CN107529552A - 电磁强化木质纤维液化‑射流旋流多级能源化的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁强化木质纤维液化‑射流旋流多级能源化的方法及装置，本发明将厌氧发酵过程分为水解、酸化、发酵三个阶段独立进行，通过电磁强化纤维素、半纤维素及木质素水解液化，极大地提升了微生物对纤维素、半纤维素及木质素的降解；三阶段独立进行，充分发挥了各阶段优势菌种，通过三阶段的反应条件控制的有机组合能够厌氧消化获得目标生物质能源；旋流气浮的运用使得原料基质与发酵料液中微生物充分接触，传热传质效果好，并且有效的避免了发酵过程中结壳、氨抑制等现象的产生，极大地提高了生化反应速度，有利于生物质能源的产生；本发明方法简单、装置易制造，适用于高原、高寒等地区城市、农村有机废水等资源化利用。

Description

电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法及装置

技术领域

本发明属于废物资源化生产生物质能源技术领域，具体涉及一种电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法及装置。

背景技术

随着工农业的发展和人类生活水平的提高，人类对煤、石油、天然气等化石能源的需求日益剧增，但随着人类的不断开采，化石能源的枯竭是不可避免的，大部分化石能源本世纪将被开采殆尽。

生物质能属可再生资源，生物质能由于通过植物的光合作用可以再生。利用有机废物厌氧发酵生产生物质能源，不仅能够有效的解决环境污染问题，而且还能够缓解人类对化石能源的需求量，是解决能源与环境问题的有效途径之一。

制约大中型规模化厌氧发酵工程的一个主要因素便是原料受限制。多数情况下，发酵原料用的都是污水、猪粪等，而牛粪、羊粪、植物残枝、造纸厂废水等原料发酵效果却理想。其原因主要是由于自然界当中，大部分生物质原料中含有大量纤维素、半纤维素及木质素，但由于纤维素、半纤维素及木质素稳定且复杂的分子结使其构难以高效降解，成为了制约厌氧发酵生产生物质能源的主要因素。

目前，国内外利用有机废物生产生物质能源最常用的厌氧消化装置为中温全混合式发酵罐。全混合式发酵罐最大的有点即适用于高浓度和含有大量悬浮颗粒物的有机原料。但根据厌氧消化三阶段理论，在厌氧消化的各阶段所需pH、温度等条件以及微生物菌群存在一定的差异，且各阶段所需微生物菌群之间存在有抑制作用，因此全混合式发酵罐一定程度上不能够充分的利用有机原料制取生物质能源。与此同时，在厌氧消化的产气阶段会产生一定量的无机含氮离子，不同无机含氮离子会随浓度的不断升高而抑制体系的产气能力，一定程度上也限制了全混合式发酵技术的发展。

因此需要一种新型厌氧消化制取生物质能源的工艺及装置，在保证纤维素、半纤维素及木质素高效水解的同时，能够充分发挥厌氧消化各阶段优势菌种并解决各阶段微生物菌群间的相互抑制作用，实现有机废物厌氧消化制取生物质能源的最大化利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的厌氧消化制取生物质能源方法中所存在的木质素、纤维素及半纤维素降解率低、发酵罐易结壳和阶段微生物相互抑制等缺点；本发明的目的在于提供一种电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，该方法具有木质素、纤维素及半纤维素降解效率高、分阶段强化微生物菌群优势、过程条件及生物质能源产物可控、操作流程简单等优点；具体包括以下步骤：

预处理水解段：将原料与水解菌剂、pH调节剂混合均匀后，混合物切向送入水解罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 4~5.2、外加电场、磁场作用下进行水解处理，强化原料中纤维素、半纤维素及木质素的降解；水解阶段完成后，在其末端通入高温蒸汽对原料进行杀菌处理；在电磁强化的作用下，水解菌剂在生长繁殖的过程中会释放大量的厌氧菌胞外酶，厌氧菌胞外酶能够将纤维素、半纤维素及木质素等复杂分子结构的有机物分解为简单有机物；

酸化段：预处理水解后的原料与酸化菌剂、pH调节剂混合均匀后，混合物通过射流器并切向送入酸化罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 5.5~7.0下进行酸化；其间原料在通过射流器时，间歇通入高温水蒸汽对原料进行灭菌处理；酸化菌剂在生长繁殖的过程中能够把除乙酸、甲酸、甲醇以外的上阶段产物转化为乙酸、氢气和二氧化碳等；

