本發明涉及有機廢棄物厭氧發酵產甲烷技術領域，特別是一種智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統及工藝。

背景技術：

隨著一次石化能源的日漸枯竭，可再生能源的開發與利用成為世界各國研究的熱點。利用厭氧發酵技術將各類有機廢物，如畜禽糞便、生活垃圾、污水污泥及農產品加工廢物等轉化為生物燃氣甲烷，不僅可以改善生態環境，而且對于國家能源安全和補充能源供應均具有重要意義。我國沼氣能源的開發應用經歷了戶用模式、中小型沼氣工程和大型沼氣工程的發展階段，在我國南方取得了良好的產業化應用效果。然而，在我國北方寒冷地區，各種沼氣應用技術受低溫影響，致使厭氧發酵系統運行不穩定，產氣率低，極大制約了其推廣與應用。

高寒地區沼氣發酵系統難以穩定運行，根本原因是低溫或溫度震蕩導致沼氣發酵微生物代謝能力降低，尤其厭氧發酵裝置仍依靠傳統工程經驗設計與運行，結構簡單、管理粗放，未能提供適宜的厭氧消化微環境。為克服上述問題，近年來開發了一系列保溫發酵罐、輔助增溫設備，以及多種嗜低溫厭氧菌、沼氣發酵促進劑等技術措施，但仍存在沼氣工程冬季運行與工藝調控上無法保障高效穩定的沼氣產率的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種解決上述低溫狀態下沼氣產率低且產率不穩定的問題的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統及工藝，結構設計合理、操作簡單，基于生物相分離技術，準確控制系統進、出料有機負荷、溫度、機械攪拌及沼液回流負荷等運行參數，實現有機廢棄物低溫高效沼氣的制備。

本發明的技術方案是：

一種智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，包括水解酸化相發酵裝置、產甲烷相發酵裝置和PLC智能控制器，其特征在于：所述水解酸化相發酵裝置和產甲烷相發酵裝置之間設置酸化物料儲存固液分離裝置，所述酸化物料儲存固液分離裝置下部設有酸化液進料口，上部設有酸化液出料口，底部設有殘渣出料口，所述酸化液進料口與水解酸化相發酵裝置的出料口之間設有連接管路并在該連接管路上設有酸化液進料泵，所述殘渣出料口與水解酸化相發酵裝置的進料口之間設有連接管路并在該連接管路上設有殘渣回流泵，所述酸化液出料口與產甲烷相發酵裝置的進料口之間設有連接管路并在該連接管路上設有產甲烷相進料泵，所述水解酸化相發酵裝置、酸化物料儲存固液分離裝置和產甲烷相發酵裝置頂部均設有出氣口，所述出氣口利用管線與集氣罐連接，所述集氣罐另連接氣體流量計。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述水解酸化相發酵裝置、酸化物料儲存固液分離裝置與產甲烷相發酵裝置的體積比為2-4：1：1。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述水解酸化相發酵裝置采用雙層螺旋連續攪拌釜式裝置，其底部設有進料口且該進料口采用三通電磁閥，除與水解酸化相發酵裝置直接相連的端口外，其中一個進料端口外側利用管線連接有機廢棄物進料泵，另一個進料端口外側與所述殘渣回流泵所在連接管路相連，所述PLC智能控制器通過控制有機廢棄物進料泵和殘渣回流泵調整進料負荷與沉渣回料負荷，所述水解酸化相發酵裝置的上部設有出料口，所述水解酸化相發酵裝置內部設置雙層螺旋電動攪拌器、熱電偶加熱器、溫度傳感器、pH計及氧化還原電位計。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述產甲烷相發酵裝置的徑高比為1：5-8，底部設有進料口且該進料口采用三通電磁閥，除與產甲烷相發酵裝置直接相連的端口外，其中一個端口作為進料端口與產甲烷相進料泵所在連接管路相連，另一個作為出料端口利用管線連接沼液循環泵，所述產甲烷相發酵裝置的上部設有沼液回流口，所述沼液回流口內側連接回流分散器，外側與所述沼液循環泵的出口管線相連，所述PLC智能控制器通過控制產甲烷相進料泵和沼液循環泵調整進料負荷與沼液回流量，所述產甲烷相發酵裝置內部對應回流分散器下方位置設有可拆分的載體承托裝置，所述產甲烷相發酵裝置內另設有pH計及氧化還原電位計。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述回流分散器為倒置漏斗狀，底面均勻設置多孔圓形沼液噴淋口，直徑為產甲烷相發酵裝置直徑的3/5-4/5。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述可拆分的載體承托裝置位于距產甲烷相發酵裝置頂部的2/3處，承托的載體高度為產甲烷相發酵裝置高度的1/5-1/3，所述可拆分的載體承托裝置的上、下底面均勻設置多個通孔，用于固定軟質填料。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述水解酸化相發酵裝置的雙層螺旋電動攪拌器的上、下兩層攪拌槳位于距水解酸化相發酵裝置頂部的1/3與2/3處，所述攪拌槳由等間隙平行柵條組成，攪拌頻次由PLC智能控制器自動控制。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述水解酸化相發酵裝置的外部設有聚氨酯保溫層，厚度為2-5cm。

