机物较佳地为固体有机废物或能源作物，例如农业废物，工业废物，食品加工业产业链上产生的废物，餐厨废弃物和市政有机废物的一种或多种；再例如为工业和市政废水处理污泥。
其中，农业废物中含有各类农作物秸秆，以及畜禽养殖产生的畜禽粪便等；食品加工业产业链上产生的废物或餐厨废弃物中含有油、水、果皮、蔬菜、米面、鱼、肉、骨头等多种物质的混合物；市政有机废物中含有生活废物等。
本发明中，所述第一发酵罐中的含固率较佳地为10％～40％，更佳地为15％～25％。
发明人注意到，控制发酵罐中含固率和搅拌强度是培养发酵菌群以发酵有机物质的关键参数。通过对这些参数的控制，本发明为发酵菌群的培养创造了最佳条件。此外，它可确保可溶性发酵产物的有效排出系统。所以，本发明与其他厌氧发酵技术相比，有机物的停留时间大大减少了。因此，与现有技术相比，使用本发明技术的发酵罐的体积更小(与现有技术相比，所述第一发酵罐或第二发酵罐的体积仅为干式发酵设备的30％，或仅为湿式发酵设备的15％；其中设备的体积按照日处理量的体积*停留时间进行计算)，从而降低了投资成本和占地面积。这也使得本发明中有机物的发酵更充分，从而确保有机物更大程度的降解，并使沼气的产量比传统技术高出25％。
本发明中，较佳地，所述有机物在所述第一发酵罐中的平均停留时间为1～15天。
本发明中，较佳地，所述第一发酵罐中的反应为厌氧发酵。
本发明中，较佳地，稳定运行后，以一天为时间周期计算，通过所述输送系统输送的物料量为所述第一发酵罐的体积的0.3～3倍。
本发明中，较佳地，所述发酵设备中包括第二发酵罐时，稳定运行后，以一天为时间周期计算，从所述第二发酵罐中循环至所述第一发酵罐的物料量为所述第一发酵罐的体积的0.2～3倍。
本发明中，较佳地，所述第二发酵罐中的反应为厌氧发酵/好氧发酵，更佳地为厌氧发酵。
本发明中，较佳地，所述第一发酵罐的温度为20～60℃。
本发明中，较佳地，所述有机物每天至少重新投料一次进入所述第一发酵罐中。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：
本发明的发酵设备能够有效控制有机物发酵设备中的含固率，从而为厌氧菌的繁殖创造最佳条件，有机物发酵时间短，沼气产量高，且发酵罐体积小，从而降低了投资成本和占地面积。
本发明可防止悬浮层或沉淀层的形成，而悬浮层或沉淀层是现有厌氧发酵技术的常见操作问题。对于投入发酵罐内的有机物的有机负荷的波动，该工艺也特别稳定，因此使得设备更易于操作。
本发明不需要在主发酵罐内部安装移动部件，从而减少并简化了维护操作。
附图说明
图1为实施例1中的装置示意图。
图2为实施例2中的装置示意图。
附图标记说明
第一发酵罐1
输送系统2
半渗透区3
第一出口4
第三出口5
第一进口6
流速调节设备7
第五出口8
加热系统9
物料引入系统10
第二发酵罐11
第四进口12
反吹系统13
第二出口14
第八出口15
第九出口16
第五进口17
第二进口18
第四出口19
第六出口20
第七出口21
第三进口22
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
实施例1
如图1所示，本实施例中的一种有机物的发酵设备，其包括依次连接的第一发酵罐1、输送系统2和半渗透区3；输送系统2用于将第一发酵罐1中的物料输送至半渗透区3；半渗透区3设有具有孔隙的材料，材料的孔隙尺寸为200μm～5mm，用于分离第一发酵罐1中的物料；半渗透区3还设有与第一发酵罐1连接的回路，回路用于将分离后的高含固率的物料输送至第一发酵罐1。
第一发酵罐1包括一第一进口6、一第五进口17、一第一出口4、一第二出口14、一第九出口16和一第一发酵罐物料输出管道；第一进口6为分离后的高含固率的物料的进料通道；第五进口17为第一发酵罐1的进料通道，用于将新鲜待发酵的有机物输送至第一发酵罐1中；第一发酵罐物料输出管道的一端与第一出口4连接，用于将第一发酵罐1的物料经输送系统2输送至半渗透区3；第二出口14为第一发酵罐1的气体收集通道；第九出口16为第一发酵罐1的发酵产物出料通道，用于将发酵产物排出第一发酵罐1。其中，新鲜待发酵的有机物是指从未进入本发酵设备处理的待处理原料。
其中，第一进口6位于第一发酵罐1的上部。
其中，第五进口17位于第一发酵罐1的上部。
其中，第一出口4位于第一发酵罐1的下部。
其中，第二出口14位于第一发酵罐1的上部。
其中，第九出口16位于第一发酵罐1的下部。
第一发酵罐1的内部不设有搅拌部件。
输送系统2可调节物料的输送速度。在使用发酵设备时，半渗透区3分离得到的高含固率的物料输送回第一发酵罐1。半渗透区3还设有将分离后的低含固率的物料排出半渗透区3的管路。其中，低含固率是指含固率小于第一发酵罐1中的物料的含固率，高含固率是指含固率大于第一发酵罐1中的物料的含固率。
其中，半渗透区3包括一第二进口18、一第三出口5、一第四出口19和一高含固率物料输出管道；第二进口18与第一发酵罐物料输出管道的另一端连接，形成半渗透区3的进料通道；第三出口5为低含固率的物料的出料通道；第四出口19为高含固率的物料的出料通道；高含固率物料输出管道的一端与第四出口19连接，另一端与第一发酵罐1连接，用于将分离后的高含固率的物料输送至第一发酵罐1。
