一种推流式反应器及其利用牛粪产沼气的调控方法技术

一种推流式反应器及其利用牛粪产沼气的调控方法，属于环境保护及生物质能源技术领域。本发明专利技术要解决现有畜禽粪污厌氧发酵技术中能源回收的效率、有机质利用率和甲烷回收率低的技术问题，尤其是处理纤维物质含量高的底物。本发明专利技术的主体反应器内部被沿着长边方向的隔板分成两个反应室，反应室被沿着短边方向的隔板分成十个气室，主体反应器上还设有出气管、取样管、进料口、出料口，及外部设置保温装置。本发明专利技术方法：一、参数调控；二、启动；三、稳定运行。本发明专利技术实现了高固率畜禽粪污、纤维物质及污泥的厌氧消化产沼气，具有无堵塞免维护、结构简单、造价低、效率高、运行稳定、易调控的优点。

A plug flow reactor and its control method for biogas production by cow dung

A plug flow reactor and a method for controlling biogas production by cow dung are provided in the field of environmental protection and biomass energy technology. The present invention is to solve the technical problems of the efficiency of energy recovery, the utilization of organic matter and the low recovery rate of methane in the existing anaerobic fermentation technology of livestock and poultry, especially the substrate for treating the high content of fiber material. The interior of the main reactor of the invention is divided into two reaction chambers along the long side direction, and the reaction chamber is divided into ten air chambers along the short side direction. The main reactor is also provided with a gas outlet, a sampling tube, a feeding port, a feed outlet, and an external thermal insulation device. The method of the invention is: 1. Parameter control; two, start up; three, stable operation. The invention realizes anaerobic digestion and biogas production of high solid rate livestock and poultry manure, fiber material and sludge, and has the advantages of no blockage, no maintenance, simple structure, low cost, high efficiency, stable operation and easy control.