上述的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，所述水解酸化相發酵裝置和產甲烷相發酵裝置分別設有多個高度不同的取樣口。

一種智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵工藝，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、先將單一有機廢物發酵原料或多種有機廢物混合發酵原料中混入的沙粒分離出去，再與粉碎后的秸稈混合，最后調整混合物料的總固體濃度(TS％)為6％-12％、碳氮比(C/N)為20-30：1；向水解酸化相發酵裝置中投入酸化相接種物，所述酸化相接種物為中溫發酵沼氣池沼液，接入量為水解酸化相發酵裝置總容積的30％，然后將混合物料泵入到水解酸化相發酵裝置中至設定容量；通過酸堿中和原理調整混合物料的初始pH值在7.0-7.5之間，并加熱混合物料至30-35℃后啟動連續發酵運行模式，水解酸化相發酵裝置定時定量排放酸化物料至儲存固液分離裝置，同時補入與排放物料等量的新鮮混合物料，在此過程中，進料負荷為0.5-1.0kgVS/m³d，物料停留時間為35-40天，利用攪拌器每3h以120-150rpm/min攪拌8-10min；

步驟2、當水解酸化相發酵裝置中混合物料pH值降至6.5以下，同時通過取樣測定短鏈揮發性脂肪酸以乙酸和丁酸為主要末端液相發酵產物時，由PLC智能控制器反饋pH值變化，提高進料負荷至2.0-2.5kgVS/m³d，物料停留時間縮短至25-30天，攪拌器每3h以120-150rpm/min攪拌8-10min；

步驟3、酸化物料的儲存固液分離裝置將分離出的酸化液以連續進料的方式泵入產甲烷相發酵裝置，進料負荷為1.5-2.5kgVS/m³d，產甲烷接種物取自城市污水處理廠厭氧反應器中的厭氧顆粒污泥，保持產甲烷相發酵裝置中發酵溫度不低于25℃，物料停留時間25-30天，物料回流比為30％～50％，水解酸化相發酵裝置、酸化物料的儲存固液分離裝置和產甲烷相發酵裝置產生的沼氣分別收集于集氣罐。

本發明的有益效果是：本發明系統結構設計合理，工藝操作簡單，分別提供水解產酸細菌和產甲烷菌各自適宜代謝的生態條件，強化了產甲烷效能；對各類有機固體廢物適應能力強，有效解決物料水解產酸過程結殼，以及有效緩解揮發酸或氨的積累對甲烷過程的抑制作用，通過PLC智能控制器可準確控制進、出料負荷，沼液回流量，水解產酸相溫度與攪拌強度等工藝參數，顯著提高了產甲烷相低溫沼氣轉化效率與運行穩定性，實現有機廢棄物低溫高效沼氣的制備。