半渗透区3为一立式设备，第二进口18位于半渗透区3的下部；第三出口5位于半渗透区3的下部，且高于第二进口18；第三出口5距离半渗透区3底部的高度占半渗透区3高度的15％；第四出口19位于半渗透区3的上部。
半渗透区3中的半渗透材料为布料。
实施例2
如图2所示，本实施例中的一种有机物的发酵设备，其包括依次连接的第一发酵罐1、输送系统2和半渗透区3；输送系统2用于将第一发酵罐1中的物料输送至半渗透区3；半渗透区3设有具有孔隙的材料，材料的孔隙尺寸为200μm～5mm，用于分离第一发酵罐1中的物料；半渗透区3还设有与第一发酵罐1连接的回路，回路用于将分离后的高含固率的物料输送至第一发酵罐1。
第一发酵罐1包括一第一进口6、一第一出口4、一第二出口14、一第九出口16和一第一发酵罐物料输出管道；第一进口6为分离后的高含固率的物料的进料通道；第一发酵罐物料输出管道的一端与第一出口4连接，用于将第一发酵罐1的物料经输送系统2输送至半渗透区3；第二出口14为第一发酵罐1的气体收集通道；第九出口16为第一发酵罐1的发酵产物出料通道，用于将发酵产物排出第一发酵罐1。其中，新鲜待发酵的有机物是指从未进入本发酵设备处理的待处理原料。
其中，第一进口6位于第一发酵罐1的上部。
其中，第一出口4位于第一发酵罐1的下部。
其中，第二出口14位于第一发酵罐1的上部。
其中，第九出口16位于第一发酵罐1的下部。
第一发酵罐1的内部不设有搅拌部件。
输送系统2可调节物料的输送速度。在使用发酵设备时，半渗透区3分离得到的高含固率的物料输送回第一发酵罐1。半渗透区3还设有将分离后的低含固率的物料排出半渗透区3的管路。其中，低含固率是指含固率小于第一发酵罐1中的物料的含固率，高含固率是指含固率大于第一发酵罐1中的物料的含固率。
其中，半渗透区3包括一第二进口18、一第三出口5、一第四出口19和一高含固率物料输出管道；第二进口18与第一发酵罐物料输出管道的另一端连接，形成半渗透区3的进料通道；第三出口5为低含固率的物料的出料通道；第四出口19为高含固率的物料的出料通道；高含固率物料输出管道的一端与第四出口19连接。发酵设备还包括一流速调节设备7，流速调节设备7位于第四出口19和第一进口6之间，可以调节高含固率的物料在半渗透区3中的流速。高含固率物料输出管道的另一端与流速调节设备7连接，将分离后的高含固率的物料输送至第一发酵罐1。
半渗透区3为一立式设备，第二进口18位于半渗透区3的下部；第三出口5位于半渗透区3的下部，且高于第二进口18；第三出口5距离半渗透区3底部的高度占半渗透区3高度的10％；第四出口19位于半渗透区3的上部。
半渗透区3中的半渗透材料为不锈钢。
半渗透区3包括一反吹系统13，反吹系统13位于半渗透区3的上部。
发酵设备包括一第五出口8，第五出口8位于第四出口19和第一进口6之间，为半渗透区3的下游发酵产物的出料通道。
发酵设备包括一加热系统9，加热系统9位于第四出口19和第一进口6之间。
第四出口19将半渗透区3依次与流速调节设备7、第五出口8和加热系统9连接。
发酵设备包括一物料引入系统10，物料引入系统10与第一进口6连接，用于将新鲜待发酵的有机物的引入发酵设备。
发酵设备包括一第二发酵罐11；第二发酵罐11包括一第三进口22、一第六出口20、一第七出口21、一第八出口15、一低含固率物料输入管道和一第二发酵罐物料输出管道；低含固率物料输入管道一端与半渗透区3的第三出口5连接，另一端与第三进口22连接，用于将低含固率的物料输送至第二发酵罐11中；第一发酵罐1包括一第四进口12；第二发酵罐物料输出管道一端与第六出口20连接，另一端与第四进口12连接，用于将部分第二发酵罐11的物料输送回第一发酵罐1；第七出口21用于将第二发酵罐11的剩余物料排出第二发酵罐11；第八出口15为第二发酵罐11的气体收集通道。
其中，第三进口22位于第二发酵罐11的下部。
其中，第四进口12位于第一发酵罐1的上部。
其中，第六出口20位于第二发酵罐11的上部。
其中，第七出口21位于第二发酵罐11的上部。
其中，第八出口15位于第二发酵罐11的上部。
应用实施例1
使用实施例1的设备，第一发酵罐1的体积为60m3。
每天可处理10吨牛粪。每天可产生900m3沼气，其中含55％的甲烷。从半渗透区3中可排出5.8吨液态有机肥料。每天从第一发酵罐1中可排出3吨固体有机肥料。
第一发酵罐1中的含固率保持在22％。每天通过输送系统2循环输送的物料量为90m3。
应用实施例2
使用实施例2的设备，第一发酵罐1的体积为20m3。第二发酵罐11(UASB型发酵罐)的体积为10m3。
处理5吨分拣后的城市有机垃圾(含厨余垃圾)。
每天可产生930m3的沼气，其中含58％的甲烷。
每天从第一发酵罐1中排出0.22吨固体有机肥料；从第二发酵罐11中排出的液体有机肥料的流量为3.6吨。
第一发酵罐1中的含固率保持在18％。每天通过输送系统2循环输送的物料量为40m3。每天从第二发酵罐11输送回第一发酵罐1的流量为10m3。
