幾種沼氣厭氧發(fā)酵工藝比較

1、塞流式工藝 塞流式工藝細(xì)分有兩種，一種是普通的塞流式反應(yīng)器（pfr），另一種是改進(jìn)的高濃度塞流式工藝（hcf）。1. 塞流式反應(yīng)器（pfr） 圖1（1） 原理pfr也稱(chēng)推流式反應(yīng)器，是一種長(zhǎng)方形的非完全混合式反應(yīng)器。高濃度懸浮固體發(fā)酵原料從一端進(jìn)入，呈活塞式推移狀態(tài)從另一端排出。消化器內(nèi)沼氣的產(chǎn)生可以為料液提供垂直的攪拌作用，料液在沼氣池內(nèi)無(wú)縱向混合，發(fā)酵后的料液借助于新鮮料液的推動(dòng)作用而排走。進(jìn)料端呈現(xiàn)較強(qiáng)的水解酸化作用，甲烷的產(chǎn)生隨著向出料方向的流動(dòng)而增強(qiáng)。由于該體系進(jìn)料端缺乏接種物，所以要進(jìn)行固體的回流。為減少微生物的沖出，在消化器內(nèi)應(yīng)設(shè)置擋板以有利于運(yùn)行的穩(wěn)定。pfr反應(yīng)原理及結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖

2、1。這種工藝能較好地保證原料在沼氣池內(nèi)的滯留時(shí)間。許多大中型畜禽糞污沼氣工程采用這種發(fā)酵工藝。 （2） 特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：適用于高ss廢水的處理，尤其適用于牛糞的厭氧消化，固體含量可以提高到12%；用于農(nóng)場(chǎng)有較好的經(jīng)濟(jì)效益；不需要攪拌；池形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，故障少，穩(wěn)定性高。缺點(diǎn)：固體物容易沉淀池底，影響反應(yīng)器的有效體積，使hrt和srt降低，效率較低；需要固體和微生物的回流作為接種物；因該反應(yīng)器占地面積或體積比較大，反應(yīng)器內(nèi)難以保持一致的溫度；易產(chǎn)生厚的結(jié)殼。2. 高濃度塞流式工藝（hcf） （1） 原理hcf是一種塞流、混合及高濃度相結(jié)合的發(fā)酵裝置。厭氧罐內(nèi)設(shè)機(jī)械攪拌，以塞流方式向池后端不斷推動(dòng)

3、，hcf厭氧反應(yīng)器的一端頂部有一個(gè)帶格柵并與消化池氣室相隔離的進(jìn)料口，在厭氧反應(yīng)器的另一端，料液以溢液和沉渣形式排出。 （2） 特點(diǎn)進(jìn)料濃度高，干物質(zhì)含量可達(dá)8；能耗低，不僅加熱能耗少，而且裝機(jī)容量小，耗電量低；與pfr相比，原料利用率高；解決了浮渣問(wèn)題；工藝流程簡(jiǎn)單；設(shè)施少，工程投資?。徊僮鞴芾砗?jiǎn)便，運(yùn)行費(fèi)用低；原料適應(yīng)性強(qiáng)（畜禽糞便、碎秸稈和有機(jī)垃圾均可）；沒(méi)有預(yù)處理，原料可以直接入池；臥式單池容積偏小，便于組合。升流式固體反應(yīng)器升流式固體反應(yīng)器（upflow solid reactor，簡(jiǎn)稱(chēng) usr)適用于處理高懸浮固體原料、總固體含量（ts）為5%畜禽糞污，在當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖行業(yè)糞污資源化

4、利用方面有較多的應(yīng)用。1. 原理usr的下部是含有高濃度厭氧微生物的固體床。發(fā)酵原料從反應(yīng)器底部進(jìn)入，依靠進(jìn)料和所產(chǎn)沼氣的上升動(dòng)力按一定的速度向上升流。料液通過(guò)高濃度厭氧微生物固體床時(shí)，有機(jī)物被分解發(fā)酵，上清液從反應(yīng)器上部排出。未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期（hrt）高得多的固體滯留期(srt)和微生物滯留期(mrt)，從而提高了固體有機(jī)物的分解率和消化器的效率。usr反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有布水系統(tǒng)，底部是高濃度厭氧菌床，上部設(shè)置擋渣板。本工藝不使用機(jī)械攪拌，濃度較高時(shí)可有局部強(qiáng)化攪拌裝置，其結(jié)構(gòu)及反應(yīng)原理見(jiàn)下圖。經(jīng)過(guò)us

