罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计

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1、罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计- 1 -1 1 11前言前言前言前言1.11.11.11.1研究背景研究背景研究背景研究背景当今世界，常规矿物能源的自然资源逐渐枯竭，而有机固体废物的积聚却又成为极 其严重的环境问题。 “减少环境危害，增加本地能源资源”的双重任务，促使科技工作者向有机废物索取能量，这也是新能源领域的一个研究方向。动物粪便是含有机固体最丰 富的废物之一，它的充足来源和作为能源的价值显示了它可“变废为宝”的潜力。生物质是地球上最普遍的一种可再生能源，在生物质的循环利用中，生物质转化产生的碳与 植物生长所吸收的碳的量几乎相等，因此，生物质的利用不会造成大气中

2、 co2的增加，生物质燃料中硫含量极少，不会排放导致酸雨的二氧化硫，故生物质能具有广泛的实用 价值。据有关专家预测，到 21 世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的 40，并且其价格低于化石燃料。 厌氧消化(AnaerobicDigestion)又称甲烷发酵(MethaneFermentation)或沼气发酵。厌氧 消化是处理有机废物既省能又产能的技术，正引起国际上的重视。中国是厌氧发酵技术大国，应用厌氧消化技术处理废物,以达到净化环境、获得能源的目的，将在中国有进一 步发展的广阔前景。我国是养殖业大国，据 1998 年联合国粮农组织的数据统计显示，当年我国的肉类总产量占

3、世界肉类总量的 26%，居世界首位。在未来的时期内，我国养 殖业仍会保持持续增长的态势。根据国家统计局的统计，我国各种大牲畜的年排粪量为19.126108吨，除去 10-20损失，总得粪量为 13.4108吨。其中牛粪占 40.29，猪 粪占 44.77%。如果管理不善，每年将会有 25%的畜禽粪便流失到水体中，也就是说有8.7 吨 COD(Chemistry oxygen demand)，6.2 吨 BOD(Biology oxygen demand)释放到水里， 相当于具有一定规模的工业企业污染物的排放量。如果畜禽粪便未经任何处理会造成地表水、地下水的严重污染；而牲畜粪便又为富氮原料，是产

4、沼气很好的物料，具有发酵 周期短，产气速度快的特点。如果将牲畜粪便利用厌氧技术转化成沼气，每公斤牲畜粪便可产沼气约 150 多升，产热值 5158KJ，相当于 1Kg 的标准煤，0.16 升的汽油，因此 充分利用 25% 约 4.7108吨的牲畜粪便可产沼气 7051011升，相当于 4.71011吨标准煤，可年发电 1.5661015度。另外，畜粪发酵后的残留物无毒无味，是一种易被植物 吸收的速效肥料。沼液是一种高效有机肥，含有植物所需溶解状氨、磷、钾和微量元素 的肥料成份，以及活性植物助长剂，可提高农作物产量；使用沼液喷洒植株，可起到杀虫、抑菌的作用，减少农药使用，生产绿色食品。沼渣的有机

5、质及 N、P、K 含量明显高 于沤制的土杂肥，经过发酵的粪肥有效氮提高 40%，肥效可提高 20%，长期使用可以改良土壤结构，增强土壤保肥、保水能力。另外沼液可以养鱼，还可做为猪饲料及蛋鸡的 添加剂，它能使每头猪每天多增重 100132 克，可提高产蛋率 70左右。因此，综合利用牲畜的粪便，使其变废为宝、化害为利的技术具有重大的现实意义和战略意义。罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计- 2 -由此可见，沼气建设及综合利用的开展不仅是农村能源问题解决的需要，而且可以保护和改善农业生态环境，是合理持续的开发和利用自然资源的有效途径，同时是农业 肥料建设，农村环境建设的必要，是生

