一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置和方法与流程

本发明涉及废弃物生物发酵技术，具体涉及一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置和方法，属于生物发酵技术领域。

背景技术：

醋糟是利用粮食原料生产食醋过程中排放的有机废弃物，近年来，随着国家制醋行业的大力发展，每年生产排放的醋糟达300万吨，具有酸性大(乙酸含量36000mg/kg)、粗纤维素含量高(25.78％(干基))、粗蛋白质含量低(12.79％(干基))、难分解等特点。上述特点使得目前的醋糟处理方式均存在一些问题，例如，小部分醋糟用作动物饲料和食用菌栽培料，作为饲料烘干成本高；食用菌栽培料消耗量少，不能从实质上解决问题；大部分醋糟被废弃，长期以来，填埋是其主要的处理方式，而较高的有机质含量导致在填埋过程中产生大量酸水渗漏污染地下水和土壤圈的渗滤液以及产生无序排放的温室气体甲烷。有效的处理醋糟，减少环境的污染，实现醋糟的资源化利用，是近年来解决制醋行业废弃物的重要途径。

厌氧发酵是国内外近年来研究的新领域，能够在降解有机物质的同时生成氢气、甲烷等生物质能气体，是改善环境、废弃物资源化利用的有效途径之一。醋糟本身最大的特点是蛋白质含量较低、粗纤维含量较高、乙酸含量丰富。厌氧消化包含4个过程：胞外水解、产酸、产乙酸和产甲烷，传统的单相厌氧消化只能处理较低的发酵原料浓度(低于20％)，醋糟的糟渣不易分解且乙酸含量丰富，单相厌氧消化产甲烷过程在一个反应器中进行容易造成醋糟结壳上浮，系统易酸化，致使醋糟沼气发酵的稳定性及产气效率较低。

醋糟原料是属于有机酸含量较高的原料，整个厌氧消化过程产甲烷过程是限速步骤，导致醋糟进行单相连续厌氧消化处理时容易产生有机酸抑制，延滞期较大。为了避免有机酸抑制，传统的单相厌氧消化只能在较低的负荷下低产运行。因此，开发无抑制高效厌氧消化产沼气装置和工艺成为高含量有机酸的醋糟资源化处理的关键。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置和方法，能够有效利用醋糟原料丰富的有机酸，有利于醋糟沼气工程技术的推广应用、减少环境污染。

本发明提供一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置，该装置主要包括：固态发酵罐2，高温蒸煮器4，填料反应器6，沼气净化器9，固液分离机11、蓄水池；

所述固态发酵罐2下端放置有固体渗滤床3，底部有排渣口16，并且底端连接蓄水池A 5一端，固态发酵罐2内部上端固定安装有喷淋头1，与蓄水池B 8一端相连，顶端有沼气出口与沼气净化器9连通，循环管路17分别连接固态发酵罐2底端和上端，形成循环通道；

所述填料反应器6底端与蓄水池A 5另一端相连，填料反应器6中部之上的位置装有纤维填料7，纤维填料7可附着产甲烷菌，填料反应器6上端液体出口连接蓄水池B 8，且填料反应器6上端液体出口位于纤维填料7之上，填料反应器6顶部有沼气出口与沼气净化器9连通，填料反应器6外壁有一层保温层，增温盘管12与该保温层连通，填料反应器6上端与固液分离机11一端相连，填料反应器6底端设置有卸料口15；

高温蒸煮器4、固态发酵罐2和填料反应器6与换热装置10相连，换热装置10为高温蒸煮器4和填料反应器6提供热量。换热装置10也可以接收高温蒸煮器4和固态发酵罐2中的余热。

进一步的，所述高温蒸煮器4通过第一泥-水换热器13与换热装置10相连，固态发酵罐2通过第二泥-水换热器14与换热装置10相连，填料反应器6通过增温盘管12与换热装置10相连。