发酵段：酸化后的原料通过射流器，在通过射流器时，间歇通入高温蒸汽对原料进行灭菌处理；然后酸化后原料与产甲烷菌剂、pH调节剂混合均匀，混合物切向送入发酵罐中在罐体内形成稳定旋流，最后在pH 6.8~7.2进行厌氧发酵，收集发酵沼气、沼液及沼渣；产甲烷菌在生长繁殖过程中能够把前两个阶段所产生的乙酸、氢气及二氧化碳转化为甲烷。

所述原料包含固体和/或液体两种，进入反应工艺前分别做不同预处理：

（1）动物粪便、植物残枝等固体原料：进料前需要进行破碎、混合处理，再通过80~240目细筛网后进入反应工艺；

（2）秸秆滤液、有机废水等液体原料：进料前需要进行搅拌混合，再通过80~240细筛网后进入反应工艺。

本发明方法中各阶段使用的菌剂均为常规市售菌剂；

所述水解菌剂为常规市售能够将纤维素、半纤维素及木质素水解的微生物菌剂，即黄孢原毛平革菌、歧皱青霉、复合菌系MC1、复合菌系WSC-6中的一种或任意比几种，水解菌剂在原料中的接种量为3×10⁹~8×10⁹cfu/mL。

所述酸化菌剂为常规市售的能够将有机物酸化为乙酸的菌剂，即产氢产乙酸菌或同型乙酸菌中的一种或任意比几种，酸化菌剂在原料中的接种量为0.5×10⁹~5×10⁹cfu/mL。

所述产甲烷菌剂为常规市售能够将乙酸分解为甲烷的菌剂，即甲酸甲烷杆菌或巴氏甲烷八叠球菌中的一种或任意比几种，产甲烷菌剂在原料中的接种量为0.5×10⁹~3×10⁹cfu/mL。

所述pH调节剂为柠檬酸、乙酸、碳酸钠中的一种或几种。

所述预处理水解段根据原料的不同，温度35~40℃下停留时间为3~72h；酸化段温度在20~35℃下停留时间为2~48h；发酵段温度在30~35℃下停留时间为12~96h。

所述水解段通过外加电磁场强化水解菌酶对木质素、纤维素及半纤维素的水解：由于微生物具有一定的电、磁活性，通过微电压的加入可以使水解菌酶电子云团发生改变，具有更好的活性，使得催化微生物对纤维素、半纤维素及木质素的降解作用大大提升，与一般的厌氧消化技术相比，为酸化段及发酵段在同等原料情况下提供了更多的可利用原料，进而能够获得更多的生物质能源。

所述步骤（1）中电场电压为0.1~1.5V。

所述步骤（1）中磁场强度为0.1~20T。

所述水解罐、酸化罐及发酵罐中均不设搅拌设备；进料口均采用切向入口，使物料在罐体内部形成稳定的旋流，有效的混合搅拌物料并及时分离罐内气体。

所述混合物切向送入的速度为5~10m/s。

所述旋流气浮技术，在生物制沼气的过程中会有一定量的NH₃产生，NH₃如不及时处理，溶于水将产生大量的NH₄ ⁺，当NH₄ ⁺浓度＞150mg/L时，整个发酵过程将受到严重抑制，进而降低生物制沼气效率。本发明通过旋流气浮技术，使发酵过程中产生的NH₃在离心力及浮力的作用下快速排出，消除了厌氧消化的铵抑制作用，提高了产气效率。

所述旋流气浮技术，由于厌氧消化的过程中会有沼气等气体产生，会使反应器内部有大量气体的扰动，保证了在不外加机械搅拌设备的情况下避免了结壳现象的发生。

所述酸化段中混合物与沼气混合后切向送入酸化罐，发酵段中混合物与沼气混合后切向送入发酵罐，防止发酵罐内结壳。

本发明另一目的是提供一种完成上述方法的设备，其包括包括泵Ⅰ、管道混合器Ⅰ、水解罐、气泵、管道混合器Ⅱ、射流器Ⅰ、酸化罐、管道混合器Ⅲ、射流器Ⅱ、发酵罐、气液分离器、气体收集器；

