沼气工程厌氧消化器介绍

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1、沼气工程厌氧消化器介绍一、厌氧消化器分类 一个厌氧消化器，无论是哪一种类型工艺，在具备适宜的运行条件的基础上，决定其功能特性的构成因素主要是水力滞留期（HRT）、固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）, 并据此对消化器进行分类。（一）分类依据1、水力滞留期（HRT）：厌氧消化器的HRT是指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，通常一天（d）或小时（h）为单位，可按下式计算：HRT （天）消化器的有效容积 （m 3）每天进料量（m3）从上式可以看出，对一个消化器来说HRT与每天进料量互为函数即：每天的进料量（米3 ）二消化器的有效容积（m3）HRT （天）例如一个消化器有

2、效容积为100米3,每天进料量为5米3,则HRT为20天。同样如 果知道了 HRT,也可求出每天的投料量。无论是半连续投料运行，或是连续投料运行的消化 器都可以根据HRT来确定投料量，在生产上习惯使用投配率一词，即每天进料体积占消化器 有效容积的百分数，按下式计算：投配率%)=每天进料体积（米 3） v 100% 消化器有效容积（米3）按此公式计算前面举例消化器的投配率则为5%，而 HRT 则为投配率的倒数即 20 天。 当消化器在一定容积负荷条件下运行时，其HRT与发酵原料有机物含量呈正比，有机物含量 越高，HRT则越长，这有利于提高有机物的分解率。降低发酵原料的有机物浓度或增加消化 器的负

3、荷都会使HRT缩短，但过短的HRT会使大量沼气发酵细菌从消化器里冲走，除非采取 一定措施将固体和微生物滞留，否则有机物的分解率和沼气产量就会大幅度降低，消化器的 运行将难以稳定。图5所示为牛粪高温沼气发酵时 HRT与甲烷产率的关系曲线，从图中可 以看出，当HRT减少到1.6天时，甲烷 产率急剧下降为零。因为这一时间，小 于活性污泥中产甲烷菌的增代时间，也 就是说甲烷菌还没有来得及繁殖一代， 已被料液冲走，这是因为产甲烷菌比产 酸菌繁殖速度慢，产甲烷菌更容易从消 化器里冲出。这个时间称为极限滞留期。 在稍大于极限滞留期的情况下，由于产 甲烷菌得到增殖，并有足够的原料可以 利用，因而甲烷产率急剧上

4、升，当达到 产气最高峰时，其响应滞留期2.9天，即 为最佳滞留期。这时的原料利用速度最 高，虽可获得最高的熔剂产气率，但因 原料在消化器内停留时间太短而不能得 到充分消化。所以原料的转化率较低。HRT3）H -1科辭車蹶系幟图5 HRT与甲烷产率的关系曲线其后甲烷产率随滞留期的延长而下降，但原料转化率逐渐上升（表2），在生产过程中可根 据发酵目的的不同，选择适合的HRT，如以生产沼气为主则可适当的靠近最佳滞留期，如以 环境保护为主，则应适当延长HRT。表2 牛粪不同滞留期的产气率与原料利用率滞留期（天）4612产气率米3/（米3 天）6.294.962.89原料利用率（）39.846.152.

5、8确定了 HRT后，对一个每天污水产量一定的工程来说，就可以得出消化器的体积。例如， 一个1000头的猪场，每头猪每天产生污水量为25 升，则每天共产生污水25米3,如果HRT 定为10天，则消化器的有效容积为250米3，为防止发酵液产生的泡沫堵塞导气管，所以常 留10%体积作为缓冲，因此，消化器有效容积只占消化器总体积的90%。这样即可按下式求 出消化器体积：消化器体积=每天的污水量（m3XHRT （天） 消化器体积-消化器有效容积（）则上面举例猪场的消化器体积为：该猪场消化器体积290%0 277.8（米3）常规消化器的设计是根据HRT，然而在大型沼气工程的设计上常根据消化器的容积负荷 而

