利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统的制作方法

1.本实用新型涉及有机废弃物处理的领域，尤其是涉及一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统。


背景技术：

2.厌氧消化一直是国内外公认的针对有机废弃物(包括厨余垃圾、农林残渣、畜禽粪便等)处理最有效和经济的技术之一，通过多种专性及兼性厌氧微生物代谢将有机废弃物转化成生物质能源，实现有机废弃物的资源化利用。根据反应器内物料含固率的不同，可分为干式厌氧(ts＝15％～40％)和湿式厌氧(ts＜15％)两类。
3.针对高浓度(ts＝15％～40％)有机废弃物，如选用湿式厌氧需要加水减少物料的含固率，从而降低系统运行的有机负荷；加水不仅提高了运行成本和处理构筑物的容积，也增加了后续对大量产生高氨氮、高cod沼液处理费成本。而干式厌氧可实现高浓度废弃物直接进料，相对湿式厌氧，干式厌氧优点：有机质浓度高，能量密度大，提高了容积产气率；耗水量大大降低，节省了后期沼液处理费用。因此，在处理高浓度有机废弃物中干式厌氧优势明显。
4.干式厌氧技术在我国工业应用较少，主要存在几种技术难点：
5.1、干式厌氧基质浓度高，固体的传质传热效果差，限制了中间代谢产物在体系中的迁移扩散，挥发性脂肪酸容易形成局部的积累导致体系ph下降和末端产物(如氨氮浓度)反馈抑制，同时扩散困难也导致挥发性脂肪酸互营氧化过程较低的电子转移效率，使得发酵过程无法平稳进行；
6.2、由于扩散受阻，微生物分泌的水解酶与颗粒性底物很难充分接触，大大降低了水解速率，限制了产甲烷过程；
7.3、由于传热效果差，温度不均匀影响了微生物的代谢活性。
8.近几年碳材料作为厌氧消化中的功能载体被广泛的研究，大量研究表明，加入具有丰富空隙结构的碳基材料能够强化厌氧消化的互营氧化过程和电子传递效率，减缓挥发性脂肪酸的积累，进而提升体系产甲烷的速率。碳材料具有比表面积大，导电性良好，吸附能力强以及性质稳定等特点。在厌氧消化系统中，碳材料因多孔可作为载体，为厌氧菌群提供生长位置，有利于生物膜形成，进而有利于功能微生物的富集及相关的代谢活性，最终提高厌氧消化速率等；此外，碳材料往往负载着大量微量元素(如铁，锰、钙、钾、镁等)，这些微量元素可提高厌氧消化系统中微生物的代谢功能，促进细胞生长和提高细胞活性，并加速它们的共代谢，进而提升水解、酸化和甲烷化等过程；进一步的，碳材料有导电性，一方面促进了微生物的直接电子转移过程，进而缩短产甲烷滞后时间，另一方面其表面含氧还原性官能团(如羟基、羧基等)，具有良好的电子供给能力，促使互氧微生物种间电子传递效率显著提高。
9.专利1专利cn201922211195提供了一种有机废弃物干式厌氧发酵处理系统，包括进料装置、干式厌氧反应器、出料装置、回流管路、加热装置、消化液脱水装置和智能控制装
置。整体述说了对畜禽粪便、玉米秸秆、市政污泥等有机废弃物在该系统中的处理方式，但对干式厌氧系统存在的缺点未作任何解决方案。
10.专利2专利cn201821796767提供了一种高浓度有机废弃物干式厌氧系统，预处理后的有机废弃物先与接种物料混匀后再进入干式厌氧反应器，再通过机械搅拌后再排除厌氧发酵室。但该方法需确保接种物料的活性才能保障后续干式厌氧系统的稳定运行。
11.专利3专利cn202110608676提供了一种颗粒生物炭及其制备方法和在厌氧消化产甲烷中的应用，将玉米秸秆和牛粪作为发酵原料，分别在厌氧消化器中添加不同的生物炭与空白试验进行对比，得出添加生物炭的沼气产量高于空白组，而且沼气的甲烷含量也会明显提高。但该方法无法回收生物炭，最终随着厌氧消化液一起排除，增加了处置成本。


技术实现要素：

12.鉴于以上技术存在的缺点，本实用新型提供了一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物厌氧消化系统，解决了干式厌氧局部易酸化、扩散受阻，导致电子转移效率低、水解速率低引起甲烷差率低等问题；通过设计特殊的碳材料颗粒填料，且在干式厌氧反应器出料端设置特殊的筛分装置，将出料中的碳材料颗粒填料分离出来，解决了碳材料在该系统中难分离和回收再利用的问题，做到回收再利用，大大降低运行成本及后端消化液的处置成本。
13.本实用新型提供的一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统，采用如下的技术方案：
