沼氣工程厭氧消化器介紹

沼氣工程厭氧消化器介紹一、厭氧消化器分類一個厭氧消化器，無論是哪一種類型工藝，在具備適宜的運行條件的基礎(chǔ)上，決定其功能特性的構(gòu)成因素主要是水力滯留期（HRT）、固體滯留期（SRT）和微生物滯留期（MRT），并據(jù)此對消化器進行分類。（一）分類依據(jù)1、水力滯留期（HRT）：厭氧消化器的HRT是指一個消化器內(nèi)的發(fā)酵液按體積計算被全部置換所需要的時間，通常一天（d）或小時（h）為單位，可按下式計算：HRT（天）消化器的有效容積（m3）每天進料量（m3）從上式可以看出，對一個消化器來說HRT與每天進料量互為函數(shù)即：每天的進料量（米3）=消化器的有效容積（m3）HRT（天）例如一個消化器有效容積為100米3，每天進料量為5米3,則HRT為20天。同樣如果知道7HRT，也可求出每天的投料量。無論是半連續(xù)投料運行，或是連續(xù)投料運行的消化器都可以根據(jù)HRT來確定投料量，在生產(chǎn)上習慣使用投配率一詞，即每天進料體積占消化器有效容積的百分數(shù)，按下式計算：投配率（％）每天進料體積（米3投配率（％）每天進料體積（米3）消化器有效容積（米3）X100%按此公式計算前面舉例消化器的投配率則為5%，而HRT則為投配率的倒數(shù)即20天。當消化器在一定容積負荷條件下運行時，其HRT與發(fā)酵原料有機物含量呈正比，有機物含量越高，HRT則越長，這有利于提高有機物的分解率。降低發(fā)酵原料的有機物濃度或增加消化器的負荷都會使HRT縮短，但過短的HRT會使大量沼氣發(fā)酵細菌從消化器里沖走，除非采取一定措施將固體和微生物滯留，否則有機物的分解率和沼氣產(chǎn)量就會大幅度降低，消化器的運行將難以穩(wěn)定。

:3己 ”圖5所示為牛糞高溫沼氣發(fā)酵時HRT與甲烷產(chǎn)率的關(guān)系曲線，從圖中可「以看出，當HRT:3己 ”已被料液沖走，這是因為產(chǎn)甲烷菌比產(chǎn)七1酸菌繁殖速度慢，產(chǎn)甲烷菌更容易從消 _HRT（￡）H<7HRT（￡）H<7:評部耘帔圖5HRT與甲烷產(chǎn)率的關(guān)系曲線其后甲烷產(chǎn)率隨滯留期的延長而下降，但原料轉(zhuǎn)化率逐漸上升（表2），在生產(chǎn)過程中可根據(jù)發(fā)酵目的的不同，選擇適合的HRT，如以生產(chǎn)沼氣為主則可適當?shù)目拷罴褱羝?，如以環(huán)境保護為主，則應適當延長HRT。表2牛糞不同滯留期的產(chǎn)氣率與原料利用率滯留期（天）4612產(chǎn)氣率［米3/（米3?天）］6.294.962.89原料利用率（%）39.846.152.8確定7HRT后，對一個每天污水產(chǎn)量一定的工程來說，就可以得出消化器的體積。例如，一個1000頭的豬場，每頭豬每天產(chǎn)生污水量為25升，則每天共產(chǎn)生污水25米3,如果HRT定為10天，則消化器的有效容積為250米3,為防止發(fā)酵液產(chǎn)生的泡沫堵塞導氣管，所以常留10%體積作為緩沖，因此，消化器有效容積只占消化器總體積的90%。這樣即可按下式求出消化器體積：消化器體積=每天的污水量（m3）xHRT（天）消化器體積-消化器有效容積（％）則上面舉例豬場的消化器體積為：該豬場消化器體積=號0%=277.8（米3）常規(guī)消化器的設(shè)計是根據(jù)HRT，然而在大型沼氣工程的設(shè)計上常根據(jù)消化器的容積負荷而定。