附圖說明

圖1是本發明的沼氣發酵系統的結構示意圖。

圖2是本發明以牛糞為發酵底物的水解酸化相發酵裝置的揮發性脂肪酸變化示意圖。

圖中：1.水解酸化相發酵裝置、2.進料口、3.pH計、4.氧化還原電位計、5.雙層螺旋電動攪拌器、6.攪拌槳、7.熱電偶加熱器、8.機廢棄物進料泵、9.取樣口、10.出料口、11.出氣口、12.集氣罐、13.氣體流量計、14.PLC智能控制器、15.殘渣回流泵、16.酸化液進料泵、17.儲存固液分離裝置、18.酸化液進料口、19.殘渣出料口、20.出氣口、21.集氣罐、22.氣體流量計、23.酸化液出料口、24.產甲烷相進料泵、25.進料口、26.pH計、27.氧化還原電位計、28.產甲烷相發酵裝置、29.出氣口、30.沼液回流口、31.回流分散器、32.載體承托裝置、33.取樣口、34.沼液循環泵、35.集氣罐、36.氣體流量計。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，該智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，由水解酸化相發酵裝置1、產甲烷相發酵裝置28、連接于水解酸化相發酵裝置1和產甲烷相發酵裝置28之間的酸化物料儲存固液分離裝置17以及PLC智能控制器14組成。所述水解酸化相發酵裝置1、酸化物料儲存固液分離裝置17與產甲烷相發酵裝置28的體積比為4：1：1。

其中，所述酸化物料儲存固液分離裝置17下部設有酸化液進料口18，上部設有酸化液出料口23，頂部設有出氣口20，底部設有殘渣出料口19。所述酸化液進料口18與水解酸化相發酵裝置1的出料口10之間設有連接管路并在該連接管路上設有酸化液進料泵16，所述殘渣出料口19與水解酸化相發酵裝置1的進料口2之間設有連接管路并在該連接管路上設有殘渣回流泵15，所述酸化液出料口23與產甲烷相發酵裝置28的進料口25之間設有連接管路并在該連接管路上設有產甲烷相進料泵24。所述出氣口20利用管線與集氣罐21連接，所述集氣罐21另連接氣體流量計22。

所述水解酸化相發酵裝置1采用雙層螺旋連續攪拌釜式裝置，其底部設有進料口2且該進料口2采用三通電磁閥，除與水解酸化相發酵裝置1直接相連的端口外，其中一個進料端口外側利用管線連接有機廢棄物進料泵8，另一個進料端口外側與所述殘渣回流泵15所在連接管路相連，所述PLC智能控制器14通過控制有機廢棄物進料泵8和殘渣回流泵15調整進料負荷與沉渣回料負荷。所述水解酸化相發酵裝置1的上部設有出料口10，所述水解酸化相發酵裝置1內部設置雙層螺旋電動攪拌器5、熱電偶加熱器7、溫度傳感器、pH計3及氧化還原電位計4，頂部設有出氣口11且出氣口11利用管線連接集氣罐12，集氣罐12另連接有氣體流量計13。所述雙層螺旋電動攪拌器5的上、下兩層攪拌槳6位于距水解酸化相發酵裝置1頂部的1/3與2/3處，所述攪拌槳6由等間隙平行柵條組成，攪拌頻次由PLC智能控制器14自動控制。所述水解酸化相發酵裝置1的外部設有聚氨酯保溫層，厚度為2cm。

