果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法

專利名稱：果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法
果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法技術領域一種果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法，在對果蔬廢棄物進行發酵處理的同 時生成沼氣，屬于固體廢棄物減量處理和生物質能源利用領域。
背景技術：
在日常生活、食品加工和農業生產過程中會產生大量水果蔬菜廢棄物，粗 略統計，我國每年約有1億噸左右的水果和蔬菜廢棄物(如果皮、菜幫或口感不佳的變質果蔬)被丟棄，占果蔬總產量的25 30%，占城市的生活垃圾的20 50%，是城市垃圾的最主要部分。果蔬廢棄物含水量大，不宜采用焚燒方法處理。 若采用傳統堆肥和填埋的方法處理，盡管可實現減量化，但高有機質會產生大 量的有機滲濾液和沼氣(即甲烷)，對環境產生二次污染。因此，如何處理處置 果蔬廢棄物，既達到資源的有效利用，又保護環境免遭污染，是果蔬廢棄物處 理方面亟需解決的技術難題。張全國等申請的發明專利"可控集箱式厭氧發酵及沼液處理成套設備"(申 請號200310110246.6)中所涉及的成套設備包括太陽能加熱大棚、兩個以上串 聯的沼氣發酵池以及輔助加熱系統，該發明是以畜禽糞便為原料。黃衛東等申 請的發明專利"利用有機高效厭氧發酵生產沼氣的方法"(申請號 200610088107. 1)中所涉及的方法是將有機物經諸如汽爆等手段處理后再投入 到厭氧發酵反應器中產生沼氣，其有機物的預處理過程較為復雜。劉曉風等申 請的發明專利"復合菌預處理秸稈的沼氣發酵方法"(專利申請號 200510077792.3)中所涉及的方法是將秸稈破碎后用水潤濕，并投加復合菌和 氮源碳酸氫銨，經預處理后投入到沼氣池中產生沼氣，該發明所涉及的方法需 要額外投加營養物質。發明內容一種果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法，是以果蔬廢棄物為原料，借助由酸 化減量反應器、產甲垸反應器、連接管道和監測儀組成的設備，并在沼氣生成的啟動期、穩定期和排渣期三個階段中，通過監測和調控發酵液的酸堿度pH值， 檢測發酵液的化學需氧量C0D值和氧化還原電位0RP值來實現廢棄物的減量處 理和沼氣的生成。其有益效果是運行過程中耗水少，節約水資源；穩定運行 后，無需外加其它任何營養物質或堿類物質，降低了運行成本；對果蔬廢棄物 的減量效果明顯；處理能力高、生成氣體中甲烷含量高。一種由酸化減量反應器、產甲烷反應器、連接管道和監測儀組成的利用果 蔬廢棄物產生沼氣的設備，其中的酸化減量反應器包括筒體、密封蓋、過濾器、 加藥口、進料口、排料口、 U形管和環形布液器；筒體的上部為圓柱狀，下部為 倒立圓錐狀；用于固、液隔離的錐形過濾器與所述筒體同心地吊裝在封堵筒體 頂部的密封蓋的內側，由型材骨架、側面和底部包覆的過濾網制成；密封蓋上 用于添加果蔬廢棄物的進料口位于過濾網與筒體壁之間；密封蓋上用于添加碳 酸氫鈉的加藥口位于過濾器上方；管壁上加工出眾多透孔的環形布液器固裝在 筒體內的中下部并與所述筒體同軸線；倒錐狀筒體的底部加裝作為排料口的通用閥門；筒體頂部的側壁上加裝與筒內貫通的U型管，用于觀測筒體內的液位 并排放過量的水。