厌氧发酵工艺

厌氧发酵处理工艺有机垃圾的厌氧发酵处理正成为有机垃圾处理的一种新趋势，具有巨大的经济效益和环境效益。若技术应用于日处理有机垃圾800吨左右的厌氧发酵系统，每日可以产生100000m3左右生物气体，其中氢气含量20％以上，发电160000度；处理后的沼渣不仅可以生产出100吨左右的优质有机肥，而且不对周围环境产生影响，相反，处理了大量的废物，可以大大降低固体废物对环境的危害。厌氧发酵工艺是一种产能又环保的生物处理工艺，已经广泛应用于废水的处理，在有机固体垃圾处理方面应用。有机垃圾主要包括城市生活垃圾中的有机成份、各类农作物的秸秆、禽兽的排泄物以及常见的餐饮垃圾等。统计显示，我国城市生活垃圾的清运量约1.5亿吨/年，并以接近10%的速度迅猛增加；我国作为农业大国，农作物秸秆资源丰富，总产量约为7亿吨/年，并且以每年6%的速度增加；禽兽养殖粪便每年产量超过20亿吨；我国餐饮垃圾总量约合2000吨/天，目前，处理这些有机垃圾的方法主要有卫生填埋、焚烧、堆肥（好氧发酵）以及厌氧发酵方法。卫生填埋的优点是填埋量大且成本较低，不足是浪费大量的土地资源，对于城市而言，可供填埋的土地越来越少；焚烧的优点是短时间内减量幅度大（达80%~90%），同时可以回收部分能源，但是其初投资和运行成本较高，而且对环境污染严重；堆肥的资源化程度较高，但减量较少且堆肥过程中容易产生恶臭，影响空气质量，在发达国家受到严格限制。厌氧发酵方法处理有机垃圾是通过厌氧微生物的作用，将有机垃圾降解为甲烷、氢气和二氧化碳的生化过程，该方法最终产物恶臭味减小，并且产生的甲烷气体可以作为能源回收，同时达到减少垃圾容积，达到“减量化、资源化、无害化”的目的，具有巨大的经济效益和环境效益，是未来处理有机垃圾的重要发展方向之一。厌氧发酵工艺：厌氧发酵处理工艺的分类方法诸多，根据不同的分类方法，厌氧发酵方法被分成不同的发酵工艺。根据发酵阶段所处的反应器的不同进行分类，可以分为两相发酵工艺和单相发酵工艺。按照反应器的操作条件不同（如固含率、发酵温度）等可分为三类：按固含率分湿式、干式工艺；按运行温度可以分为高温发酵、中温发酵和常温发酵三类。按进料方式可分为间歇式、连续式。3根据反应器中进行发酵阶段的不同，厌氧发酵工艺分为单相厌氧发酵、两相厌氧发酵。单相发酵工艺中，有机垃圾经过前处理后，存放于储存罐中以给反应器供应物料，厌氧发酵的整个过程都在一个反应器中发生。然而，在发酵过程中，通过对不同微生物菌群特性的研究发现，产酸菌的生长快，而且种类多，对环境条件的变化不十分敏感；相反的是，产甲烷菌生长较慢，对环境条件敏感。在上个世纪70年代，美国学者Ghosh和Pohland提出了两相发酵工艺，它的本质在于相分离，两相厌氧工艺中发酵的不同阶段是在独立的两个串联反应器中进行，使得二者的分工更加明确。产酸相主要是改变基质的可降解性，为产甲烷提供适宜的基质，产甲烷相主要用来产生甲烷气体。传统的单相消化器往往由于冲击负荷或环境条件的变化，使得氢分压增加，从而引起丙酸积累而相分离后，产酸相有效去除了大量氢，从而提高了整个两相厌氧生物处理系统的处理效率和运行稳定性。对两相发酵工艺而言，涉及到如何实现两相的分离。目前，实现相分离的途径可以归纳为化学法、物理法和动力学控制法目前最简便、最有效，也是应用最普遍的方法是动力学控制法该方法是利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的有机负荷率，水力停留时间等参数，从而实现相的有效分离，但必须说明的是，两相的彻底分离是很难实现的，只是在产酸相，产酸菌成为优势菌种，而在产甲烷相，产甲烷菌成为优势菌种。相对于两相反应而言，单相工艺投资少，操作简单方便，因而在当前约70%的发酵工艺采用的是单相发酵工艺。但是，两相发酵工艺处理城市生活垃圾有很多的优点，比如，可以单独控制两个不同反应器的条件以使产酸菌和产甲烷菌在各自最适宜的环境条件下生长，也可以单独控制它们的有机负荷率（OLR）、水力停留时间（HRT）等参数，微生物数量和活性有了很大程度提高，从而缩减了HRT，提高了系统的处理效率。