一般可溶性有機物容易分解，固體有機物分解較慢，所以固體滯留期（SRT）就顯得更為重要。2、固體滯留期（SRT）：是指懸浮固體物質(zhì)從消化器里被置換的平均時間。在一個混合均勻的完全混合式消化器里，SRT與HRT相等。而在一個非完全混合式消化器里，當消化器在長的SRT運行時，一部分衰老的微生物細胞被分解，為新生長的微生物提供了營養(yǎng)物質(zhì)，這樣就可以減少微生物對原料的營養(yǎng)要求。由于蛋白類物質(zhì)的分解率提高，因而發(fā)酵液中銨態(tài)氮含量也隨SRT的延長而逐漸上升。一方面因SRT的延長固體有機物分解的更為徹底；另一方面因衰亡微生物的分解使細菌得到更多的營養(yǎng)物質(zhì)，因而較長的SRT使污泥的甲烷化活性提高，污泥的沉降性能得到改善。所以，高懸浮固體有機物的厭氧消化應設(shè)法得到比HRT長得多的SRT，是至關(guān)重要的。在消化器里，沼氣發(fā)酵微生物常附著于固體物表面而生長，SRT的延長也增加了微生物的滯留期，因此，除附著膜式消化器外，SRT與MRT是難以分開的，所以SRT的延長也同時增加微生物的量，減少了微生物的沖出。這也是在長的SRT條件下固體有機物具有較高分解率的原因之一。4洪?.中SS的降解與"7丁的關(guān)系占甑3、微生物滯留期（MRT）:指從微生物細胞的生成到被置換出消化器的平均時間。在一定條件下，微生物繁殖一代的時間基本穩(wěn)定，如果MRT小于微生物增代時間，微生物將會從消化器里被沖洗干凈，厭氧消化將被終止。如果微生物的增代時間與MRT相等，微生物的繁殖與被沖出處于平衡狀態(tài)，則消化器的消化能力難以增長，消化器則難以啟動。如果MRT大于微生物增代時間，則消化器內(nèi)微生物的數(shù)量會不斷增長?？梢娫谝欢l件下，消化器的效率與MRT呈正相關(guān)。如果MRT無限延長，則老細胞會不斷死亡而被分解掉。這樣可使微生物的繁殖和死亡處于平衡狀態(tài)，就不會有多余的微生物排出。因此，延長MRT不僅可以提高消化器的處理有機物的效率，并且可以降低微生物對外加營養(yǎng)物的需求，還可減少污泥的排放，減少二次污染物的產(chǎn)生。當處理低濃度有機污水時，在HRT很短的情況下運行，這樣必須設(shè)法延長MRT來維持厭氧消化過程的產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷的平衡。只有延長7MRT才能阻止生長緩慢的產(chǎn)甲烷菌的沖擊，增加產(chǎn)甲烷菌在消化器內(nèi)的積累，防止微生物生長不平衡現(xiàn)象的產(chǎn)生。用什么方法來延長MRT呢？在完全混合式消化器里，MRT與HRT、SRT相等，因此無法使MRT單獨增加，所以完全混合型消化器必須有長的HRT，負荷難以提高。要想使消化器有比HRT更長的MRT，就必須使HRT與MRT分離，在污水經(jīng)過消化器的條件下，使微生物滯留于消化器內(nèi)，這就產(chǎn)生7UASB和厭氧濾器等使HRT與MRT分離的消化器類型，前者靠污泥的沉降而使微生物滯留，后者靠微生物附著于支持物的表面形成生物膜而滯留，這樣就可使MRT大大延長，從而提高了消化器的效率，因而使消化器的負荷大幅度提高，并使厭氧消化器只適用于高濃度有機污水而發(fā)展到今天也可以用來處理低濃度污水。由此可見增加MRT在理論和時間上的重要性。（二）厭氧消化器類別根據(jù)HRT、SRT和MRT的不同，可將厭氧消化器分為三種類型（表3）。第一類消化器為