进一步的，所述装置还包括一锅炉18，可将固液分离后的沼渣移送至锅炉18中进行烘干和燃烧；锅炉18顶端烟气出口与换热器10相连，锅炉18燃烧后形成高温蒸汽储存于所述换热器10中用于高温水热处理。

本发明还提供了一种利用上述装置进行醋糟固液分相厌氧消化产沼气的方法，该方法主要包括如下步骤：

(1)在固态发酵罐2中将醋糟进行喷淋水洗，固态发酵罐采用固体渗滤床，醋糟装填于渗滤床的渗滤填料上面，渗滤填料下有多孔板，来自于喷淋头的水对醋糟进行淋洒水洗，水洗分离可溶性的糖类和乙酸，并经过渗滤填料和多孔板形成渗滤液贮于蓄水池A 5中；

(2)喷淋水洗过滤后的醋糟转移至高温蒸煮器4进行高温水热处理，醋糟中一定数量的粗纤维分解为小分子的糖类；

(3)步骤(1)中的渗滤液从蓄水池A 5被泵入填料反应器6进行中温厌氧发酵，蓄水池A和填料反应器底部通过泵及管道连通；填料反应器中部之上有纤维填料7，纤维填料能很好的附着产甲烷菌，渗滤液经过产甲烷菌的消耗分解，产生甲烷和二氧化碳，溢出液从填料反应器上端出口流出储蓄在另一蓄水罐B 8中，留二次醋糟水洗使用，实现用水的反应内循环；产生的甲烷和二氧化碳从填料反应器的上出口经沼气净化器9净化后进行沼气利用；

(4)高温水热处理后醋糟再转移至固态发酵罐2中进行高温固态发酵；高温固态发酵产生的沼气通过固态发酵罐2顶端的出口通入沼气净化器9净化后实现沼气利用；高温固态发酵剩余物转移至固液分离机11进行固液分离得到沼液和沼渣，沼液回流通入所述填料反应器6进行中温厌氧发酵产沼气，消耗分解后溢出液从填料反应器上端出口流出储蓄在另一蓄水池B 8中，留二次醋糟水洗使用，实现用水的反应内循环，沼气从填料反应器6顶端进入沼气净化器9。

进一步的，通过换热装置10回收高温水热处理和高温固态发酵后的余热并为步骤(3)的中温厌氧发酵调质增温；所述回收步骤为：通过第一泥-水换热器13回收从高温蒸煮器4内排出的物料的热量和通过第二泥-水换热器14回收从所述固态发酵罐2内排出的发酵剩余物的热量，形成热水储存于所述换热器10中，并将该热水经增温盘管12流入中温厌氧发酵罐6外壁的保温层中为中温厌氧消化增温保温。

进一步的，将高温固态发酵过程产生的渗滤液自循环，将含有微生物的渗滤液与固态发酵罐2中的醋糟混合，促进菌种与原料的传质、传热和生化反应的发生。

进一步的，将固液分离形成的沼渣移至锅炉18烘干并进行燃烧，将产生的高温蒸汽和高温烟气通过换热装置10回收用于所述步骤(2)的高温水热处理，部分燃烧高温烟气热量可用于沼渣烘干使用。所述回收步骤为：通过锅炉18对高温固态发酵剩余物中的沼渣烘干并进行燃烧，高温烟气带走沼渣中的水分形成高温蒸汽储存于所述换热器10中，高温蒸汽用于上述步骤(2)高温水热处理，部分燃烧高温烟气热量用于烘干使用，燃烧的灰分用作草木灰肥。