5、r處理后產(chǎn)生的沼液屬于高濃度有機(jī)廢水，具有有機(jī)物濃度高、可生化性好、易降解的特點(diǎn)，不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，因此除用于花卉蔬菜等的肥料外，剩余沼液須回流至集水池，經(jīng)過(guò)好氧處理后達(dá)標(biāo)回用或排放。針對(duì)該沼液含氨氮較高的特點(diǎn)，通過(guò)預(yù)處理可將溶于水的揮發(fā)性氨氮部分去除。沼液中的有機(jī)物則通過(guò)生物法進(jìn)行處理。許多大中型沼氣工程均采用該工藝，對(duì)國(guó)內(nèi)沼氣工程而言，單體池容可加大到2000立方米。 2. 特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn) 在重力的作用下，比重較大的固體與微生物靠自然沉降作用積累在反應(yīng)器下部，使反應(yīng)器內(nèi)始終保持較高的固體量和生物量，即有較長(zhǎng)的srt和mrt，這是usr在較高負(fù)荷條件下能穩(wěn)定運(yùn)行的根本原因。由于srt較長(zhǎng)，出

6、水帶出的污泥不需回流，固體物能夠得到較為徹底的消化，懸浮固體（ss）去除率在60%70%。 當(dāng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，污泥沉降性能變差，出水化學(xué)需氧量（cod）升高，但一般不會(huì)造成酸化。 產(chǎn)氣效率高。（2）缺點(diǎn) 進(jìn)料固形物懸浮物含量為5%6%, 濃度再提高易出現(xiàn)堵塞布水管等問(wèn)題，單管布水易短流。 對(duì)含纖維素較高的料液，如以牛糞為發(fā)酵原料，應(yīng)在發(fā)酵罐液面增加破浮渣設(shè)施，以防表面結(jié)殼。 沼渣沼液cod濃度含量很高，不適宜達(dá)標(biāo)排放，一般用于農(nóng)田施肥進(jìn)行生態(tài)化處理。全混合消化器全混合消化器（continuous stirred tank reactor ，簡(jiǎn)稱(chēng)cstr）也稱(chēng)連續(xù)攪拌反應(yīng)器系統(tǒng)，是一種完全混合消化

7、器。本工藝可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。該工藝的反應(yīng)原理及反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所述。1. 原理反應(yīng)器采用上進(jìn)料下出料或者下進(jìn)料上出料的方式，內(nèi)設(shè)立式攪拌機(jī)。消化器內(nèi)的攪拌裝置不僅可以使原料在消化器的流動(dòng)呈全混合狀態(tài)，而且能夠讓發(fā)酵原料和微生物完全混合。該反應(yīng)器采用恒溫連續(xù)投料或半連續(xù)投料運(yùn)行。與常規(guī)消化器相比，cstr使活性區(qū)遍布整個(gè)消化器，傳質(zhì)效果與微生物活性明顯提高，發(fā)酵效率比較高，還縮短了水力滯留期（hrt），中溫條件下，hrt約15d30d。2. 特點(diǎn)（1）原料適應(yīng)性廣。廣泛適用于畜禽糞便和各種有機(jī)垃圾，適合于城市污水廠污泥穩(wěn)定化處理，也用于高濃度、高懸浮物、難降解有機(jī)廢

8、水的處理。（2）抗沖擊負(fù)荷。 （3）消化池具有完全混合的流態(tài)，原料與底物的接觸充分，發(fā)酵速率高，容積產(chǎn)氣率較高。 (4）消化器內(nèi)溫度分布均勻。（5）無(wú)法分離水力停留時(shí)間和固體停留時(shí)間，不能滯留微生物。（6） 厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個(gè)池內(nèi)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、運(yùn)行管理方便。 （7） 由于有強(qiáng)制機(jī)械攪拌，在高濃度狀態(tài)仍可有效控制原料的沉淀、分層以及表層浮渣結(jié)殼、氣體溢出不暢和短流等問(wèn)題。（8） 消化池體積大。 由于cstr反應(yīng)器在高濃度進(jìn)料時(shí)，攪拌可能會(huì)導(dǎo)致部分生物料隨出液排出，因此，為了獲得更高的物料利用率一般會(huì)設(shè)置二次發(fā)酵罐，工藝組成為cstr與二次發(fā)酵一體化，即在二次發(fā)酵池頂部裝配雙

