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1、大中型沼气工程技术及项目设计,重点：厌氧消化器 沼气工程设计,大中型沼气工程界定,模式：能源环保模式、能源生态模式,杭州浮山养殖场能源生态沼气工程示意图,灯塔养殖场能源环保型沼气工程,沼气工程规模分类指标,大中型沼气工程的国内外研究进展,1、国外沼气工程发展现状,据世界银行统计数据显示： 截止2007年年底， 欧洲沼气产量达到590万吨油当量（相当于70亿立 方米天燃气）。 其中德国为191万吨油当量/年，英 国为170万吨油当量/年。德国、瑞典、英国、美国 等欧美发达国家在沼气工程发展现状也代表了国际 沼气工程产业的现状。,德国 在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力
2、来自于一些优惠鼓励政策的出台。,可再生能源优先法 2000年,电力并网法（1990）,沼气工程数量：1992年139家，2000年1050家， 2003年3000家，2006年底3500座 沼气发电的装机总量1999年50兆瓦2002年250兆瓦 2008年的1300兆瓦。 德国沼气协会估计,到2020年,总装机将达到9500兆瓦。,瑞典,瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家。1996年，瑞典开始把沼气提纯至甲烷含量95%以上作为汽车燃料使用，并制定了相关标准。,目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、 沼气与天然气混合燃料的小汽车。2004年开始，也有 火车以这种方式运行。在瑞典，
3、交通工具所使用的气 体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。,2004年开始，哥德堡等城市把沼气与天然气管网连 接，输送到用户 。瑞典沼气协会估算，若以10%农地和林业废弃物生 产沼气，沼气生产能力将达到853万吨油当量/年，而目 前的瑞典全国能耗仅为768万吨油当量，到2020年瑞典 成为世界上第一个不依赖石油的国家。,英国,2002年英国开始实行绿 色证书系统可再生能源义 务证书系统，该系统要求电力供应商每年增加可再生能源发电的份额，20052006年度为5. 7%，2015年将达到15.4%。 该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源，沼气份额的增加主要是填埋气发电市场的增加，填埋气是绿色证
4、书系统的受益者。 20042005 年度，沼气占可再生能源发电的35.9%（填埋气占33.6%， 污水处理沼气占2.3%）。,美国,美国在沼气方面主要集中在基础研究上，如产甲烷菌的基因排序、厌氧消化的生化过程、厌氧消化微生物菌 群结构及沼渣沼液中的特殊生物酶，而应用技术研究相对较少。,美国把沼气作为能源开发利用主要是垃圾填埋气，目前，垃圾场是美国沼气生产的主要来源，占总数的34。2007年，美国垃圾管理公司已在北美运行281个垃圾场，其中100个已经具有某些沼气转换能源的能力。,美国更注重新技术研发，已开始试验沼气燃料电池替代传统的内燃机发电。,中国,八十年代以来，规模化养殖场的逐年增加，畜禽
5、粪便污染日趋严重；与此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了第一个快速发展期。,中央投资不断增加 政策给予大力倾斜,截至2008年底，我国畜禽养殖场沼气工程达39510处，总池容451.476万 立方米，年产沼气约5.2亿立方米。,大型工程2761处，年产沼气约2.7亿立方米 中型工程12864处年产沼气约1.8亿立方米 小型沼气工程23885处，年产沼气7096万立方米。,大中型沼气工程厌氧消化器,分类指标 消化器类型,分类指标,Hydraulic Retention Time (HRT) HRT：一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要的时间，单位为天（d）或小时（h）。,HR
