專利名稱：一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于干式厭氧發酵技術，主要涉及一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝。本發明還涉及一種實施上述工藝的裝置。
背景技術：
每年我國都會產生大量的農村有機廢棄物，如畜禽糞便和秸稈等，它們屬于優質的高氮高碳生物質能源，利用干式厭氧發酵技術，不僅可以解決畜禽糞便任意排放和秸稈焚燒等不當的處理帶來的環境問題，還可以在處理農業廢棄物的過程中回收清潔能源沼氣，用于取暖、發電、汽車燃料等，在一定程度上緩解了我國能源短缺的壓力。由于干式厭氧發酵固含率較高，發酵底物以不流動的固態存在，容易產生發酵過程中傳質不勻和局部有機酸抑制等問題，對干式厭氧發酵過程中產生的發酵液進行合適的回流，可以很好的解決上述問題。發酵液回流可以促進發酵物料均勻分布，加強微生物與底物的相互接觸，從而加快底物的發酵速率。但是干式厭氧發酵反應運行時間較長，其產生的發酵液中的氨氮會出現一定程度的累積，而累積到一定濃度的氨氮會對反應體系中的產甲烷菌的活性產生抑制，使其新陳代謝變慢，有機物及營養物質的使用率下降，從而導致體系的產氣速率下降。對于長期運行馴化的反應系統，氨氮濃度為2000mg/L將使產甲烷菌的活性降低10%，另有報道指出氨氮濃度在5000mg/L左右時產氣效率會下降40%。氨氮抑制持續時間越長，毒性越大，一旦發生，系統很難恢復到原來高效的運行狀態，若想保證厭氧發酵反應器的處理能力與運行效率，有必要及時監測發酵液中氨氮濃度的變化情況，并做出相應的去除處理措施。天然沸石在我國一些地區具有相當豐富的儲量，且不少天然沸石的礦床處于地表附近，容易開采，經過粉碎和篩選等簡單工藝之后即可使用，其價格遠比合成沸石低，因而在需求量大、質量要求不太高的情況下，天然沸石最為適用，特別是在農業、輕工業和環境保護等方面，天然沸石的應用有極大的發展前途。以斜發沸石和絲光沸石為主的天然沸石，具有很強的吸附性能及較高的離子交換容量，對污水中的氨氮有很好的去除能力，而且對氨氮吸附飽和的沸石還可以用作土壤改良劑，把其施加到土壤中可以起到氮肥緩釋劑的作用，可以提高土壤保持肥效的能力，使農作物能夠增產。

發明內容
本發明的目的就是基于上述現有技術存在的問題，提供一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝和裝置，通過沸石對發酵液中的氨氮進行吸附，降低氨氮對發酵反應體系的抑制，提高發酵反應系統的產氣速率，被置換下來的吸附飽和的沸石可以用于土壤改良劑。為實現上述目的，本發明提供的降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝是，檢測干式厭氧發酵反應罐內的發酵液氨氮濃度，該發酵液的氨氮濃度低于預定值時直接回流到干式厭氧發酵反應罐中；該發酵液的氨氮濃度達到預定值時，使該發酵液通過沸石去除氨氮。所述降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝，其中，所述預定值為1500mg/L。本發明提供的實現上述工藝的裝置，其主要包括一干式厭氧發酵反應罐，其頂部設有發酵液的噴頭，底部鋪有小石子，以防止干式厭氧發酵反應罐底部的發酵液出口堵塞；干式厭氧發酵反應罐底部發酵液出口通過第一三通閥分別連接第一發酵液儲備瓶和第二發酵液儲備瓶；其中第二發酵液儲備瓶連接至沸石填充柱的上端，該沸石填充柱的底端連接第一發酵液儲備瓶，且該第一發酵液儲備瓶連接干式厭氧發酵反應罐頂部的噴頭。