【餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫工藝設(shè)計16000字（論文）】

餐廚垃圾厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫工藝設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u23149第1章緒論 167121.1設(shè)計任務(wù) 1300241.2設(shè)計目的及意義 1310921.3設(shè)計要求 2160761.4設(shè)計依據(jù) 2862第2章設(shè)計方案選擇 464742.1餐廚垃圾 421242.2厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)分析 6219872.3工藝方案 1022138第3章設(shè)計計算 12115423.1設(shè)計要求 1289103.2預(yù)處理 1233093.3厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器參數(shù)選擇與設(shè)計 1312573.4厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應(yīng)器參數(shù)選擇與設(shè)計 17290213.5沼渣和沼液得率計算 2021613.6厭氧反應(yīng)器溫度系統(tǒng) 21247903.7系統(tǒng)所需熱量計算 2197213.8出液沼液沼渣利用 22138403.9氣體凈化方法 22184263.10氣體的儲存系統(tǒng) 25第1章緒論1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計餐廚垃圾日處理量Q=50t/d厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫工藝。1.2設(shè)計目的及意義1.2.1設(shè)計目的隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們產(chǎn)生的垃圾越來越多，而餐廚垃圾就是放錯位置的資源，如果不能合理的處理會影響城市市容和人居環(huán)境，如果作為飼料喂養(yǎng)家畜會對家畜甚至人類的健康造成危害，因此我們需要合理的處理利用餐廚垃圾，通過餐廚垃圾制氫也體現(xiàn)了垃圾的資源化利用。隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，人們對石油，天然氣等化石能源的需求越來越高，但燃燒這些化石能源會排放出SO2,NO2CO2等溫室氣體，造成全球氣溫升高，也會導(dǎo)致酸雨的加重，對環(huán)境造成不良的影響，開發(fā)清潔能源也是目前全球面臨的問題之一。氫氣就是這樣的清潔能源，氫氣燃燒后產(chǎn)生水蒸氣不會對環(huán)境造成危害。利用餐廚垃圾制氫不僅可以使垃圾減容，減少垃圾的占地面積，另一方面還能緩解目前我國對于能源需求的壓力。1.2.2設(shè)計意義通過工藝設(shè)計和完成圖紙、撰寫論文，可以使我對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫工藝有更深的了解和掌握，鞏固和加深專業(yè)知識能力，也能夠?qū)W會根據(jù)設(shè)計課題查閱文獻(xiàn)資料，完成設(shè)計；并且熟悉了CAD繪圖技巧，能夠編制規(guī)范的設(shè)計報告。還可以鍛煉我查閱文獻(xiàn)、收集資料的能力；鍛煉分析能力和判斷能力以及繪圖的能力，總結(jié)和撰寫設(shè)計說明書的能力。1.3設(shè)計要求根據(jù)餐廚垃圾日處理量Q=50t/d，設(shè)計厭氧發(fā)酵生物產(chǎn)氫工藝：預(yù)處理+厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)+厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵+氣體凈化系統(tǒng)。1.4設(shè)計依據(jù)設(shè)計依據(jù)主要為國家法律法規(guī)：1、《生產(chǎn)過程安全衛(wèi)生要求總則》GB128012、《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB145543、《室外排水設(shè)計規(guī)范》GB500144、《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》GB500155、《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)》GB81726、《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》GB89787、《城市生活垃圾厭氧發(fā)酵處理技術(shù)規(guī)范》CJ/T528、《農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)商品有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)》NY5259、《餐廚垃圾處理技術(shù)規(guī)范》CJJ184-201210、《升流式厭氧污泥床反應(yīng)器污水處理工程技術(shù)規(guī)范》HJ2013-201211、《餐廚垃圾厭氧消化處理技術(shù)規(guī)程》DB62/T4116-202012、《大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范》GB/T51063-201413、《完全混合式厭氧反應(yīng)池廢水處理工程技術(shù)規(guī)范》HJ

2024-201214、《厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器廢水處理工程技術(shù)規(guī)范》HJ

2023-2012

第2章設(shè)計方案選擇2.1餐廚垃圾2.1.1餐廚垃圾的概念食物垃圾是居民在日常生活和生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的一種垃圾。包括由住戶、食物業(yè)、飲食業(yè)、飲食業(yè)單位及其他活動產(chǎn)生的食物處理廢物(廚余廢物)、食物殘渣(污泥)及食物脂肪廢物。它的組成包括淀粉、膳食纖維、動物脂肪和其他物質(zhì)，這些物質(zhì)是生活垃圾中有機(jī)相的主要成分。上海將廚房垃圾分為兩類:廚房垃圾和食用油垃圾。其中，廚房垃圾是指食物殘渣和食物加工垃圾。食用油和脂肪廢物是指不可食用的動植物脂肪以及各種油和水的混合物。餐廚廢物是食物的可食用和不可食用部分的殘余物，其物理和生化特性因不同地點(diǎn)的食物成分和結(jié)構(gòu)而異。2.1.2餐廚垃圾的特性廚房垃圾通常占家庭垃圾的近30%。這些殘留物富含水分，很可能會變質(zhì)。廚余垃圾主要由蔬菜葉片和果皮組成，富含淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和無機(jī)鹽。其有機(jī)組分占主導(dǎo)地位，含有大量的淀粉和纖維素。無機(jī)鹽中含有豐富的氯化鈉，同時還含有鈣、鎂、鉀、鐵等微量元素。它還具有高鹽含量(濕基0.8-1.5%)，脂肪(干基:20%-30%)，易于微生物使用，高濕度(65%-95%)和易腐爛、發(fā)酵和發(fā)臭特性。產(chǎn)生的液體可進(jìn)入地下水，造成健康問題或引起疾病傳播。（1）鹽分含量高餐廚垃圾中含有較髙的鹽分，而在餐廚垃圾的厭氧消化的過程中，產(chǎn)甲烷菌對鹽類較為敏感，產(chǎn)甲烷菌在一定鹽度中可以有效揮發(fā)作用，超過范圍，產(chǎn)甲烷菌會導(dǎo)致脫水，酶活性下降，鹽分過高還可能導(dǎo)致細(xì)菌死亡，餐廚垃圾中鹽分低一些會對后續(xù)的厭氧消化起促進(jìn)作用。若餐廚垃圾中鹽分過高，則要在預(yù)處理階段采取措施，降低鹽分含量。（2）有機(jī)負(fù)荷高有機(jī)負(fù)荷表征著物料的性質(zhì)，根據(jù)物料的有機(jī)負(fù)荷，可以確定反應(yīng)器容積的大小，若物料有機(jī)負(fù)荷過低，或造成消化菌等微生物的營養(yǎng)物質(zhì)供給不夠，微生物長期處于饑餓的狀態(tài)，處理效率低下。若物料有機(jī)負(fù)荷過高，微生物長期飽和，導(dǎo)致細(xì)菌繁殖過快，后期污泥量多。在高溫條件下，很容易腐爛變質(zhì)，產(chǎn)生臭味，對收集點(diǎn)附近的居民產(chǎn)生一定影響。含水率高餐廚垃圾含水率過低會導(dǎo)致物料的流動性降低，在處理過程，攪拌、接觸傳質(zhì)、進(jìn)料等都沒法達(dá)到良好的效果，一般反應(yīng)器會通過加入新鮮水增加含水率，一般在反應(yīng)器前設(shè)置酸化池，注水預(yù)處理。含水率高，水的熱容大，則在反應(yīng)過程需要注入更多熱量，造成一部分能量損失。因此在處理過程要根據(jù)餐廚垃圾性質(zhì)，確定含水率，選用合適反應(yīng)器。2.1.3餐廚垃圾的產(chǎn)生現(xiàn)狀近年來，人們吃飯的方式有了改變。中國餐廳廚房垃圾不僅量多而且種類復(fù)雜。除食物外，還可與塑料袋、玻璃瓶、筷子、石頭等多種雜質(zhì)混合在一起。中國城市每年產(chǎn)生600萬噸食物垃圾，大城市和中小城市也產(chǎn)生驚人數(shù)量的食物垃圾。目前，城市中的大部分廚房垃圾和家庭垃圾混合堆放的。主要是以傳統(tǒng)的焚燒和填埋方式處理。而焚化和填埋不能實(shí)現(xiàn)食堂-廚房垃圾資源利用，是對廚房垃圾的浪費(fèi)，給地方財政帶來很大負(fù)擔(dān)。盡管上海、北京等許多城市連續(xù)實(shí)施垃圾分類，廚房垃圾的雜質(zhì)總量仍然很大。從很久以前開始，政府就曾表示，將在很多地方實(shí)行垃圾分類，并對廚房垃圾進(jìn)行分類，使其可以重新利用資源或用于其他用途。2.1.4餐廚垃圾處理現(xiàn)狀粉碎直排處理粉碎直排方法是對少量分散的餐廚垃圾的主要處理方法，是在餐廚垃圾產(chǎn)生點(diǎn)直接粉碎。然后經(jīng)水力侵蝕后注入城市市政污水管道，與城市污水合并進(jìn)入城市污水處理廠進(jìn)行深度處理。粉碎法是一種廉價易用的處理餐廚垃圾(生活垃圾)的技術(shù)，有利于降低城市垃圾的含水率，減少收集量，增加城市垃圾的熱量產(chǎn)生。