【技术实现步骤摘要】
一种推流式反应器及其利用牛粪产沼气的调控方法
本专利技术属于环境保护及生物质能源
；具体涉及一种推流式反应器及其利用牛粪产沼气的调控方法。
技术介绍
随着我国畜牧业的迅速发展，家畜粪便对生态环境的污染日益严重。如果不能妥善处置家畜粪便，会给大气、水体、土壤带来严重污染，并危及到人类自身健康。另一方面，我国以化石能源为主的能源结构受到了严峻的挑战，迫切需要开发新能源。根据中国石油经济技术研究院发布的数据，2011年中国天然气的对外依存度为26％，并预测到2020年消费量达1850亿m3，对外依存度将高达40％以上。发展生物甲烷是缓解这一局面的有效途径。尽管中国近中期内有年产近900亿m3的甲烷巨大潜力，但目前还远未开发。厌氧发酵被认为是环境友好型的处理技术，它能够将有机固体废弃物诸如畜禽粪便、食品废弃物、市政垃圾、农业废弃物转化为可再生能源—沼气。目前，厌氧发酵技术已被广泛应用于规模化畜禽养殖场废弃物处理，其不仅可以实现废弃物减量、无害化以及减轻温室效应和调节气候变化，而且可以通过富含营养物的终产物利用促进营养物质的循环利用，用以代替部分化学肥料。因此，它已成为解决能源与环境问题的重要技术途径之一。在厌氧发酵技术中，运用厌氧反应器进行的厌氧生物发酵产甲烷工艺是厌氧生物发酵的重要组成部分，具有有机物去除率高、能源回收率高、稳定性好，可同时实现畜禽粪污处理与能源回收等优势，在常规粪污处理与能源回收方面已实现产业化，而不同的反应器构型会影响厌氧消化系统的运行效率。现有畜禽粪污产沼气运行建设成本高，同时产沼气率低，尤其是利用纤维含量高的底物获得产气量更低。专利
技术实现思路
本专利技术要解决现有畜禽粪污产沼气运行建设成本高和能源回收的效率及有机质利用率和甲烷回收率低技术问题，尤其是解决现有利用纤维含量高的底物获得产气量更低的技术问题，提供一种新型反应器及其产沼气的调控方法以及微生物群落结构。本专利技术中一种推流式反应器包括主体反应器2，所述推流式反应器(PFR)的主体反应器2内沿着长边方向垂直于主体反应器2底板设置第一隔板10将主体反应器2分成两个反应室；反应室上部被沿着短边方向设置的第二隔板9均分成多个气室，第二隔板9与第一隔板10垂直设置；每个气室的顶部均布取样管8，取样管8底部伸入主体反应器2，每个取样管8的旁边设置一个出气管11，取样管8的最底端低于第二隔板9的最底端；在主体反应器2的一侧板上并且在第一隔板10的两边分别设置进料口6和出料口5；在第一隔板10上远离进料口6一端的下部设置矩形缺口7；所述主体反应器2外侧设置有保温装置。进一步地限定，所述保温装置是在主体反应器2外侧设置外箱体1，外箱体1与主体反应器2之间形成空腔，空腔内通入循环水；取样管8的出口与出气管11的出气口均穿出外箱体1的顶板；进料口6的进口端和出料口5的出口端均穿出外箱体1的侧壁。进一步地限定，所述矩形缺口7顶部与折流板顶部之间的距离与第二隔板9的高度相等。进一步地限定，第二隔板9的高度是主体反应器2高度的(1/5)～(1/3)。本专利技术所述的推流式反应器实现了底物先进先出、有足够的停留时间，空间相对独立易于分相、便于调控及监测。本专利技术中推流式反应器利用牛粪产沼气的调控方法是按以下步骤实现的：步骤一：将成年泌乳牛舍的新鲜牛粪(即奶牛的新鲜牛粪)配制成总固体含量(totalsolid，TS)为5％～15％的底物；步骤二、启动初期，向主体反应器2按工作体积加入沼液，主体反应器2内的温度控制在36℃～38℃，然后通过进料口将步骤一配置的底物定时定量加入反应器，恒温厌氧发酵，连续运行至沼气产量为20～22L/d且甲烷含量50％～60％(体积百分比)，即反应器启动；步骤三、将进料底物的pH控制在7.0～7.5，温度控制在36.0℃～38.0℃，搅拌均匀，定时定量进料，收集沼气。进一步地限定，步骤一所述的新鲜牛粪放在恒温4℃冰箱中储存备用。进一步地限定，步骤一中每天同一时间进料2公斤，步骤三将进料的COD控制在48000～52000mg/L，pH值控制在7.0～7.5，温度控制在36～38℃，ORP控制在-290～-350。进一步地限定，步骤二所述工作体积是主体反应器2有效容积的80％～100％；步骤二厌氧发酵温度控制在36.0℃～38.0℃。本专利技术的有益效果(1)卫生指标好，物料不会短流，料液在反应器内经过足够时间停留，各类细菌和病原菌基本被杀灭。(2)原料产气率高，由于物料有足够的停留时间，原料的降解消化的彻底，沼气产量高。(3)沼气产率均匀，24小时的产气波动小。(4)反应器空间相对独立，易于分相，前部为产酸相，后部为产甲烷相，为微生物菌群提供了合适的生长环境，提高了原料降解效率；(5)反应器运行过程参数相对更易调控；(6)沼气可分段收集，为后续利用提供了条件。(7)动力消耗小，运行费用低；料液提升高度小，减少了进料泵的扬程和功率；对提高厌氧消化的运行效率、保证过程稳定性都是具有重要意义。本专利技术主要以牛粪作为发酵底物，选用PFR反应器进行厌氧发酵产甲烷性能研究。该研究不仅为畜禽粪污资源化利用，提供一种新型反应模式，提高产沼气量同时提供了新的微生物群落组成。本专利技术实现了高固率畜禽粪污、纤维物质及污泥的厌氧消化产沼气，具有无堵塞免维护、结构简单、造价低、效率高、运行稳定、易调控的优点。附图说明图1是本专利技术推流式反应器结构示意图；图2是图1的A-A剖视图；图3是图2的B-B剖视图；图4是具体实施方式一所述方法产沼气量和甲烷含量图；图5是反应器启动第68d取样细菌目水平微生物组成，其中样品1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分别对应取样孔1、2、3、4、5、6、7、8、9、出料样品；图6是反应器启动第68d取样古菌属水平微生物组成，其中样品1、2、3、4、5、6、7、8、9、10分别对应取样孔1、2、3、4、5、6、7、8、9、出料样品。具体实施方式具体实施方式一：结合图1-3进行说明，本实施方式中一种推流式反应器，由有机玻璃加工而成，包括外箱体1和主体反应器2，所述推流式反应器(PFR)的外箱体1内设置主体反应器2，外箱体1与主体反应器2之间形成空腔，空腔内通入热循环水，外箱体1底部内表面和主体反应器2之间设有支撑板13；主体反应器2长＝1.5m，高＝0.15m，宽＝0.2m；主体反应器2内沿着长边方向垂直于主体反应器2底板设置第一隔板10将主体反应器2分成第一反应室14和第二反应室15；第一反应室14和第二反应室15的上部被沿着短边方向设置的第二隔板9各均分成5个气室，所述第二隔板9与第一隔板10垂直设置；沿着长边方向，第一反应室14和第二反应室15的顶部都均布5个取样管8，取样管8底部伸入主体反应器2，每个取样管8的旁边设置一个出气管11，取样管8的出口与出气管11的出气口均穿出外箱体1的顶板；取样管8的最底端低于第二隔板9的最底端；在主体反应器2的一侧并且在第一隔板10的两边分别设置进料口6和出料口5；进料口6的进口端和出料口5的出口端均穿出外箱体1的侧壁；在第一隔板10上远离进料口6的一端的下部设置矩形缺口7；进一步地限定，所述矩形缺口7顶部与第一隔板10顶部之间的距离与第二隔板9的高度相等＝5cm。进一步地限定，第二隔板9的高度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种推流式反应器，其包括主体反应器(2)，其特征在于所述推流式反应器(PFR)的主体反应器(2)内沿着长边方向垂直于主体反应器(2)底板设置第一隔板(10)将主体反应器(2)分成两个反应室；反应室上部沿着短边方向设置的第二隔板(9)均分成多个气室，第二隔板(9)与第一隔板(10)垂直设置；每个气室的顶部均布取样管(8)，取样管(8)底部伸入主体反应器(2)，每个取样管(8)的旁边设置一个出气管(11)，取样管(8)的最底端低于第二隔板(9)的最底端；在主体反应器(2)的一侧板上并且在第一隔板(10)的两边分别设置进料口(6)和出料口(5)；在第一隔板(10)上远离进料口(6)一端的下部设置矩形缺口(7)；所述主体反应器(2)外侧设置有保温装置。