所述的裝置，其中，干式厭氧發酵底部的小石子上面設有一可拆卸的帶孔隔板。所述的裝置，其中，干式厭氧發酵反應罐外層采用加熱帶及保溫海綿包裹加熱保溫，干式厭氧發酵反應罐內設有溫度感應探頭以及溫度控制顯示儀，實現對溫度的調控和監測。所述的裝置，其中，沸石填充柱由兩組并聯的沸石填充柱組成，兩組沸石填充柱的上端之間連接一第二三通閥，并通過該第二三通閥與第二發酵液儲備瓶連接，兩組沸石填充柱的底端之間連接一第三三通閥，并通過該第三三通閥與第一發酵液儲備瓶連接。所述的裝置，其中，沸石填充柱的上部和下部填充有石英砂，中部填充有沸石，每層填料均容置在篩網中。所述的裝置，其中，第一發酵液儲備瓶連接干式厭氧發酵反應罐的管道上設有處理后發酵液取樣口。所述的裝置，其中，該第二三通閥與第二發酵液儲備瓶之間，以及該第一發酵液儲備瓶與干式厭氧發酵反應罐頂部的噴頭之間均分別設有一蠕動泵。所述的裝置，其中，沸石填充柱中部填充的沸石為天然斜發沸石和絲光沸石的一種或兩種。本發明具有以下有益效果根據發酵液中氨氮濃度的檢測，本發明的發酵液有兩種回流方式，在保證發酵液回流正常運行的前提下，既減少了蠕動泵的運行，又相對增加了沸石填充柱的工作壽命；沸石填充柱分為三層，上層石英砂截留了發酵液中的顆粒懸浮物，使流到中層的發酵液能夠高效的被沸石去除其中的氨氮，下層的石英砂防止了小粒徑沸石跑料引起的下端出口的堵塞，并且每層填料都用相應的篩網容納，方便了進出料。本發明的裝置中設有兩組沸石填充柱，保證了回流運行的連續性；達到吸附飽和的沸石，由于含有高濃度的氨氮營養素，可以作為土壤改良劑，實現了資源的回收利用；產生的發酵液通過本發明的發酵液回流體系的選擇性處理，保證了進入發酵罐中的發酵液具有較低的氨氮含量，解除了高濃度的氨氮對發酵反應體系的抑制，從而使發酵體系具有較高的產氣速率。


圖1是一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝總體裝置示意圖。圖2是圖1中沸石填充柱的剖面示意圖。
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附圖中主要組件標記符號說明1干式厭氧發酵反應罐；2第一沸石填充柱；3第二沸石填充柱；4溫度控制顯示儀；5溫度感應探頭；6濕式氣體流量計；7第一蠕動泵；8第二蠕動泵；9第一發酵液儲備瓶；10第二發酵液儲備瓶；11加熱帶；12噴頭；13帶孔隔板；14硅膠密封墊；15發酵物料； 16小石子；17處理后發酵液取樣口 ； 18原始發酵液取樣口 ； 19發酵物料取樣口 ；20氣體取樣口 ；21氣體出口 ；22發酵液排出控制閥；23第一三通閥；對第二三通閥；25第三三通閥； 26發酵液進口 ；27發酵液出口 ；觀填充柱外壁；四篩網；30上層石英砂；31天然沸石；32 下層石英砂。
具體實施例方式本發明的干式厭氧發酵反應罐發酵液回流頻率為一天一次，每天上午打開發酵罐底端的發酵液排出閥門，從發酵液取樣口取樣測定氨氮的濃度。若氨氮的濃度達到1500mg/L以上時，打開干式厭氧發酵反應罐底端的第一三通閥，使發酵液只流入第二發酵液儲備瓶；打開沸石填充柱上端的第二三通閥，使第一沸石填充柱處于工作狀態；然后利用蠕動泵把發酵液送到第一沸石填充柱以吸附去除發酵液中的氨氮；為了防止發酵液含有的顆粒污染物堵塞沸石，沸石填充柱上部填充粒徑較大的石英砂，中部填充粒徑相對較小的沸石，這樣可以提高沸石的使用壽命，以及提高氨氮的吸附量，下層填充與上層一樣粒徑的石英砂以防止小粒徑的沸石跑料堵塞下端出口 ；打開沸石填充柱下端的第三三通閥使經沸石填充柱處理過后的發酵液流入第一發酵液儲備瓶，再利用蠕動泵就可以完成處理后發酵液的回流；當第一沸石填充柱達到吸附飽和后，改變沸石填充柱上下的兩個三通閥的開閉方式，啟用第二沸石填充柱。在這期間可以把第一沸石填充柱中的沸石取出，重新填入新的沸石，取出的沸石由于含有高濃度的氨氮營養素，可以用于土壤改良劑。若發酵液的濃度小于1500mg/L，考慮到運行的經濟性，只對發酵液進行回流，不進行氨氮的去除，具體實施方式
