本项目设计了一种适合于城市餐饮业处理厨余垃圾并将其转化为沼气能源的节能减排装置，即高效无间断沼气发酵装置-----此装置已获得国家专利，专利号：200920165251X。采用独创双反应池结构，增加了曝气装置和过滤回流装置，使该沼气发酵装置具有高效、无间断产气和无需搅拌的功能。目前，已与东林农机有限公司签订了技术转让协议，现处于批量生产前的试点运行阶段。

作品内容简介

本项目设计了一种适合于城市餐饮业处理厨余垃圾并将其转化为沼气能源的节能减排装置，即高效无间断沼气发酵装置-----此装置已获得国家专利，专利号：200920165251X。采用独创双反应池结构，增加了曝气装置和过滤回流装置，使该沼气发酵装置具有高效、无间断产气和无需搅拌的功能。目前，已与东林农机有限公司签订了技术转让协议，现处于批量生产前的试点运行阶段。

高效无间断沼气发酵装置分为一次反应池和二次反应池。按照容积最佳负荷比[1]，往一次反应池一次性投入最佳量原料，待其达到产气最高峰后，将一次反应池中的所有反应物导入二次反应池让其继续反应，再按最佳投料比继续往一次反应池中投入适量原料，利用带过滤装置的水泵将二次反应池中反应物的上层清液抽至一次反应池，以此循环，保持一次反应池长期高效无间断产气，同时二次反应池中的反应液继续产气并且可通过设置在一次反应池底部的曝气装置通入一次反应池，使一次反应池中的反应物混合均匀，并且带出混在一次反应池反应物中的沼气气泡，达到无需搅拌而高效产气的效果。此设备变废为宝，为有机垃圾的处理提供了一条绿色通道，降低了有机垃圾处理的成本，产生的沼气还可以替代不可再生能源，达到了节能减排的效果。

图1专利证书
1 研制背景及意义
据清华大学环境科学院调查数字显示，中国城市每年产生厨余垃圾不低于6000万吨。而长期以来餐饮业有机垃圾均作为动物饲料，不仅造成了有机能源的浪费，而且食物链的短循环还带来了疾病感染风险，甚有炼制食用油的非法现象频繁发生。北京、上海等国内各大城市均已严令禁止用厨余垃圾直接作为动物饲料、直接填埋、炼制生物油[2]。由于技术和资金的缺乏，许多地区无法对厨余垃圾进行及时有效合理的处理。而现有沼气技术的研究和应用均集中在农村，主要以秸秆、粪便为原料，均采用简单的一个反应池结构[3-5]，存在发酵效率低，产气不连续、不稳定等问题。本项目设计的装置针对这些问题，提出了处理厨余垃圾的一种新思路，能够将厨余垃圾合理的利用。有效地将城市餐余垃圾转化为可再生能源—沼气，从而避免了由于食物链短导致人类疾病感染的风险和直接填埋造成的环境污染和能源浪费，大大改善了中国能源短缺的现状，有利于节约型社会经济成本改善以及节能减排。
2 设计方案
2.1基本原理
新型高效无间断产气沼气发酵装置，包括两个沼气反应池，一次反应池（1）位于沼气发酵装置的上方，按照容积最佳投料比计算出一次反应池的最佳投料量，投入适量原料通过入料管（2）进入一次反应池（1），在第二天达到产气的峰值[6]，第三天可打开阀门（3）使一次反应池内的反应物完全流入到位于下方的二次反应池（4），再关闭阀门（3），然后再根据最佳投料量对一次反应池投入适量原料，并用带过滤装置的水泵（5）抽取二次反应池（4）中一定量的反应液送回到一次反应池（1）中，可以保持一次反应池高效无间断产气，同时二次反应池（4）利用遗留下的反应物继续产气，二次反应池产生的气体可通过导气管（10）通入一次反应池中的曝气装置从而进入一次反应池，使一次反应池中的反应物混合均匀，并且带出混在一次反应池反应物中的沼气气泡，一次反应池的反应周期为两天，以此循环高效产气。当二次反应池反应到一定阶段后可以打开阀门（6）进行对二次反应池排渣，整个清渣过程对一次反应池没有影响，所以沼气发酵装置可以继续产气，无需再次启动。一次反应池和二次反应池产生的沼气都通过导气管（7）、导气管（9）通入储气罐（8）进行储存。