其中水解罐包括壳体、阴电极、阳电极、磁场发生器、布气管；酸化罐设置在发酵罐上方，导流隔板设置在酸化罐和发酵罐之间，导流隔板为弧形倒漏斗状，酸化罐下部设置有沼渣出口且位于导流隔板上方；

泵Ⅰ通过管道混合器Ⅰ与水解罐上部的切向入口Ⅰ连通，气泵与水解罐底部的布气管连通，阴电极、阳电极设置在水解罐的壳体内，磁场发生装置设置在水解罐的壳体上，阴电极、阳电极分别与电源连接；水解罐顶部的气体出口与气体收集器连接，水解罐底部的出料口通过阀门b与管道混合器Ⅱ连接，管道混合器Ⅱ通过射流器Ⅰ与酸化罐上部的切向入口Ⅱ连通，水解罐底部的出料口通过阀门a与泵Ⅰ连通；发酵罐底端的出口通过阀门c与泵Ⅱ连接，泵Ⅱ通过管道混合器Ⅲ与射流器Ⅱ连接，射流器Ⅱ与发酵罐下部的切向入口Ⅲ连通，气液分离器设置在酸化罐顶端并与其连通，气液分离器通过阀门与气体收集器连接；出口通过阀门d与沼液排出口连接；管道混合器Ⅰ、管道混合器Ⅱ、管道混合器Ⅲ上设置有药剂入口，用于各阶段菌种及pH调节剂的添加；气泵、射流器Ⅰ和射流器Ⅱ分别通过管道与高温水蒸汽发生器连接，气体收集器分别与射流器Ⅰ、射流器Ⅱ连通。

所述磁场发生器为通电螺线圈，其设置在水解罐的壳体内壁或外壁。

所述阴电极为棒状电极，阳电极为设置在阴电极周围的环形网状电极；或阴电极和阳电极为交替分布的板网状电极；或阴电极和阳电极为交替分布的环形网状电极。

所述气液分离器包括连接法兰、气体收集管、气液分离室、气体出口，气液分离室通过连接法兰设置在酸化罐顶部的出口上，气体收集管一端设置在酸化罐内，另一端设置在气液分离室内，气体出口设置在气液分离室顶部并与气体收集器连接。

所述气体收集管设置在酸化罐内一端开口为喇叭状。

配制好的原料经泵Ⅰ、管道混合器Ⅰ由位于水解罐顶部的切向入口Ⅰ进入水解罐，并在水解罐内形成稳定旋流；高温蒸汽经气泵由位于水解罐底部的布气管进入水解罐，对位于水解罐底部的水解原料进行杀菌，经过水解杀菌后的原料从水解罐底部出料口经阀门a回流至泵Ⅰ完成水解段回流过程或经阀门b进入酸化段；水解过程中所产生的气体通过位于水解罐顶部的气体出口经阀门进入气体收集器；至此，水解预处理阶段完成；所述水解罐停留时间通过阀门a及阀门b联合控制，即通过阀门a开启，阀门b关闭增加原料停留时间；通过阀门a关闭，阀门b开启使得水解灭菌完成的原料进入下一阶段。

水解灭菌完成的物料分别通过管道混合器Ⅱ、射流器Ⅰ；高温蒸汽或气体收集器内沼气通过管道于射流器Ⅰ内与物料充分混合形成酸化混合原料；所述酸化混合原料经位于酸化罐顶部的切向入口Ⅱ进入酸化罐，并在酸化罐内形成稳定旋流；酸化罐内产生气体通过气液分离器经阀门进入气体收集器。

所述酸化完成后物料由导流隔板上的开孔进入发酵罐，然后经过发酵罐底部的出口排出，分别经过泵Ⅱ、管道混合器Ⅲ、射流器Ⅱ；高温蒸汽或气体收集器内沼气通过管道于射流器Ⅱ内与物料充分混合形成发酵混合原料；发酵混合原料经位于发酵罐底部的切向入口Ⅲ进入发酵罐内，并在发酵罐内形成稳定旋流；发酵罐内发酵产生气体通过气液分离器经阀门进入气体收集器；发酵完全后的沼液经出口、阀门d排出；发酵完全后产生的沼渣经沼渣出口排出。