2.填埋處理

在我國很多地區(qū)，廚房垃圾和普通垃圾一起被送到垃圾填埋場。填埋是大部分國家無害處理家庭垃圾的主要方法。廚房垃圾含有大量可分解性成分，安全時間短，有助于填地恢復(fù)，易于操作而廣泛使用。隨著對歐洲、美國、日本、中國等廚房廢棄物利用可能性的了解越來越多，廚房廢棄物填埋率呈下降趨勢，甚至許多國家禁止將廚房廢棄物運(yùn)到填埋地處理。3.肥料化處理

餐廚垃圾堆肥的處理方法主要有兩種:好氧堆肥和厭氧消化。好氧堆肥過程是通過微生物的代謝，在好氧條件下，通過微生物分泌的含好氧有機(jī)酶的循環(huán)，將有機(jī)固體分解為可溶解的有機(jī)物質(zhì)，然后通過微生物的新陳代謝滲透到細(xì)胞中，實(shí)現(xiàn)整個堆肥過程。餐廚垃圾的厭氧消化是微生物在一定的厭氧條件下對有機(jī)物的分解，其中碳、氫、氧被轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，而氮、磷、鉀仍然存在于殘留物中，并被轉(zhuǎn)化為一種便于植物吸收和利用的形式。

4.飼料化處理飼料化的兩種方式:(1)飼料的生物處理。原理是將培養(yǎng)出來的菌株放進(jìn)餐廚垃圾中密封保管，再用菌株殺死病原性細(xì)菌制造飼料。(2)飼料的高溫消毒。原則上是先把垃圾粉碎，然后利用高溫消毒的原理殺毒，再加工成飼料。成熟的飼料處理方法是綜合利用顆粒，擠壓，干燥技術(shù)。被擠出的飼料的細(xì)菌濃度遠(yuǎn)低于其他飼料。由于在擠出過程中溫度增加，單螺旋干式擠出工序可以大大減少潛在病原體的濃度。5、能源化處理

焚燒、熱解和發(fā)酵氫處理作為食品垃圾的能源化處理是近年來迅速出現(xiàn)的。餐廚垃圾焚燒效率高，只產(chǎn)生5%左右的殘留物。這種焚燒實(shí)現(xiàn)了蒸汽或電能的回收，燃燒食物垃圾時，由于低熱值，需要額外的燃料。同時，尾氣凈化也是一個難題。熱解是將廢棄物在高溫下進(jìn)行熱解，將廢棄物中所含的能量轉(zhuǎn)化為氣、油、碳等形式，再加以利用。熱解具有良好的應(yīng)用前景，但尚未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用階段，目前相對應(yīng)用較少。氫是一種高質(zhì)量的清潔能源，被普遍認(rèn)為是最具潛力的替代能源，已經(jīng)被許多學(xué)者研究。能量化處理食物垃圾必將受到越來越多的關(guān)注。6.焚燒法焚燒處理垃圾是一種將固體廢物的可燃性組分與一定比例氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將燃燒的固體廢物及其組分放入餐廚焚燒爐中焚燒后,固體廢物的燃燒體積可以減少約40%-80%,在一定的程度上可以大大縮小餐廚垃圾的堆積體積，同時，餐廚垃圾所含的水分過多在一定的情況下會影響到廢物的燃燒并且有可能產(chǎn)生二次燃燒污染物，需要進(jìn)行前處理且在運(yùn)行過程嚴(yán)格控制溫度。二次污染物較難除去，成本也較高。2.2厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)分析厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的處理過程，操作過程中有很多影響因素，包括前處理、溫度控制、TS含率，在處理發(fā)酵過程，還需設(shè)置相當(dāng)數(shù)量的沼氣成分監(jiān)督儀，通過成分分析，判斷工藝運(yùn)行狀況，為反應(yīng)器是否故障和是否調(diào)節(jié)用量提供參考。在目前資源緊張的情況下，對餐廚垃圾的厭氧消化研究是有重要意義的。針對餐廚垃圾厭氧消化過程的微生物變化，發(fā)現(xiàn)其存在易于酸化的特點(diǎn)，所以，厭氧消化過程的酸度和pH控制成為難點(diǎn)。干式厭氧消化還需額外供能，干式消化的產(chǎn)氣速率、攪拌方式相較于濕式氧化來說難度更大，額外供能就決定了需考慮餐廚垃圾厭氧消化產(chǎn)沼氣產(chǎn)生的能量與厭氧消化反應(yīng)過程消耗的能量的關(guān)系，研究與工程應(yīng)用需考慮能量關(guān)系。處理技術(shù)考慮到餐廚垃圾的特性，其存在油脂和其他糖類所含物占比重大,鹽分偏高等的主要特點(diǎn)，容易腐爛發(fā)臭，油脂的存在就決定了其在預(yù)處理階段要求較高。在工程中，應(yīng)尋求更加簡單適用的處理方式，努力降低餐廚垃圾不利性質(zhì)對厭氧反應(yīng)的影響是今后探索的目標(biāo)。2.2.1厭氧發(fā)酵基本原理厭氧性氫氣生成細(xì)菌是氫氣生成的基質(zhì)，它利用葡萄糖，淀粉，蛋白質(zhì)，脂肪，纖維素等多種有機(jī)基質(zhì)，進(jìn)行發(fā)酵，生成氫氣，揮發(fā)性脂肪酸及其他小分子有機(jī)體。主要?dú)涞纳a(chǎn)機(jī)理分別為:丙酮酸脫羧產(chǎn)氫、NADHNAD氧化還原平衡調(diào)節(jié)產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)氫以及NADPH作用產(chǎn)氫。第一階段是水解和發(fā)酵階段。在這個階段，復(fù)雜的有機(jī)物會在微生物(發(fā)酵菌)的作用下水解并發(fā)酵。多糖先水解成單糖，然后用發(fā)酵的方法生成乙醇和脂肪酸。蛋白質(zhì)先水解為氨基酸，氨基酸脫氨基，生成脂肪酸和氨。脂質(zhì)轉(zhuǎn)換為脂肪酸和甘油，甘油轉(zhuǎn)換為脂肪酸和醇。第二階段是氫氣和乙酸的生產(chǎn)。除了甲酸，乙酸，甲基苯丙胺，甲醇外，脂肪酸(丙烯酸，丁乙酸)，酒精(乙醇)等在第1階段生成的中間生成物，在產(chǎn)生氫氣的乙酸生成菌的作用下，被轉(zhuǎn)化為乙酸，H2,CO2。第三階段，產(chǎn)甲烷。甲烷菌通過多種途徑變換甲酸、乙酸、甲基苯丙胺、甲醇(H2+CO2)等物質(zhì)為甲烷，乙酸和(H2+CO2)基質(zhì)占支配地位。厭氧性消化時約70%的甲烷來自乙酸分解，H2和CO2合成少量甲烷。2.2.2生物制氫2.2.2.1氫能氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，是地球上二次能源的主要來源，主要以化合物的形式存在，占宇宙質(zhì)量的75%。氫的燃燒熱很高，是汽油的3倍，是乙醇的3.9倍，是碳的4.5倍。氫燃燒的產(chǎn)物是世界上最清潔的能源，如水。資源豐富，可持續(xù)發(fā)展。