6、态农业建设的重要内容。1.21.21.21.2国内外发展概况国内外发展概况国内外发展概况国内外发展概况1.2.11.2.11.2.11.2.1国外发展概况国外发展概况国外发展概况国外发展概况1776 年，意大利物理学家 A沃尔塔测出湖泊底部植物体腐烂所产生的气体中含有 甲烷。1866 年勃加姆波首先提出甲烷的形成是一种微生物的作用过程。1875 年俄国学者波波夫首先利用河泥加入纤维素物质中，产生出甲烷，并发现了甲烷发酵是一个微生物 学过程。这一发现引起了微生物学家的广泛兴趣，为沼气发酵的应用奠定了基础。1901年荷兰学者对甲烷细菌的形态特征，以及他们所能进行的转化作用提出了一个比较清楚 的概念

7、，并发现氢和二氧化碳的混合物能发酵产生甲烷。1916 年俄国微生物学家奥梅梁斯基分离到第一株甲烷菌，命名为奥氏甲烷菌。1936 年巴克尔发现了沼气发酵分为产酸 和分解酸形成甲烷两个阶段。初步建立了沼气发酵的两阶段学说。1950 年美国亨格教授建立了厌氧技术，解决了甲烷菌的分离和培养问题。1967 年布赖恩特用改良的亨格特技 术将奥氏甲烷菌进行分离纯化，获得甲烷菌 Hungate 菌株是两种菌的共生体，从而揭示了产氢菌和产甲烷菌之间的相互依赖关系，更进一步推动了甲烷发酵的研究向纵深发 展。 近年来，在甲烷菌的研究进展尤为突出，对甲烷菌的分离，培养，分类，生理代谢，细菌结构和基因排列等方面都有一定

8、的研究成果。甲烷发酵的理论研究，促进了应用的 发展。1881 年，摩热斯发表了“自动清净器”，在法国建立了世界上第一个处理废水的消化器。1896 年在英国一个小城市里建起一座用来处理生活污水所产生的污泥沼气池， 所产生的沼气用来照明一条街道。20 世纪 30 年代，在德国许多城市用刚瓶贮存压缩沼气，用作汽车燃料。随着对沼气发酵原理认识的深入，沼气池便由开始时的简单化粪池 发展到高速消化器（1950） 。1955 年出现了使微生物回流的厌氧接触工艺，使厌氧消化的效率大大提高。1969 年出现了厌氧滤器，1979 年研制成功厌氧污泥床。这些新工艺使 可溶性原料在沼气池内发酵时间大大缩短，从原来几十

9、天缩短到一天，甚至几小时，这样就使沼气发酵用于处理污水等工程成为可能，也为沼气生产创造了更好的办法。日本 横滨市建有总容积 68000m3(106800m3)的卵型处理罐，用于处理下水污泥，每 m3污泥(TS4.8%)经处理后 TS 减少 42%，可溶性 COD 减少 80.2%，并可产生沼气 23.3m3。德国 与瑞典为城市下水污泥及农产品加工废水的处理分别建有单只容积 1.2 万 m3与 3 万 m3的厌氧消化罐，对装置的大型化作了示范,对废物处理、环境的净化起到了良好的作用。 据美藉华人石家兴教授报导，鸡粪高温厌氧消化中分解鸡毛的是一种枯草杆菌产生的角 质酶所致，该酶已找到了基因并已克隆

10、成功。此外，关于厌氧微生物的动力学研究，美国、 墨西哥、 日本等也有所介绍， 为工程运行自动化管理等打下了良好基础。 荷兰 Lettinga 教授的 UASB 装置，国际上已得到了较普遍的应用，近几年为了适应各种浓度的废水的罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计- 3 -处理，三相分离器的式样也层出不穷，显示了广泛的前景。对于难降解有毒物质的处理也有报导，联合王国的 HoltC.H.报导，经 3 个月左右的驯育，厌氧微生物能分解一种含 酚 1192mg/l，COD 为 3192mg/l 的废水，其 COD 去除率达到 93.7%，酚去除率为 78%，另外美国 Jason 等在