如下打開干式厭氧發酵反應罐底端的第一三通閥，使發酵液只流入第一發酵液儲備瓶，之后，利用蠕動泵把發酵液直接回流到干式厭氧發酵反應罐中。下面結合附圖對本發明的實施進行具體描述。本發明的干式厭氧發酵反應罐，主要由干式厭氧發酵罐主體1、溫度控制顯示儀 4、溫度感應探頭5、濕式氣體流量計6、第一發酵液儲備瓶9、第二發酵液儲備瓶10、第一蠕動泵7、第二蠕動泵8、第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3組成。干式厭氧發酵反應罐1 主體材料為有機玻璃，外層采用加熱帶11及保溫海綿包裹加熱保溫，插入干式厭氧發酵反應罐里的溫度感應探頭5以及溫度控制顯示儀4，實現對溫度的調控和監測；干式厭氧發酵反應罐的上下罐體均采用法蘭接口密封，并采用焊接加工工藝，法蘭接口之間加入硅膠密封墊14，進一步保障了干式厭氧發酵反應罐密封性的良好，干式厭氧發酵反應罐具有簡單外形設計，減少了主體材料的使用，也增加了發酵罐的密封性能。干式厭氧發酵反應罐內底部鋪有一層50mm高的小石子16，防止發酵液出口堵塞， 另外，在小石子16和發酵物料15之間加一可拆卸的帶孔隔板13，該帶孔隔板13是布有5mm 圓孔的有機玻璃隔板(孔間距為10mm)，也可以很好的緩解發酵液堵塞問題。沸石填充柱外壁觀的頂端設有發酵液進口沈，對應的底端設有發酵液出口 27，為了防止發酵液含有的顆粒污染物堵塞沸石31，沸石填充柱內的上部填充粒徑為IOmm的石英砂30，中部填充粒徑為4mm的沸石31，這樣可以提高沸石的使用壽命，以及提高氨氮的吸附量，下部填充與上層同樣粒徑的石英砂32防止中間沸石跑料引起的下端出口 27的堵塞， 另外每層填料都用相應的篩網四容納放置在沸石填充柱內，以方便進出料。干式厭氧發酵反應罐1與濕式氣體流量計6之間開設有沼氣的氣體取樣口 20，在濕式氣體流量計6上開設有氣體出口 21。干式厭氧發酵反應罐1側壁開設有發酵物料(沼渣)取樣口 19，該取樣口 19可以開設上中下三個取樣口，原始發酵液是在取樣口 18取樣， 處理后發酵液在取樣口 17取樣。發酵反應進行時，每天打開發酵罐底端的發酵液排出控制閥22，從原始發酵液取樣口 18取一定量的發酵液，測定氨氮濃度及其他的理化指標，如測定氨氮的濃度大于 1500mg/L，打開發酵罐底端的第一三通閥23，調節閥門開口方式，使發酵液只流入第二發酵液儲備瓶10，打開第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3上端的第二三通閥M，僅使第一沸石填充柱2處于工作狀態，然后利用第二蠕動泵8把第二發酵液儲備瓶10中的發酵液輸送到第一沸石填充柱2中以吸附去除發酵液中的氨氮；打開第一沸石填充柱2和第二沸石填充柱3下端的第三三通閥25，使第一沸石填充柱2處理過后的發酵液流入第一發酵液儲備瓶9，之后，利用蠕動泵7把第一發酵液儲備瓶9中的發酵液送回干式厭氧發酵罐1中的噴頭12 ；當第一沸石填充柱2達到吸附飽和時，改變第一和第二兩個沸石填充柱2、3上下端的第二和第三兩個三通閥M、25的工作方式，啟用第二沸石填充柱3，期間可以把第一沸石填充柱2中的沸石取出，重新填入新的沸石，取出的沸石由于含有高濃度的氨氮營養素， 可以用于土壤改良劑。若發酵液的濃度小于1500mg/L，考慮到運行的經濟性，只對發酵液進行回流，不進行氨氮的去除，具體實施方式
