本發明屬于沼氣發酵領域，尤其涉及一種沼氣厭氧發酵裝置和沼氣厭氧發酵方法。
背景技術：
沼氣的厭氧發酵是指有機物質，如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等，在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過種類繁多、數量巨大、且功能不同的各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等混合性氣體的復雜的生物化學過程。
我們的畜禽養殖業非常發達，畜禽殖養過程中會產生大量的排泄的洗滌水，即糞便污水。這些糞便污水如不及時處理，將對環境造成嚴重的污染。將畜禽殖養產生的糞便污水進行厭氧發酵生產沼氣是畜禽殖養糞便污水便處理的一個重要研究方向。但由于畜禽殖養糞便污水本身的濃度較高，導致現有厭氧發酵裝置在處理畜禽殖養糞便污水時存在著能耗高和發酵效率低的問題。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種沼氣厭氧發酵裝置和沼氣厭氧發酵方法，采用本發明提供的裝置進行沼氣厭氧發酵時具有較高的發酵效率和較低的發酵能耗。
本發明提供了一種沼氣厭氧發酵裝置，包括：
基底層；
設置在基底層上的第一側壁，和覆蓋在第一側壁頂部的頂蓋；所述基底層、第一側壁和頂蓋圍成第一腔體；所述頂蓋上設置有第一排氣口；所述沼氣厭氧發酵裝置上設置有進料管，用于將糞便污水輸送到第一腔體中；
設置在基底層上且位于第一側壁外側的第二側壁，和覆蓋在第二側壁頂部的密封膜；所述基底層、第一側壁、頂蓋、第二側壁和密封膜圍成第二腔體；所述第二側壁上設置有第二排氣口和沼液溢流口；
和設置在第一腔體中的溢流機構，用于將第一腔體的上層沼液輸送至第二腔體的底部。
優選的，所述第一側壁上設置有排渣管，用于將第一腔體中的底渣排出發酵裝置。
優選的，所述第二腔體中設置有三相分離器，用于回收第二腔體中的污泥。
優選的，所述第一腔體和第二腔體的液體容積比大于1。
優選的，所述第一腔體和第二腔體的液體容積比為(5～8)：1。
優選的，所述密封膜包括兩個膜層，兩個膜層之間具有作為調壓空間的夾層。
本發明提供了一種沼氣厭氧發酵方法，包括以下步驟：
a)、將糞便污水輸送到上述技術方案所述的沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵，得到沼氣和沼液；
b)、所述沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中，繼續厭氧發酵，得到沼氣。
優選的，所述糞便污水的總固體濃度為6～8wt％。
優選的，所述沼液的總固體濃度為2～3wt％。
優選的，步驟a)中，所述糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期為15～25天。
與現有技術相比，本發明提供了一種沼氣厭氧發酵裝置和沼氣厭氧發酵方法。本發明提供的發酵裝置包括：基底層；設置在基底層上的第一側壁，和覆蓋在第一側壁頂部的頂蓋；所述基底層、第一側壁和頂蓋圍成第一腔體；所述頂蓋上設置有第一排氣口；所述沼氣厭氧發酵裝置上設置有進料管，用于將糞便污水輸送到第一腔體中；設置在基底層上且位于第一側壁外側的第二側壁，和覆蓋在第二側壁頂部的密封膜；所述基底層、第一側壁、頂蓋、第二側壁和密封膜圍成第二腔體；所述第二側壁上設置有第二排氣口和沼液溢流口；和設置在第一腔體中的溢流機構，用于將第一腔體的上層沼液輸送至第二腔體的底部。在本發明中，糞便污水通過進料口進入第一腔體，并在第一腔體中進行發酵，得到沼氣和沼液；其中，沼氣通過第一排氣口進入頂部密封膜構成的儲氣區域；而上層沼液通過溢流機構進入第二腔體，并在第二腔體中進行二次發酵；二次發酵產生的沼氣進入頂部密封膜構成的儲氣區域，二次發酵后的沼液通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。本發明提供的發酵裝置由兩個發酵腔體構成，高TS(總固體)濃度的糞便污水先在第一腔體中進行發酵，之后發酵產生的低TS濃度沼液在第二腔體中繼續發酵。由于糞便污水進行了兩步發酵，提高了原料的發酵效率，同時發酵過程中第二腔體構成了第一腔體的保溫屏障，降低了發酵過程中的熱量散失量，節約了發酵能耗。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的沼氣厭氧發酵裝置的側視結構簡圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
