幾種沼氣厭氧發(fā)酵工藝比較

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）。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1。這種工藝能較好地保證原料在沼氣池內(nèi)的滯留時間。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)場有較好的經(jīng)濟(jì)效益；不需要攪拌；池形結(jié)構(gòu)簡單，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，HCF厭氧反應(yīng)器的一端頂部有一個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；工藝流程簡單；設(shè)施少，工程投資?。徊僮鞴芾砗啽悖\(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。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15d～30d。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間和固體停留時間，不能滯留微生物。厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個池內(nèi)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、運(yùn)行管理方便。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，攪拌可能會導(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-flowAnaerobicSludgeBed，簡稱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。活性污泥實際上是沼氣發(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)①UASB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)形成沉降性能良好的顆粒污泥或絮狀污泥。②UASB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）。③長的SRT和MRT使其具有很高的負(fù)荷率。有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時間短（1d~5d），中溫發(fā)酵，容積COD負(fù)荷一般為5kg/m3~10kg/m3左右。④一般不設(shè)沉淀池，一般不需污泥回流設(shè)備。⑤消化器結(jié)構(gòu)簡單，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)約造價及避免因填料發(fā)生堵塞的問題。⑥出水的懸浮物固體含量低。（2）缺點(diǎn)①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使床層受到破壞。②需要有效的布水器使進(jìn)料能均勻分布于消化器的底部。③對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感，耐沖擊能力稍差。④污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。⑤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，會引起污泥流失。常用工藝對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“能源生態(tài)型”沼氣工程。在懸浮物含量較高的情況下，經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)最合適的為CSTR與USR，而CSTR尤其適合于熱