【技术特征摘要】
1.一种推流式反应器，其包括主体反应器(2)，其特征在于所述推流式反应器(PFR)的主体反应器(2)内沿着长边方向垂直于主体反应器(2)底板设置第一隔板(10)将主体反应器(2)分成两个反应室；反应室上部沿着短边方向设置的第二隔板(9)均分成多个气室，第二隔板(9)与第一隔板(10)垂直设置；每个气室的顶部均布取样管(8)，取样管(8)底部伸入主体反应器(2)，每个取样管(8)的旁边设置一个出气管(11)，取样管(8)的最底端低于第二隔板(9)的最底端；在主体反应器(2)的一侧板上并且在第一隔板(10)的两边分别设置进料口(6)和出料口(5)；在第一隔板(10)上远离进料口(6)一端的下部设置矩形缺口(7)；所述主体反应器(2)外侧设置有保温装置。2.根据权利要求1所述一种推流式反应器，其特征在于所述保温装置是在主体反应器(2)外侧设置外箱体(1)，外箱体(1)与主体反应器(2)之间形成空腔，空腔内通入循环水；取样管(8)的出口与出气管(11)的出气口均穿出外箱体(1)的顶板；进料口(6)的进口端和出料口(5)的出口端均穿出外箱体(1)的侧壁。3.根据权利要求1所述一种推流式反应器，其特征在于所述矩形缺口(7)顶部与第一隔板(10)顶部之间的距离与第二隔板(9)的高度相等。4.根据权利要求1所述一种推流式反应器，其特征在于第二隔板(9)的高度是主体反应器(2)高度的(1/5)～(1/3)。5.如权利要求1-4任意一项权利要求所述推流式反应器利用牛粪产沼气的调控方...

【专利技术属性】
技术研发人员：董丽丽，任南琪，曹广丽，郭宪章，赵磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23