作為一種能源，它具有以下特點(diǎn)。

(1)在所有的元素中，氫的重量最輕。

(2)在所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性能最好，導(dǎo)熱系數(shù)比大多數(shù)氣體高10倍。因此，氫在能源工業(yè)中是一種很好的導(dǎo)熱體。

(3)氫是自然界中最普遍存在的元素，占宇宙質(zhì)量的75%。除了空氣中含有氫外，還主要以化合物的形式儲存在水中，水是地球上最廣泛的物質(zhì)。

(4)除所有核燃料外，在化石燃料，化學(xué)燃料和生物燃料中，氫的熱值高達(dá)142,351kJ，產(chǎn)生熱量的汽油的3倍。(5)氫氣燃燒性能好，點(diǎn)火速度快，與空氣混合具有大范圍的可燃性，著火點(diǎn)高，燃燒速度快;

(6)氫氣本身是無毒性的，與其他燃料比，氫氣燃燒得最干凈，只產(chǎn)生少量的氨和水，不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔镆约霸斐森h(huán)境污染等有害物質(zhì)，經(jīng)過適當(dāng)加工的少量氨對環(huán)境不會造成污染，燃燒產(chǎn)生的水仍會產(chǎn)生氫氣;繼續(xù)使用再生能源。

(7)氫能可以有多種形式使用。燃燒不僅可以產(chǎn)生熱能，而且可以使熱機(jī)發(fā)生機(jī)械工作。另外，它還可以用作燃料電池的能源材料，可以轉(zhuǎn)化成固體氫氣，用作結(jié)構(gòu)用材料。代替煤，石油，不需要大力改造原有的技術(shù)設(shè)備?，F(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)可經(jīng)過改造使用。

(8)氫氣可以表現(xiàn)為一種氣體，液體或固體氫化物，以滿足不同的儲放，運(yùn)輸和多種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。2.2.2.2生物制氫方法傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)方法(化石燃料氫氣生產(chǎn)，水電解氫生產(chǎn))，存在高耗能和環(huán)境污染問題，生物法氫氣生產(chǎn)是新型氫氣生產(chǎn)方法，氫氣生產(chǎn)細(xì)菌在氫氣和有機(jī)物中能量的傳遞;在大氣壓力條件下的輕微反應(yīng)的同時，以各種工業(yè)和農(nóng)業(yè)廢棄物和廢水為原料，可以實(shí)現(xiàn)廢棄物利用和能源生產(chǎn)的雙重功能。

早在19世紀(jì)，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌和藻類可以生產(chǎn)氫氣的事實(shí)，并以70年代石油危機(jī)為契機(jī)，研究人員認(rèn)識到生物學(xué)上氫氣生產(chǎn)的有用性，開始了大規(guī)模的研究。生產(chǎn)氫氣的微生物有兩大類，它們是非光合作用生物和光合作用生物，如表2-1所示：表2-1產(chǎn)氫生物種類The

species

of

lydrogen

production

microflora生物類群代表種屬嚴(yán)格厭氧細(xì)菌Clostridium

butyricum兼性厭氧細(xì)菌Enterobacter

aerogenes固氮菌Klebseilla

sp甲烷細(xì)菌Metlylomonas

albus瘤胃細(xì)菌Ruminococcus

albus好氧菌Bacillus

licheni

formnis嗜熱古細(xì)菌Pyrococcus

furious光合細(xì)菌Rhodospirillum

rbrum纖維素分解菌R.

capsulate(Hup)藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)藻)Anabaena

cylindrical,

SynechococcusOscillatoria綠藻Chlamudomonas

reinhardri與光合作用制氫相比，厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)產(chǎn)氫穩(wěn)定性較高。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的原理是通過發(fā)酵產(chǎn)氫細(xì)菌進(jìn)行自身的生理代謝，在產(chǎn)氫的同時消耗有機(jī)物，將其分解為揮發(fā)性脂肪酸。因此，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的菌株可以在不需要光照的情況下晝夜產(chǎn)氫，因此可以保證氫氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性。(2)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的能力高于光合細(xì)菌。研究表明，細(xì)菌在光合作用下的產(chǎn)氫能力普遍低于5mmol-H2/(g-干細(xì)胞.h)，而厭氧發(fā)酵細(xì)菌的產(chǎn)氫能力非常高?？蛇_(dá)1.9mol-H2/mol-底物。2.2.2.3厭氧發(fā)酵生物制氫分類厭氧微生物可以在不透光的空氣中發(fā)酵碳水化合物產(chǎn)生氫氣。這是一種嚴(yán)格厭氧菌和一種兼性厭氧菌，利用碳水化合物、蛋白質(zhì)等產(chǎn)生H2，生成CO2和有機(jī)酸的過程。在厭氧發(fā)酵過程中，碳水化合物首先通過EMP途徑產(chǎn)生并合成丙酮酸，ATP和還原態(tài)的煙酞胺腺嚓吟二核苷酸(NADH+H+)。葡萄糖、六碳糖同聚物、淀粉纖維和纖維的聚合素被用作發(fā)酵的基礎(chǔ)。發(fā)酵后氫氣的生成路徑?jīng)Q定了H2的產(chǎn)量。當(dāng)乙酸作為末端產(chǎn)物時，理論上每mol葡萄糖可以產(chǎn)生4mol的分子H2。CHl2O6