所述的產甲烷反應器與通用的上流式厭氧污泥床反應器 (UASB)具有類似的筒狀結構，只是將上部的集氣室加大一倍；而作為反應區 的下部筒體內(或外)部裝有電熱式加熱器，并借助于熱電偶和溫控儀控制產 甲垸反應器內部的發酵液溫度。連接酸化減量反應器和產甲烷反應器的連接管 道有三路，其中第一路起始于酸化減量反應器內的過濾器內部，穿過頂部的密 封蓋后，經計量泵與產甲烷反應器的底部相通，以便將酸化減量反應器中的發 酵液泵入產甲烷反應器內；為了分析系統內發酵液的pH值和化學需氧量C0D值， 在該連接管道上加裝采樣口。第二路起始于產甲垸反應器頂部的出液口，穿過 酸化減量反應器頂部的密封蓋與其內部的環形布液器相通；發酵液流經此段連 接管道并從環形布液器上的所述眾多透孔噴出的動力是所述的計量泵，換言之， 計量泵是發酵液在整套設備中循環的動力；在該路管道的上端安裝氧化還原電位(0RP)監控儀。第三路連接管道用于沼氣排放，它起始于產甲烷反應器頂部 的集氣室，經氣體緩沖瓶和氣體流量計與沼氣待供點相連。所述的監測儀包括 所述的氧化還原電位(0RP)監控儀、溫控儀和氣體流量計。本發明所涉及的果蔬廢棄物產沼氣的方法分為啟動期、穩定期和排渣期三 個階段。在啟動期，將尺寸為5 10cm的果蔬廢棄物(必要時需破碎)從進料 口投入到酸化減量反應器中，投料量以料面與密封蓋距離為筒體圓柱狀部分高 度的四分之一為宜，并向筒體內注水至浸沒果蔬廢棄物；每隔24小時從所述的 采樣口取樣一次，檢測發酵液的pH值和C0D值；當pH值不大于6. 5時，按200mL 液體lOOmg碳酸氫鈉的比例從加藥口向筒體內加入碳酸氫鈉；當發酵液的COD 值達到10 000mg/L時，借助計量泵將其泵入產甲烷反應器中。當氧化還原電位 監控儀檢測到發酵液的0RP值處于-460 -480mV時，進入產甲垸的穩定期，在 此階段，無需投加碳酸氫鈉等堿類物質；每隔72小時測定C0D值，若C0D值降 至2000±100 mg/L，通過進料口投加下個批次的果蔬廢棄物，投加量是前一批 次的70 80%。投放4 6個批次的果蔬廢棄物之后，且COD濃度降至2000± 100 mg/L時為排渣期，此時關閉計量泵，打開排料口排渣。在整套設備運行過程中， 借助于熱電偶和溫控儀將產甲烷反應器內部的發酵液溫度控制在35±TC。發酵液只有經過厭氧微生物的作用才能產生沼氣，而本發明中所需的厭氧 微生物來自于所述成套設備運行前從產甲垸反應器的頂部一次性裝入的厭氧活 性污泥；而后，在反應液循環的過程中，產甲垸反應器中厭氧微生物被引種到 酸化減量反應器中。i召氣在產甲垸反應器內以氣泡的形式向上運動，集結在頂 部的集氣室內，并經第三路連接管道輸送到使用地點。本發明的原理是果蔬廢棄物整個反應過程主要包括水解、酸化、產甲烷 三個階段。其中水解和酸化階段在酸化減量反應器中迸行。在水解階段，果蔬 廢棄物中的大分子物質在微生物胞外酶作用下水解為單糖和二糖等小分子物 質。在酸化階段，會產生大量揮發酸，其中丁酸約占揮發酸總量45%，乙醇、乙 酸、丙酸和戊酸分別占10~25%，此階段為丁酸型發酵。產甲烷階段在產甲烷反 應器中進行。產甲烷階段反應體系中pH值為7.0 7.5，系統內的乙醇、丁酸最容易被利用，戊酸次之，乙酸和丙酸最后被利用。到厭氧消化反應結束時，被利用的揮發酸總量在90%以上。