6、T(d)=V/Q V:消化器有效容积（m3） Q:每天进料量（m3）,投配率（%）=【每天进料体积（m3）/消化器有效容积 】*100% 消化器体积=【每天的污水量（m3）*HRT（d）】/消化器有效容积（%),SRT,Solids Retention Time (SRT) SRT是指悬浮固体物质从消化器里被置换的时间。,SRT=(TSSr)(RV*Dr) /(TSSe)(EV*De) TSSr-消化器内总悬浮固体的平均质量分数 TSSe-消化器出水的总悬浮固体的平均质量分数 RV-反应器体积；EV-每天出水的体积 Dr-消化器内固体物的密度；De-出水里的固体物的密度,SRT 与HRT的关系
7、：完全混合消化器、非完全混合消化器,Dairy Waste Volatile Solids Destruction,MRT,Microb Retention Time (MRT) MRT是指微生物细胞的生成到被置换出消化器的时间。,MRT、微生物增代时间与消化器消化能力之间的关系,qmax称为基质最大比消耗速率。,厌氧消化器分类,厌氧消化器,常规型、污泥滞留型、附着型,常规型,1.常规消化器,或称普通消化池。当无辅助搅拌装置时，固体停留时间为30d60d，有机负荷为1.6kgVS（挥发性固体）/m3d；当有辅助搅拌装置时，水力停留时间一般为6d30d，有机负荷为8kgVS/m3d。,2全混合式
8、厌氧反应器（AP）,特点：在一个池内完成厌氧消化和污泥分离；混合均匀、避免堵塞、气体逸出不畅现象。,沼气,出水,排泥,原料,全混合厌氧反应器,缺点：底物未完全消化，搅拌耗能高，消化器需要体积大，实际运行较难。,3.塞流式消化器（PFR）,特点：原料在消化器内呈活塞 式推移状态，适宜悬浮固体物 和有机废水的处理，如牛粪、 酒精废醪液等等。,优点：无需搅拌，结构简单， 能耗低；适用高SS废物的处 理；运转方便，故障少，稳定 性高。,缺点：固体物易沉底，影响消 化器有效体积；需要固体和微 生物回流接种；容器内温度难 保持一致，效率低；易产生 结壳。,厌氧接触反应器排出的混合液在沉淀池中分离后再回流到
9、反应器中。与普通消化池相比，它不需要很长的水力停留时间或很大的反应器容积。有效处理的关键在于污泥沉淀性能和污泥分离效率。,1厌氧接触工艺,真空脱气器,沉淀池,出水,回流污泥,污泥滞留型,优点：底物能混合均匀，能在较高的负荷运行。 缺点：需要额外的设备投资。,有机负荷： 为 2.1 kg(BOD)/m3d 5.0 kg(BOD)/m3d 或 12.5 kg(COD)/m3d 30.0 kg(COD)/m3d。,适宜温度： 多数是在中温范围,适宜浓度： 该法适用于处理 BOD5 大于 1500 mg/L 的废水，出水的BOD5 在 200 mg/L 1000 mg/L 之间。,厌氧接触工艺运行参数
10、,2.升流式厌氧污泥床（UASB）,上流式厌氧污泥床反应器有圆形、矩形，高度一般为3-8米，小型反应器多为圆形，大型反应器多为矩形。,UASB是Lettinga于1974-1978年研制的新工艺，目前发展最快，应用广泛的消化器。 特点：结构简单、运行费用低、处理效率高； 要求：处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。,UASB工作原理,沼气,气室,沉降室,气、固、液分离示意图（德国的专利技术）,液、固混合液通道,污泥床,悬浮层,UASB,优点：除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装置及填料；长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率；颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；出水SS含
