厌氧消化

第五章厌氧消化内容提要5.1厌氧消化原理5.1.1厌氧消化基本理论5.1.2厌氧消化产物5.2厌氧消化影响因素5.3厌氧消化工艺与反应器5.3.1厌氧消化工艺5.3.2厌氧消化反应器5.3.3应用实例厌氧消化（Anaerobicdigestion,AD）或称厌氧发酵，是指在厌氧微生物的作用下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。由于产物甲烷占大部分，故又称为甲烷发酵。厌氧消化技术的特点：资源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气。与好氧处理，厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低；产物要再利用，经厌氧消化处理后的废物基本得到稳定，可以用于农肥、饲料或堆肥原料；厌氧微生物的生长速率慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体。1、厌氧消化原理有机废物厌氧消化原理量能SHNHCOCH细胞物质厌氧微生物OH有机物23242总的反应式厌氧消化过程可溶性有机物被微生物直接利用不溶性大分子有机物（如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等）经水解酶的作用，在溶液中分解为水溶性的小分子有机物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。水解产物被消化细菌摄入细胞内，经过一系列生化反应，将代谢产物排出体外，由于消化细菌种群不一，代谢途径各异，故代谢产物也各不相同。众多的代谢产物中，仅无机的CO2和H2及有机的“三甲一乙”（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被产甲烷细菌吸收利用，转化为甲烷和二氧化碳。其它的代谢产物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机酸，以及乙醇、丙酮等有机物质）不能为产甲烷细菌直接利用。它们必须经过产氢产乙酸细菌进一步转化为氢和乙酸后，才能被甲烷细菌吸收利用，并转化为甲烷和二氧化碳。厌氧消化阶段三段理论1979年由布赖恩提出，将厌氧消化依次分为水解（液化）阶段、产酸阶段、产甲烷阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、乙酸分解菌、产甲烷细菌。四段理论Zeikus于1979年提出四种群学说，他认为在厌氧消化过程中共有四种群的复杂微生物参与厌氧发酵过程，分别是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌，同型产氢产乙酸菌和产甲烷菌。–水解阶段：将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的低脂肪酸；–酸化阶段：发酵细菌将水溶性低脂肪酸转化为H2、甲酸、乙醇等，酸化阶段料液pH值迅速下降；–产氢产乙酸阶段：专性产氢产乙酸菌对还原性有机物的氧化作用，生成H2、乙酸等。同型产乙酸细菌将H2、HCO3－转化为乙酸，此阶段由于大量有机酸的分解导致pH值上升；–甲烷化阶段2、厌氧消化影响因素厌氧条件产甲烷细菌是专性厌氧菌，氧对产甲烷细菌有毒害作用，因此，必须创造厌氧的环境条件。一般控制在Eh为-300mV左右(1)温度沼气发酵与温度有密切的关系。代谢速度在35～38℃有一个高峰，50～65℃有另一高峰。一般厌氧发酵常控制在这两个温度内，以获得尽可能高的降解速度。前者称为中温发酵，后者称为高温发酵，低于20℃的称为常温发酵。甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感厌氧发酵过程还要求温度相对稳定，一天内的变化范围在1.5~2℃以内为宜。（2）pH值厌氧发酵微生物细胞内细胞质的pH一般呈中性反应，但产甲烷菌在偏碱性条件下有更好活性，因此，控制pH值在6.5~7.5比较合适，最佳7.0~7.2。一般通过控制碱度来控制pH值，通常碱度控制在2500~5000mgCaCO3/L比较合适，碱度可以通过投加石灰或含氮原料的办法来控制。（3）营养成分（营养比）厌氧发酵原料的C/N比以（20~30）:1为宜，太高，细胞氮量不足，系统的缓冲能力低，pH值易降低；太低，氮量过多，pH值可能上升，铵盐容易积累，会抑制消化进程。（4）添加物和抑制物重金属离子对甲烷消化的抑制－使酶发生变性或者沉淀。与酶结合产生变性；与氢氧化物作用使酶沉淀。S2-等阴离子对甲烷消化有抑制，氨也有毒害作用，当[NH4+]150mg/L时，消化受抑制。添加少量的K、Na、Mg、Zn、P等元素有助于提高产气率。物质浓度毒域浓度界限/(mol/L)碱金属和碱土金属Ca2+，Mg2+，Na+，K+10-1~10+6重金属Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，Fe2+10-5~10-3H+和OH―10-6~10-4胺类10-5~100有机物质10-6~100接种物厌氧发酵中细菌数量和种群会直接影响甲烷的生成不同来源的厌氧发酵接种物对产气量有不同的影响，添加接种物可有效提高消化液中微生物的种类和数量，从而提高反应器的消化处理能力和产气量。