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；解決了浮渣問題；工藝流程簡(jiǎn)單；設(shè)施少，工程投資??；操作管理簡(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 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)原理見下圖。經(jīng)過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CSTR）也稱連續(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，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)酵原理見下圖。 升流式厭氧污泥床的良好性能依賴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，見下表。二、工藝類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