在啟動期，以水解和酸化反應為主，反應在酸化減量反應器中進行，果蔬 廢棄物中的大分子物質在微生物胞外酶作用下水解為單糖和二糖等小分子物 質，進而發生酸化反應，反應液中揮發酸含量不斷增加，反應液的pH值逐漸降 低，最低甚至可達pH3.5 4.5，當開泵使發酵液進入產甲垸反應器時，由于產 甲垸細菌要求適宜的pH值，此時需要投加碳酸氫鈉調節pH值。穩定期，酸化 減量反應器內實現水解和酸化，在產甲垸反應器內實現產沼氣，體系內部產生 了相應的堿度，起到了緩沖作用而無需投加堿性物質。排渣期，在酸化減量反 應器內實現了廢棄物的減量化，剩余無法水解的物質如種子等，從排渣口排出。


圖1果蔬廢棄物產沼氣的設備結構示意圖具體實施方式
下面給出本發明的優選實施方式，并結合附圖加以說明。 一種果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法，果蔬廢棄物產沼氣的設備由酸化減 量反應器、產甲垸反應器、連接管道和監測儀組成，其中的酸化減量反應器包 括筒體l、密封蓋6、過濾器7、進料口3、排料口18、加藥口19、 U型管ll和 環形布液器5;筒體l的上部為圓柱狀，下部為倒立圓錐狀；錐形過濾器7與所 述筒體1同心地吊裝在封堵筒體頂部的密封蓋6的內側，由型材骨架、側面和 底部包覆的過濾網組成；在筒體1頂部的側壁上加裝與筒內貫通的U型管11; 密封蓋6上用于添加果蔬廢棄物的進料口 3位于過濾器7與筒體1的壁之間； 密封蓋6上用于添加碳酸氫鈉的加藥口 19位于過濾器7的上方；管壁上加工出眾多透孔的環形布液器5固裝在筒體1內的中下部并與所述筒體1同軸線；筒體1的倒立錐狀的底部加裝通用閥門作為排料口 18。產甲烷反應器2與通用的 上流式厭氧污泥床反應器(UASB)具有相同的筒狀結構，只是將上部的集氣室 加大一倍；而作為反應區的下部筒體內(或外)部裝有電熱式加熱器，并借助于熱電偶和溫控儀12控制反應器內部的溫度。連接酸化減量反應器和產甲烷反 應器2的連接管道有三路，第一路連接管道8起始于酸化減量反應器內的過濾 器7的內部，穿過頂部的密封蓋6后，經計量泵10與產甲垸反應器2的底部相 通；以便將酸化減量反應器中的發酵液泵入產甲烷反應器2中；為了分析設備 內發酵液的pH值和化學需氧量(COD)值，在該路連接管道上加裝采樣口9;第 二路連接管道4起始于產甲烷反應器2頂部的出液口 16，穿過酸化減量反應器 頂部的密封蓋6與其內部的環形布液器5相連；該路連接管道的上端安裝氧化 還原電位(0RP)監控儀17。第三路連接管路13用于沼氣排放，它起始于產甲 垸反應器2頂部的集氣室，進入氣體緩沖瓶14,再經氣體流量計15與沼氣待供 點相連。所述的監測儀包括所述的氧化還原電位(0RP)監控儀17、溫控儀12、 氣體流量計15。以一套小型果蔬廢棄物產沼氣的設備為例，筒體1由PVC材料制成，圓柱 部分的直徑l 1.5m，高度2 2.5m;倒立圓錐部分的坡角為50 60度；圓柱 筒與圓錐筒的容積比為(4.5 5): 1，在密封蓋6的一側開有直徑為0.1 0.2m 的進料口 3，圓錐形過濾器7頂部直徑0. 5 0. 8m，底部直徑0. 2 0. 3m，高0. 8 lm，底部的不銹鋼過濾網孔徑為0. 05 0. lmm，四周的不銹鋼濾網孔徑為1 3ram。 