三步法沼氣發酵裝置及利用該裝置進行沼氣發酵的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農村沼氣生產技術領域，具體涉及以沼氣為主產物的生物質能生產技術。針對目前農村傳統沼氣發酵方法效率低下、生產受季節限制的現狀、冬季低溫致沼氣產量大大下降的缺陷，提供了一種高效節能的三步法沼氣發酵裝置及利用該裝置進行沼氣發酵的方法。
【背景技術】
[0002]沼氣推廣是我國解決農村能源問題和有機肥問題的最有效方法。然而，目前我國農村沼氣技術仍舊存在很多瓶頸。其最重要的瓶頸在于兩個方面:一是每到冬季，氣溫低下，沼氣池發酵緩慢，產氣量大大下降，甚至不足以維持正常的沼氣使用，這使得很多農戶不愿意建設沼氣池，也是沼氣難于推廣的主要原因之一；二是由于農村大量推廣沼氣，且管理粗放，傳統的沼氣發酵方法效率低下，例如僅僅將牲畜糞便和作物秸桿投放到沼氣池里任其腐爛發酵；由于沼氣發酵是一個復雜的過程，沼氣發酵理論有兩段發酵、三段發酵和四段發酵理論，根據國內外研究文獻和本課題組的研究，我們將沼氣發酵過程大致分為三大步驟:(1)固體有機質在褐腐菌、軟腐菌、白腐菌等復合微生物群落的作用下分解為可溶性的有機物如糖類、乙酸、肽類等等，這一步驟統稱為固體發酵；(2)固體發酵產生的可溶性有機物在乙酸桿菌的作用下產生以乙酸為主要組分的發酵產物，此步驟統稱為乙酸發酵；
[3]有機酸在甲烷桿菌的作用下分解為甲烷和二氧化碳，二氧化碳在厭氧條件下再被還原為甲烷，此步驟統稱為沼氣發酵或甲烷發酵。在這一系列生化反應過程中，由于傳統發酵采用同池發酵，即，將上述三大類生物反應集中在同一個發酵池，因此抑制了固體有機質的快速分解，而且沼液中乙酸產物濃度相對較低，所以以乙酸為原料的產物一甲烷產率也很低。我們將傳統沼氣發酵的生化過程進行了三段式劃分，傳統沼氣發酵的工藝流程圖如說明書附圖中圖2所示。
[0003]
[0004]因此要提高沼氣發酵效率，就必須將固體發酵、乙酸發酵和甲烷發酵分開進行。傳統的沼氣發酵裝置及方法不能適應沼氣現代化發展的需要。隨著能源危機問題的日益突出，生物質能開發利用成為解決能源危機的一個重要途徑，而在生物質能開發利用中，沼氣發酵技術簡單易行，實用性強，具有巨大的發展潛力。但是鑒于如上所述傳統沼氣發酵技術的發展現狀，研究高效沼氣發酵裝置及方法、應用標準化的高新技術和集中發酵集中供氣的高科技模式發展沼氣能源是沼氣生物質能科學發展的基礎。
【發明內容】
[0005]針對現有沼氣生產中存在的冬季氣溫低下時沼氣池發酵緩慢、傳統沼氣發酵效率低的問題。
[0006]本發明的第一個目的在于提供了一種三步法沼氣發酵裝置。
[0007]本發明的第二個目的在于提供了一種利用上述裝置進行沼氣發酵的方法。
[0008]本發明的發明構思在于:提供一種三步法沼氣發酵裝置，將沼氣發酵分三步分開進行。即:第一步為固體發酵，生物有機質分解為可溶性有機物，主要成分為糖類、有機酸、醇類、肽類和氨基酸；
[0009]第二步為乙酸發酵，可溶性有機物在乙酸桿菌等微生物的作用下轉化成乙酸或乙酸鹽；
[0010]第三步為沼氣發酵或甲烷發酵，乙酸或乙酸鹽或二氧化碳在甲烷桿菌的作用下最終轉化成甲烷，主要成分為甲烷，含有少量的氫氣、一氧化碳和二氧化硫等。
[0011]本發明提供的裝置將如上所述三步反應分開來進行，分別在固體發酵池、乙酸發酵池和沼氣發酵池中進行。