+

2H2O2CHzCOOH

+

4H2

+

2CO2當(dāng)丁酸作為末端產(chǎn)物時，理論上每mol葡萄糖可以產(chǎn)生2mol的分子H2。CH2O6→CH;CH2CH2COOH

+

2H2

+

2CO2較高的H產(chǎn)量與末端產(chǎn)物為乙酸相聯(lián)系，任南琪認(rèn)為高的H產(chǎn)量與末端產(chǎn)物為乙酸和丁酸代謝聯(lián)系在一起,較低的H2產(chǎn)量與末端產(chǎn)物為丙酸和還原形式的乙醇和乳酸的代謝相聯(lián)系。2.2.2.4厭氧發(fā)酵影響因素影響厭氧消化的主要因素有以下幾個方面。(1)大量關(guān)于原料配比的報道和實(shí)驗(yàn)表明，厭氧消化時反應(yīng)物的碳氮比相對適宜于(20~30)：1。一般情況下，通過合理混合缺氮有機(jī)質(zhì)(農(nóng)作物等)和缺氮有機(jī)質(zhì)(人畜糞便、土壤等)獲得合適的碳氮比例。

(2)發(fā)酵過程按溫度分為中溫發(fā)酵(30-36℃)和高溫發(fā)酵(50-55℃)。一般厭氧消化控制在這兩個溫度范圍內(nèi)，分解速率較高。

(3)酸堿水解液、發(fā)酵菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸上清液的pH值適應(yīng)范圍約為5~6.5，而甲烷菌的pH值適應(yīng)范圍為6.6~7.5。必須保持一定的堿度(pH)，以增加pH的緩沖能力。在一般情況下還可添加石灰或含氮物質(zhì)使堿度在2000-5000mgCaCO3/L。(4)對于Eh，一般情況下，厭氧微生物只能在低于100mV的Eh值或負(fù)值時生長。適合產(chǎn)甲烷菌的氧化還原電位(Eh)在-330mV以下。(5)促進(jìn)厭氧消化離不開攪拌。有效的攪拌可以增加材料與微生物的接觸機(jī)會。均衡分配系統(tǒng)中的物資和溫度;防止區(qū)域性酸積累;快速排出有害于厭氧菌活動的硫化氫，甲烷和其他氣體。(6)有毒物質(zhì)可以阻礙發(fā)酵微生物的生命活力，發(fā)酵菌對有毒物質(zhì)有一定的耐性，超過允許濃度時，甲烷發(fā)酵受阻。

(7)在添加劑發(fā)酵液中加入少量有益的化學(xué)物質(zhì)，有助于促進(jìn)厭氧性發(fā)酵，提高氣體生產(chǎn)和原料利用率。在發(fā)酵液中加入少量硫酸鋅，磷酸鹽粉末，碳酸鈣，高爐灰，能使氣體生成，甲烷含量及有機(jī)物的分解速度增加到不同程度，最好添加磷酸鹽粉末。

(8)接種厭氧性消化時，細(xì)菌的量和質(zhì)直接影響沼氣的產(chǎn)生。根據(jù)厭氧性發(fā)酵接種劑的供給源，對氣體的產(chǎn)生及形成的影響是不同的。加入硫，可以促進(jìn)早期氣體生產(chǎn)，提高氣體生產(chǎn)率。2.2.3產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷多級發(fā)酵工藝單級發(fā)酵產(chǎn)甲烷氫氣過程中產(chǎn)生的大量揮發(fā)性脂肪酸無法重復(fù)利用，氫氣轉(zhuǎn)化率相對較低。有機(jī)廢物發(fā)酵產(chǎn)生氫氣，由于廢物本身的原因，發(fā)酵速度較慢，嚴(yán)重影響了發(fā)酵氫氣的經(jīng)濟(jì)成本。

兩相厭氧消化法將酸性細(xì)菌和甲烷細(xì)菌放入兩個系列反應(yīng)器中，為每個反應(yīng)器創(chuàng)造所需的最佳條件，避免了不同物種之間的相互作用和抑制作用。通過兩級發(fā)酵，初級階段生成酸性H2和CO2，次級階段生成CH4和CO2，通過分離產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷段，易于控制。在兩個隔離反應(yīng)器中，每一個比較優(yōu)勢菌株都能保持一個合適的環(huán)境來促進(jìn)生長，并確保最大產(chǎn)量。

產(chǎn)氫能夠顯著去除廢水中的懸浮性和大分子物質(zhì)，因此產(chǎn)甲烷特性相對穩(wěn)定，保證了第二階段產(chǎn)甲烷細(xì)菌具有較高的活性。氫渣中含有大量揮發(fā)性脂肪酸和未降解有機(jī)物，經(jīng)二次發(fā)酵處理后得到甲烷。由于第一國家產(chǎn)氫發(fā)酵時間相對較短，可以適度減少第一相反應(yīng)器的體積。2.3工藝方案厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫流程圖餐廚垃圾工藝設(shè)計如下：(1)經(jīng)過分選破碎等預(yù)處理后，進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)氫發(fā)酵罐發(fā)酵產(chǎn)氫，在發(fā)酵初期加入餐廚垃圾上清液，使接種菌群適應(yīng)底物，成為優(yōu)勢菌種。先將發(fā)酵罐內(nèi)的空氣替換為氮?dú)?，再將污泥和上清液加入發(fā)酵罐，再次供氮。(2)產(chǎn)氫階段工藝參數(shù)：采用CSTR反應(yīng)器，停留時間取用21h，溫度控制在55℃，pH控制在4.5-6.5。OLR=24gCOD/L/h。產(chǎn)氫剩余物進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷發(fā)酵罐中發(fā)酵產(chǎn)甲烷。(3)產(chǎn)甲烷階段工藝參數(shù)：產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應(yīng)器選用UASB，停留時間取用19d，溫度控制在55℃，pH控制在6.5-7.8。OLR=6-10(kgCOD/m3/d)。剩余沼液回流進(jìn)入產(chǎn)氫發(fā)酵罐。(4)氫氣和甲烷氣體的利用：氫氣和甲烷氣體分開收集后混合，可用作燃料或發(fā)電。(5)消化殘留物的利用：兩個發(fā)酵罐產(chǎn)生的沼渣最后進(jìn)行好氧堆肥處理，沼液經(jīng)過除去氮磷等物質(zhì)后可灌溉農(nóng)田。