本發明提供了一種沼氣厭氧發酵裝置，包括：
基底層；
設置在基底層上的第一側壁，和覆蓋在第一側壁頂部的頂蓋；所述基底層、第一側壁和頂蓋圍成第一腔體；所述頂蓋上設置有第一排氣口；所述第一側壁上設置有進料管，用于將糞便污水輸送到第一腔體中；
設置在基底層上且位于第一側壁外側的第二側壁，和覆蓋在第二側壁頂部的密封膜；所述基底層、第一側壁、頂蓋、第二側壁和密封膜圍成第二腔體；所述第二側壁上設置有第二排氣口和沼液溢流口；
和設置在第一腔體中的溢流機構，用于將第一腔體的上層沼液輸送至第二腔體的底部。
參見圖1，圖1是本發明實施例提供的沼氣厭氧發酵裝置的側視結構簡圖，圖1中，1是基底層、2是第一側壁、3是頂蓋、4是第一腔體、5是第一排氣口、6是進料管、7是第二側壁、8是密封膜、9是第二腔體、10是第二排氣口、11是沼液溢流口、12是溢流槽、13是溢流管、14是排渣管、15是三相分離器。
參加圖1，本發明提供的沼氣厭氧發酵裝置包括基底層1，基底層1上設置有第一側壁2，第一側壁2頂部覆蓋有頂蓋3。在本發明提供的有一個實施例中，第一側壁2的材料為保溫材料，即第一側壁2為第一保溫側壁。在本發明提供的一個實施例中，頂蓋3的材料為保溫材料，即頂蓋3為保溫頂蓋。在本發明中，基底層1、第一側壁2和頂蓋3圍成第一腔體4，用于進行糞便污水的厭氧發酵。在本發明中，沼氣厭氧發酵裝置上設置有進料管6，用于將糞便污水輸送到第一腔體中。在本發明提供的一個實施例中，沼氣厭氧發酵裝置上還設置有排渣管14，用于將第一腔體中的底渣排出發酵裝置。在本發明提供的一個實施例中，第一腔體4的底面為圓形，底面的直徑為5000～25000mm。在本發明提供的一個實施例中，第一側壁2的高度為5000～25000mm。在本發明提供的一個實施例中，進料管6的出料端距離第一腔體底面的距離為200～800mm。在本發明提供的一個實施例中，排渣管14的進料端位于進料管6的出料端下方；在本發明提供的另一個實施例中，排渣管14的進料端距離第一腔體底面的距離為100～500mm。
在本發明中，基底層1上還設置有第二側壁7，第二側壁7位于第一側壁2的外側，第二側壁7頂部覆蓋有密封膜8。在本發明中，基底層1、第一側壁2、頂蓋3、第二側壁7和密封膜8圍成第二腔體9，用于糞便污水厭氧發酵產生的沼液進行二次發酵。在本發明提供的一個實施例中，第二側壁7的材料為保溫材料，即第二側壁7為第二保溫側壁。在本發明提供的第二側壁7與第一側壁2平行設置。在本發明提供的一個實施例中，第二側壁7的高度與第一側壁2相同。在本發明提供的一個實施例中，密封膜8為聚氯乙烯膜。在本發明提供的一個實施例中，密封膜8包括兩個膜層，兩個膜層之間具有作為調壓空間的夾層，即構成類似雙膜儲氣柜的結構。在本發明中，第二側壁7上還設置有第二排氣10和沼液溢流口11。其中，第二排氣口10為所述沼氣厭氧發酵裝置所生產出的沼氣的輸出口，沼液溢流口11為糞便污水經過兩次發酵后產生的沼液的外排口。在本發明提供的一個實施例中，第二排氣口10和沼液溢流口11設置在第二側壁7盡量靠上的位置，第二排氣口10的位置處于沼液溢流口11的上方。在本發明提供的一個實施例中，第二腔體9中設置有三相分離器15，用于回收第二腔體中的污泥。本發明對所述三相分離器的尺寸和結構沒有特別限定，采用本領域技術人員熟知的用于沼氣厭氧發酵裝置的三相分離器即可。