14.一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统，包括碳材料颗粒填料、干式厌氧反应器和物料筛分装置，所述碳材料颗粒填料包括碳材料和保护罩，碳材料设置在保护罩内，保护罩为表面均匀分布筛孔的空心球体，筛孔的孔径小于颗粒状活性炭的粒径，干式厌氧反应器包括用于排出物料的出料口，物料筛分装置包括筛分器和浆料仓，浆料仓设有进口，筛分器安装在浆料仓中，物料出料口与进口连通，筛分器的滤孔的尺寸小于碳材料颗粒填料的尺寸。
15.通过采用上述技术方案，使用时，将高浓度有机废弃物(如畜禽粪便等)与碳材料颗粒填料通过输送方式投入干式厌氧反应器中，干式厌氧运行温度控制在中温或高温进行发酵，由于添加了碳材料颗粒填料，能提高有机物降解率，容积产气率、容积产气率、甲烷产量；优化本系统内的微生物群落结构、提升了微生物的代谢活性、强化了微生物之间的电子迁移。缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用、具有酸缓冲能力，更能稳定干式厌氧消化系统。
16.发酵完毕后，物料与碳材料颗粒填料从出料口排出，然后进入后端的浆料仓中，经过筛分器，将碳材料颗粒填从干式厌氧发酵完的物料中分离出来，达到回收再利用的目的。在这过程中，保护罩还能对罩内的颗粒状活性炭起到保护作用，但又能使罩内的颗粒活性炭与高浓度有机废弃物充分接触，不会影响发酵。
17.可选的，所述碳材料为颗粒状活性炭，多个碳材料容纳在保护罩内，碳材料形状为圆柱状、梅花柱状、六边形柱状或其他柱状、球形、椭球形、不定型颗粒状或其他颗粒形状中的至少一种，碳材料的粒径大于外层的保护罩的筛孔。
18.通过采用上述技术方案，颗粒状活性炭与高浓度有机废弃物接触面更大，能进一
步提高有机物降解率，容积产气率和甲烷产量。进一步优化微生物群落结构、提升微生物的代谢活性、强化了微生物之间的电子迁移，缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用、具有酸缓冲能力，更能稳定干式厌氧消化系统。
19.可选的，所述碳材料粒径为5～10mm。
20.通过采用上述技术方案，碳材料粒径为5～10mm有机物降解率，容积产气率和甲烷产量最佳，干式厌氧消化系统状态最稳定。
21.可选的，所述保护罩材质为不锈钢或硬质塑料。
22.通过采用上述技术方案，不锈钢或硬质塑料具有不易变形和耐腐蚀性，有利于延长碳材料颗粒填料的使用寿命。
23.可选的，所述干式厌氧反应器还包括进料口、干式厌氧发酵室、增保温装置、物料液位监控装置和沼气收集装置，进料口设置在干式厌氧发酵室上并用于进料，增保温装置安装在干式厌氧反应器内并用于提供恒温环境，物料液位监控装置安装在干式厌氧发酵室上，并用于显示干式厌氧发酵室内物料量，沼气收集装置设置在干式厌氧发酵室的顶端。
24.通过采用上述技术方案，使用时，将高浓度有机废弃物(如畜禽粪便等)与碳材料颗粒填料通过输送方式从进料口投入干式厌氧发酵室中，通过增保温装置进行增温和保温发酵，物料液位监控装置显示干式厌氧发酵室中物料的余量，然后控制物料的进料及出料，从而来调节干式厌氧发酵室内的物料的高度，维持厌氧环境的稳定性，使物料经充分厌氧发酵后外排。通过沼气收集装置对干式厌氧消化所产生的沼气进行收集和输送，同时保证反应器内的压力范围波动稳定。
25.可选的，所述沼气收集装置上设有正负压保护装置和紧急泄压装置。
26.通过采用上述技术方案，正负压保护装置和紧急泄压装置用于保障干式厌氧反应器的运行安全。
27.有益效果：
28.将高浓度有机废弃物(如畜禽粪便等)与碳材料颗粒填料通过输送方式进入干式厌氧反应器，通过添加碳材料颗粒填料，设置中温发酵温度为35-38℃，高温发酵温度为50-55℃，物料反应停留时间20-30d，碳材料颗粒填料投加周期为20-50d，碳材料颗粒填料投加剂量2-10％；达到有机物降解率为50-80％，容积产气率可达2-10m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高20％-60％，并与后端的筛分设备相匹配，保证了碳材料颗粒填从干式厌氧发酵完物料中分离出来，达到回收再利用的目的，产生的沼气及沼渣后续进一步资源化利用。
附图说明
29.图1是本技术实施例1的碳材料颗粒填料整体结构示意图；
30.图2是本技术实施例1的整体结构示意图；
31.图3是本技术实施例2的整体结构示意图。
