[发明专利]一种分步加热的沼气发酵方法

说明书

技术领域

本发明涉及再生能源和环境工程技术领域，具体的说是涉及一种分步加热的沼气发酵方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断升高，但随之而来的各种废弃物也不断增加，如工业废水、建筑垃圾、猪场废水、作物秸秆、人畜家禽粪便等等，这些垃圾废弃物不但给环境带来了极大压力，而且也加大了处理成本。但是另一方面，部分垃圾废弃物如餐厨垃圾、作物秸秆、人畜家禽粪便、猪场废水等的有机物含量较高，能够利用生物方法对其进行资源化处理，以达到资源同收、变废为宝的目的、而厌氧消化技术就是一种应用较普遍的生物处理方法。

厌氧消化是指有机物质被微生物菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程，人们常称之为沼气发酵或厌氧发酵。利用沼气发酵不仅能够获得沼气能源，而且这些废弃物被发酵后能够获得高质量的有机肥料和土壤改良剂。

可用于沼气发酵的废弃物绝大多数为常温，只能采用常温沼气发酵工艺进行厌氧消化，这种方法处理负荷低，沼气产量低，尤其是冬季几乎不产沼气。因此，对于不具备温度条件的常温废弃物进行沼气发酵处理时，往往需要加热，以保证沼气发酵效率和冬季正常产气。加热的热源主要有沼气发电余热、沼气燃烧热量、太阳能或者其它热源。现有的加热方式都是对所有废水原料或者其厌氧消化装置进行加热，这种加热方式需要消耗大量的热量来升温，并且升温效果不是很理想，尤其对于浓度不是很高的有机废水更是如此。以猪场废水的沼气发酵为例，在发酵装置保温性能良好的条件下，将猪场废水沼气发酵产生的所有沼气燃烧用于发酵料液升温，才能使其温度升高20℃。如果采用沼气发电余热（大约占产生的沼气的总能量的30-40%）对发酵料液进行升温，温度只能升高6℃左右，仍然很难保证冬季正常产气。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分步加热的沼气发酵方法，使得该发酵方法能够提高沼气发酵的加热效率，进而促进沼气发酵效率提升。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分步加热的沼气发酵方法，将沼气接种物分别接种于第一发酵装置和第二发酵装置中，然后将占发酵原料总重10-40%的第一部分发酵原料送入第一发酵装置，加热第一发酵装置至25-35℃，厌氧发酵2-8天；

将剩余发酵原料送入第二发酵装置，第一部分发酵原料发酵后的出料也进入第二发酵装置，与剩余的发酵原料直接混合换热，继续厌氧发酵4-15天。

其中，所述沼气接种物的接种量优选为发酵装置总容积的10-30%，所述发酵原料的COD优选为2000-20000mg/L，更优选为6000mg/L。

针对现有沼气发酵的加热方式的缺陷，本发明将发酵原料分成两部分，第一部分占发酵原料总重的10-40%，另一部为剩余的发酵原料，占发酵原料总重的60-90%。首先对第一部分发酵原料进行加热，使其在25-35℃条件下高效发酵，绝大部分有机物被降解转化成沼气，产生沼气后的这部分发酵原料与剩余发酵原料（发酵原料总重的60~90%）混合，直接进行换热，升高剩余部分发酵原料的温度，剩余部分发酵原料的升温效果与现有直接加热全部发酵原料的升温效果近乎相同。通过分开加热，一部分发酵原料可以更高效率转化生产沼气，加热效率比直接加热全部发酵原料进行沼气发酵的现有方法显著提高。

以下通过理论推导证明本发明所述发酵方法的加热效率优于现有发酵方法的加热方式：

在沼气发酵过程中，微生物降解有机物可以由式1描述（Metcalf&Eddy,2003）：

rsu=dSdt=-kSX]]>（式1）

式1中，r_su为有机物降解速率，g/m³·d；k为有机物降解速率常数，g（有机物）/g（微生物）·d；X为反应器中微生物浓度，g/m³；S为有机物浓度，g/m³。

有机物降解速率常数k反映微生物降解有机物生成沼气的活性，受温度的影响很大，k与温度的关系可以用式2描述：

k₂=k₁θ^（T1-T2）（式2）