进一步的，所述步骤(1)中按照液-固比为6-12mL/g进行喷淋水洗，将乙酸和可溶性糖类进行溶解分离。

进一步的，所述步骤(2)中的高温水热处理的温度为120-160℃，水热处理的时间为30分钟，温度优选为120℃。

进一步的，所述步骤(3)的中温厌氧发酵的温度为35-38℃，水力停留时间为1-2天。

进一步的，所述步骤(4)的高温固态发酵的温度为50-55℃，物料停留时间为15-20天。

所述产甲烷菌包括但不限于甲烷微球菌属(methanimicrococcus)、甲烷类球菌属(methanococcoides)、甲烷盐菌属(methanohalobium)、盐甲烷球菌属(halomethanococcus)、甲烷胞菌属(methanocella)、甲烷绳菌属(methanolinea)、甲烷砾菌属(methanocalculus)、甲烷螺菌属(methanospirillum)、甲烷粒菌属(methanocorpusculum)等，可将所述菌属单独使用或是采用混合菌属。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下优点：

(1)采用固液分相进行厌氧消化，同时又实现热循环与水循环，节约能源；

(2)利用固态发酵罐的喷淋水洗，可将厌氧发酵易利用的可溶性糖类和乙酸水洗分离；

(3)先进行水洗分离再进行水热处理工艺避免了因直接对原料进行水热处理所产生的抑制物出现，且提高了水热处理的效率。此时进行水热处理，水蒸汽可以直接作用于真正难降解的纤维素和木质素从而提高木质纤维结构的破坏程度。

(4)将高温水热处理醋糟和高温固态发酵剩余物余热综合利用与中温厌氧发酵相结合，降低了系统的综合能耗，提高了系统热利用效率。

该装置和工艺方法不仅能够实现醋糟固液分相厌氧消化，还结合醋糟有机酸含量丰富易水洗分离等特点，发酵过程中无需添加其他原料，实现水热循环，节约成本，因此突破了传统醋糟厌氧发酵的技术，提高了产沼气的能力。

附图说明

图1是本发明一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置图；

图2是本发明一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的方法流程图。

附图标记：

1.喷淋头，2.固态发酵罐，3.固体渗滤床，4.高温蒸煮器，5.蓄水池A，6.填料反应器，7.纤维填料，8.蓄水池B，9.沼气净化器，10.换热装置，11.固液分离机，12.增温盘管，13.第一泥-水换热器，14.第二泥-水换热器，15.卸料口，16.排渣口，17.循环管路，18.锅炉。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1

如图1所示，一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置，主要包括固态发酵罐2，高温蒸煮器4，填料反应器6，沼气净化器9，固液分离机11和蓄水池5、8；所述固态发酵罐2底端连接蓄水池A 5一端，固态发酵罐2内部上端固定安装有喷淋头1，下端放置有固体渗滤床3；蓄水池A 5另一端与填料反应器6底端相连，填料反应器6的位置装有纤维填料7，纤维填料7上附着有产甲烷菌，填料反应器6上端液体出口连接蓄水池B 8，所述填料反应器6上端液体出口位于纤维填料7之上；蓄水池B 8另一端与固态发酵罐2内喷淋头1相连；高温蒸煮器4、固态发酵罐2和填料反应器6与换热装置10相连，其中，高温蒸煮器4通过第一泥-水换热器13与换热装置10相连，固态发酵罐2通过第二泥-水换热器14与换热装置10相连，填料反应器6通过增温盘管12与换热装置10相连；固液分离机11一端与填料反应器6上端相连，可将固液分离机中的液体泵入填料反应器6内，通过第一泥-水换热器13回收从高温蒸煮器4内排出的物料的热量，通过第二泥-水换热器14回收从所述固态发酵罐2内排出的发酵剩余物的热量，形成热水储存于所述换热器10中，填料反应器6外壁有一层保温层，通过将热水经过增温盘管12流入中温厌氧发酵罐6的保温层为中温厌氧消化增温保温。

上述装置还包括一锅炉18，可将分离后的沼渣移送至锅炉18中进行烘干和燃烧；锅炉18顶端烟气出口与换热器10相连，锅炉18燃烧后形成高温蒸汽储存于所述换热器10中用于高温水热处理。

固态发酵罐2与填料反应器6顶端出口连接沼气净化器9；固态发酵罐2底端出口连接循环管路17，与自身顶端连通；固态发酵罐2底端设置有排渣口16，填料反应器6底端设置有卸料口15。