如下打開發酵罐底端的第一三通閥23，使發酵液只流入第一發酵液儲備瓶9，利用蠕動泵7把發酵液直接回流到干式厭氧發酵罐1中的噴頭12。
權利要求
1.一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝，其特征在于檢測干式厭氧發酵反應罐內的發酵液氨氮濃度，該發酵液的氨氮濃度低于預定值時直接回流到干式厭氧發酵反應罐中；該發酵液的氨氮濃度達到預定值時，使該發酵液通過沸石去除氨氮。
2.根據權利要求1所述降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝，其中，所述預定值為 1500mg/L。
3.實現權利要求1所述工藝的裝置，其主要包括一干式厭氧發酵反應罐，其頂部設有發酵液的噴頭，底部鋪有小石子，以防止干式厭氧發酵反應罐底部的發酵液出口堵塞；干式厭氧發酵反應罐底部發酵液出口通過第一三通閥分別連接第一發酵液儲備瓶和第二發酵液儲備瓶；其中第二發酵液儲備瓶連接至沸石填充柱的上端，該沸石填充柱的底端連接第一發酵液儲備瓶，且該第一發酵液儲備瓶連接干式厭氧發酵反應罐頂部的噴頭。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，干式厭氧發酵底部的小石子上面設有一可拆卸的帶孔隔板。
5.根據權利要求3所述的裝置，其中，干式厭氧發酵反應罐外層采用加熱帶及保溫海綿包裹加熱保溫，干式厭氧發酵反應罐內設有溫度感應探頭以及溫度控制顯示儀，實現對溫度的調控和監測。
6.根據權利要求3所述的裝置，其中，沸石填充柱由兩組并聯的沸石填充柱組成，兩組沸石填充柱的上端之間連接一第二三通閥，并通過該第二三通閥與第二發酵液儲備瓶連接，兩組沸石填充柱的底端之間連接一第三三通閥，并通過該第三三通閥與第一發酵液儲備瓶連接。
7.根據權利要求3或6所述的裝置，其中，沸石填充柱的上部和下部填充有石英砂，中部填充有沸石，每層填料均容置在篩網中。
8.根據權利要求3所述的裝置，其中，第一發酵液儲備瓶連接干式厭氧發酵反應罐的管道上設有處理后發酵液取樣口。
9.根據權利要求3所述的裝置，其中，該第二三通閥與第二發酵液儲備瓶之間，以及該第一發酵液儲備瓶與干式厭氧發酵反應罐頂部的噴頭之間均分別設有一蠕動泵。
10.根據權利要求3所述的裝置，其中，沸石填充柱中部填充的沸石為天然斜發沸石和絲光沸石的一種或兩種。
全文摘要
一種降低氨氮累積的干式厭氧發酵工藝，其特征在于檢測干式厭氧發酵反應罐內的發酵液氨氮濃度，該發酵液的氨氮濃度低于預定值時直接回流到干式厭氧發酵反應罐中；該發酵液的氨氮濃度達到預定值時，使該發酵液通過沸石去除氨氮。本發明還公開了一種用于實現上述工藝的裝置。本發明不僅降低了高濃度氨氮對厭氧發酵反應的抑制，提高了系統的產氣速率；而且，置換下來的吸附有高濃度氨氮的沸石還可以用于土壤改良劑。
文檔編號C12P5/02GK102559770SQ20111040008
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月5日 優先權日2011年12月5日
發明者萬書明, 呂丹丹, 夏訓峰, 席北斗, 牛永超, 祝超偉, 管偉雄, 趙穎 申請人:中國環境科學研究院