在本發明中，第一腔體4和第二腔體9通過溢流機構向連通。所述溢流機構設置在第一腔體4中，用于將第一腔體4的上層沼液輸送至第二腔體9的底部。在本發明提供的一個實施例中，溢流機構包括溢流槽12和溢流管13，其中溢流槽12設置在第一側壁2的內側，溢流槽的底部通過溢流管13與第二腔體9的底部相連通，第一腔體4中的上層沼液依次經過溢流槽12和溢流管13進入第二腔體9的底部。在本發明提供的一個實施例中，溢流槽12設置在第一側壁2內側盡量靠上的位置。在本發明提供的一個實施例中，第一腔體4和第二腔體9的液體容積比大于1；在本發明提供的另一個實施例中，第一腔體4和第二腔體9的液體容積比為(5～8)：1。
在本發明中，糞便污水通過進料口進入第一腔體，并在第一腔體中進行發酵，得到沼氣和沼液；其中，沼氣通過第一排氣口進入頂部密封膜構成的儲氣區域；而上層沼液通過溢流機構進入第二腔體，并在第二腔體中進行二次發酵；二次發酵產生的沼氣進入頂部密封膜構成的儲氣區域，二次發酵后的沼液通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
本發明提供的發酵裝置由兩個發酵腔體構成，高TS(總固體)濃度的糞便污水先在第一腔體中進行發酵，之后發酵產生的低TS濃度沼液在第二腔體中繼續發酵。由于糞便污水進行了兩步發酵，提高了原料的發酵效率，同時發酵過程中第二腔體構成了第一腔體的保溫屏障，降低了發酵過程中的熱量散失量，節約了發酵能耗。
本發明提供了一種沼氣厭氧發酵方法，包括以下步驟：
a)、將糞便污水輸送上述技術方案所述的沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵，得到沼氣和沼液；
b)、所述沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，繼續厭氧發酵，得到沼氣。
在本發明提供的方法中，首先將糞便污水輸送到所述沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵。其中，所述糞便污水是指居民日常生活和家禽飼養過程中排泄的洗滌水；所述糞便污水的總固體濃度優選為6～8wt％。在本發明中，所述厭氧發酵的溫度優選為20～50℃，更優選為30～45℃；所述糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期優選為15～25天。厭氧發酵過程中產生沼氣和沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，沼液則后續會進入第二腔體中繼續發酵。在本發明中，所述沼液的總固體濃度優選為2～3wt％。
在本發明中，厭氧發酵產生的沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中，繼續厭氧發酵。在本發明中，所述繼續厭氧發酵的溫度優選為15～30℃，更優選為20～25℃；繼續厭氧發酵過程中，所述沼液在第二腔體中的發酵滯留期優選為3～7天。繼續發酵過程中，產生沼氣和發酵后沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，發酵后沼液則通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
本發明提供的沼氣厭氧發酵方法采用特殊結構的沼氣厭氧發酵裝置對糞便污水進行發酵生產沼氣。該發酵裝置由兩個發酵腔體構成，高TS(總固體)濃度的糞便污水先在第一腔體中進行發酵，之后發酵產生的低TS濃度沼液在第二腔體中繼續發酵。由于糞便污水進行了兩步發酵，提高了原料的發酵效率，同時發酵過程中第二腔體構成了第一腔體的保溫屏障，降低了發酵過程中的熱量散失量，節約了發酵能耗。實驗結果表明，二步發酵使得反應罐池容產氣率提升5％；冬季使用，第一腔體熱損失是普通沒有第二腔體結構反應罐的27.4％，節約熱量非常明顯。
為更清楚起見，下面通過以下實施例進行詳細說明。
實施例1
1)沼氣厭氧發酵裝置