第3章設(shè)計計算3.1設(shè)計要求根據(jù)餐廚垃圾日處理量Q=50t/d，設(shè)計工藝：預(yù)處理+厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵系統(tǒng)+厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵+氣體凈化系統(tǒng)。3.2預(yù)處理3.2.1分選分選是通過物料物理性質(zhì)的不同，利用物理性質(zhì)將垃圾分離的技術(shù)?？煞譃闄C(jī)械分選和人工分選，機(jī)械分選速度較快，但準(zhǔn)確率不如人工分選，故可以先將餐廚垃圾通過分選機(jī)器，再通過人工分選，以保證餐廚垃圾中沒有混入小塊玻璃塊，塑料塊，碎木屑等，以免影響餐廚垃圾的物理性質(zhì)，對后續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生影響。餐廚垃圾統(tǒng)一收集到集中點(diǎn)后，倒入進(jìn)料池，對垃圾進(jìn)行破袋處理，進(jìn)入分選機(jī)器，本設(shè)計采用重力分選機(jī)（滾筒篩,型號為JS-GTS1804/1806，處理能力為10-30t/h,功率為15Kw），而后隨著傳送帶傳送給到操作間，由人工進(jìn)行分選。3.2.2破碎破碎是固體廢物厭氧消化過程必不可少的操作，通過破碎，可以減小餐廚垃圾顆粒尺寸，使粒度更加均勻，增大餐廚垃圾表面積，微生物更利于附著?？障兑部梢允沟貌蛷N垃圾密度增加，有效減小反應(yīng)器容積，也防止了大塊餐廚垃圾對機(jī)器造成損壞。一般固體廢物處理過程對原料的粒徑有一定要求，厭氧消化前破碎粒度應(yīng)小于5mm，根據(jù)要求，可以選用PE-200×350顎式破碎機(jī)，該破碎機(jī)最大的進(jìn)料粒徑為180mm,處理能力為3-10t/h,符合本設(shè)計50t/d=2.08t/h的要求。PE、PEX系列顎式破碎機(jī)是出現(xiàn)比較早的破碎設(shè)備，也是非常常見的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定并且可靠。3.2.3油脂分離與高溫滅菌餐廚垃圾中的油脂可以被厭氧微生物發(fā)酵分解，但油脂的性質(zhì)大大減緩微生物降解速率，油脂的粘性決定了其容易與其他物質(zhì)粘結(jié)成塊的結(jié)果，互相連接形成大塊物質(zhì)，影響反應(yīng)器的通透性。油脂在溫度不同的情況下呈現(xiàn)不同流態(tài)，高溫度下呈現(xiàn)液態(tài)，低溫下呈現(xiàn)半固態(tài)。餐廚垃圾有機(jī)含量高，可作為病原微生物和攜帶病原微生物的蠅蟲生長代謝的原料，加速繁殖，處置不當(dāng)會造成疾病的傳播。據(jù)有關(guān)研究表明，餐廚垃圾在露天條件下放置24h,每克垃圾中就上億個細(xì)菌，餐廚垃圾從產(chǎn)生到收集處理時間間隔約為24h,餐廚垃圾中的細(xì)菌繁殖量達(dá)到峰值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，餐廚垃圾中的細(xì)菌活菌數(shù)和酵母活菌數(shù)含量極高，每克餐廚垃圾中的細(xì)菌和酵母菌如果這些餐廚垃圾數(shù)以億計，如果得不到合理的處置，細(xì)菌和酵母菌會利用餐廚垃圾的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行增長繁殖，發(fā)出難聞氣味，影響環(huán)境衛(wèi)生。故將餐廚垃圾通過加熱系統(tǒng)，在120℃下濕熱處理80min，并加入破乳劑將乳化油，膠體絮凝分離沉淀，從而實(shí)現(xiàn)油脂分離，由于溫度為120℃，達(dá)到了滅菌的溫度，可在油脂分離的同時達(dá)到滅菌的效果，除掉餐廚垃圾可能存在的各種不利因素，確保不會危及人體健康。3.3厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器參數(shù)選擇與設(shè)計3.3.1pH選擇以廚余廢棄物為原料,使污水處理廠的厭氧活性污泥在100℃，30分鐘處理得到了氫生產(chǎn)接種物。在破碎后，將去掉骨頭的廚房廢棄物與種接種物一起投入到厭氧生產(chǎn)反應(yīng)器中，厭氧生產(chǎn)反應(yīng)器的pH控制在4.5-6.5，必要時使用氫氧化鈉調(diào)節(jié)。3.3.2溫度選擇溫度影響微生物的活性和發(fā)酵產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率,并與經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)?；旌暇鷮囟鹊拿舾行燥@著較高,最適溫度在35℃左右。通過將溫度變化來檢驗(yàn)溫度的影響,發(fā)現(xiàn)H產(chǎn)量和微生物生長速率隨溫度升高而增加，同時代謝產(chǎn)物分布發(fā)生變化。盡管造成了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，H發(fā)酵罐通常在嗜熱(50-60℃)或超嗜熱(70-80℃)范圍內(nèi)操作,因?yàn)樗徽J(rèn)為是在高溫度下操作。本設(shè)計選擇H發(fā)酵罐的溫度為55℃。3.3.3反應(yīng)器選擇根據(jù)理論對反應(yīng)器進(jìn)行分類，在實(shí)際工程操作中，單相消化和兩相消化各有優(yōu)缺點(diǎn)，單相消化操作條件和要求相對來說簡單一些，便于管理運(yùn)行，但因?yàn)椴煌A段微生物最適溫度不同，產(chǎn)甲烷效率較低。兩相厭氧發(fā)酵工藝將產(chǎn)氫氣相和產(chǎn)甲烷相分開置于兩個反應(yīng)器內(nèi)，兩個反應(yīng)器環(huán)境不同，不會相互造成干擾而阻礙系統(tǒng)正常運(yùn)行。因此本設(shè)計采用兩相厭氧發(fā)酵反應(yīng)器。最簡單的H生產(chǎn)懸浮生物反應(yīng)器是CSTR，因此本設(shè)計產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器選用CSTR。Continuus

Stirred

Tank

Reactor又稱全混合物反應(yīng)器，是一種帶攪拌葉的槽式反應(yīng)器。攪拌的目的是使物質(zhì)系統(tǒng)達(dá)到均勻狀態(tài)，有助于均勻反應(yīng)和熱量傳遞。反應(yīng)過程中包含系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的物理、化學(xué)變化，決定系統(tǒng)特性的變量有溫度、壓力、液態(tài)等級、系統(tǒng)成分等。