32.附图标记说明：1、碳材料颗粒填料；2、碳材料；3、保护罩；4、卧式干式厌氧反应器；5、进料口；6、卧式干式厌氧发酵室；7、增保温装置；8、物料液位监控装置；9、沼气收集装置；10、沼气收集管；11、出料口；12、物料筛分装置；13、筛分器；14、浆料仓；15、高含固有机浆料输送管；16、立式干式厌氧反应器；17、立式干式厌氧发酵室。
具体实施方式
33.以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
34.本实用新型实施例公开一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统。
35.实施例1
36.参照图1和图2，一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统，包括碳材料颗粒填料1、干式厌氧反应器和物料筛分装置12，干式厌氧反应器为卧式干式厌氧反应器4，卧式干式厌氧反应器4包括进料口5、卧式干式厌氧发酵室6、增保温装置7、物料液位监控装置8、沼气收集装置9以及用于排出物料的出料口11，卧式干式厌氧反应器4整体呈内部中空且顶端敞口的长方体状，进料口5开设在卧式干式厌氧反应器4侧壁，进料口5与卧式干式厌氧发酵室6连通，用于向卧式干式厌氧发酵室6中进料。
37.增保温装置7安装在卧式干式厌氧发酵室6内并用于提供恒温环境，增保温装置7包括保温棉、加温系统和相关的仪表控制系统组成(图中未示出)，卧式干式厌氧发酵室6底壁可开设腔体，加温系统可为电热丝，电热丝可安装在卧式干式厌氧发酵室6底壁上的腔体中，加热丝与外部电源连通，保温棉覆盖在卧式干式厌氧发酵室6内部的底壁上，仪表控制系统包括温度计，便于监测卧式干式厌氧发酵室6内的实时温度。
38.物料液位监控装置8安装在卧式干式厌氧发酵室6的顶端，物料液位监控装置8可为雷达液位计或超声波液位监测仪等市购仪表系统组成，用于显示卧式干式厌氧发酵室6内的物料量，便于及时进料或排料，通过控制物料的进料及出料来调节卧式干式厌氧发酵室6内的物料高度，维持厌氧环境的稳定性，使物料经充分厌氧发酵后外排。
39.沼气收集装置9设置在卧式干式厌氧发酵室6的顶端，沼气收集装置9可为沼气收集罐等，沼气收集装置9与卧式干式厌氧发酵室6内腔连通，沼气收集装置9远离卧式干式厌氧发酵室6一端连接有沼气收集管10，沼气收集管10远离沼气收集装置9一端与外部沼气系统连通，使得卧式干式厌氧发酵室6内高浓度有机废弃物(如畜禽粪便等)进行发酵后产生的沼气向上溢入沼气收集装置9中，然后通过沼气收集管10输送到外部沼气系统进行使用。对干式厌氧消化所产生的沼气进行收集和输送，同时保证卧式干式厌氧反应器4内的压力范围波动稳定。沼气收集装置9上设有正负压保护装置和紧急泄压装置，用于保障干式厌氧反应器的运行安全。出料口11开设在，卧式干式厌氧反应器4远离进料口5一侧的侧壁底部，出料口11与卧式干式厌氧发酵室6内腔连通，用于将发酵完毕后剩下的物料排出。
40.使用时，将高浓度有机废弃物(如畜禽粪便等)与碳材料2颗粒填料通过输送方式从进料口5投入卧式干式厌氧发酵室6中，通过增保温装置7进行增温和保温发酵，由于添加了碳材料2，能提高有机物降解率，容积产气率、容积产气率、甲烷产量，达到有机物降解率为50％，容积产气率可达2m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高20％；还能优化本系统内的微生物群落结构、提升了微生物的代谢活性、强化了微生物之间的电子迁移。缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用、具有酸缓冲能力，更能稳定干式厌氧消化系统。
41.发酵时，物料反应停留时间为20-30d，中温发酵温度为35-38℃，高温发酵温度为50-55℃，此环境下，能提高有机物降解率、容积产气率、容积产气率和甲烷产量，达到有机物降解率为60％，容积产气率可达5m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高35％；
进一步优化本系统内的微生物群落结构，提升微生物的代谢活性，强化微生物之间的电子迁移，缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用，更能稳定干式厌氧消化系统。
42.进一步的，试验发现，物料反应停留时间为20-28d，中温发酵温度为37-38℃，高温发酵温度为53-55℃时，有机物降解率、容积产气率、容积产气率和甲烷产量达到更佳，达到有机物降解率为66％，容积产气率可达7m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高40％；进一步优化本系统内的微生物群落结构，提升微生物的代谢活性，强化微生物之间的电子迁移，缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用，干式厌氧消化系统稳定性。