11、量低。,缺点：需要安装三项分离器；需要有效的布水器，使进料能均布于消化器底部；进水要求低SS含量；在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。,UASB,接种物 1）能够适应将要处理的有机物，特别是在处理有毒物质时这一点更重要； 2）污泥需具有良好的沉降性能。 接种物的获取,启动注意事项： 1）最初污泥负荷应低于0.10.2kgCOD/(kgVSS.d)； 2）污水中的各种挥发性酸未能有效分解之前不应提高反应器负荷； 3）环境条件应有利于沼气发酵细菌的繁殖。,污泥的分布与流失,UASB,颗粒污泥：由厌氧消化细菌和胞外多聚物构成的微生物颗粒。 颗粒污泥形状：范围0.25mm,
12、成熟直径23mm;,产酸菌,产氢产乙酸菌 甲烷八叠球菌 甲烷螺菌,乙酸裂解菌,颗粒污泥图片,颗粒污泥,电镜扫描图片,细菌分裂照片,3.膨胀颗粒污泥床（EGSB）,1-配水系统；2-反应区； 3-定相分离器；4-沉淀区； 5-出水系统；6-出水循环系统,改进的UASB; 高度达2030m的反应器， 具有高速回水流，可低温 条件下运行；COD去除率 高； 运行条件和控制技术要求 高，不适合用于处理固体 物含量高的废水。,4.内循环厌氧反应器,内循环（internal circulation)厌氧反应器,1进水；2第一反应室集气罩；3沼气提升管； 4气液分离器；5沼气导管；6回流管；7第二 反应室集
13、气罩；8集气管；9沉淀区；10出水 管；11气封；,1986年由荷兰某公司研究成功并用于生产内循环厌氧反应器，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反 应器是集UASB反应器和流化床反应器 的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。,IC反应器结构与原理,两个UASB反应器叠加 16-25m，高径比4-8； 优点：1）具有很高的容积负荷率；2）节省基建投资和占地面积； 3）沼气提升实现内循环，不必外加动力；4）抗冲击负荷能力强；5）具有缓冲pH的能力。,5.升流式固体反应器（USR）,USR是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。 未消化的固体颗粒和沼气
14、发酵微生物靠自然沉降滞留 于消化器内，提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。 该反应器效率接近UASB功能，但适用于高SS原料，应用前景广阔。,6.折流式反应器,每个单元相当于一个反应器； 适用于低浓度的生活污水处理； 效果不理想原因：1是进料负荷集中于第一个小室，超负荷运行易酸化；2是酸化的料液会影响后面的料液。,附着膜型消化器,附着膜型消化器的特征是在反应器内安装有惰性支持物（又称填料）供微生物附着，并形成生物膜。这就使进料中的液体和固体在穿流而过的情况下，滞留微生物于生物膜内，并且在HRT相当短的情况下，可阻止微生物冲出。,这类反应器SRT较短，影响固体物的转化，因此只适用于处理低浓度
15、、低SS有机废水。,这类消化器有：厌氧滤器、流化床和膨胀床。后两种反应 器多处于实验室研究阶段。,1.厌氧滤器（AF）,厌氧滤器AF在实用上多用纤维或硬塑料作为支持物，使细菌附着于表面形成生物膜。,不适用于高SS含量的进料，因为它 们能很快堵塞该体系，生产上应用较少。可以考虑用做两阶段厌氧消化的甲烷化阶段。,填料：（1）为厌氧微生物提供附着生长的表面积；（2）高空隙率； 焦炭、煤渣、塑料制品、合成纤维,污泥排放,沼气,出水,薄层填料,部分充填载体型结构的平流式厌氧滤池示意图,为了防止堵塞可采用部分充填载体型结构方式。此外采用平流式厌氧滤池也有利于改善容易发生堵塞的不足。 厌氧滤池的清洗缺少简便易行的工艺方法。,AF,AF优点： 运行费用低，不需要搅拌； 因效率较高，可缩小消化器体积； 微生物固着在惰性介质上，MRT相当长，微生物浓度高，运转稳定； 更能承受负荷的变化。,AF缺点： 填料的费用较多（可达总造价的60%）； 由于微生物的积累，增加了运转期间料液的阻力； 易生堵塞和短路；只能处理低SS含量的废水； 通常需要较长的启动期。,填有比表面积很大的惰性载体颗粒的反应器，载体颗粒在整个反应器内均匀分布。 分为膨胀床和流化床。 膨胀床运行流速控制在略高于初始流化速度，相应的膨胀率为1530。 流化床一般按40200的膨胀率运行。,2厌氧流化床（AFB）,