在距筒體1頂部10cm處的側壁上加裝與筒內貫通的U型管11;環形布液器5為 直徑3 4cm的PVC管，管壁透孔直徑為2 5mm,穿孔率為70 85%。產甲烷反 應器2的容積為3 4mS。溫控儀12采用上海華晨醫用儀表有限公司生產的WMK01 溫度控制器，氣體流量計15采用長春汽車濾清器有限責任公司生產的濕式氣體 流量計。按比例放大所述設備可以用于城市農貿市場、家庭和果園等場所處理產生 的果蔬廢棄物，同時也可以處理餐飲業產生的食物殘渣。使用所述設備進行果蔬廢棄物處理并產生沼氣的方法是將尺寸為5 10cm 的果蔬廢棄物(必要時需破碎)從進料口 3投入到酸化減量反應器的筒體1內， 投料量以料面與密封蓋6距離為筒體1圓柱狀部分高度的四分之一為宜，并向 筒體1內注水至浸沒果蔬廢棄物；每隔24小時從所述的采樣口9取樣一次，檢測發酵液的pH值和COD值，當pH值不大于6.5時，按200mL液體100mg碳酸 氫鈉的比例從加藥口 19向筒體1內加入碳酸氫鈉；當發酵液的COD值達到10 000mg/L時，借助計量泵10將其泵入產甲烷反應器2中。當氧化還原電位(ORP) 監控儀17檢測到發酵液的0RP值處于-460 -480mV時，進入產甲垸穩定期，在 此階段，無需投加碳酸氫鈉等堿類物質；每隔72小時測定C0D值，若COD值降 至2000±100 mg/L，通過進料口 3投加下個批次的果蔬廢棄物，投加量是前一 批次的70 80%。投放4 6個批次的果蔬廢棄物之后，且COD值降至2000± 100 mg/L時即進入排渣期，此時關閉計量泵10，打幵酸化反應器底部的排料口 18排 渣。在整套設備運行過程中，借助于熱電偶和溫控儀12將產甲烷反應器2內部 的發酵液溫度控制在35±1°C。所述設備運行前從產甲烷反應器(2)的頂部一 次性裝入的厭氧活性污泥。本發明的有益效果是(1)本發明運行過程中水消耗極少，只需要在酸化 減量反應器添加原料或排渣后間歇補充少量水，有效地節約水資源。穩定運行 后，產甲垸反應器在將有機酸轉化為甲垸的同時，會產生相應量的堿度，起到 了緩沖和穩定pH值的作用，故無需外加其它堿類物質，降低了運行成本。(2) 本發明的設備和技術方法對果蔬廢棄物的減量效果明顯。試驗中按干重計，處 理前果蔬原料重量28.6kg，處理后剩廢棄物殘渣0.4kg，固體減量率達98.6%。(3)本發明的設備處理能力為65.5kg廢棄物/ (mS反應器.天)，而產甲烷反應 器所能承受的最大有機負荷率高達9.0kgCOD/(1113反應器'天)，比目前國內報 道的污水處理中UASB有機負荷率均值5.4 6.5 kgCOD/ (1113反應器*天)的處 理能力要高出38% 46%。本發明產甲烷效率高，產甲烷反應器產生的氣體中甲 烷含量始終保持在60.5% 70.2%范圍內。最大產氣率為1.7 1113甲烷/ (1113反應 器-天)，最大有機物轉化效率為0.3mS甲烷/kgCOD。
權利要求
1. 一種果蔬廢棄物產沼氣的設備，其特征在于果蔬廢棄物產沼氣的設備由酸化減量反應器、產甲烷反應器(2)、連接管道和監測儀組成；其中酸化減量反應器包括筒體(1)、密封蓋(6)、過濾器(7)、進料口(3)、排料口(18)、加藥口(19)、U型管(11)和環形布液器(5)；筒體(1)的上部為圓柱狀，下部為倒立圓錐狀；錐形過濾器(7)吊裝在封堵筒體頂部的密封蓋(6)的內側并與筒體(1)同軸線，由型材骨架和側面、底部包覆的過濾網組成；在筒體頂部設有U型管