在开始发酵时，一般要求菌种量达到料液量的5%以上。搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加微生物与发酵基质的接触，也使发酵的产物及时分离，从而提高产气量。3、厌氧消化工艺与反应器厌氧消化工艺1厌氧消化设备2厌氧消化工艺厌氧发酵工艺一个完整的消化系统一般包括：原料预处理、厌氧发酵反应器、消化气净化与贮存、消化液与污泥的分离、处理与利用等工序分类按厌氧发酵器分类物料性状–湿式厌氧发酵工艺（低固体厌氧发酵工艺）：指消化原料的固体浓度不超过10%，一般为4~8%–干式厌氧发酵工艺（高固体厌氧发酵工艺）：指消化原料的固体浓度大约在20%以上按厌氧发酵器分类消化温度低温消化：＜20℃，产气量低，受气候影响大，不加料情况下~35d。中温消化：35~38℃，产气量约1~1.3m3/(m3·d)；消化时间~20d，卫生化低。高温消化：50~65℃，产气量约3.0~4.0m3/(m3·d)；消化时间~10d，卫生化高。按厌氧发酵器分类根据进料方式连续消化工艺连续进料和连续出料，工业上应用较多，但对厌氧条件控制要求较高。半连续消化工艺启动时一次性投入较多的消化原料，运行过程中定期添加新料和出料，比较适用于农村和部分工业。批式消化工艺原料一次投入反应器，消化完成后一次排出，然后从新换入新的原料进行下批次消化方式。相分离根据沼气消化过程分为产酸和产甲烷两个阶段的原理开发的。反应是在两个反应器内分别进行的，第一个反应器主要起水解酸化作用，同时截留难降解的固体，起到缓冲作用，第二个反应器保持严格的厌氧条件和合适的pH值，以利于甲烷的产生。厌氧消化反应器厌氧反应器厌氧反应器组成：密闭反应器、搅拌系统、加热系统、固液气分离常见类型：常规消化反应器(沼气池)、连续搅拌式反应器、推流式反应器、序批式反应器、上流式污泥床反应器等。传统发酵设备和现代工业发酵设备传统发酵设备系统传统发酵设备系统结构消化罐是核心，附属设备有气压表、导气管、出料机、预处理装置、搅拌器、加热管等。工作原理物料从上部或顶部投入池内，经与池中原有的厌氧活性污泥混合接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使垃圾中的有机物转化为以CO2和CH4为主的气态产物—生物气（即沼气）常用类型①立式圆形水压式沼气池消化间为圆形，两侧带有进出料口，池顶有活动盖板。池盖和池底是具有一定曲率半径的壳体，主要结构包括加料管、消化间、出料管、水压间、导气管等几个部分。缺点：气压不稳定，对产气不利；池温低，影响产气，原料利用率低（仅10%~20%）；大换料和密封都不方便；产气率低[平均0.1~0.15m3/m3.d]②立式圆形浮罩式沼气池将消化间与贮气间分开，产生的沼气由浮沉式的气罩贮存起来。浮沉式气罩由水封池和气罩两部分组成。当沼气压力大于气罩重量时，气罩便沿水池内壁的导向轨道上升，直至平衡为止。当用气时，罩内气压下降，气罩也随之下沉。特点：具有压力稳定、消化好、产气多等优点。③立式圆形半埋式沼气消化池组城市粪便沼气消化多用消化池组。一般采用浮罩式贮气。④长方形（或方形）消化池由消化室、气体贮藏室、储水库、进料口和出料口、搅拌器、导气喇叭口等部分组成。储水库的主要作用是调节气体贮藏室的压力。⑤联合沼气池现代大型工业化沼气消化设备常见几种类型的消化罐欧美型d/H1，顶部具有浮罩，顶部和底部都有小的坡度，由四周向中心凹陷，形成一个小锥体。古典型中间是一个d/H=1的圆桶，上下两头均为圆锥体。底部锥体的倾斜度为1.0~1.7，顶部为0.6~1.0。有助于消化污泥处于均匀、完全循环的状态。蛋型消化罐两端的锥体与中部罐体结合时是光滑的，逐步过渡的底部锥体比较陡峭，反应污泥与罐壁的接触面积比较小。有利于消化污泥完全彻底的循环，不会形成循环死角。平底型介于欧美型和古典型之间。施工费用比古典型低，直径与高度的比值比欧美型合理，在污泥循环设备方面，选择余地小。循环系统搅拌设备①机械搅拌螺旋桨搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨。水射器搅拌：水射器也称喷射泵。一般设置在池中心，用水泵将消化池底部的污泥抽出后压入水射器的喷嘴，当污泥射入水射器的喉管时，形成很大的负压，将消化池内液面的消化液吸入，通过扩散管从池子下部排出形成一个循环搅拌。安徽工业大学建筑工程学院②沼气搅拌气提式搅拌：将沼气压入设在消化池的导流管中部或底部，使沼气与消化液混合，含气泡的污泥即沿导流管上升，起提升作用，使池内消化液不断循环搅拌。竖管式搅拌：在池内均匀布置若干根竖管，经过加压的沼气通过配器总管分配到各根竖管，从下端吹出，起搅拌作用。气提式搅拌气体扩散式搅拌：经过压缩的沼气通过气体扩散器与消化池内的污泥混合。射流器抽吸沼气搅拌：用污泥泵从消化池直筒壁高的2/3处抽吸污泥，经过射流器抽吸池顶的沼气，然后将混合污泥与沼气射入消化池底部进行搅拌。③泵循环物料搅拌用泵将消化污泥从池底抽出，加压后送至浮渣层表面或消化池不同部位进行循环搅拌。一般只适用于小型消化池。传统发酵设备与现代发酵设备的比较（a)传统消化池（b)现代消化池