常規(guī)性消化器，其特征為MRT、SRT和HRT相等，即液體、固體和微生物混合在一起，在出料同時被淘汰，消化器內(nèi)沒有足夠的微生物，并且固體物質(zhì)由于滯留期較短而得不到充分消化，因而效率較低。第二類消化器為污泥滯留型消化器，其特征為通過各種固液分離方式，"^MRT和SRT與HRT加以分離，從而在較短的HRT的情況下獲得較長MRT和SRT。即在發(fā)酵液排出時，微生物和固體物質(zhì)所構(gòu)成的污泥得到保留，因而稱為污泥滯留型。第三類消化器為附著膜型消化器，其特征為在消化器內(nèi)安放有惰性介質(zhì)供微生物附著，使微生物呈膜狀固著于支持物表面，在進料中，液體和固體穿流而過的情況下固著滯留微生物于反應器內(nèi)，從而使消化器有較高的效率。二、常規(guī)型消化器（一）常規(guī)消化器常規(guī)消化器也稱常規(guī)沼氣池，是一種結(jié)構(gòu)簡單、應用廣泛的發(fā)酵裝置（圖6）。該消化器無攪拌裝置，原料在消化器內(nèi)呈自然沉淀狀態(tài)，一般分為4層，從上到下依次為浮渣層、上清液層、活性層和沉渣層，其中厭氧消化活動旺盛場所只限于活性層內(nèi)，因而效率低。表3 厭氧消化器分類類型滯留期特征消化器舉例常規(guī)型MRT=SRT=HRT常規(guī)消化器塞流式完全混合式污泥滯留型(MRT和SRT)〉HRT厭氧接觸工藝升流式固體反應器升流式厭氧污泥床附著膜型MRT〉(SRT和HRT)折流式厭氧濾器流化床和膨化床模式結(jié)構(gòu)圄圖6常規(guī)消化器與全混合式消化器1、批量投料：批量投料是在沼氣發(fā)酵的應用上最簡單的工藝，其特點為在消化器啟動時將原料和接種物一次投入消化器，直到產(chǎn)氣停止或產(chǎn)氣甚微時為止，再將發(fā)酵后的殘余物全部取出，然后再重新投料進行啟動。批量投料的優(yōu)點：適用于季節(jié)性產(chǎn)物和高固體原料；消化器結(jié)構(gòu)簡單、造價低；使用管理簡單，適用于農(nóng)村家庭及農(nóng)場。缺點為：投料啟動后，微生物處于自然繁殖狀態(tài)，產(chǎn)氣量無法控制，因而難以作到均衡產(chǎn)氣；高濃度原料啟動時可能導致產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的不平衡，從而導致因酸化使發(fā)酵失敗。2、半連續(xù)投料：即每隔一定時間進行投料一次，這樣可使批量投料時無法控制的產(chǎn)氣量得到控制。例如水壓式沼氣池在以禽畜糞便為原料時，按半連續(xù)投料進行效果較好。在常溫條件下，池溫再20°C以上時有機負荷為1—2千克COD/（米3?天），產(chǎn)氣率為0.2—0.5米3/（米3?天）。（二） 完全混合式消化器（CSTR）完全混合消化器也稱高速消化器，是以前使用最多、適用范圍最廣的一種消化器。但隨著近來研究工作的深入，認識到該種消化器能耗大、能效比較低，應用范圍逐漸縮小。完全混合消化器是在常規(guī)消化器內(nèi)安裝了攪拌裝置，使發(fā)酵原料和微生物處于完全混合狀態(tài)，與常規(guī)消化器相比使活性區(qū)遍布整個消化器，其效率比常規(guī)消化器有明顯提高，故名高速消化器該消化器常采用恒溫連續(xù)投料或半連續(xù)投料運行，適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理，例如污水處理廠好氧活性污泥的厭氧消化過去多采用該工藝。