6、定。一般可溶性有机物容易分解，固体有机物分解较慢，所以固体滞留期（SRT）就显得 更为重要。2、固体滞留期（SRT）：是指悬浮固体物质从消化器里被置换的平均时间。在一个混合 均匀的完全混合式消化器里，SRT与HRT相等。而在一个非完全混合式消化器里，当消化器 在长的SRT运行时，一部分衰老的微生物细胞被分解，为新生长的微生物提供了营养物质, 这样就可以减少微生物对原料的营养要求。由于蛋白类物质的分解率提高，因而发酵液中铵 态氮含量也随SRT的延长而逐渐上升。一方面因SRT的延长固体有机物分解的更为彻底；另 一方面因衰亡微生物的分解使细菌得到更多的营养物质，因而较长的SRT使污泥的甲烷化活 性提

7、高，污泥的沉降性能得到改善。所以，高悬浮固体有机物的厌氧消化应设法得到比HRT 长得多的SRT，是至关重要的。在消化器里，沼气发酵微生物常附着于固体物表面而生长, SRT的延长也增加了微生物的滞留期，因此，除附着膜式消化器外，SRT与MRT是难以分开 的,所以SRT的延长也同时增加微生物的量，减少了微生物的冲出。这也是在长的SRT条件 下固体有机物具有较高分解率的原因之一。世污迟.中/ S S的降辭x T的关系甘蜿3、微生物滞留期（MRT）：指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。在一 定条件下，微生物繁殖一代的时间基本稳定，如果MRT小于微生物增代时间，微生物将会从 消化器里被冲洗干

8、净，厌氧消化将被终止。如果微生物的增代时间与MRT相等，微生物的繁 殖与被冲出处于平衡状态，则消化器的消化能力难以增长，消化器则难以启动。如果 MRT 大于微生物增代时间，则消化器内微生物的数量会不断增长。可见在一定条件下，消化器的 效率与MRT呈正相关。如果MRT无限延长，则老细胞会不断死亡而被分解掉。这样可使微生 物的繁殖和死亡处于平衡状态，就不会有多余的微生物排出。因此，延长MRT不仅可以提高 消化器的处理有机物的效率，并且可以降低微生物对外加营养物的需求，还可减少污泥的排 放，减少二次污染物的产生。当处理低浓度有机污水时，在HRT很短的情况下运行，这样必须设法延长MRT来维持厌 氧消化

9、过程的产酸与产甲烷的平衡。只有延长了 MRT才能阻止生长缓慢的产甲烷菌的冲击， 增加产甲烷菌在消化器内的积累，防止微生物生长不平衡现象的产生。用什么方法来延长MRT呢？在完全混合式消化器里，MRT与HRT、SRT相等，因此无法 使MRT单独增加，所以完全混合型消化器必须有长的HRT，负荷难以提高。要想使消化器有 比HRT更长的MRT,就必须使HRT与MRT分离，在污水经过消化器的条件下，使微生物滞留 于消化器内，这就产生了 UASB和厌氧滤器等使HRT与MRT分离的消化器类型，前者靠污泥 的沉降而使微生物滞留，后者靠微生物附着于支持物的表面形成生物膜而滞留，这样就可使 MRT 大大延长，从而提

10、高了消化器的效率，因而使消化器的负荷大幅度提高，并使厌氧消化 器只适用于高浓度有机污水而发展到今天也可以用来处理低浓度污水。由此可见增加 MRT 在理论和时间上的重要性。（二）厌氧消化器类别根据HRT、SRT和MRT的不同，可将厌氧消化器分为三种类型（表3）。第一类消化器为常规性消化器，其特征为MRT、SRT和HRT相等，即液体、固体和微生物混合在一起，在出 料同时被淘汰，消化器内没有足够的微生物，并且固体物质由于滞留期较短而得不到充分消 化，因而效率较低。第二类消化器为污泥滞留型消化器，其特征为通过各种固液分离方式 将MRT和SRT与HRT加以分离，从而在较短的HRT的情况下获得较长MRT和