9、層膜氣囊，cstr和二次發(fā)酵池產(chǎn)生的沼氣統(tǒng)一收集在氣囊中，供后續(xù)發(fā)電或者供氣使用。上流式厭氧污泥床 上流式厭氧污泥床(up-flow anaerobic sludge bed ，簡(jiǎn)稱(chēng)uasb)工藝適用于處理含有較低懸浮固體的可溶性廢水。1. 原理該工藝裝置的特點(diǎn)為在消化器上部安裝有氣、液、固三相分離器。消化器內(nèi)所產(chǎn)沼氣在分離器下被收集起來(lái)，污泥和污水升流進(jìn)入沉淀區(qū)，由于該區(qū)不再有氣飽上升的攪拌作用，懸浮于污水中的污泥則發(fā)生絮凝和沉降，它們沿分離器斜壁滑回消化器內(nèi)，使消化器內(nèi)可以積累大量活性污泥。這些活性污泥在消化器的底部濃度很高，并具有良好沉降性能，進(jìn)而形成污泥床。有機(jī)污水從反應(yīng)器底部進(jìn)入污泥

10、床并與活性污泥混合，污泥中的微生物分解有機(jī)物生成沼氣，沼氣以小氣泡形式不斷放出，在上升過(guò)程中逐漸合并成大氣泡。由于氣泡上升的攪動(dòng)作用，使消化器上部的污泥呈懸浮狀態(tài)，形成逐漸稀薄的污泥懸浮層。有機(jī)污水自下而上經(jīng)三相分離器后從上部溢流排出。uasb發(fā)酵原理見(jiàn)下圖。 升流式厭氧污泥床的良好性能依賴(lài)于高活性污泥床層的形成?；钚晕勰鄬?shí)際上是沼氣發(fā)酵微生物的天然固化。這些污泥呈絮狀或顆粒狀，具有較高的產(chǎn)甲烷活性和良好的沉降性能，對(duì)消化器負(fù)荷的提高和運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性均有明顯作用。 2. 特點(diǎn) （1）優(yōu)點(diǎn) uasb在反應(yīng)器中設(shè)有氣、液、固三相分離器，具有產(chǎn)氣和均勻布水形成的良好自然攪拌，并在反應(yīng)器內(nèi)形成沉降性能良

11、好的顆粒污泥或絮狀污泥。 uasb內(nèi)污泥濃度高,平均污泥濃度為20vss/l 40vss/l（vss為揮發(fā)性懸浮固體）。 長(zhǎng)的srt和mrt使其具有很高的負(fù)荷率。有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短（1d5d），中溫發(fā)酵，容積cod負(fù)荷一般為5 kg/m310kg/m3左右。 一般不設(shè)沉淀池，一般不需污泥回流設(shè)備。 消化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，除三相分離器外，沒(méi)有攪拌裝置及供微生物附著的填料，節(jié)約造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵塞的問(wèn)題。 出水的懸浮物固體含量低。 （2）缺點(diǎn) 進(jìn)料中不能含有較高的懸浮固體，一般控制在1000mg/l以下。如果進(jìn)水中懸浮固體含量較高，會(huì)造成無(wú)生物活性固體物在污泥床層的積累，大幅度降低污泥活性并

12、使床層受到破壞。 需要有效的布水器使進(jìn)料能均勻分布于消化器的底部。 對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感，耐沖擊能力稍差。 污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。 當(dāng)沖擊負(fù)荷或進(jìn)料中懸浮固體含量升高，以及遇到過(guò)量有毒物質(zhì)時(shí)，會(huì)引起污泥流失。常用工藝對(duì)比分析和工藝類(lèi)型選擇 本文前面介紹了塞流式反應(yīng)器（pfr）、高濃度塞流式工藝（hcf）、升流式固體反應(yīng)器（usr）、完全混合式厭氧反應(yīng)器（cstr）和上流式厭氧污泥床（uasb）共5種工藝，其中的hcf是近幾年在pfr的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展的新工藝，這兩種工藝同為塞流式厭氧消化工藝。一、常用工藝對(duì)比分析上述4種工藝是應(yīng)用最廣泛的、也是現(xiàn)階段發(fā)展比較快的沼氣厭氧發(fā)酵工藝，下面將這4種工藝進(jìn)行分析對(duì)比，見(jiàn)下表。二、工藝類(lèi)型選擇厭氧消化器工藝的選擇是決定畜禽糞便沼氣工程能否長(zhǎng)期、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。根據(jù)以上分析，可以看出4種工藝有著自身的原料適應(yīng)性，適合于不同的工程類(lèi)型。對(duì)于高懸浮固體（ss）濃度、高固體發(fā)酵原料，選擇cstr、usr和pfr，此3種工藝適用于“能源