本发明在水解段过程中通过螺线圈产生磁场协同低压电源、电极产生微电场强化水解罐内水解菌酶的电活性，进而增强其对纤维素、半纤维素及木质素的水解作用；通过布气管均匀的向水解罐内通入高温蒸汽，对完成水解后的原料进行杀菌处理，于此同时，由于高温蒸汽的通入，水解罐内会形成自上而下温度逐渐升高的温度场，即在保证酸化段微生物优势菌种生长繁殖的同时还对水解段起到了保温作用。

本发明将酸化罐、导流隔板与发酵罐采用紧凑型安装，分别在酸化罐及发酵罐内形成相对独立的稳定旋流：酸化罐中，由于旋流及重力的作用下，在酸化罐罐体内壁一侧圆周附近会形成自上而下的旋流，当流体到达导流隔板上表面接触式时则会反弹形成位于酸化罐半圆周附近的自下而上的旋流，如此往复的旋流过程最终会于酸化罐的中心位置形成一条自上而下的出水若旋流，并穿过导流隔板及发酵罐，而后通过切向入口Ⅲ进入发酵罐，其发酵罐内的旋流过程与酸化罐类似；由于气体密度远小于液体，因此发酵产生气体以及原料混合时引入的气体均会在离心力及浮力的双重作用下自下而上运动，进而收集；在发酵罐中，由于气浮技术的引用，气体自下而上的扰动会使得沼渣被气体所包裹进而逐渐上升至导流隔板下表面，由于流体的特性，发酵段所产生的沼渣则会沿着导流隔板下表面逐渐上升，并最终堆积于酸化罐底部，与此同时由于离心力及重力作用下，酸化段所产生的沼渣则会沿着酸化罐内壁向下运动，并最终堆积于酸化罐底部，进而通过沼渣出口收集排出沼渣。

本发明所具有的特点是：

（1）适合纤维素、半纤维素及木质素含量高的有机废物或废水等发酵原料，传质效果好，容积负荷高；

（2）分段式结构，各阶段优势菌种生长繁殖好，有利于促进产气率的提升，同时各阶段控制使得产物灵活，可用于厌氧消化生产沼气、氢气及乙醇等生物质能源；

（3）适用于高原、高寒等不适合中温厌氧消化技术的地区，应用前景好；

（4）能耗小，与传统机械搅拌相比，节能30%以上；

（5）木质纤维素降解率高，进而使得产气率高，比传统沼气生产工艺提高40%以上；

（6）紧凑型串联安装，占地空间小，成本低；

（7）运行成本低，环境效益显著。

（8）旋流气浮的运用使得原料基质与发酵料液中微生物充分接触，传热传质效果好，并且有效的避免了发酵过程中结壳、氨抑制等现象的产生，极大地提高了生化反应速度，有利于生物质能源的产生；

（9）本发明方法简单、装置易制造，适用于高原、高寒等地区城市、农村有机废水等资源化利用。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明装置电极分布结构示意图；其中图（a）中上图为阴电极为棒状电极，阳电极为设置在阴电极周围的环形网状电极正视图，下图为俯视剖面图；图（b）中上图为阴电极和阳电极为交替分布的板网状电极正视图，下图为俯视剖面图；图（c）中上图为阴电极和阳电极为交替分布的环形网状电极正视图，下图为俯视剖面图；

图3是本发明装置气液分离器结构示意图；

图4是本发明装置切向入口结构示意图；

图5是本发明装置导流隔板结构示意图，其中A图为剖视图，B图为立体图；

图中：1-泵Ⅰ；2-管道混合器Ⅰ；3-切向入口Ⅰ；4-水解罐；5-阴电极；6-阳电极；7-布气管；8-气泵；9-管道混合器Ⅱ；10-射流器Ⅰ；11-切向入口Ⅱ；12-酸化罐；13-出口；14-泵Ⅱ；15-管道混合器Ⅲ；16-射流器Ⅱ；17-切向入口Ⅲ；18-发酵罐；19-导流隔板；20-气液分离器；21-连接法兰；22-气体收集口；23-气液分离室；24-气体出口；25-气体收集器；26-电源；27-沼渣出口；28-药剂入口。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点会随着描述而更加清楚；但这些实施例仅是示范性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制；本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明的技术方案的细节和形式进行修改和替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。