两相厌氧目前的研究多集中在如何将高效厌氧反应器和两相厌氧工艺有机的结合，两相厌氧消化工艺的反应器可以采用任何一种厌氧生物反应器，如厌氧接触反应器，厌氧生物滤器，UASB,EGSB,UBI，ABR或其它厌氧生物反应器产酸相和产甲烷相所采用的反应器形式可以相同，也可以不相同。杨玉楠认为，传统两相工艺虽然比单相工艺技术复杂，但是却不一定在提高反应速率和甲烷产率上取得预期效果。典型的单相工艺和两相工艺见图1-1和图1-2所示。湿式厌氧工艺的固含率在10%~15%，而干式厌氧工艺的固含率在20%和40%。湿式中一级发酵系统与废水处理中应用了几十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但是在实际设计中有很多问题需要考虑，特别是对于城市生活垃圾，分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成充分连续的浆状的预处理过程。为达到既去除杂质，又保证有机垃圾正常处理，需要采用过滤、粉碎、筛分等复杂的处理。这些预处理过程会泞致15%~25%的挥发性固体的损失。浆状垃圾不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮渣层，泞致在反应器中形成了二种明显的不同密度的物质层。重物质在反应器底部聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊设计的水力旋流分离器或者粉碎机去除。干式发酵系统的难点在于：其一，生物反应在高固含率条件下进行；其二，输送、搅拌；其三，反应启动条件苛刻，在运行中存在着很高的不稳定性。但是在法国、德国己经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用干式系统是可靠的。在Drancco工艺中，消化的垃圾从反应器底部回流至顶部。垃圾固含率为20%~50%时与Kompogas工艺的工作方式相似，只是采用水平式圆柱形反应器，内部通过缓慢转动的桨板使垃圾均匀，处理系统需要将垃圾固含率调至大约23%。而Valorga工艺有显著不同，因为在圆柱形反应器中水平塞式流是循环的，垃圾搅拌是通过底部高压生物气的射流而实现的。Valorga工艺优点是不需要用消化后的垃圾来稀释新鲜垃圾，缺点是气体喷嘴容易堵塞，维护比较困难。Valorga工艺产生的水回流使反应器内保持30%的固含率，但干式发酵不能单独处理湿垃圾，因为在固含率20%以下时重物质在反应器内发生沉降。厌氧消化的温度与有机物的厌氧分解过程有密切的关系，不同的温度范围内存在不同类型的微生物，研究者根据产甲烷菌在不同温度下的最佳活性将厌氧发酵分为3个温度范围：50~55℃称为高温发酵；30~35℃称为中温发酵；20℃称为低温发酵。而一般农村沼气发酵罐随着自然环境的温度变化而变化，称为常温发酵。温度主要是通过对厌氧微生物细胞内某些酶的活性的影响而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率，这样会影响到厌氧生物处理土艺中污泥的产量，有机物的去除速率，反应器所能达至的处理负荷。温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度，会影响到沼气的产量和成分等。众多的研究者对中温厌氧生物处理工艺已经进行了大量的研究和应用，但驯化良好的高温厌氧细菌的代谢速率可以比中温(35℃)厌氧细菌提高50%~100%。高温发酵具有更高的产气速率，能够大大缩短发酵周期，但相比于中温发酵，具有设备复杂、运行费用高的不足，目前发酵工艺中多采用中温发酵工艺。利用自制的小型破碎筛分设备进行了城市生活垃圾的破碎筛分实验，得到可生物降解部分的破碎筛分率约为64.04%。