本實施例提供了一種如圖1結構的沼氣厭氧發酵裝置，該裝置包括基底層1，基底層1上設置有第一側壁2，第一側壁2頂部覆蓋有頂蓋3；基底層1、第一側壁2和頂蓋3圍成第一腔體4；第一側壁2上設置有進料管6和排渣管14。基底層1上還設置有第二側壁7，第二側壁7位于第一側壁2的外側，第二側壁7頂部覆蓋有兩層密封膜8，兩層密封膜8之間具有作為調壓空間的夾層，即構成類似雙膜儲氣柜的結構；基底層1、第一側壁2、頂蓋3、第二側壁7和內側的密封膜8圍成第二腔體9；第二側壁7上還設置有第二排氣10和沼液溢流口11；第二腔體9中設置有三相分離器15。第一腔體4和第二腔體9通過溢流機構向連通，所述溢流機構設置在第一腔體4中，溢流機構包括溢流槽12和溢流管13，其中溢流槽12設置在第一側壁2的內側，溢流槽的底部通過溢流管13與第二腔體9的底部相連通，第一腔體4中的上層沼液依次經過溢流槽12和溢流管13進入第二腔體9的底部。
上述結構的沼氣厭氧發酵裝置中，第一側壁2、頂蓋3和第二側壁7均為保溫材料；第一腔體4的底面為圓形，底面的直徑為10400mm，第一側壁2的高度為11325mm；進料管6的出料端距離第一腔體底面的距離為500mm，排渣管14的進料端距離第一腔體底面的距離為300mm，第二排氣口10和沼液溢流口11設置在第二側壁7盡量靠上的位置，第二排氣口10的位置處于沼液溢流口11的上方；第一腔體4和第二腔體9的液體容積比為5：1。
在本發明中，糞便污水通過進料口進入第一腔體，并在第一腔體中進行發酵，得到沼氣和沼液；其中，沼氣通過第一排氣口進入頂部密封膜構成的儲氣區域；而上層沼液通過溢流機構進入第二腔體，并在第二腔體中進行二次發酵；二次發酵產生的沼氣進入頂部密封膜構成的儲氣區域，二次發酵后的沼液通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
2)沼氣厭氧發酵方法
使用1)中所述的裝置進行沼氣厭氧發酵，具體過程為：
將總固體濃度為8wt％糞便污水輸送到所述沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵。其中，所述厭氧發酵的溫度控制在35℃，所述糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期控制為20天。
厭氧發酵過程中產生沼氣和沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中繼續發酵，所述沼液的共固體濃度約為2～3wt％。厭氧發酵產生的沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中，繼續厭氧發酵。其中，第二腔體中沼液的溫度約為20℃，沼液在第二腔體中的發酵滯留期為糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期的1/5。
繼續發酵過程中，產生沼氣和發酵后沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，發酵后沼液則通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
對于TS濃度為8％的豬糞漿，經過對比測試，原料漿降解率提高了5％以上。對于高寒地區1000m3反應罐實驗裝置，測試當天室外溫度零下20℃，反應罐內部溫度為35℃，第二腔體溫度為20℃。用于彌補能量損失的燃煤消耗僅為原來燃煤消耗量的27％，甚至更低。
實施例2
1)上述結構的沼氣厭氧發酵裝置中，第一側壁2、頂蓋3和第二側壁7均為保溫材料；第一腔體4的底面為圓形，底面的直徑為9500mm，第一側壁2的高度為10570mm；進料管6的出料端距離第一腔體底面的距離為400mm，排渣管14的進料端距離第一腔體底面的距離為250mm，第二排氣口10和沼液溢流口11設置在第二側壁7盡量靠上的位置，第二排氣口10的位置處于沼液溢流口11的上方；第一腔體4和第二腔體9的液體容積比為5：1。
在本發明中，糞便污水通過進料口進入第一腔體，并在第一腔體中進行發酵，得到沼氣和沼液；其中，沼氣通過第一排氣口進入頂部密封膜構成的儲氣區域；而上層沼液通過溢流機構進入第二腔體，并在第二腔體中進行二次發酵；二次發酵產生的沼氣進入頂部密封膜構成的儲氣區域，二次發酵后的沼液通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