在該消化器內(nèi)，新進入的原料由于攪拌作用很快與發(fā)酵器內(nèi)的全部發(fā)酵液混合，使發(fā)酵底物濃度始終保持相對較低狀態(tài)。而其排出的料液又與發(fā)酵液的底物濃度相等，并且在出料時微生物也一起被排出，所以，出料濃度一般較高。該消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，為了使生長緩慢的產(chǎn)甲烷菌的增殖和沖出速度保持平衡，要求HRT較長，一般要10—15天或更長的時間。中溫發(fā)酵時負荷為3—4千克COD/（米3?天），高溫發(fā)酵為5—6千克COD/（米3?天）。（三） 塞流式消化器塞流式亦稱推流式消化器，是一種長方形的非完全混合消化器，高濃度懸浮固體原料從一端進入，從另一端流出，原料在消化器的流動呈活塞式推移狀態(tài)，在進料端呈現(xiàn)較強的水解酸化作用，甲烷的產(chǎn)生隨著向出料方向的流動而增強。由于進料端缺乏接種物，所以要進行污泥回流。在消化器內(nèi)應設(shè)置擋板，有利于運行的穩(wěn)定。圖7塞流式消化器塞流式消化器最早用于酒精廢醪的厭氧消化，河南省南陽酒精廠于60年代初期即修建了隧道式塞流消化器，用來高溫處理酒精廢醪。發(fā)酵池溫為55°C左右，投配率為12.5%，滯留期為8天，產(chǎn)氣率為2.25—2.75米3/（米3.天），負荷為4—5千克COD/（米3?天），每立方米酒醪可產(chǎn)沼氣23—25米3塞流式消化器在牛糞厭氧消化上也廣泛應用，因牛糞質(zhì)輕、濃度高，長草多，本身含有較多產(chǎn)烷菌，不易酸化，所以，用塞流式消化器處理牛糞較為適宜（表4）。該消化器要求進料粗放，不用去除長草，不用泵或管道輸送，使用攪龍或斗車直接將牛糞投入池內(nèi)。采用TS為12%的濃度使原料無法沉淀和分層。生產(chǎn)實踐表明：塞流式池不適用于雞糞的發(fā)酵處理，因雞糞沉渣多，易生成沉淀而大量形成死區(qū)，嚴重影響消化器效率。表4塞流式消化器與常規(guī)沼氣池比較池型及體積溫度（C）負荷［千克VS/（米3?天）］進料(TS%)HRT(天)產(chǎn)氣量（升/千克VS）CH4(%)塞流式253.512.93036457(38.4米3)35712.91533755常規(guī)池253.612.93031058(35.4米3)357.612.91528155三、污泥滯留型消化器消化器的特征為通過采用各種固液分離方式使污泥滯留于消化器內(nèi)，提高消化器的效率，縮小消化器的體積。包括厭氧接觸工藝、升流式厭氧污泥床和升流式固體反應器等。（一）厭氧接觸工藝該工藝是在全混合消化器之外加一個沉淀池，從消化器排出，沉淀污泥重新回流至消化器類內(nèi)，這樣既減少了出水中的固體物含量，又提高了消化器內(nèi)的污泥濃度，從而在一定程度上提高了設(shè)備的有機負荷率和處理效率。圖8 厭氧接觸工藝實踐表明：該工藝允許污水中含有較高的懸浮固體、耐沖擊負荷，具有較大緩沖能力，操作過程比較簡單，工藝運行比較穩(wěn)定。該工藝的優(yōu)點與完全混合式消化器相同，并可采取較高的負荷率運行。其缺點是需要額外的設(shè)備來使固體和微生物沉淀與回流。（二）升流式厭氧污泥床（UASB）該消化器適用于處理可溶性廢水，要求較低的懸浮固體含量。1.UASB的工作原理消化器內(nèi)部分為三個區(qū)，從下至上為污泥床、污泥層和氣、液、固三相分離器。