專利名稱：生物質厭氧發酵制取沼氣的方法與設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種將生物質通過厭氧發酵制沼氣的方法與設備，屬于固體廢物處理與資 源化領域及新能源領域的技術。特別是植物秸稈的厭氧發酵制取沼氣的方法。
背景技術：
在農業生產過程中產生大量秸稈，樹木產品制作過程中產生大量的鋸末樹皮及邊角料 等生物質廢物，尤其是農業秸稈常被作為廢物就地焚燒污染環境。另一方面，生物質中又 含有大量的有機物，是豐富的資源，有關生物質的資源化已有很多探索。其中，要制成純 度高的產品則往往成本高，難于實用。而作為燃料直接燃燒，小規模則易污染，大規模則 由于能量密度低，難于高效率利用。在農村的農戶將其直接進行厭氧發酵生產沼氣，雖簡 單易行，但因速度慢且轉化率低，所d難于實現規模化處理和利用。而要實現規模化厭氧 發酵制沼氣，則需解決轉化率低，速度慢和所產生廢液的處理問題。
因此，探索包括植物秸稈在內的生物質高效可綜合利用的厭氧發酵制沼氣方法和設備 對于開拓生物質的利用途徑，從工程角度實現其資源化具有重要的意義。
發明內容
本發明的目的在于提供將生物質高效厭氧發酵制取沼氣，并使其綜合利用不產生廢物 的方法和設備，該方法具有高效率不產生廢物的特點。 本發明是通過下述技術方案加以實現的。
一種生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是歩驟如下 1 ).將生物難分解的生物質物料采用水熱反應過程分解為生物易分解物質；
2) .將生物易分解物質進行生物加水分解，得到水解產物；
3) 將水解產物通過微生物的酸發酵轉化為有機酸；.
4) 將有機酸通過微生物轉化為甲烷氣；
5) .將歩驟4)的剩余物料返回到歩驟2)再進行生物加水分解。
本發明的生物質物料的厭氧發酵方法，通過水熱反應將生物難分解物質分解為生物易 分解物質，再通過生物水解得到生物易利用的物質，再通過酸發酵將生物易利用物質變成 有機酸為甲烷氣的生成創造條件。將甲烷發酵過程產生的物料向生物水解過程回流循環使 未水解而沒有被轉變為甲垸的物質再次生物水解，提高生物質轉化率和利用率。水熱反應 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，酸發酵，甲垸發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酵過程中的菌進行接菌即可，在本發明所控制的條件下菌體 會逐歩適應其生存條件，進行高效的發酵。
所述的生物水解過程，酸發酵過程及甲烷發酵過程的生物質物料含量為總重量的20
355%，這些過程均實施機械攪拌。在所述濃度下，物料呈漿狀，既避免了固態發酵速度慢， 轉化率低，效率低的狀況，又避免了傳統的液相發酵，固含量低，產生大量廢液難以處理 的問題，這種漿態狀大大縮小了體積，為作為沼肥利用提供了條件。但漿狀物料間的物質 傳遞也難以有效進行，由此會影響發酵效率，因此，通過攪拌達到物料的混合，促進物質 傳遞，以保障發酵效率。即在攪拌的漿態床操作不僅可以實現高效率發酵還能實現廢液利 用，為低成本環保型生物質厭氧發酵奠定了基礎。攪拌速度可根據具體情況而定，低速攪 拌即可。
所述的生物水解過程和酸發酵過程可以在不同的反應器中進行，也可在同一反應器中 進行。在同一反應器中進行可以根據具體情況對發酵條件進行適當的調控，有所側重，易 水解的生物質在水熱反應中糖化徹底，則可減小其生物水解過程或直接進入酸發酵。
所述的甲烷發酵過程產生的物料通過菌渣分離后菌體返回甲烷發酵反應器，生物質渣 的一部分回流到生物水解反應器，另一部分排出發酵系統。由于甲垸發酵菌的增殖速度慢， 所以如不能將其回收則造成甲烷菌隨發酵廢物的排出而流失，會嚴重影響發酵速度。因此， 菌體的回收就成為本技術能否應用的關鍵。菌體的回收回流保證了漿態發酵的高效順利持 續的進行。同時更重要的是通過回流循環解決了高濃度畫體物質條件下，水熱反應得到的 糖類及酸發酵過程所產生的醋酸等有機酸類對菌體的抑制問題，使得高菌體活性與高濃度 發酵兩立并行。
所述的甲烷發酵過程產生的物料經超聲波作用后再通過菌渣分離，其菌體返回甲垸發 酵反應器，生物質渣的一部分回流到生物水解反應器，另一部分排出發酵系統。超聲波作 用促進了物料中氣體的放出，使得菌渣分離更為容易進行。
所述的向發酵系統排出的物料鼓入空氣進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進一步分解，并消除厭 氧發酵的臭味，便于后續處理和作為肥料的使用。如發酵充分，無臭氣，也可不進行好氧
處理。在生物質的各個分解和發酵過程中殘余的難分解物質通過向外排出，使得系統能夠 連續運轉。
所述超聲波處理條件為超聲波密度為0. 1 5. 0W/cm2 ，作用時間20 300秒。 所述菌渣分離為振動方式，采用振動分離器。且所述的菌渣分離振動分離器至少由振 動電機，發酵物料容器，振動發生機構組成。發酵物料容器盛裝發酵物料，并在振動過程 中使菌體與生物質渣相分離，從其各自的出口排出。振動電機提供振動動力，振動發生機 構產生振動。振動機構可以根據具體情況選定和調節振動頻率，振幅和機構傾斜度等。
本發明通過回流循環漿態床式生物質的生物水解，酸發酵和甲垸發酵工藝，實現了高 效率的發酵和無廢液綜合利用。通過超聲波作用和振動分離得到甲垸菌并回流循環利用， 保證了系統的高效運行。通過水熱反應及其后的生物反應系統提高了生物質的轉化率。
圖1為本發明實施例1的流程示意圖。圖中l-生物質，2-水熱反應罐，3-生物水解罐，4-酸發酵罐，—5-甲垸發酵罐，6-超聲 波處理器，7-振動分離器，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-厭氧發酵肥料，14-沼氣。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一歩的詳細說明 實施例1.