将上述装置用于醋糟固液分相厌氧消化产沼气的方法流程如图2所示，包括如下步骤：

将醋糟在固态发酵罐2中按照6-12mL/g体积加水进行喷淋水洗，过滤水洗液贮存于蓄水池A 5中，过滤后的水洗醋糟渣转移至高温蒸煮器4中进行30分钟120-160℃高温水热处理后，再转移至固态发酵罐2中进行高温固态发酵，温度为50-55℃，物料停留时间为15-20天；将高温固态发酵过程产生的渗滤液自循环(渗滤液自循环未在图2中画出)，将含有微生物的渗滤液与固态发酵罐2中的醋糟混合，促进菌种与原料的传质、传热和生化反应的发生。

将蓄水池A5中的醋糟水洗液泵入填料反应器6进行中温厌氧发酵，通过设置1-2天水力停留时间控制填料反应器的醋糟水洗液进样量，中温厌氧发酵的温度为35-38℃，填料反应器6的上部为纤维填料7，纤维填料7上附着有产甲烷菌，水洗液经过产甲烷菌消耗分解产生甲烷和二氧化碳；

将填料反应器厌氧消化后的溢出液储蓄在另一蓄水池B 8中，留二次醋糟水洗使用，实现用水的反应内循环；

通过换热装置10回收高温水热处理醋糟与高温固态发酵剩余物余热，依次通过管道连通第一泥-水换热器13、第二泥-水换热器14、填料反应器6的增温盘管12，通过第一泥-水换热器13回收从高温蒸煮器4内排出的高温水热处理物料的热量和通过第二泥-水换热器14回收从所述固态发酵罐2内排出的高温固态发酵剩余物的热量，并转换成热水，将该热水经增温盘管12流入填料反应器6外部的保温层为中温厌氧消化增温保温；

固态发酵罐2中的固态发酵剩余物通过固液分离机11进行固液分离得到的沼液回流通入填料反应器6进行中温厌氧发酵产沼气，沼气从填料反应器6顶端出口进入沼气净化器9进行净化处理；消化后溢出液储蓄在另一蓄水池B 8中，留二次醋糟水洗使用，实现用水的反应内循环；

高温固态发酵剩余物中的沼渣通过锅炉18烘干并进行燃烧，将产生高温蒸汽和高温烟气储存于所述换热装置10中，用于下一批水洗后的醋糟高温水热处理，部分燃烧高温烟气热量用于烘干使用，锅炉燃烧灰渣当做草木灰肥；

将高温固态发酵和中温厌氧发酵产生的甲烷通入沼气净化器9进行净化处理，净化后用于沼气利用。

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

收集醋厂刚刚生产排放的醋糟100kg，醋糟的固体含量(TS)为30.01％，挥发性固体含量(VS)为28.93％，加入500L水通过喷淋器1对醋糟进行喷淋水洗，经渗滤床3过滤水洗液贮存于蓄水池A 5中。

固态发酵罐2中水洗后的醋糟转移至高温蒸煮器4中进行高温水热处理，水热处理的热量(蒸汽)采用来自于其他沼渣烘干和燃烧所产生的高温蒸汽，控制高温水热处理的温度为120℃，水热处理时间为30分钟，通过泥-水换热器13回收高温蒸煮器剩余热量，并以热水形式贮存于换热器10中。

从填料反应器6底部泵入活性接种污泥，活性接种污泥中富含产酸菌和产甲烷菌，待活性接种污泥淹没纤维填料7未达到溢出液排放口可停止加入，放置两天待微生物有效附着；然后通过蠕动泵从蓄水池A 5向填料反应器6添加20L醋糟水洗液，将换热器10中的热水通过增温盘管12泵入填料反应器6的外壁保温层中对填料反应器6中的物料保温增温，增温至35-38℃；将增温后的醋糟水洗液进行中温厌氧发酵，设置水力停留时间2天，填料反应器运行结束后，再次通过蠕动泵从蓄水池A 5向填料反应器6添加20L醋糟水洗液进行中温厌氧发酵，设置水力停留时间2天；只要蓄水池A 5中有水洗液，就一直按此步骤通入填料反应器6进行中温厌氧发酵产生沼气，填料反应器6的溢出液储蓄在蓄水池B 8中，留下一次醋糟水洗使用。