消化器的底部是濃度很高并且有良好沉淀性能和凝聚性的絮狀或顆粒狀污泥形成的污泥床，污水從底部，經(jīng)布水管進入污泥床，向上穿流并與污泥床內(nèi)的污泥混合，污泥中的微生物分解污水中的有機物，將其轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，并在上升過程中不斷合并成大氣泡。在上升的氣泡和水流的攪動下，消化器上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，形成一個濃度較低的污泥懸浮層。在消化器上設(shè)有氣、液、固三相分離器。B消化懸第構(gòu)爪意圖圖9UASB消化器結(jié)構(gòu)示意圖在消化器內(nèi)生成的沼氣泡受反射板的阻擋，進入三相分離器下面的器室內(nèi)，再由管道經(jīng)水封而排出固、液混合液經(jīng)分離器的窄縫進入沉淀區(qū)內(nèi)由于污泥不再受到上升氣流的沖擊，在重力作用下而沉淀。沉淀至斜壁上的污泥沿斜壁滑回污泥層內(nèi)，使消化器內(nèi)積累起大量的污泥。分離出污泥后的液體從沉淀區(qū)上表面進入溢流槽而流出。2.UASB的啟動與運行UASB的啟動最大困難是獲得大量性能良好的厭氧活性污泥。最好的辦法是從現(xiàn)有的厭氧處理設(shè)備中取出大量污泥投入消化器進行啟動，如有處理相同廢水的污泥效果更好。如果沒有相同廢水的污泥，也可以選取沉降性能較好的雞糞厭氧消化污泥、城市污水厭氧消化污泥或豬糞厭氧消化污泥等作為接種物。如果附近沒有厭氧消化器可以取污泥，也可以在工程附近原排放污水的溝內(nèi)尋找污泥作為接種物，但要篩除粗大固體物，并且沉淀出泥土砂石后方可進入消化器?？傊瑢ψ鳛榻臃N物的污泥有兩點要求：一是能夠適應將要處理的有機物，特別是在處理有毒物質(zhì)時這一點更重要；二是要污泥具有良好的沉降性能。例如，用消化過的雞糞作為接種物就比豬糞好，因雞糞沉降性能好，并且比較細碎有利于顆粒污泥的形成。啟動過程應注意以下幾點：最初污泥負荷應低于0.1?0.2千克COD/（千克VSSX天）；污水中的各種揮發(fā)酸未能有效分解之前不應提高反映器負荷;環(huán)境條件應有利于沼氣發(fā)酵細

菌的繁殖。如能注意以上幾點，在啟動運行6?12周內(nèi)，在溫度約30°C的條件下，污泥負荷可達0.5千克COD/(千克VSSX天)，對所處理的廢水大多數(shù)都有滿意的處理效果。在UASB內(nèi)雖設(shè)有三相分離器，但出水中仍帶有一定數(shù)量污泥,特別是在工藝控制不當時,常會造成大量跑泥。在正常運行時,少量活性污泥會因進水中的懸浮固體或氣泡的夾帶而隨水沖出，污泥過滿，也會使出水中污泥增多，這時應及時排放剩余污泥。在沖擊負荷的條件下，可能導致污泥過度膨脹,也可大量流失污泥。為了減少出水中所夾帶的污泥，可在USAB反應器后設(shè)置一個沉淀池，將所沉淀的污泥送回反應器內(nèi).沉淀池的HRT可采用2小時，每天回流污泥一次至污泥床與污泥層交界處。設(shè)置沉淀池的好處是：污泥回流可加速污泥的積累，縮短投產(chǎn)期；去除懸浮物，可改善出水水質(zhì)；當偶因工藝控制不當造成大量跑泥時，可回收污泥;污泥回流入消化器內(nèi)做進一步分解，可減少剩余污泥排放量。內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器內(nèi)循環(huán)(InternalCirculation)厭氧反應器是目前世界上效能最高的厭氧反應器。該反應器是集UASB反應器和流化床反應器的優(yōu)點于一身，利用反應器所產(chǎn)沼氣的提升力實現(xiàn)發(fā)酵料液內(nèi)循環(huán)的一種新型反應器。