利用CSTR原理在密封的儲油罐進(jìn)行飼料液的發(fā)酵及產(chǎn)生氣體是可能的。安裝攪拌裝置，使發(fā)酵原料和微生物完全混合。供應(yīng)模式采用連續(xù)供應(yīng)一定溫度或半連續(xù)供應(yīng)的啟動模式。由于攪拌效果，新加入的原料與發(fā)酵期的所有發(fā)酵液均快速混合，使發(fā)酵基質(zhì)的濃度總是比較低。在CSTR的嚴(yán)格定義下，進(jìn)出料是連續(xù)的。在大多數(shù)情況下,H生產(chǎn)懸浮生物反應(yīng)器具有圓柱形,并使用機(jī)械渦輪進(jìn)行混合。由于CSTR的HRT較常規(guī)沼氣池短,因此CSTR的體積要比常規(guī)沼氣池小得多,上述形狀和混合方式可以達(dá)到一定的商業(yè)化水平。然而,可能有必要應(yīng)用增強(qiáng)形狀和混合方法,以實(shí)現(xiàn)理想的CSTR條件在更大的尺寸。3.3.4接種污泥本設(shè)計采用厭氧活性污泥作為厭氧發(fā)酵混合菌種，污泥取自上海市某污水處理廠的厭氧消化池。取回污泥后，在80℃預(yù)處理20min后，用該污泥接種，以消除H消費(fèi)者。污泥的特性如表3-1所示:表3-1厭氧活性污泥性質(zhì)pH堿度污泥懸浮物濃度VSS7.23.4gCaCO3/L6.3g/L3.3.5反應(yīng)參數(shù)厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器操作參數(shù)如下表3-2表3-2厭氧產(chǎn)氫發(fā)酵反應(yīng)器操作參數(shù)HRT21hOLR12.3-71.3(gCOD/L/h)ORP-303±85mVpH5.3±0.2溫度55℃3.3.6產(chǎn)氣量計算餐廚垃圾經(jīng)過氫發(fā)酵罐，進(jìn)水中的95%以上的碳水化合物被氫發(fā)酵罐消耗.1kg廚余垃圾碳水化合物百分比為46.27%-68.28%，本文取55%。在氫發(fā)酵罐中氫氣的產(chǎn)率為1.82（H2-mol/glucose-mol）=1.82*22.4m3/kgglucose根據(jù)本設(shè)計餐廚垃圾日處理量Q=50t/d垃圾中碳水化合物的量為Q=50×55%×23.63%=6.5t/dn(葡萄糖）=6500000÷180=36111mol因此在氫發(fā)酵罐發(fā)酵后理論可產(chǎn)生氫氣量為n（H2）=36111×1.82=65722molV（H2）=65722×22.4×10-3=1472.2m33.3.7厭氧反應(yīng)器容積計算CSTR反應(yīng)器發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：（1）每日有機(jī)物進(jìn)料量：Q(3.1)故Q有（2）厭氧反應(yīng)器的有效容積可通過下式（式3-2）來計算確定：HRT=(3.2)每日垃圾進(jìn)料量Q=47.6m3/d餐廚垃圾本身TS=23.63%,設(shè)計CSTR反應(yīng)器含固率TS=5%因此需加水稀釋，進(jìn)料Qvol=47.6×4.762=226.67m3/dHRT=21h=0.875dV=0.875×226.67=198.34m33.3.8反應(yīng)器尺寸計算廚余垃圾進(jìn)料的含固率TS為23.63%，需要向反應(yīng)器中添加新鮮水稀釋物料，使含固率達(dá)到5%。本設(shè)計選用厭氧發(fā)酵罐溫度為55℃，每天進(jìn)料50t/d,物料停留時間選用21h。在厭氧發(fā)酵罐的外壁上安裝加熱設(shè)備。從反應(yīng)器的設(shè)計和建造方面的角度考慮,圓形結(jié)構(gòu)相對于矩形反應(yīng)器受力情況穩(wěn)定性較好,具有池子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),且從建造費(fèi)用來說，圓狀反應(yīng)器能節(jié)約更多成本且運(yùn)行效果好，故本文反應(yīng)器設(shè)計采用了圓形反應(yīng)器。反應(yīng)堆材料應(yīng)當(dāng)兼顧多個因素。如果腐蝕抵抗性優(yōu)秀，可以延長核反應(yīng)堆的運(yùn)行時間，還可以采取一般的防止腐蝕對策。從生產(chǎn)設(shè)備的角度看，大部分工程核反應(yīng)堆都可以選擇使用鋼鐵、塑料、金屬、玻璃纖維增強(qiáng)塑料和罐結(jié)構(gòu)的其他材料，而厭氧核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)則可以轉(zhuǎn)化為一種產(chǎn)業(yè)設(shè)備，生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品。本設(shè)計主要選用厭氧反應(yīng)器的主體和罐體的基材為搪瓷拼裝罐。常見的機(jī)械攪拌厭氧發(fā)酵罐的幾何尺寸比例如下：L/D=1.7-3.5d/D=1/2-1/3S/d=2-5故發(fā)酵罐的全體積為：

V=Π4D2H+0.15D3(V=(3.4)（1）D，L的確定發(fā)酵罐是圓柱形狀的，反應(yīng)器的總有效容積V=198.34m3，選取厭氧發(fā)酵罐的體積為200m3,需要1個.取H/D=2代入公式求得筒內(nèi)徑D=4.88m.根據(jù)公式，V=（Π/4）D2L則L=10.7m,L/D=2.19符合要求（2）攪拌器餐廚垃圾在反應(yīng)過程中應(yīng)該處于漿液易流動狀態(tài)，這樣就能使厭氧消化微生物有效的利用有機(jī)質(zhì)，從而提高厭氧消化的成效。因此，攪拌器的設(shè)計是不可缺少的。攪拌操作可以使得餐廚垃圾與調(diào)節(jié)液進(jìn)行充分混合，能夠快速的完成厭氧消化過程，生成特定物質(zhì)，攪拌器工作可以使系統(tǒng)反應(yīng)溫度不會過高，熱量可以及時散發(fā)。攪拌葉直徑取d=2m，其中d/D=2/4.88=0.4,符合d/D=1/2-1/3的要求，攪拌葉間距S=2d=2×2=4m3.3.9罐體主要參數(shù)設(shè)計計算(1)罐體罐體的設(shè)計要考慮材料、受力、經(jīng)濟(jì)、性能等因素，封頭設(shè)計成平面圓形，因D＞500，所以與罐體連接的方式采用雙面縫焊接。(2)罐體壁厚δ式中D-罐體直徑(mm)p-耐受壓強(qiáng)（取0.3MPa）φ?焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8σ-設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（kgf/cm2）(16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150℃，170MPa)表3-4一級發(fā)酵罐尺寸表總體積V/m3罐內(nèi)徑D/m罐體總長L/m罐壓/MPa罐體壁厚/mm材料2004.8810.70.38.4不銹鋼3.4厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應(yīng)器參數(shù)選擇與設(shè)計3.4.1pH選擇從厭氧性氫氣生產(chǎn)反應(yīng)器排出的氫氣生產(chǎn)殘留物與污水處理場的厭氧性活性污泥混合后進(jìn)入?yún)捬跣约淄樯a(chǎn)反應(yīng)器。使厭氧性甲烷生產(chǎn)反應(yīng)器的pH控制在6.5~7.8之間。3.4.2溫度選擇厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用UASB，溫度控制在55℃左右，使用與產(chǎn)氫發(fā)酵罐相同的水套和溫度傳感器。3.4.3反應(yīng)器選擇厭氧產(chǎn)甲烷反應(yīng)器采用UASB，在反應(yīng)器中發(fā)酵后產(chǎn)生的氣體從反應(yīng)器上部氣體出口排放，液體從反應(yīng)器上部的液體出口排除回流進(jìn)入產(chǎn)氫反應(yīng)器中。UASB

(Upflow

anaerobic

sludge

blanket

bioreactor),即上流式厭氧發(fā)酵生物制氫反應(yīng)器是20世紀(jì)70年代由Lingal61等人開發(fā)的，其主要特點(diǎn)如下:(a)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)分為底部的反應(yīng)區(qū)和上面的氣、液、固體三相分離區(qū)，其中顆粒狀或絮狀的污泥在下面的反應(yīng)區(qū)有良好的沉淀，原料氣體通過發(fā)酵代謝產(chǎn)氫氣，產(chǎn)生的氣體向上運(yùn)動。也使一部分污泥同時進(jìn)入上層氣、液、高三相分離區(qū)，最后需要進(jìn)行氣體分離收集和分離沉淀。(b)