实施例1

本实施例的处理对象：某城市污水处理厂生活污水，其COD为300～400mg/L，BOD为200mg/L，氨氮为30mg/L，总磷为2～3mg/L，纤维素、半纤维素及木质素含量为30%。

本实施例生活污水厌氧发酵过程分阶段独立进行，具体包括以下三个阶段：

（1）预处理水解段：将预先购买并培育的复合菌系MC1按照5×10⁹cfu/mL的接种量与原料均匀混合，并通过乙酸将混合物pH调节至5，混合物以6m/s切向送入水解罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 5、36℃、外加电场0.8V、磁场强度为0.5T作用下进行水解处理24h，强化原料中纤维素、半纤维素及木质素的降解；水解完成后，通入高温蒸汽对水解物料进行灭菌处理；

（2）酸化段：将产氢产乙酸菌和同型乙酸菌按质量比2:8的比例混合，然后按3×10⁹cfu/mL的接种量与水解后原料充分混合、并通过柠檬钠将混合物pH调节至6，混合物以5m/s切向送入酸化罐中在罐体内形成稳定旋流，在30℃、pH 6下进行酸化30h；其间原料在通过射流器时，间歇通入高温水蒸汽对原料进行灭菌处理；

（3）发酵段：酸化后的原料通过射流器，同时间歇通入高温蒸汽对原料进行灭菌处理；在灭菌处理的间歇期，将甲酸甲烷杆菌按1.5×10⁹cfu/mL的接种量与酸化后的原料充分混合、并通过碳酸钠将混合物pH调节至6.5，混合物以7m/s切向送入发酵罐中在罐体内形成稳定旋流，最后在pH 6.5、32℃进行厌氧发酵34h，收集发酵沼气、沼液及沼渣。

如图1、2（a）、3、4、5所示，实现本方法的装置包括泵Ⅰ1、管道混合器Ⅰ2、水解罐4、气泵8、管道混合器Ⅱ9、射流器Ⅰ10、酸化罐12、管道混合器Ⅲ15、射流器Ⅱ16、发酵罐18、气液分离器20、气体收集器25；其中水解罐4包括壳体、阴电极5、阳电极6、磁场发生器、布气管7；酸化罐12设置在发酵罐18上方，导流隔板19设置在酸化罐12和发酵罐18之间，导流隔板19为弧形倒漏斗状，酸化罐12下部设置有沼渣出口27且位于导流隔板19上方；磁场发生器为通电螺线圈23，其设置在水解罐的壳体外壁；阴电极5为棒状电极，阳电极6为设置在阴电极周围的环形网状电极；

泵Ⅰ1通过管道混合器Ⅰ2与水解罐4上部的切向入口Ⅰ3连通，气泵8与水解罐4底部的布气管7连通，阴电极5、阳电极6设置在水解罐4的壳体内，磁场发生装置设置在水解罐4的壳体上，阴电极5、阳电极6分别与电源26连接；水解罐4顶部的气体出口与气体收集器25连接，水解罐4底部的出料口通过阀门b与管道混合器Ⅱ9连接，管道混合器Ⅱ9通过射流器Ⅰ10与酸化罐12上部的切向入口Ⅱ11连通，水解罐4底部的出料口通过阀门a与泵Ⅰ1连通；发酵罐18底端的出口13通过阀门c与泵Ⅱ14连接，泵Ⅱ14通过管道混合器Ⅲ15与射流器Ⅱ16连接，射流器Ⅱ16与发酵罐18下部的切向入口Ⅲ17连通，气液分离器20设置在酸化罐12顶端并与其连通，气液分离器20通过阀门与气体收集器25连接；出口13通过阀门d与沼液排出口连接；管道混合器Ⅰ2、管道混合器Ⅱ9、管道混合器Ⅲ15上设置有药剂入口28；气泵8、射流器Ⅰ10和射流器Ⅱ16分别通过管道与高温水蒸汽发生器连接，气体收集器25分别与射流器Ⅰ10、射流器Ⅱ16连通；

污水处理厂生活污水通过200目细筛网过滤处理后，由泵Ⅰ1通入管道混合器Ⅰ2与水解菌剂、pH调节剂混合后，混合物通过水解罐的切向入口Ⅰ3进入水解罐4，其温度保持为36℃、pH为5，此阶段开启电源26，通过阴阳电极对水解段施加低电压为0.8V，开启通电螺线圈23，在磁场强度为0.5T作用下进行水解处理，通过开启阀门a并且关闭阀门b控制水解段的停留时间为24h。