IC反應器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，如同把兩個UASB反應器疊加在一起，反應器高度可達16~25米，高徑比可達4~8。在其內(nèi)部增設(shè)了沼氣提升管和回流，上部增加了氣液分離器.該反應器啟動時，投入了大量顆粒污泥。運行過程中，用第一反應室所產(chǎn)沼氣經(jīng)集氣罩收集并沿提升管上升作為動力，把第一反應室的發(fā)酵液和污泥提升至反應器頂部的氣液分離器，分離出的沼氣從導管排走,泥水混合液沿回流管返回第一反應室內(nèi)，從而實現(xiàn)了下部料液的內(nèi)循環(huán)。如處理低濃度廢水時循環(huán)流量可達進水量的2~3倍，處理高濃度廢水時內(nèi)循環(huán)流量可達進水量的10~20倍.。結(jié)果使第一厭氧反應室不僅有很高的生物量，很長的污泥滯留期，并且有很大的升流速度，使該反應室的污泥和料液基本處于完全混合狀態(tài)，從而大大提高第一反應室的去除能力，經(jīng)第一反應室處理的廢水,自動進入第二厭氧反應室。z.IC獨翻戟散抽.1.梆澹3.『禪■1，花艘"氣混柚6z.IC獨翻戟散抽.1.梆澹3.『禪■1，花艘"氣混柚6、瑚廢水中的剩余有機物可被第二反應室內(nèi)的顆粒污泥進一步降解，使廢水得到更好的凈化。經(jīng)過兩級處理的廢水在混合液沉淀區(qū)進行固液分離，清液由出水管排出，沉淀的顆粒污泥可自動返回第二反應室.這樣廢水完成了全部處理過程。升流式固體反應器(USR)

升流式固體反應器是一種結(jié)構(gòu)簡單，適用于高懸浮固體原料的消化器。它的結(jié)構(gòu)如右圖所示。USR是一種簡單而又低值的反應器，它能自動形成比HRT較高的SRT和MRT，未反應生物固體和微生物靠自然沉淀滯留于反應器內(nèi)，可進入高SS原料如畜禽糞水和酒清廢液等，而且不需要出水回流和句固分離器。原料從底部進入消化器內(nèi)，消化器內(nèi)不需要安置三相分離器，不需要污泥回流,也不需要完全混合式消化器那樣的攪拌裝置，未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微圖11USR消化器示意圖生物,靠被動沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部排出，這樣就可以得到比HRT高的多的SRT和MRT,從而提高了固體有機物的分解率和消化器的效率。研究表明：利用中溫USR,在TS濃度平均為12%海藻的沼氣發(fā)酵時,其負荷范圍從1.6克到9.6千克VS/(米3天).其甲烷產(chǎn)量為0.38—0.34米3/千克VS加入，并且甲烷產(chǎn)率為0.6一3.2米3/(米3.天)，這個效果明顯比完全混合式要好的多，其效率接近UASB的功能，但UASB必須嚴格使用可溶性原料。四、附著膜型消化器,1.IE成條'湍器a應格這類消化器的特征是使微生物附著于安放在消化器內(nèi)的惰性介質(zhì)上，使消化器在允許原料中的液體和固體穿流而過的情況下，固定微生物于消化器內(nèi).應用或研究較多的附著膜反應器有厭氧濾器(AF)、硫化床(FBR)和膨脹床(,1.IE成條'湍器a應格圖12附著膜型消化器生物膜由種類繁多的細菌組成，隨著污水的流動，固著的微生物群體也有所變化。在進料部位多為酸化菌，而沿著流動方向的延長，產(chǎn)甲烷菌則更