UASB反應(yīng)器是將反應(yīng)和沉降集于一體，利用氣泡和上流進(jìn)料的自然攪拌作用，因此除去了連續(xù)攪拌裝置和回流裝置，達(dá)到了簡化工藝流程、降低生產(chǎn)投資和運(yùn)行成本。(c)反應(yīng)器下部的污泥床可以較穩(wěn)定的存在，延長了污泥停留時間，在低水力停留時間、高容積負(fù)荷率的操作條件下也可以穩(wěn)定運(yùn)行。3.4.4接種污泥本論文采用厭氧活性污泥作為混合菌種，污泥取自上海市某污水處理廠UASB反應(yīng)器中。取回污泥后，在36℃的UASB反應(yīng)器中馴化，用該污泥接種。污泥特性如表3-4所示:表3-5厭氧活性污泥性質(zhì)OLR溫度11kgCOD/m3d32℃3.4.5反應(yīng)參數(shù)厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應(yīng)器操作參數(shù)如下表3-5表3-6厭氧產(chǎn)甲烷發(fā)酵反應(yīng)器（UASB）操作參數(shù)HRT19dOLR5-15(kgCOD/m3/d)ORP-383±54mVpH7.4±0.3溫度35℃3.4.6產(chǎn)氣量計算由于氫發(fā)酵罐出水的總COD濃度比進(jìn)水的總COD濃度低約18%，這種減少是因?yàn)檫M(jìn)水一部分有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為無機(jī)化合物。有機(jī)負(fù)荷為480kgCOD/m3d根據(jù)餐廚垃圾日處理量Q=50t/d餐廚垃圾的平均密度為1.05kg/dm3，餐廚垃圾體積V=50000÷1.05=47619dm3=47.6m3因此進(jìn)料餐廚垃圾COD=47.6×480×23.63%=5399kg經(jīng)過產(chǎn)氫發(fā)酵罐發(fā)酵后，餐廚垃圾COD=5399×82%=4427kg在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol甲烷，相當(dāng)于2mol（或64g）COD，因此還原1gCOD就相當(dāng)于生成22.4/64=0.35L甲烷。則在產(chǎn)甲烷發(fā)酵罐發(fā)酵后理論可產(chǎn)生甲烷的量為V（甲烷）=4427000×0.35=1549450L=1549.45m33.4.7反應(yīng)器容積計算UASB反應(yīng)器發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)圖如下圖所示（1）每日有機(jī)物進(jìn)料量：Q(3.1)故Q有由于經(jīng)過產(chǎn)氫發(fā)酵罐發(fā)酵后，有機(jī)物量減少18%，因此Q有=10987.95×82%=9010.2（2）反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷率及有效容積;表3-3固體廢物厭氧消化工藝適宜操作條件工藝操作條件處理對象中溫/干式HRT:17-30d;OLR:6-9kgVS/(m3.d)機(jī)械分選后的城市生活垃圾（比如餐廚垃圾）高溫/干式HRT:12-20d;OLR:9-15kgVS/(m3.d)機(jī)械分選后的城市生活垃圾（比如餐廚垃圾）根據(jù)表3-3選定適宜的有機(jī)負(fù)荷率，則厭氧反應(yīng)器的有效容積可通過下式（式3.2）來計算確定：HRT=(3.2)Q=226.67m3/d,VS=5%,OLR取10kgVS/(m3.d),故有效容積V=Q有/OLR=9010.2/10=901m3,校核HRT=VQ=901m3/47.6m33.4.8反應(yīng)器尺寸計算設(shè)計垃圾進(jìn)料的含固率TS為5%，因此無需添加新鮮水。本設(shè)計選用厭氧主發(fā)酵罐為55℃，每日進(jìn)料為50t/d,物料停留時間為19d。并且可以在厭氧發(fā)酵罐的外壁上安裝加熱設(shè)備。圓形結(jié)構(gòu)相對于矩形反應(yīng)器受力情況穩(wěn)定性較好,具有池子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)且圓狀反應(yīng)器能節(jié)約更多成本且運(yùn)行效果好，故本文反應(yīng)器設(shè)計采用了圓形反應(yīng)器。反應(yīng)堆材料應(yīng)當(dāng)兼顧多個因素。如果腐蝕抵抗性優(yōu)秀，可以延長核反應(yīng)堆的運(yùn)行時間，還可以采取一般的防止腐蝕對策。從生產(chǎn)設(shè)備的角度看，大部分工程核反應(yīng)堆都可以選擇使用鋼鐵、塑料、金屬、玻璃纖維增強(qiáng)塑料和罐結(jié)構(gòu)的其他材料，而厭氧核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)則可以轉(zhuǎn)化為一種產(chǎn)業(yè)設(shè)備，生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品。本設(shè)計主要選用厭氧反應(yīng)器的主體和罐體的基材為搪瓷拼裝罐。常見的機(jī)械攪拌厭氧發(fā)酵罐的幾何尺寸比例如下：L/D=1.7-3.5d/D=1/2-1/3S/d=2-5故發(fā)酵罐的全體積為：

V=Π4D2H+0.15D3(V=(3.4)D，L的確定發(fā)酵罐是圓柱形狀的，反應(yīng)器的總有效容積V=901m3，選取厭氧發(fā)酵罐的體積為901m3,需要1個.取H/D=2代入公式求得筒內(nèi)徑D=8.06m.根據(jù)公式V=（Π/4）D2L，則L=17.67m,L/D=2.19符合要求（2）攪拌器餐廚垃圾在反應(yīng)過程中應(yīng)該處于漿液易流動狀態(tài)，這樣就能使厭氧消化微生物有效的利用有機(jī)質(zhì)，從而提高厭氧消化的成效。因此，攪拌器的設(shè)計是不可缺少的。攪拌操作可以使得餐廚垃圾與調(diào)節(jié)液進(jìn)行充分混合，能夠快速的完成厭氧消化過程，生成特定物質(zhì)，攪拌器工作可以使系統(tǒng)反應(yīng)溫度不會過高，熱量可以及時散發(fā)。攪拌葉直徑取d=3m，其中d/D=3/8.06=0.37,符合d/D=1/2-1/3的要求，攪拌葉間距S=2d=2×3=6m3.4.9罐體主要參數(shù)設(shè)計計算(1)罐體罐體的設(shè)計要考慮材料、受力、經(jīng)濟(jì)、性能等因素，封頭設(shè)計為平面圓形，因D＞500，所以與罐體連接的方式采用雙面縫焊接。(2)罐體壁厚δ式中，D-罐體直徑(mm)p-耐受壓強(qiáng)（取0.3MPa）φ?焊縫系數(shù)，雙面焊取0.8σ-設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（kgf/cm2）(16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為150℃，170MPa)表3-7一級發(fā)酵罐尺寸表總體積V/m3罐內(nèi)徑D/m罐體總長L/m罐壓/MPa罐體壁厚/mm材料9018.0617.670.312不銹鋼3.5沼渣和沼液得率計算沼渣產(chǎn)量可按下式計算：Q(3.5)沼液產(chǎn)量可按下式計算：Q(3.6)故沼渣產(chǎn)量為:Q沼液產(chǎn)量為:Q3.6厭氧反應(yīng)器溫度系統(tǒng)餐廚垃圾在整個厭氧發(fā)酵過程，溫度對發(fā)酵效率影響較大，不同反應(yīng)階段，微生物對原料的分解反應(yīng)，酶的最適溫度不同，應(yīng)該根據(jù)該階段生物特點(diǎn)，嚴(yán)格控制溫度變化。在冬天，如果環(huán)境溫度較低，在加熱處理之后再加上保溫處理，使得該階段在任何時間段溫度都保持一致，以保障反應(yīng)正常進(jìn)行。在整個反應(yīng)器系統(tǒng)，也應(yīng)采取保溫措施，使得整個系統(tǒng)溫度保持恒定。本設(shè)計對厭氧消化罐采用200mm厚聚苯乙烯材料進(jìn)行保溫措施。對反應(yīng)器以及產(chǎn)生和輸送階段的附屬構(gòu)筑物、零部件采取保溫措施，確保氣體的正常輸送，減少因運(yùn)輸造成的損失。若在反應(yīng)器內(nèi)加裝加熱管，餐廚垃圾雜質(zhì)會在管道表面附著粘連，形成較大塊狀物體，影響后續(xù)傳熱，如果因?yàn)槎氯斐删植窟^熱，會導(dǎo)致管道爆炸。如果管道發(fā)生粘結(jié)，則需要定期清理管道表面，不可避免就要造成反應(yīng)器的停產(chǎn)，無法實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾連續(xù)處理。3.7系統(tǒng)所需熱量計算（1）系統(tǒng)總熱損失系統(tǒng)總熱損失按系統(tǒng)所需總熱量的20%計算。（2）物料加熱所需熱量公式物料加熱所需熱量公式：Q2=cm△t(3.7)式中：c=4.187kJ/（kg·℃）；m為加熱的物料量；△t為物料升高溫度。則Q2=cm△t=[4.187×50×（55-0）]=11515MJ（3）系統(tǒng)所需熱量系統(tǒng)所需熱量Q=Q1+Q2+Q3-Q4式中：Q1代表系統(tǒng)總熱損失；Q2代表物料加熱所需熱量；Q3代表系統(tǒng)產(chǎn)生氣體帶走的熱量；Q4代表厭氧反應(yīng)放出的熱量。Q3和Q4數(shù)值都比較小，對最終計算結(jié)果影響不大，故這兩項可以忽略不計，系統(tǒng)所需的熱量為Q=Q2÷（1-23.63%）=15077MJ。3.8出液沼液沼渣利用厭氧反應(yīng)器完成反應(yīng)后所產(chǎn)生的沼渣和很少量沼液通過泵進(jìn)入固液分離器，分離出的沼渣可以進(jìn)行穩(wěn)定化利用，少量沼液中分離出一部分沼液作為調(diào)節(jié)劑進(jìn)行回流，其余沼液進(jìn)入UASB反應(yīng)器進(jìn)行余下的少量發(fā)酵，通過設(shè)計計算和設(shè)備選型可知，該反應(yīng)器進(jìn)料口低于出料口，為防止出料時壓力降低，反應(yīng)罐中的物料向進(jìn)料口發(fā)生滑動，影響進(jìn)料和出料正常進(jìn)行，應(yīng)該利用螺旋攪拌器把出料口的沼渣沼液排出，物料進(jìn)入固液分離器，分離好的沼渣可以進(jìn)行穩(wěn)定化利用。