如圖1所示，將破碎到3mm的生物質1 (本例中為玉米秸稈)送入物理化學處理的水 熱反應罐2 (按生物質重量含量20% 25%)，按添加量為重量比2%加入硫酸，9(TC條件 下進行水熱反應，將秸稈分解成生物易分解物質后，送入生物水解罐3，在37'C下經加水 分解后，送入生物酸發酵罐4，在37'C下將物料分解成以醋酸為主的有機酸，再送入甲烷 發酵罐5在37'C下將有機酸轉變成甲烷。甲垸發酵結束后的物料排入超聲波處理器6在 0.15W/cm2， 3rain作用后，送入振動分離器7，經振動分離后將菌體8返送至甲垸發酵罐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，在其中進行空氣12曝氣的好氧處理后排出作為肥料13使用。發酵過程 產生的沼氣14送入沼氣凈化系統，凈化后作為燃料使用。水熱反應罐，生物水解罐，酸 發酵罐，甲垸發酵罐和好氧處理槽均設有機械攪拌裝置，攪拌轉速45轉/分。轉化率達到 80%以上。對菌渣振動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，酸發酵罐和甲垸發酵罐中的微生物菌從普通的厭氧發酵設施中取得菌種進行接種，經 過10-15日的培養馴化，即可適應本實施例的發酵條件，進行高效的發酵。 實施例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)送往水熱反應罐，經水熱反應后進入生物反應系統。其反應系統如圖1，反應條件 如實施例1，所不同的是沒有設置超聲波處理器并且生物水解與酸發酵在同一罐中進行。 酸發酵罐和甲烷發酵罐等生物反應系統中的生物質重量含量為30% 35%之間。轉化率達 到75%以上。 實施例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) 送入水熱反應罐水解(138°C，水熱反應物料中氨水含量2%)后送入如圖l所示的系統中 進行生物處理得到沼氣。所不同的是在45'C下經加水分解后，送入生物酸發酵罐4，在45 'C下將物料分解成以醋酸為主的有機酸，再送入甲烷發酵罐5在45。C下將有機酸轉變成甲 垸。排出的物料不經空氣曝氣的好氧處理，直接作肥料使用。在生物水解罐，酸發酵罐， 甲烷發酵罐中的生物質重量含量為45%-50%，超聲波在3W/cm2下，作用0.2min。轉化率 達到78%以上。
權利要求
1.一種生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是步驟如下1).將生物難分解的生物質物料采用水熱反應過程分解為生物易分解物質；2).將生物易分解物質進行生物加水分解，得到水解產物；3)將水解產物通過微生物的酸發酵轉化為有機酸；4)將有機酸通過微生物轉化為甲烷氣；5).將步驟4)的剩余物料返回到步驟2)再進行生物加水分解。
2. 如權利要求1所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)、 3)和4) 的生物質物料含量為總重量的20 55%。
3. 如權利要求1所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)、 3)和4) 的過程均實施機械攪拌。
4. 如權利要求1所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟2)和3)在 不同的反應器中進行或在同一反應器中進行。
5. 如權利要求l所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的歩驟5)是甲垸 發酵過程產生的物料經超聲波作用后再通過菌渣分離或不經超聲波作用直接通過菌渣分 離，所得菌體返回甲垸發酵反應器，生物質渣的一部分回流到生物水解反應器，生物質 渣的另一部分排出發酵系統。
6. 如權利要求5所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的超聲波處理條件 為超聲波密度為0. 1 5. 0W/cm2 ，作用時間20 300秒。
7. 如權利要求5所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是所述的菌渣分離采用振 動分離器的振動方式。
8. 如權利要求5所述的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法，其特征是排出發酵系統的物料的 處理方法是向排出的物料鼓入空氣進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. 如權利要求5或7的生物質厭氧發酵制取沼氣的方法的裝置，其特征是菌渣分離振動分 離器至少由振動電機，發酵物料容器和振動發生機構組成。
全文摘要
本發明涉及一種將生物質通過厭氧發酵制沼氣的方法與設備，步驟如下1)將生物難分解的生物質物料采用水熱反應過程分解為生物易分解物質；2)將生物易分解物質進行生物加水分解，得到水解產物；3)將水解產物通過微生物的酸發酵轉化為有機酸；4)將有機酸通過微生物轉化為甲烷氣；5)將步驟4)的剩余物料返回到步驟2)再進行生物加水分解。本發明通過回流循環漿態床式生物質的生物水解，酸發酵和甲烷發酵工藝，實現了高效率的發酵和無廢液綜合利用。通過超聲波作用和振動分離得到甲烷菌并回流循環利用，保證了系統的高效運行。通過水熱反應及其后的生物反應系統提高了生物質的轉化率。
文檔編號C12P5/02GK101492698SQ200910068000
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月2日 優先權日2009年3月2日
發明者張書廷 申請人:天津大學