当水解段达到预定停留时间后，开启阀门b并关闭阀门a，同时打开气泵8经过布气管7通入高温蒸汽，使经水解预处理后的物料经灭菌处理后通过管道混合器Ⅱ9、射流器Ⅰ10，经切向入口Ⅱ11进入到酸化罐12中，并形成稳定的旋流；原料经过管道混合器Ⅱ9时混入产氢产乙酸菌和同型乙酸菌，保持酸化罐内温度为30℃、pH为6，并通过关闭阀门d控制此阶段停留时间为30h；同时每隔6h向射流器Ⅰ10通入一次高温蒸汽；

酸化后物料通过出口13、泵Ⅱ14、管道混合器Ⅲ15及射流器Ⅱ16，经切向入口Ⅲ17进入发酵罐18内，形成稳定的旋流；原料经过管道混合器Ⅲ15时混入甲酸甲烷杆菌，保持发酵罐内温度为32℃、pH为6.5、停留时间为34h，同时向射流器Ⅱ16中连续通入沼气并与原料混合；

最终甲烷经气液分离器20分离后，气体收集器25储存，沼渣经过位于酸化罐12下端的排渣口27排出，沼液由阀门d处排出。

经以上工艺处理后，最终收集得沼渣中，纤维素、半纤维素及木质素含量分别降低31%、34%及29%；产气量较为稳定，保持在1.5~2.0m³/（m³d），产气量相比传统发酵工艺大大提高，产生的沼气含量为60%~70%，可脱硫、干燥后直接用作天然气燃烧。

实施例2

本实施例的处理对象：某奶牛养殖厂产生的奶牛粪便滤液，其COD为40000～50000mg/L，BOD为20000-30000mg/L，氨氮40mg/L，纤维素、半纤维素及木质素含量为70%；奶牛粪便滤液过80目筛；

本实施例生活污水厌氧发酵过程分阶段独立进行，具体包括以下三个阶段：

（1）预处理水解段：将预先购买并培育的黄孢原毛平革菌、歧皱青霉按质量比6:4的比例混合，并以6.5×10⁹cfu/mL的接种密度与原料均匀混合，通过柠檬酸将混合物pH调节至4，混合物以8m/s切向送入水解罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 4、35℃、外加电场1V、磁场强度为5T作用下进行水解处理12h，强化原料中纤维素、半纤维素及木质素的降解；水解完成后，通入高温蒸汽对水解物料进行灭菌处理；

（2）酸化段：将产氢产乙酸菌和同型乙酸菌按质量比4:6的比例混合，并按照3×10⁹cfu/mL的接种量与水解后原料充分混合、并通过柠檬酸将混合物pH调节至7，混合物以10m/s切向送入酸化罐中在罐体内形成稳定旋流，在25℃、pH 7下进行酸化8h；其间原料在通过射流器时，间歇通入高温水蒸汽对原料进行灭菌处理；

（3）发酵段：酸化后的原料通过射流器，间歇通入高温蒸汽对原料进行灭菌处理；在灭菌处理的间歇期，将甲酸甲烷杆菌按照2.2×10⁹cfu/mL的接种量与酸化后的原料充分混合、并通过碳酸钠将混合物pH调节至7，混合物以10m/s切向送入发酵罐中在罐体内形成稳定旋流，最后在pH7、30℃进行厌氧发酵20h，收集发酵沼气、沼液及沼渣。

如图1、2（b）所示，实现本方法的装置结构同实施例1，不同在于阴电极5和阳电极6为交替分布的板网状电极；气液分离器20包括连接法兰21、气体收集管22、气液分离室23、气体出口24，气液分离室23通过连接法兰21设置在酸化罐12顶部的出口上，气体收集管22一端设置在酸化罐12内，另一端设置在气液分离室23内，气体出口24设置在气液分离室23顶部并与气体收集器25连接；气体收集管22设置在酸化罐12内一端开口为喇叭状。