2)沼氣厭氧發酵方法
使用1)中所述的裝置進行沼氣厭氧發酵，具體過程為：
將總固體濃度為8wt％糞便污水輸送到所述沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵。其中，所述厭氧發酵的溫度控制在35℃，所述糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期控制為20天。
厭氧發酵過程中產生沼氣和沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中繼續發酵，所述沼液的總固體濃度約為2～3wt％。厭氧發酵產生的沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中，繼續厭氧發酵。其中，第二腔體中沼液的溫度約為25℃，沼液在第二腔體中的發酵滯留期為糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期的1/5。
繼續發酵過程中，產生沼氣和發酵后沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，發酵后沼液則通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
對于TS濃度為8％的豬糞漿，經過對比測試，原料漿降解率提高了6％以上。對于高寒地區700m3反應罐實驗裝置，測試當天室外溫度零下25℃，反應罐內部溫度為35℃，第二腔體溫度為25℃。用于彌補能量損失的燃煤消耗僅為原來燃煤消耗量的16.7％，甚至更低。
實施例3
1)上述結構的沼氣厭氧發酵裝置中，第一側壁2、頂蓋3和第二側壁7均為保溫材料；第一腔體4的底面為圓形，底面的直徑為9000mm，第一側壁2的高度為9060mm；進料管6的出料端距離第一腔體底面的距離為500mm，排渣管14的進料端距離第一腔體底面的距離為350mm，第二排氣口10和沼液溢流口11設置在第二側壁7盡量靠上的位置，第二排氣口10的位置處于沼液溢流口11的上方；第一腔體4和第二腔體9的液體容積比為5：1。
在本發明中，糞便污水通過進料口進入第一腔體，并在第一腔體中進行發酵，得到沼氣和沼液；其中，沼氣通過第一排氣口進入頂部密封膜構成的儲氣區域；而上層沼液通過溢流機構進入第二腔體，并在第二腔體中進行二次發酵；二次發酵產生的沼氣進入頂部密封膜構成的儲氣區域，二次發酵后的沼液通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
2)沼氣厭氧發酵方法
使用1)中所述的裝置進行沼氣厭氧發酵，具體過程為：
將總固體濃度為7wt％糞便污水輸送到所述沼氣厭氧發酵裝置的第一腔體中，進行厭氧發酵。其中，所述厭氧發酵的溫度控制在40℃，所述糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期控制為25天。
厭氧發酵過程中產生沼氣和沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中繼續發酵，所述沼液的總固體濃度約為2～3wt％。厭氧發酵產生的沼液通過設置在所述沼氣厭氧發酵裝置中的溢流機構輸送至所述沼氣厭氧發酵裝置的第二腔體中，繼續厭氧發酵。其中，第二腔體中沼液的溫度約為30℃，沼液在第二腔體中的發酵滯留期為糞便污水在第一腔體中的發酵滯留期的1/5。
繼續發酵過程中，產生沼氣和發酵后沼液，其中，沼氣進入由密封膜構成的儲氣區域，發酵后沼液則通過沼液溢流口排出沼氣厭氧發酵裝置。
對于TS濃度為7％的雞糞漿，經過對比測試，原料漿降解率提高了5.5％以上。對于高寒地區700m3反應罐實驗裝置，測試當天室外溫度零下19℃，反應罐內部溫度為40℃，第二腔體溫度為30℃。用于彌補能量損失的燃煤消耗僅為原來燃煤消耗量的16.9％，甚至更低。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。