一種木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵制沼氣的反應(yīng)系統(tǒng)及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1]本發(fā)明涉及一種木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵制沼氣的反應(yīng)系統(tǒng)及使用方法，屬于有機(jī)固體廢物生態(tài)能源化循環(huán)利用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]總結(jié)沼氣技術(shù)的發(fā)展歷史，農(nóng)業(yè)沼氣系統(tǒng)大致分為兩種:一種是用于生產(chǎn)做飯的小規(guī)模沼氣池，滿足農(nóng)戶能源自給自足；另一種是以能源作物為基礎(chǔ)的用于發(fā)電的農(nóng)用工業(yè)沼氣廠，生產(chǎn)電能>100kW。但是這兩種基本類型的沼氣廠通常在經(jīng)濟(jì)上都是不可行的。專利CN103145308A提供了一種大型沼氣工程生產(chǎn)沼氣的方法，該方法在現(xiàn)有普遍的厭氧發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)上加上了一道水解酸化處理階段，雖能加大處理量和沼氣產(chǎn)量，但是此方法的經(jīng)濟(jì)成本與推廣性得到大大限制。故此，找到一種便于推廣且經(jīng)濟(jì)可行的反應(yīng)器類型和發(fā)酵基質(zhì)混合系統(tǒng)是十分必要的。
[0003]現(xiàn)今，高木質(zhì)纖維素含量原料儲量豐富，具有巨大的能源化和資源化潛能。將木質(zhì)纖維素原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，在減少環(huán)境固體廢物污染的同時，還能提供生物質(zhì)能源-沼氣，厭氧發(fā)酵后殘余的沼渣和沼液還是很好的有機(jī)肥料。然而，受限于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，木質(zhì)纖維素是微生物難以分解利用的物質(zhì)，導(dǎo)致木質(zhì)纖維素的降解成為整個沼氣發(fā)酵過程中的限速步驟，木質(zhì)纖維素在傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵工藝中的降解效率很低，找到一種提高木質(zhì)纖維素降解效率的方法尤為重要。專利CN 101775412A提供了一種利用木質(zhì)纖維素制備沼氣的方法，該方法是對木質(zhì)纖維素原料擠壓膨化預(yù)處理后，再進(jìn)行厭氧發(fā)酵。該法僅以物理方法對原料進(jìn)行預(yù)處理，而擠壓膨化對于復(fù)雜的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)難以得到有效的解構(gòu)，這就使得在厭氧發(fā)酵階段中菌酶對于木質(zhì)纖維素的降解效率依舊不高。專利93114841.3提供了強(qiáng)化發(fā)酵的方法，該方法利用高電壓對污水厭氧發(fā)酵過程的接種物制備、適應(yīng)步驟及發(fā)酵平穩(wěn)階段進(jìn)行電刺激，以高電壓激發(fā)能提高發(fā)酵效率的菌種并提供高電壓電場環(huán)境，但由于加載的電壓過高，會導(dǎo)致能耗過大；同時持續(xù)的高電壓刺激具有一定的危險性，不利于推廣。
[0004]本發(fā)明旨在以高木質(zhì)纖維素含量原料為主要物料，通過對厭氧發(fā)酵系統(tǒng)及方法的改進(jìn)，使得提高沼氣生產(chǎn)率，也提升木質(zhì)纖維素的降解率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵制沼氣的反應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了整個反應(yīng)系統(tǒng)中發(fā)酵主罐和發(fā)酵副罐中發(fā)酵基質(zhì)能持續(xù)并高強(qiáng)度混合，從而提高沼氣生產(chǎn)率;另外低電壓持續(xù)強(qiáng)化生物降解技術(shù)配合瞬時脈沖放電技術(shù)，也顯著提高了木質(zhì)纖維素的降解率。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)發(fā)明目的:
本發(fā)明的木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵制沼氣的反應(yīng)系統(tǒng)包括進(jìn)料池1、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)12、發(fā)酵主罐4、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)Π6、發(fā)酵副罐8、儲氣罐14、氣路回流組件;其中進(jìn)料池1通過管道與設(shè)置在發(fā)酵主罐4上部的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)12連通，發(fā)酵副罐下部通過導(dǎo)流結(jié)構(gòu)Π 6與發(fā)酵主罐下部連通；發(fā)酵主罐4通過通氣閥3與儲氣罐14連通，儲氣罐下部通過氣路回流組件與發(fā)酵副罐下部連通;發(fā)酵主罐下端設(shè)置有排料口 5;其中發(fā)酵副罐8頂部設(shè)置有彈簧7，彈簧7下端連接有壓力承托板10,發(fā)酵副罐罐體上設(shè)置有警報刻度線9,發(fā)酵主罐4內(nèi)設(shè)置有陽電極和/或陰電極，發(fā)酵副罐8中設(shè)置有1對脈沖電極、陽電極和/或陰電極，陽電極、陰電極、脈沖電極分別與電源連接；
本發(fā)明中導(dǎo)流結(jié)構(gòu)I和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)Π均為中空圓臺結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上設(shè)置有螺旋凸起(從圓臺大口到小口螺旋漸縮)，具有增壓聚流效果，導(dǎo)流結(jié)構(gòu)I和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)Π的傾斜角α為35°?75°，該傾斜角α是指圓臺母線與圓臺下底面圓直徑的夾角。
[0007]所述氣路回路組件包括氣體壓縮機(jī)13、高壓栗12、止回閥11，發(fā)酵副罐8通過止回閥11與高壓栗12連接，高壓栗12通過氣體壓縮機(jī)13與儲氣罐14連通。
[0008]所述發(fā)酵主罐和發(fā)酵副罐中陰電極和/或陽電極為棒狀、平板狀、螺旋狀或網(wǎng)狀，電極垂直或水平安裝在罐體內(nèi)。
[0009]所述發(fā)酵副罐中脈沖電極為平板電極、同軸電極或針狀電極，電極垂直或水平安裝在罐體內(nèi)。
[0010]所述警報刻度線9壓力設(shè)置為0.23MPa?0.26MPa。
[0011]上述木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵制沼氣的反應(yīng)系統(tǒng)的使用方法，包括下述步驟:
(1)將發(fā)酵原料破碎后，在進(jìn)料池配料調(diào)節(jié)pH為6?8后，由管道從導(dǎo)流結(jié)構(gòu)I旋轉(zhuǎn)進(jìn)入發(fā)酵主罐和發(fā)酵副罐中，在10°C~60°C下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，發(fā)酵總固體含量濃度(TS)為2%?12%;
(2)發(fā)酵主副罐中發(fā)酵基質(zhì)在持續(xù)低電壓作用下進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣堆積在主罐頂部，罐體壓強(qiáng)增大，使得主罐發(fā)酵基質(zhì)壓向發(fā)酵副罐中，其中低電壓為0.01V?1.2V;