经以上工艺处理后，最终收集得沼渣中，纤维素、半纤维素及木质素含量分别降低35%、38%及31%；产气量较为稳定，保持在1.7~2.2m³/（m³d），产气量相比传统发酵工艺大大提高，产生的沼气含量为60%~75%，可脱硫、干燥后直接用作天然气燃烧。

实施例3

本实施例的处理对象：某蔬菜养殖基地的废弃蔬菜，其COD为50000mg/L，BOD为30000mg/L，纤维素、半纤维素及木质素含量为80%；

本实施例生活污水厌氧发酵过程分阶段独立进行，具体包括以下三个阶段：

（1）预处理水解段：预先购买并培育的复合菌系WSC-6按照4×10⁹cfu/mL的接种量与原料均匀混合，通过柠檬酸将混合物pH调节至5.1，混合物以10m/s切向送入水解罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 5.1、40℃、外加电场1.5V、磁场强度为9T作用下进行水解处理20h，强化原料中纤维素、半纤维素及木质素的降解；水解完成后，通入高温蒸汽对水解物料进行灭菌处理；

（2）酸化段：将产氢产乙酸菌和同型乙酸菌按质量比5:5的比例混合，并按照3.4×10⁹cfu/mL的接种密度与水解后原料充分混合、并通过柠檬酸将混合物pH调节至5.5，混合物通过射流器，并以5m/s切向送入酸化罐中在罐体内形成稳定旋流，在35℃、pH 5.5下进行酸化16h；其间原料在通过射流器时，间歇通入高温水蒸汽对原料进行灭菌处理；

（3）发酵段：酸化后的原料通过射流器，间歇通入高温蒸汽对原料进行灭菌处理；在灭菌处理的间歇期，将甲酸甲烷杆菌按照1.5×10⁹cfu/mL的接种量与酸化后的原料充分混合、并通过碳酸钠将混合物pH调节至7.2，混合物以5m/s切向送入发酵罐中在罐体内形成稳定旋流，最后在pH7.2、35℃进行厌氧发酵30h，收集发酵沼气、沼液及沼渣。

如图1、2（c）所示，实现本方法的装置结构同实施例1，不同在于阴电极5和阳电极6为交替分布的环形网状电极；水解灭菌完成的物料分别通过管道混合器Ⅱ、射流器Ⅰ；气体收集器内沼气通过管道至射流器Ⅰ内与物料充分混合形成酸化混合原料；酸化完成后物经过料射流器Ⅱ时，气体收集器内沼气通过管道至射流器Ⅱ内与物料充分混合形成发酵混合原料；

经以上工艺处理后，最终收集得沼渣中，纤维素、半纤维素及木质素含量分别降低35%、38%及31%；产气量较为稳定，保持在1.6~2.0m³/（m³d），产气量相比传统发酵工艺大大提高，产生的沼气含量为65%~70%，可脱硫、干燥后直接用作天然气燃烧。

Claims (15)

1.一种电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于，将厌氧发酵过程分阶段独立进行，具体包括以下三个阶段：

（1）预处理水解段：将原料与水解菌剂、pH调节剂混合均匀后，混合物切向送入水解罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 4~5.2、外加电场、磁场作用下进行水解处理，强化原料中纤维素、半纤维素及木质素的降解；水解完成后，通入高温蒸汽对水解物料进行灭菌处理；

（2）酸化段：预处理水解后的原料与酸化菌剂、pH调节剂混合均匀后，混合物通过射流器，并切向送入酸化罐中在罐体内形成稳定旋流，在pH 5.5~7.0下进行酸化；其间原料在通过射流器时，间歇通入高温水蒸汽对原料进行灭菌处理；

（3）发酵段：酸化后的原料通过射流器，在通过射流器时，间歇通入高温蒸汽对原料进行灭菌处理；然后酸化后原料与产甲烷菌剂、pH调节剂混合均匀，混合物切向送入发酵罐中在罐体内形成稳定旋流，最后在pH 6.5~7.2进行厌氧发酵，收集发酵沼气、沼液及沼渣。

2.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：原料为动物粪便、植物残枝、秸秆滤液、有机废水中的一种或任意比几种，原料过80~240目筛或经粉碎后过80~240目筛。

3.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：水解菌剂为能将纤维素、半纤维素及木质素水解的常规微生物菌剂，水解菌剂的接种量为3×10⁹~8×10⁹cfu/mL。