43.碳材料颗粒填料1包括碳材料2和保护罩3，保护罩3为表面均匀分布筛孔的空心球体，碳材料2可为颗粒状活性炭，多个碳材料2容纳在保护罩3内，保护罩3能对其内的碳材料2起到保护作用。筛孔的孔径小于颗粒状活性炭的粒径，避免碳材料2从保护罩3的筛孔漏出，但又能使保护罩3内的颗粒活性炭与高浓度有机废弃物充分接触，不会影响发酵。保护罩3的材质可为不锈钢或硬质塑料，不锈钢或硬质塑料具有不易变形和耐腐蚀性，有利于延长碳材料2颗粒填料的使用寿命。
44.碳材料2的形状可为圆柱状、梅花柱状、六边形柱状或其他柱状、球形、椭球形、不定型颗粒状或其他颗粒形状中的至少一种，由于颗粒状活性炭与高浓度有机废弃物接触面更大，能进一步提高有机物降解率，容积产气率和甲烷产量，使得有机物降解率提高为72％，容积产气率可达7.5m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高48％；进一步优化微生物群落结构、提升微生物的代谢活性、强化了微生物之间的电子迁移，缓解有毒污染物(如高浓度氨、硫化氢等)对系统的抑制作用、具有酸缓冲能力，更能稳定干式厌氧消化系统。碳材料2的粒径为5-10mm，对高浓度有机废弃物有机物降解率较好，系统的容积产气率和甲烷产量最佳，使得有机物降解率提高为75％，容积产气率可达7.8m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高53％。
45.此过程中，通过物料液位监控装置8显示卧式干式厌氧发酵室6中物料的余量，然后控制物料的进料及出料，从而来调节卧式干式厌氧发酵室6内的物料的高度，维持厌氧环境的稳定性，使物料经充分厌氧发酵后外排，碳材料颗粒填料投加周期为20-50d，碳材料颗粒填料利用率高，降低成本，同时保持对有机物降解率、容积产气率、容积产气率和甲烷产量的提高效果，达到有机物降解率为78％，容积产气率可达8m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高55％。
46.加料时，碳材料颗粒填料1的投加量为2-10％，与高浓度有机废弃物混匀配比后投入卧式干式厌氧发酵室6中，碳材料颗粒填料利用率更高，进一步降低成本，同时保持对有机物降解率、容积产气率、容积产气率和甲烷产量的提高效果，达到有机物降解率为80％，容积产气率可达10m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高60％。而同等条件下，碳材料颗粒填料1的投加量为1％时，有机物降解率为68％，容积产气率7m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高48％。同等条件下，碳材料颗粒填料1的投加量为15％时，有机物降解率为73％，容积产气率8.5m3/m3，整个干式厌氧反应系统的甲烷产量可提高51％。
47.物料筛分装置12包括筛分器13和浆料仓14，浆料仓14内部中空且顶端敞口设为进口，浆料仓14呈开口端向底部逐渐缩小的斗状，筛分器13可为滤网，筛分器13安装在浆料仓
14中并将浆料仓14分隔为上下两个腔室，出料口11与浆料仓14的进口连通，使得从出料口11排出的物料能进入浆料仓14上部的腔室，筛分器13的滤孔的尺寸小于碳材料颗粒填料1的尺寸，以便发酵完毕后，物料与碳材料2颗粒填料从出料口11排出，然后进入后端的浆料仓14中，经过筛分器13，将碳材料2颗粒填从干式厌氧发酵完的物料中分离出来，达到回收再利用的目的。浆料仓14底部还连接有与其内腔连通的高含固有机浆料输送管15，高含固有机浆料输送管15远离浆料仓14一端与后续处理系统连通，如垃圾回收站等，以便将发酵过后的废料进行处理。
48.实施例2
49.参照图3，一种利用碳材料强化高浓度有机废弃物干式厌氧消化系统，与实施例1的区别之处在于：干式厌氧反应器为立式干式厌氧反应器16，干式厌氧发酵室为立式干式厌氧发酵室17，进料口5固定在立式干式厌氧反应器16顶端，出料口11设置在立式干式厌氧反应器16底部中间，浆料仓14位于出料口11的正下方。
50.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。