雖然在厭氧發(fā)酵制品中還含有一些有機(jī)物，但也含有大量的氮，磷，鉀和微量元素。這些元素是植物生長的必要因素，隨意放棄這些元素是極大的資源浪費(fèi)。

歐洲直接把發(fā)酵產(chǎn)物作為農(nóng)業(yè)肥料。生活在食品垃圾處理場附近的農(nóng)民們可以利用車輛將其運(yùn)到地里，以此節(jié)省化肥費(fèi)用。減少了廢棄物的處理。

在中國，由于有限的條件，目前產(chǎn)品在發(fā)酵后的使用方法不可能廣泛使用。發(fā)酵后可以通過產(chǎn)品脫水過程解決發(fā)酵后產(chǎn)品的問題。脫水后，制備了水分含量很高的沼液(99%)和相對含水量較低的沼渣(65%)。沼液在脫氮處理和其他處理達(dá)標(biāo)后可直接排放，沼渣可繼續(xù)制成固體肥料或營養(yǎng)土，廣泛利用于農(nóng)業(yè)，林業(yè)，果樹，蔬菜種植，沙化土壤的改良，市政資源和重金屬污染土壤處理修復(fù)及其他領(lǐng)域。由于國外已經(jīng)成熟的沼液肥料化處理技術(shù)經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用是有效的，沼液肥料化處理后符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以用液體肥料直接噴灑在農(nóng)田上。沼澤水經(jīng)發(fā)酵后，經(jīng)脫氮、脫鹽、脫硫后可制成液肥，用于農(nóng)田或原生林栽培。

脫水后的甲烷渣可以通過良好的氧氣堆肥作為成品糞肥出售。在制作堆肥時，通常會出現(xiàn)與秸稈混合的材料，以降低含水率，補(bǔ)充營養(yǎng)。堆肥費(fèi)可在15-25天的堆肥期后銷售。3.9氣體凈化方法3.9.1氣體凈化機(jī)理目前氣體凈化有以下幾種凈化方式：化學(xué)吸收、物理提純、生物脫除。

(1)化學(xué)吸收化學(xué)吸收是利用溶劑對甲烷和水分、二氧化碳等選擇性吸收能力不同，可分為物理性吸收和化學(xué)性吸收物理性吸收是利用溶劑對甲烷溶解性小，對硫化氫溶解性大，從氣體混合物中吸收硫化氫，甲烷留在氣相中，而被吸收的硫化氫性質(zhì)沒有發(fā)生改變?；瘜W(xué)吸收是溶劑與需去除的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)留在液相中，被吸收物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，生成其他物質(zhì)，從而達(dá)到從混合氣體中取出雜質(zhì)的目的。(2)物理提純物理提純方法可分為變壓吸附法PSA和變溫吸附法TSA，他們都是通過吸附劑對不同物質(zhì)的吸附能力的差異來對物質(zhì)進(jìn)行提純，吸附劑的吸附容量會隨著溫度或者壓力的變化而變化，達(dá)到實(shí)現(xiàn)吸附和解吸的目的。在沼氣提純過程，較為常用的是PSA法，因?yàn)閴毫ψ兓^為易于控制，更加方便快捷，節(jié)約能耗，比較常見的吸附劑有活性炭、沸石和分子篩等，在實(shí)際操作中，隨著壓力增大，有一定量的甲烷也可能會被吸附劑吸附，造成甲烷含量減少。(3)生物脫除某種微生物可以講需要除去的氣體作為生長繁殖的需求物質(zhì)發(fā)生生化反應(yīng)，利用吸收雜質(zhì)氣體組成自身，生物脫除方法較少應(yīng)用，但是物理化學(xué)處理法需要消耗額外的能量或者藥劑，從環(huán)保角度來說，生物脫除是最適合的，實(shí)現(xiàn)低能耗、低污染等特點(diǎn)，是以后沼氣凈化的重點(diǎn)方向。3.9.2氣體凈化方法(1)脫水厭氧消化產(chǎn)生的氣體中水分含量較大，濕度高，當(dāng)管道中水分含量達(dá)到一定程度，會對輸送管道及設(shè)備造成不利影響，輸送管道和設(shè)備大多是鋼鐵制成，遇酸會造成管道設(shè)備腐蝕損壞，縮短使用周期。在沼氣運(yùn)輸過程如果混合有水分，會導(dǎo)致管道氣流阻力增大，損失也會增大。含水沼氣在經(jīng)過檢查閥等部件時，在觀察玻璃片上形成水霧，影響相關(guān)人員觀察記錄。反應(yīng)器出來的氣體中含有飽和的水蒸氣，可以通過冷卻法去除，可以在有水蒸汽的沼氣在設(shè)備中調(diào)整壓力，使得水分由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)，實(shí)現(xiàn)分離水分的目的。通過調(diào)整壓力脫除水分的方法簡單易于操作，是目前沼氣脫水中工程應(yīng)用最多的方