4.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：酸化菌剂为常规能将有机物酸化为乙酸的菌剂，酸化菌剂的接种量为0.5×10⁹~5×10⁹cfu/mL。

5.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：产甲烷菌剂常规能将乙酸分解为甲烷的菌剂，产甲烷菌剂的接种量为0.5×10⁹~3×10⁹cfu/mL。

6.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：步骤（2）中混合物与沼气混合后切向送入酸化罐，步骤（3）中混合物与沼气混合后切向送入发酵罐。

7.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：预处理水解段是在温度35~40℃下停留3~72h；酸化段是在20~35℃下停留2~48h；发酵段是在30~35℃停留12~96h。

8.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：混合物切向送入的速度为5~10m/s。

9.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：步骤（1）中电场电压为0.1~1.5V。

10.根据权利要求1所述的电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法，其特征在于：步骤（1）中磁场强度为0.1~20T。

11.实现权利要求1-10中任一项所述电磁强化木质纤维液化-射流旋流多级能源化的方法的装置，其特征在于：包括泵Ⅰ（1）、管道混合器Ⅰ（2）、水解罐（4）、气泵（8）、管道混合器Ⅱ（9）、射流器Ⅰ（10）、酸化罐（12）、管道混合器Ⅲ（15）、射流器Ⅱ（16）、发酵罐（18）、气液分离器（20）、气体收集器（25）；

其中水解罐（4）包括壳体、阴电极（5）、阳电极（6）、磁场发生器、布气管（7）；酸化罐（12）设置在发酵罐（18）上方，导流隔板（19）设置在酸化罐（12）和发酵罐（18）之间，导流隔板（19）为弧形倒漏斗状，酸化罐（12）下部设置有沼渣出口（27）且位于导流隔板（19）上方；

泵Ⅰ（1）通过管道混合器Ⅰ（2）与水解罐（4）上部的切向入口Ⅰ（3）连通，气泵（8）与水解罐（4）底部的布气管（7）连通，阴电极（5）、阳电极（6）设置在水解罐（4）的壳体内，磁场发生装置设置在水解罐（4）的壳体上，阴电极（5）、阳电极（6）分别与电源（26）连接；水解罐（4）顶部的气体出口与气体收集器（25）连接，水解罐（4）底部的出料口通过阀门b与管道混合器Ⅱ（9）连接，管道混合器Ⅱ（9）通过射流器Ⅰ（10）与酸化罐（12）上部的切向入口Ⅱ（11）连通，水解罐（4）底部的出料口通过阀门a与泵Ⅰ（1）连通；发酵罐（18）底端的出口（13）通过阀门c与泵Ⅱ（14）连接，泵Ⅱ（14）通过管道混合器Ⅲ（15）与射流器Ⅱ（16）连接，射流器Ⅱ（16）与发酵罐（18）下部的切向入口Ⅲ（17）连通，气液分离器（20）设置在酸化罐（12）顶端并与其连通，气液分离器（20）通过阀门与气体收集器（25）连接；出口（13）通过阀门d与沼液排出口连接；

管道混合器Ⅰ（2）、管道混合器Ⅱ（9）、管道混合器Ⅲ（15）上设置有药剂入口（28）；气泵（8）、射流器Ⅰ（10）和射流器Ⅱ（16）分别通过管道与高温水蒸汽发生器连接，气体收集器（25）分别与射流器Ⅰ（10）、射流器Ⅱ（16）连通。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：磁场发生器为通电螺线圈（23），其设置在水解罐的壳体内壁或外壁。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：阴电极（5）为棒状电极，阳电极（6）为设置在阴电极周围的环形网状电极；或阴电极（5）和阳电极（6）为交替分布的板网状电极；或阴电极（5）和阳电极（6）为交替分布的环形网状电极。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：气液分离器（20）包括连接法兰（21）、气体收集管（22）、气液分离室（23）、气体出口（24），气液分离室（23）通过连接法兰（21）设置在酸化罐（12）顶部的出口上，气体收集管（22）一端设置在酸化罐（12）内，另一端设置在气液分离室（23）内，气体出口（24）设置在气液分离室（23）顶部并与气体收集器（25）连接。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：气体收集管（22）设置在酸化罐（12）内一端开口为喇叭状。