图2原理示意图

2.2结构参数及运行方案分析

该沼气发酵装置设计为高1.4米,半径1.1米的圆柱型容器，体积为3立方米，一次反应池位于沼气发酵装置的上部，体积为1立方米（循环周期为2天），二次反应池体积为2立方米（反应周期为10天左右）。设定一次反应池总反应液体积为0.8立方米，按照最佳投料量为30千克每立方米，一次性投入30千克厨余垃圾，体积约为0.02立方米[7]，二次反应池的反应液体积为1立方米，每次循环后二次反应池中的反应物会增加0.02立方米。在沼气发酵装置的一个反应周期（为10天）里，一次反应池会循环5次，二次反应池中的反应物总共增加0.1立方米，10天后将二次反应池中的反应混合物排除0.5立方米，将排出的混合物过滤，将反应液再次投入一次反应池，使一次反应池总反应液体积为0.8立方米，二次反应池的反应液体积为1立方米。

2.3方案所需设备参考

内容
名称 材料数量
材料作用及说明
沼气发酵装置罐体 1个 罐体为沼气的主要发生区，其结构为上下两层结构，中间用隔板分开，两层间用管路、阀门及水泵等联接。
小型电动风机 1个 为收集沼气维持一定的抽吸力；一次反应池换料时将第一反应池内沼气抽尽。
小型电动水泵 1个 一次反应池反应周期结束换料之后，从第二反应池回抽一定量沼液。
气阀及液阀 5～6个 与导管及联接部件配合调节整个沼气生产过程。
入料漏斗 1个 作为第一反应池的投料口，漏斗管部设有启合装置。
储气罐 1～2个 存储及运输沼气。
曝气器 1个 布置于第一反应池底部，在第一反应池投新料时将第二反应池中部分沼气透过曝气膜鼓泡进入第一层空间。
过滤网 1张 过滤从第二反应池抽至第一反应池的沼液。
导管及联接部件 导管若干，弯头（8～9），三通（1） 附加于主罐体上构成整个反应装置的循环管路。

部分设备及器材详细参数及规格如下：

1、小型电动风机：
型号 电压
(V) 频率
(Hz) 相数量 输入功率
(W) 电流
(A) 转速
(r/min) 风量
(m3/min) 压强
(Pa） 噪音
(db） 重量
(Kg) 电容
(uF/v) 轴承形式
86FLJ2 220 50 1 22 0.18 2500 1.5 120 52 1.25 / G

2、小型电动水泵：

型号 电压（V） 功率（kw） 重量（kg） 口径（mm） 最大吸程（m）
1DK-14 220 0.33 8 25 8
3 工作原理及性能分析
3.1基于模型的理论设计计算及性能分析

图3简化的理想模型

假定初始情况为常温常压，R为普适气体常数，

沼气平均相对质子质量为25
初始条件：



根据上面的初始条件，计算可得：

研究动态过程可得：
产气速率C1和C2 罐体积 V1 ,V2


因为

由此可得：


对沼气发酵装置I部分



同理可得II部分压强与步距，产气速率关系为：

得出压强与产气的转换关系

压强与时间的关系可以转化为产气速率与时间的关系，运用Matlab仿真可以分别得出传统沼气发酵装置产气速率随时间变化关系图与新型沼气发酵装置产气速率随时间变化关系图。
如下所示：