11、SRT。即在发酵 液排出时，微生物和固体物质所构成的污泥得到保留，因而称为污泥滞留型。第三类消化器 为附着膜型消化器，其特征为在消化器内安放有惰性介质供微生物附着，使微生物呈膜状固 着于支持物表面，在进料中，液体和固体穿流而过的情况下固着滞留微生物于反应器内，从 而使消化器有较高的效率。二、常规型消化器（一）常规消化器常规消化器也称常规沼气池，是一种结构简单、应用广泛的发酵装置（图 6）。该消化 器无搅拌装置，原料在消化器内呈自然沉淀状态，一般分为4 层，从上到下依次为浮渣层 上清液层、活性层和沉渣层，其中厌氧消化活动旺盛场所只限于活性层内，因而效率低。表 3 厌氧消化器分类类型滞留期特征消化

12、器举例常规型MRT=SRT=HRT常规消化器塞流式完全混合式污泥滞留型(MRT 和 SRT)HRT厌氧接触工艺升流式固体反应器升流式厌氧污泥床附着膜型MRT(SRT 和 HRT)折流式厌氧滤器流化床和膨化床图 6 常规消化器与全混合式消化器1、批量投料：批量投料是在沼气发酵的应用上最简单的工艺，其特点为在消化器启动 时将原料和接种物一次投入消化器，直到产气停止或产气甚微时为止，再将发酵后的残余物 全部取出，然后再重新投料进行启动。批量投料的优点：适用于季节性产物和高固体原料；消化器结构简单、造价低；使用管 理简单，适用于农村家庭及农场。缺点为：投料启动后，微生物处于自然繁殖状态，产气量无法控制

13、，因而难以作到均衡 产气；高浓度原料启动时可能导致产酸和产甲烷的不平衡，从而导致因酸化使发酵失败。2、半连续投料： 即每隔一定时间进行投料一次，这样可使批量投料时无法控制的产气 量得到控制。例如水压式沼气池在以禽畜粪便为原料时，按半连续投料进行效果较好。在常 温条件下，池温再20C以上时有机负荷为12千克COD/ （米3天）产气率为0.20.5 米 3/ （米 3 天）。（二）完全混合式消化器（CSTR）完全混合消化器也称高速消化器，是以前使用最多、适用范围最广的一种消化器。但 随着近来研究工作的深入，认识到该种消化器能耗大、能效比较低，应用范围逐渐缩小。完全混合消化器是在常规消化器内安装了搅

14、拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混 合状态，与常规消化器相比使活性区遍布整个消化器，其效率比常规消化器有明显提高，故 名高速消化器该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体 原料的处理，例如污水处理厂好氧活性污泥的厌氧消化过去多采用该工艺。在该消化器内， 新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相 对较低状态。而其排出的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排 出，所以，出料浓度一般较高。该消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，为 了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT

15、较长，一般要1015天或 更长的时间。中温发酵时负荷为34千克COD/（米3 天），高温发酵为56千克COD/ （米 3 天）。（三）塞流式消化器塞流式亦称推流式消化器，是一种长方形的非完全混合消化器，高浓度悬浮固体原料 从一端进入，从另一端流出，原料在消化器的流动呈活塞式推移状态，在进料端呈现较强的 水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。由于进料端缺乏接种物，所以要 进行污泥回流。在消化器内应设置挡板，有利于运行的稳定。图 7 塞流式消化器塞流式消化器最早用于酒精废醪的厌氧消化，河南省南阳酒精厂于60 年代初期即修建 了隧道式塞流消化器，用来高温处理酒精废醪。发酵池温为55C左右，投配率为12.5%,滞 留期为8天，产气率为2.252.75米3/（米3 天）负荷为45千克COD/ （米3 天）每 立方米酒醪可产沼气 2325 米 3塞流式消化器在牛粪厌氧消化上也广泛应用，因牛粪质轻、浓度高，长草多，本身含 有较多产烷菌，不易酸化，所以，用塞流式消化器处理牛粪较为适宜（表 4）。该消化器要 求进料粗放，不用去除长草，不用泵或管道输送，使用搅龙或斗车直接将牛粪投入池内。采 用 TS 为 12%的浓度使原料无法沉淀和分层。生产实践表明：塞流式池不适用于鸡粪的发酵 处理，因鸡粪沉渣多，易生成沉淀而大量形成死区，严重影响消化器效率。表 4 塞流式消化器与常规沼气池比较