(3)當(dāng)發(fā)酵主罐和發(fā)酵副罐中產(chǎn)生沼氣增多時，增大至0.23MPa?0.26MPa時，發(fā)酵副罐中壓力將壓力承托板推至警報刻度線，開啟通氣閥，將發(fā)酵主罐產(chǎn)生的沼氣導(dǎo)入儲氣罐，同時通過氣路回流結(jié)構(gòu)中的氣體壓縮機(jī)吸入部分沼氣對其壓縮，再通過高壓栗將壓縮沼氣經(jīng)過止回閥栗入發(fā)酵副罐中，此時對發(fā)酵副罐中基質(zhì)進(jìn)行脈沖放電，電場強(qiáng)度10 KV/cm?50KV/cm，每次脈沖作用次數(shù)為1?4個脈沖；
(4)發(fā)酵主罐沼氣排出后壓力釋放，壓強(qiáng)減小，對發(fā)酵副罐中的發(fā)酵基質(zhì)產(chǎn)生牽引力，牽引發(fā)酵副罐發(fā)酵基質(zhì)倒流進(jìn)發(fā)酵主罐，同時發(fā)酵副罐中栗入的高壓沼氣與厭氧基質(zhì)水汽混合后，整個基質(zhì)密度降低，形成氣舉效果，發(fā)酵基質(zhì)從發(fā)酵副罐經(jīng)過導(dǎo)流構(gòu)造Π進(jìn)入發(fā)酵主罐并呈漩渦式上升，從而對發(fā)酵主罐中發(fā)酵基質(zhì)起到高強(qiáng)度混合攪拌作用；
(5)當(dāng)發(fā)酵副罐中的壓力降至0.1MPa?0.15MPa時，關(guān)閉通氣閥，發(fā)酵主罐繼續(xù)厭氧發(fā)酵，并重復(fù)上述步驟。
[0012]本發(fā)明中發(fā)酵原料為畜禽糞便、作物秸桿、糖料產(chǎn)業(yè)煉制廢渣、木肩、草本等木質(zhì)纖維素含量高的廢物。
[0013]本發(fā)明反應(yīng)系統(tǒng)以雙重方式利用氣體壓力來高強(qiáng)度混合主副罐中的發(fā)酵物料:發(fā)酵主罐氣體的導(dǎo)出使得壓力釋放，吸引發(fā)酵副罐中發(fā)酵基質(zhì)倒流;配合發(fā)酵副罐基質(zhì)混合高壓沼氣產(chǎn)生的氣舉。兩種形式的物料回流通過導(dǎo)流構(gòu)造Π使得發(fā)酵主罐和發(fā)酵副罐中發(fā)酵基質(zhì)呈持續(xù)并且高強(qiáng)度混合，從而使得沼氣生產(chǎn)率得到大大提升。
[0014]另外，整個反應(yīng)系統(tǒng)的攪拌是由非機(jī)電部件作用完成的，降低了反應(yīng)的建造成本以及維護(hù)費用。
[0015]本發(fā)明提供的高壓脈沖配合低電壓技術(shù)持續(xù)強(qiáng)化生物發(fā)酵的方法。
[0016]首先，該方法在發(fā)酵罐中通入低電壓，在電場中，微生物作為一種電介質(zhì)能被電場極化，若細(xì)菌的極化頻率與外電場的頻率保持一致，就有可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，當(dāng)共振現(xiàn)象發(fā)生時，細(xì)菌的細(xì)胞膜通透性可能是最高的，此時，細(xì)菌的代謝速度最快，其生長繁殖都有可能達(dá)到最佳的速度。由于低頻電場作用于細(xì)菌有一個窗口效應(yīng)，故在經(jīng)過低電壓2?3個生命周期的持續(xù)誘導(dǎo)刺激下，可使得厭氧發(fā)酵基質(zhì)中誘導(dǎo)出能在低溫、中溫及高溫條件下都具備生長速率快、繁殖周期短、發(fā)酵效率高、產(chǎn)氣品質(zhì)純、同時能高效降解含木質(zhì)纖維素高的廢物等優(yōu)點的厭氧發(fā)酵菌群；
在厭氧發(fā)酵階段，當(dāng)整個發(fā)酵基質(zhì)處于被陰極電化學(xué)作用時，如圖1所示，厭氧環(huán)境下，厭氧菌群吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生電子以及質(zhì)子，釋放生物降解酶;在陰電極作用下，陰極以生物酶作為介質(zhì)快速吸收電子轉(zhuǎn)移質(zhì)子，加快了整個反應(yīng)基質(zhì)的傳質(zhì)速率;而生物酶在這期間作為介質(zhì)使得與木質(zhì)纖維素充分接觸，反應(yīng)幾率提升，從而提高酶降解木質(zhì)纖維素的效率。
[0017]當(dāng)整個基質(zhì)處于被陽極電化學(xué)作用時，如圖2所示，以木質(zhì)纖維素為反應(yīng)中心，陽極電極釋放電子以生物酶為介質(zhì)傳遞到