(11)；管壁上加工出穿孔率為70～85％的透孔的環形布液器(5)固裝在筒體(1)內的中下部并與所述筒體(1)同軸線；產甲烷反應器(2)與通用的上流式厭氧污泥床反應器UASB具有相類似的筒狀結構，只是將上部的集氣室加大一倍；連接酸化減量反應器和產甲烷反應器(2)的連接管道有三路，其中第一路連接管道(8)起始于酸化減量反應器內的過濾器(7)內部，穿過頂部的密封蓋(6)后，經計量泵(10)與產甲烷反應器(2)的底部相通；在該連接管道上加裝采樣口(9)；第二路連接管道(4)起始于產甲烷反應器頂部的出液口(16)，穿過酸化減量反應器頂部的密封蓋(6)，與其內部的環形布液器(5)相連，且該路管道的上端安裝氧化還原電位ORP監控儀(17)；第三路連接管道(13)起始于產甲烷反應器(2)頂部的集氣室，經氣體緩沖瓶(14)和氣體流量計(15)與沼氣待供點相連；果蔬廢棄物產沼氣的設備中的監測儀包括所述的氧化還原電位ORP監控儀(17)、溫控儀(12)、氣體流量計(15)。
2. —種果蔬廢棄物產沼氣的方法，其特征在于果蔬廢棄物產沼氣的方法 分為啟動期、穩定期和排渣期三個階段，且在其間監測酸堿度pH值、C0D值和 氧化還原電位ORP值；在啟動期，將尺寸為5 10cm的果蔬廢棄物從進料口 (3) 投入到酸化減量反應器的筒體(1)內，投料量以料面與密封蓋(6)距離為筒 體(1)圓柱狀部分高度的四分之一為宜，并向筒體(1)內注水至浸沒果蔬廢 棄物；每隔24小時從所述的采樣口 (9)取樣一次，檢測發酵液的pH值和COD 值，當pH值不大于6. 5時，按200mL液體100mg碳酸氫鈉的比例從加藥口 (19) 向筒體(1)內加入碳酸氫鈉；當發酵液的C0D值達到10 000mg/L時，借助計 量泵(10)將其泵入產甲烷反應器(2)中；當氧化還原電位0RP監控儀(17)檢測到發酵液的0RP值處于-460 -480mV時，進入產甲垸穩定期，在此階段， 無需投加碳酸氫鈉等堿類物質;每隔72小時測定COD值，若COD值降至2000± 100 mg/L，通過進料口 (3)投加下個批次的果蔬廢棄物，投加量是前一批次的70 80%;投放4 6個批次的果蔬廢棄物之后，且COD值降至2000± 100 mg/L時即 進入排渣期，此時關閉計量泵(10)，打開排料口 (18)排渣；在整套設備運行 過程中，借助于熱電偶和溫控儀(12)將產甲烷反應器(2)內部的發酵液溫度 控制在35±1°C;在所述設備運行前從產甲烷反應器(2)的頂部一次性裝入厭 氧活性污泥。
全文摘要
一種果蔬廢棄物產沼氣的設備與方法，是以果蔬廢棄物為原料，借助由酸化減量反應器、產甲烷反應器、連接管道和監測儀組成的設備，并在沼氣生成的啟動期、穩定期和排渣期三個階段中，通過監測和調控發酵液的酸堿度pH值，檢測發酵液的化學需氧量COD值和氧化還原電位ORP值來實現廢棄物的減量處理和沼氣的生成。其有益效果是運行過程中耗水少，節約水資源；穩定運行后，無需外加其它任何營養物質或堿類物質，降低了運行成本；對果蔬廢棄物的減量效果明顯；處理能力高、生成氣體中甲烷含量高。
文檔編號C12M1/36GK101260363SQ20081006436
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者劉廣民, 朱佳裔, 李金春子, 董永亮, 薛建良, 陳兆波 申請人:哈爾濱工程大學