[0012]在固體發酵池內，將粉碎的有機質接種褐腐菌、白腐菌、纖維素菌、乳酸桿菌、酵母菌等復合微生物菌種進行固體發酵，該固體發酵產生的二氧化碳由導管輸送到沼氣發酵池內由甲烷桿菌等微生物轉化為甲烷，在發酵過程不斷向有機質堆頂部滴滲清水或者促進固體發酵的培養液，促進固體發酵產生的可溶性有機物緩慢地滲漏到與固體發酵池底部連通的乙酸發酵池內，乙酸發酵池內接種乙酸桿菌，將可溶性有機物轉化成乙酸或乙酸鹽，乙酸發酵池收集的乙酸或乙酸鹽液體產物用于沼氣發酵池之用；將乙酸發酵池內收集的液體轉移到沼氣發酵池內，向沼氣發酵池內接種甲烷桿菌，進行沼氣發酵，收集沼氣發酵池產生的沼氣。本發明方法流程圖如說明書附圖中圖3所示。
[0013]
[0014]為了實現如上所述高效沼氣發酵方法，本發明采用如下發酵裝置:
[0015]一種三步法沼氣發酵裝置，是在傳統的同池發酵的基礎上，將一個池子分開成三個池子，并且每個池子各自分工分別進行較專一的生化反應，這三個池子分別是:固體發酵池、乙酸發酵池和沼氣發酵池；
[0016]即:所述三步法沼氣發酵裝置包括固體發酵池、乙酸發酵池和沼氣發酵池；
[0017]所述乙酸發酵池設置于固體發酵池的正下方，乙酸發酵池與固體發酵池密閉連接；
[0018]所述固體發酵池為直徑2-5米、高3-4米的圓形發酵池，所述固體發酵池包括一可拆卸的圓拱形頂蓋，發酵進行時將頂蓋蓋緊，所述固體發酵池底部設置有若干個滲漏孔，孔徑在0.5-2厘米，使底部形成篩子結構，通過該篩子結構將所述固體發酵池與乙酸發酵池連通，因此乙酸發酵池也可理解為儲存發酵液的儲液池，固體發酵池內有機質發酵產生的發酵液可以滲透流入乙酸發酵池內儲存，乙酸發酵池的容積大于沼氣發酵池的容積；
[0019]所述乙酸發酵池為一圓形儲液池，直徑與固體發酵池相同，底部為倒圓拱形結構，所述倒圓拱形結構的底部開口并連接一導液管；
[0020]所述固體發酵池內設置有兩套獨立的不銹鋼蛇形熱交換管道，分別為第一熱交換管道和第二熱交換管道，第一熱交換管道與沼氣發酵池相連通，第二熱交換管道與乙酸發酵池相連通，所述的不銹鋼蛇形管道內徑為2-5厘米，管道壁厚度為1-3毫米。
[0021]所述沼氣發酵池為直徑3-5米、高5-7米的圓形發酵池，其頂部為圓拱形，所述沼氣發酵池的一側設置有一過濾池，過濾池與沼氣發酵池相連通，連通處位于沼氣發酵池高度的三分之一處,過濾池位于沼氣發酵池和固體發酵池之間；
[0022]所述過濾池的內部尺寸為:1-2米長，0.5-1米寬，1-1.5米深；該過濾池與沼氣發酵池相連通的管道上開口并連接一個垂直的加料管，該加料管作為投放發酵添加劑、菌種和注入乙酸發酵池產生的發酵液的入口；
[0023]在所述過濾池內部靠近沼氣發酵池的一側縱向設有一濾板，濾板的邊框無縫固定于過濾池內壁的縱向插槽內，濾板的孔徑為0.5-5毫米，過濾池內壁上用于無縫固定濾板的縱向插槽有兩條，用于更換濾板；
[0024]所述固體發酵池的側壁設有多個均勻分布的具有閉合開關的開口孔，孔徑3-5厘米，用于插入泵管，向固體發酵池內堆積的有機質注射水分、菌種、添加劑或通入空氣；
[0025]所述泵管為一端連接微型高壓泵的鋼管，管內徑2-4厘米，鋼管的另一端和鋼管外壁上均勻開設有若干小孔，小孔孔徑為1-5毫米；
[0026]這些小孔統稱為泵管小孔，該泵管可以插入有機質堆中通過泵管小孔均勻