图4传统沼气发酵装置产气速率与时间关系表

图5新型沼气发酵装置产气速率与时间关系表
由图表可知，新型沼气发酵装置实现了高效、无间断产气，保证了沼气稳定供应，具有传统沼气发酵装置无法比拟的优势。

3.2 动画模拟图及装置实物

图6动画模拟图

图7模型正面图

图8模型背面图
4 技术经济分析

该新型沼气发酵装置整体造价约为800～950元，包括其中小型电动风机为100元，小型电动水泵220元，上下双层罐体300元，储气罐85元，入料漏斗、导管及导管联接部件、阀门等150元。
由上可知，一次反应池反应时间为2天，第一、二天的产气量能达到整个反应周期的峰值，约占反应周期总产气量的50%，第三天到第十天产气均衡，在整个反应周期内每千克厨余垃圾产生沼气0.32立方米[8]，按此计算，一次反应池两天产气4.8立方米（ ），平均每天产气2.4立方米，二次反应池十天产气9.64立方米，平均每天产气0.864立方米，那么该沼气发酵装置每天总产气量3.264立方米，换算成天然气每天可产气2.18立方米（天然气热值约为沼气的1.5倍），一年可节省天然气795.7立方米，按照广州天然气每立方米3.45元的价格，每年可产生的经济效益为2745元，按此计算四个月左右回收成本，该装置具有相当大的社会效益和经济效益。目前国内城市厨余垃圾年产生量为6000万吨左右，若总量中的10%采用该装置处理，则一年能够减少排放600万吨（ ）的厨余垃圾，极大减轻了环境污染。经过滤筛选处理约25%可作为投料，反应之后，一年能产生沼气量为2.18*108立方米（ ）的沼气，按照沼气（ 含量为65%）热值4500千卡/立方米，标准煤的热值为7000千卡/千克，每年可节约标准煤14.01万吨（ 吨），具有显著的节能效果。

5创新点及应用
5.1创新点
（1）将传统一室式低产气率的沼气池改进为拥有两个反应池结构的高效沼气发酵装置；
（2）克服传统沼气池一次性大量投料间断式产气的弊端并针对厨余垃圾的产生特点，实现连续投料和不间断产气；
（3）设有曝气装置，以将原料均匀混合及带出原料中生成的沼气，达到无需外力搅拌和高效产气的效果。
（4）设有过滤回流装置，让沼液循环利用，实现发酵的快速启动和高效反应。
5.2应用价值
该作品解决了传统沼气池在处理餐饮有机垃圾时出现的问题，可以长期无间断投料、无间断高效产气，不但降低了有机垃圾处理的成本，还变废为宝，产生的沼气可以替代不可再生能源，达到了节能减排的效果，特别是在中小城市以及城镇有较好的市场前景。该作品结构新颖，操作方便，成本较低，有较好的社会效益和经济效益，在技术成熟的情况下可大规模的生产、应用和推广。随着沼气技术的日益成熟和完善，相信在不久的将来一定会得到广泛的应用。

参考文献
[1] 金建祥，杨春生，肖雪峰.厌氧消化处理餐饮有机垃圾初探[J].盐城工学院学报（自然科学版）.2005，3:18-1
[2] 胡贵平,杨万,张广裕.国内主要城市厨余垃圾处理进展[J].城市管理与科技.2006(06)
[3] 邵红艳.水压式圆筒形沼气池坚持钢模主要设计参数的选用[M].科技信息.2008(14)
[4] 兴杰.玻璃钢结构沼气池简介[M].农村实用技术.2008-06
[5] 吉林省农委科教处.农村家用沼气池设计规范[M].吉林农业.2008-09
[6] 钱小青，郭强，赵由才.泔脚厌氧发酵中试系统设计及运行研究李铭裕[M].中国沼气.2007，25（6）
[7] 杨延梅，席北斗，魏自民.餐厨垃圾堆肥理化特性变化规律研究[M].环境科学研究.2007（02）
[8] 安静，常军，赵宗强.城市垃圾填埋与沼气技术的发展与现状[J].广西农学报.2008（05）

第十二届“挑战杯”作品 三等奖
1、作品在2009年12月至2010年12月，顺利通过了国家大学生创新性实验计划验收。2、获省挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。