所述產甲烷相發酵裝置28的徑高比為1：5，底部設有進料口25且該進料口25采用三通電磁閥，除與產甲烷相發酵裝置28直接相連的端口外，其中一個端口作為進料端口與產甲烷相進料泵24所在連接管路相連，另一個作為出料端口利用管線連接沼液循環泵34，所述產甲烷相發酵裝置28的上部設有沼液回流口30，所述沼液回流口30內側連接回流分散器31，所述回流分散器31為倒置漏斗狀，底面均勻設置多孔圓形沼液噴淋口，直徑為產甲烷相發酵裝置28直徑的3/5。所述沼液回流口30外側與所述沼液循環泵34的出口管線相連，所述PLC智能控制器14通過控制產甲烷相進料泵24和沼液循環泵34調整進料負荷與沼液回流量。所述產甲烷相發酵裝置28內部對應回流分散器31下方位置設有可拆分的載體承托裝置32，所述可拆分的載體承托裝置32位于距產甲烷相發酵裝置28頂部的2/3處，承托的載體高度為產甲烷相發酵裝置28高度的1/5，所述可拆分的載體承托裝置32的上、下底面均勻設置多個通孔，用于固定軟質填料。所述產甲烷相發酵裝置28頂部設有出氣口29且出氣口29利用管線連接集氣罐35，集氣罐35另連接有氣體流量計36，所述產甲烷相發酵裝置28內另設有pH計26及氧化還原電位計27。所述水解酸化相發酵裝置1和產甲烷相發酵裝置28分別設有多個高度不同的取樣口9、33。

利用上述系統的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵工藝，包括如下步驟：

步驟1、先將牛糞中混入的沙粒分離出去，再與粉碎后的秸稈混合，最后加水調整混合物料的總固體濃度(TS％)為6％、碳氮比(C/N)為20：1。向水解酸化相發酵裝置1中投入酸化相接種物，所述酸化相接種物為35℃的中溫發酵沼氣池沼液，接入量為水解酸化相發酵裝置總容積的30％，然后將混合物料通過有機廢棄物進料泵8泵入到水解酸化相發酵裝置1中至設定容量。通過酸堿中和原理調整混合物料的初始pH值至7.0，并加熱混合物料至35℃后啟動連續發酵運行模式，水解酸化相發酵裝置1定時定量排放酸化物料至儲存固液分離裝置17，同時補入與排放物料等量的牛糞和粉碎后的秸稈混合物料，在此過程中，進料負荷為0.5kgVS/m³d，物料停留時間為40天，利用攪拌器每3h以120rpm/min攪拌8min。

步驟2、當水解酸化相發酵裝置1中混合物料pH值降至6.5以下，同時通過取樣口9取樣測定短鏈揮發性脂肪酸以乙酸和丁酸為主要末端液相發酵產物時(參見圖2)，由PLC智能控制器14反饋pH值變化，提高進料負荷至2.0kgVS/m³d，物料停留時間縮短至30天，攪拌器每3h以120rpm/min攪拌8min。

步驟3、酸化物料的儲存固液分離裝置17將分離出的酸化液以連續進料的方式通過產甲烷相進料泵24泵入產甲烷相發酵裝置28，進料負荷為1.5kgVS/m³d，產甲烷接種物取自城市污水處理廠厭氧反應器中的厭氧顆粒污泥，保持產甲烷相發酵裝置28中發酵溫度不低于25℃，物料停留時間25天，物料回流比為30％，水解酸化相發酵裝置1、酸化物料的儲存固液分離裝置17和產甲烷相發酵裝置28產生的沼氣分別收集于對應的集氣罐并通過氣體流量計計量。

實施例2

該智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，水解酸化相發酵裝置1、酸化物料儲存固液分離裝置17與產甲烷相發酵裝置28的體積比為4：1：1。述產甲烷相發酵裝置28的徑高比為1：8，所述產甲烷相發酵裝置28內的可拆分的載體承托裝置32位于距產甲烷相發酵裝置28頂部的2/3處，承托的載體高度為產甲烷相發酵裝置28高度的1/3。其他同實施例1。

利用上述系統的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵工藝，包括如下步驟：

步驟1、先將豬糞和污水污泥中混入的沙粒分離出去，再與粉碎后的秸稈混合，最后加水調整混合物料的總固體濃度(TS％)為10％、碳氮比(C/N)為25：1。向水解酸化相發酵裝置1中投入酸化相接種物，所述酸化相接種物為30℃的中溫發酵沼氣池沼液，接入量為水解酸化相發酵裝置1總容積的30％，然后將混合物料通過有機廢棄物進料泵8泵入到水解酸化相發酵裝置1中至設定容量。通過酸堿中和原理調整混合物料的初始pH值至7.2，并加熱混合物料至30℃后啟動連續發酵運行模式，水解酸化相發酵裝置1定時定量排放酸化物料至儲存固液分離裝置17，同時補入與排放物料等量的豬糞、污水污泥和粉碎后的秸稈混合物料，在此過程中，進料負荷為0.8kgVS/m³d，物料停留時間為35天，利用攪拌器每3h以140rpm/min攪拌9min。殘渣回流泵15將部分沉渣泵入水解酸化相發酵裝置1中。