将高温水热处理后的水洗醋糟转移至固态发酵罐2中进行高温固态发酵产生沼气，发酵过程中形成的渗滤液通过循环管路17自循环回固态发酵罐2，将其携带的热量用于维持高温固态发酵所需的温度，对固态发酵罐采用电加热套加热并控制高温固态发酵温度50-55℃，物料停留时间为15天，然后通过第二泥-水换热器14回收从固态发酵罐2内排出的发酵剩余物的热量，形成热水储存于所述换热器10中。经换热后的高温固态发酵剩余物转入固液分离机11进行固液分离，分离为沼液和沼渣，沼液的处理与醋糟水洗液的处理方式一致，即将沼液回流至中温厌氧发酵的填料反应器6发酵产沼气，经过厌氧消化后的溢出液保存于另一蓄水池B 8中，留作下一次醋糟水洗使用；沼渣用锅炉18进行烘干和燃烧，高温烟气带走沼渣中的水分形成高温蒸汽贮存于换热器10中，高温蒸汽用于上述高温水热处理，沼渣燃烧后的灰分用作草木灰肥。

收集中温厌氧发酵和高温固态发酵产生的沼气并在沼气净化器9中进行净化处理后利用。正常运行后，每隔30天，从填料反应器的卸料口15清除部分醋糟水洗液残渣。正常运行后，每隔50天，从固态发酵反应器的排渣口16清除水洗醋糟渗滤液沉淀物。

实施例2

实验组：以高温水热处理后的水洗醋糟和水洗液为原料，采用25L的固态发酵罐2和25L的填料反应器6进行固液分相厌氧发酵，进料之前在填料反应器6中分别加入提前驯化的沼气发酵接种物，并稳定一周，待体系接种物产气基本为零后，分别按照有机负荷1.0g VS/L.d、1.0g COD/L.d进料。测定固态发酵罐2和填料反应器6内的初始pH值均在6.5～8范围内，在第一负荷运行30天内，甲烷含量均在55％～65％范围内，pH值稳定在6.5～8范围内。

在发酵负荷的第二阶段，即第31～60天运行期内以2.0g VS/L.d、2.0g COD/L.d的有机负荷进料，甲烷含量均在55％～65％范围内，pH值仍稳定在6.5～8范围内。

在以上运行期间，池容产甲烷率长期稳定在0.6～1.0L/L.d，没有出现产气量突然骤降或停止产气的现象。

对照组：以原始醋糟为原料，与实验组相比较，采用50L的全混流反应器(CSTR)进行连续负荷试验，进料之前加入提前驯化的沼气发酵接种物，并稳定一周，待体系接种物产气基本为零后，按照与实验组相同的进料负荷方式在1～60天进行加料。测定反应器内的初始pH值在6.5～8范围内，在第一负荷运行30天内，甲烷含量在55％～60％范围内，pH值稳定在6.5～7.5范围内。

在发酵负荷的第二阶段，即第31～60天运行期内以2.0g VS/L.d的有机负荷进料，甲烷含量降低至在50％～60％范围内，pH值降低至在6.5～7.0范围内，产气量也有所降低。

在以上运行期间，池容产甲烷率逐渐降低在0.5～0.8L/L.d，在2.0g VS/L.d的有机负荷运行快结束时，产气量已明显降低。

以上介绍了一种醋糟固液分相厌氧消化产沼气的装置和方法。本发明并不限定于以上实施例。任何未脱离本发明技术方案，即仅仅对其进行本领域普通技术人员所知悉的改进或变更，均属于本发明的保护范围之内。