11、对木材业含毒废水处理时，延迟期约为 35 天。从而表明厌氧微生物 有其独特的功能。在世界范围内对厌氧工艺应用进行的统计，到 99 年共统计了 1303 个各类形式的反应器 （世界范围内采用厌氧工艺统计见图 1）。其中有近 800 座采用 UASB 反应器，占全部项目的 59%。在各种反应器中 UASB 工艺被最为广泛地应用在生产性的装置上。而流化床（包括膨胀床）和厌氧滤床加起来占 10%，这两者和接触工艺一样是 另一类重要的处理构占厌氧工艺应用总数的 11%左右，但该工艺属于近年来刚刚开发，但占据市场的速度非常快的工艺，其在新建厌氧处理装置中占有很大的比例。图 1 世界范围内采用厌氧工艺统计1

12、.2.21.2.21.2.21.2.2国内发展概况国内发展概况国内发展概况国内发展概况中国发展厌氧消化始于 20 世纪 30 年代，经过几度反复，直至 70 年代后期才开始 较稳步地发展，至今已有单池容积 610m3的农村家用池 570 万只，容积在 100m3以上的大中型沼气工程装置 540 多处，城镇生活污水厌氧消化净化池 3.6 万只，在获取能源、 净化环境方面起到了很好作用，使我国有“世界沼气之乡”之美称。中国广大农村的小型户用沼气池所产沼气主要用于农户的燃料，而工业厌氧装置的沼气在不少地区已和城 镇建设结合在一起。沼气用于城镇居民的燃料，例如：河南南阳酒精厂，1987 年建成二座 5

13、000 m3厌氧发酵罐，日产沼气 4 万 m3，供应南阳市 2 万户居民用气。另外，利用 沼气发电的机组（发电站）约在 200 座以上，估计总装机接近 5MW 。 对较低的消化 液处理达到排放标准。到 2000 年底已有超过 1 亿 m3的工业和畜禽养殖场废水、 废渣得到处理，取得了显著的环境、经济和社会效益。例如：前述南阳酒精厂，厌氧工程年 处理废糟液 80 多万吨，日产沼气 4 万 m3。每年可节煤 4 万吨，减少向大气排放二氧化罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计罐式厌氧发酵工艺及发酵罐设计- 4 -碳、氮氧化物和烟尘 200 多吨，减少燃煤废渣 600 吨，年效益 300 万元以上。近几个五年

14、计划中，国家科委、农业部都组织攻关，使厌氧消化的水平不断提高， 期望着让这一具有生命力的技术，在能源环境工程中发挥更大的作用。近 10 多年来，还引进了国外的新材料和新工艺来设计和建造。如：德国利浦（Lipp ）公司的双折边咬 口技术和 Farmetic 公司的拼装制罐技术。由于在现场拼装（或卷制）方式最终成型使工程施工周期短，比普通钢板节省材料 50%以上，而且耐腐蚀、技术先进、性能好。目前 在中国已得到大量推广，已建成数十套装置，表明这些制罐技术是适合中国国情的现代化制造技术。成熟和使用的沼气技术和模式得到了广泛的普及和应用，而且还带动了农 村可再生能源产品及相关设备生产企业和服务公司的发

15、展，形成了初具规模的沼气产业化发展龙头。沼气技术的广泛应用对保护和改善生态环境起到了重要作用。预计到 2005 年，大中型沼气工程将增加到 2000 座，年处理有机废水 2 亿 m3，形成年产沼气 20 亿 m3的能力，相当于 200 万吨标准煤，可年发电 33.33 亿度。1.31.31.31.3研究的目的和意义研究的目的和意义研究的目的和意义研究的目的和意义我国开发利用生物质能具有重要意义，生物质能一直是人类赖以生存的重要能源， 它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成 部分，到

16、下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的 40%以上。我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家，21 世纪将面临着经济增长和 环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。开 发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国 80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质 能仍占有重要地位。1998 年农村生活用能总量 3.65 亿 t 标煤，其中秸秆和薪柴为 2.07亿 t 标煤占 56.7%。因此发展生物质能技术,为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这 些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。生物质能优质化利用是实现现代化和 可持续发展战略的要求，1991 年至 1998 年农村能源消费总量从 5.68 亿 t 标准煤发展到6.72 亿 t 标准煤，增加了 18.3%,年均增长 2.4%。而同期农村使用液化石油气和电炊的农 户由 1578 万户发