步驟2、當水解酸化相發酵裝置1中混合物料pH值降至6.5以下，同時通過取樣口9取樣測定短鏈揮發性脂肪酸以乙酸和丁酸為主要末端液相發酵產物時，由PLC智能控制器14反饋pH值變化，提高進料負荷至2.3kgVS/m³d，物料停留時間縮短至25天，攪拌器每3h以140rpm/min攪拌9min。

步驟3、酸化物料的儲存固液分離裝置17將分離出的酸化液以連續進料的方式通過產甲烷相進料泵24泵入產甲烷相發酵裝置28，進料負荷為2kgVS/m³d，產甲烷接種物取自城市污水處理廠厭氧反應器中的厭氧顆粒污泥，保持產甲烷相發酵裝置28中發酵溫度不低于25℃，物料停留時間28天，物料回流比為40％，水解酸化相發酵裝置1、酸化物料的儲存固液分離裝置17和產甲烷相發酵裝置28產生的沼氣分別收集于對應的集氣罐并通過氣體流量計計量。

實施例3

該智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵系統，水解酸化相發酵裝置1、酸化物料儲存固液分離裝置17與產甲烷相發酵裝置28的體積比為3：1：1。所述產甲烷相發酵裝置28的徑高比為1：6，回流分散器31的直徑為產甲烷相發酵裝置28直徑的4/5，可拆分的載體承托裝置32位于距產甲烷相發酵裝置28頂部的2/3處，承托的載體高度為產甲烷相發酵裝置28高度的1/4。其他同實施例1。

利用上述系統的智能控制兩相厭氧生物膜沼氣發酵工藝，包括如下步驟：

步驟1、先將雞糞中混入的沙粒分離出去，再與粉碎后的秸稈混合，最后調整混合物料的總固體濃度(TS％)為12％、碳氮比(C/N)為30：1。向水解酸化相發酵裝置1中投入酸化相接種物，所述酸化相接種物為中溫發酵沼氣池沼液，接入量為水解酸化相發酵裝置1總容積的30％，然后將混合物料泵入到水解酸化相發酵裝置1中至設定容量。通過酸堿中和原理調整混合物料的初始pH值至7.5，并加熱混合物料至33℃后啟動連續發酵運行模式，水解酸化相發酵裝置1定時定量排放酸化物料至儲存固液分離裝置17，同時補入與排放物料等量的新鮮混合物料，在此過程中，進料負荷為1.0kgVS/m³d，物料停留時間為38天，利用攪拌器每3h以150rpm/min攪拌10min。

步驟2、當水解酸化相發酵裝置1中混合物料pH值降至6.5以下，同時通過取樣測定短鏈揮發性脂肪酸以乙酸和丁酸為主要末端液相發酵產物時，由PLC智能控制器14反饋pH值變化，提高進料負荷至2.5kgVS/m³d，物料停留時間縮短至28天，攪拌器每3h以150rpm/min攪拌10min。

步驟3、酸化物料的儲存固液分離裝置17將分離出的酸化液以連續進料的方式泵入產甲烷相發酵裝置28，進料負荷為2.5kgVS/m³d，產甲烷接種物取自城市污水處理廠厭氧反應器中的厭氧顆粒污泥，保持產甲烷相發酵裝置28中發酵溫度不低于25℃，物料停留時間30天，物料回流比為50％，水解酸化相發酵裝置1、酸化物料的儲存固液分離裝置17和產甲烷相發酵裝置28產生的沼氣分別收集于對應的集氣罐并通過氣體流量計計量。