测定并比较了人工分选和机械分选垃圾的物理组成和有机质成分，得到人工分选和机械分选垃圾的可生物降解分率(基于木质素不可降解)分别为72%和64%；理论产气量为0.795L/gTS和0.733L/gTS。人工分选和机械分后的有机选垃圾中温(35℃)生物化学甲烷势(BMP)分别为199.1mLCH4/gVS和162.4mLCH4/gV5；高温(55℃)BMP分别为232.4和180.6mLCH4/gVS。间歇式厌氧消化工艺是将垃圾批量投入到反应器中接种后密闭直至完全降解之后，消化罐出料，并进行下一批进料，一般进料固体浓度在15%~40%之间。连续式是物料连续的丛反应器内流入和流出。研究表明，对于处理高木质素和纤维素的物料，若在动力学速率低、存在水解限制时，批式反应器比全混式连续反应器(ContinuousFlowStirredTankReactor,CSTR处理效率高得多。批式反应水解程度更高，甲烷产量更大。间歇式处理系统技术简单，投资连续式进料系统减少约40%。虽然间歇式处理系统地占地面积比连续进料干式处理系统大得多，但由于它的设计简单、容易控制、对粗大得杂质适应能力强，投资也少，适合于在发展中国家推广应用。厌氧发酵是在厌氧的条件下，通过厌氧微生物的作用将有机物分解并产生气体的过程。厌氧过程是一个极其复杂的生物化学过程，过程涉及众多微生物及生物化学反应。为便于研究，理论上将整个发酵过程简化为三阶段或两阶段来研究。厌氧发酵过程的两阶段理论将发酵过程分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。在酸性发酵阶段，复杂的有机物（如糖类、脂肪和蛋白质）在产酸菌（厌氧和兼性厌氧菌）的作用下被分解为低分子的中间产物，主要是一些低分子有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）和醇类（如乙醇），并有氢、二氧化碳、氨氮、硫化氢等气体产生。由于该阶段有大量的脂肪酸产生，使得发酵液ph降低，所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。而在碱性发酵阶段产甲烷菌（专性厌氧菌）将第一阶段产生的中间产物继续分解为甲烷和二氧化碳等。由于计算在第二阶段不断被转化成甲烷和二氧化碳，同时由于氨根离子的存在，发酵液的ph将升高，因此，该阶段被称为碱性发酵阶段，又被称为产甲烷阶段。两阶段理论示意图6(2)酸化阶段一阶段水解的产物被微生物吸收到菌体内,并在胞内酶的催化作用下,将它们转化为低分子化合物,其中主要是氢和挥发性脂肪酸（VFA）,如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等,还有乙醇、甲醇等,其中乙酸数量最大,约占80%。第一阶段众多的代谢产物中只有无机的CO2、H2、甲酸、甲胺、甲醇和乙酸可直接被甲烷细菌吸收利用。其他众多的代谢产物(主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机酸和乙醇、丙酮等有机物质)不能为产甲烷的细菌利用。它们必须经过第二阶段的产氢产酸菌进一步转化为氢和乙酸后才能进行下一步的产甲烷的阶段。CH3COCOO－+4H＋→CH3CH2COO－+H2OCH3COCOO－+CH3COO－+2H＋→CH3CH2COO－＋HC03－CH3COCOO+2H－+2H2O→CH3CH2OH+HC03CH3CH2OH+H2O→CH3COOH＋+2H2CH3COCOOH+2H2O→CH3COOH+3H2+CO2(3)产甲烷阶段由于产甲烷的基质已很丰富,以及产氨细菌的活动而使氨态氮浓度增高,使发酵液中的氧化还原电势(Eh)降低,为产甲烷细菌提供了适宜的环境条件,促使产甲烷细菌迅速生长繁殖,将乙酸、甲酸、甲醇、氢气及二氧化碳等转化为甲烷。该阶段发生的主要化学反应：CH3COOH→CH4＋CO2装置的设计：设计的基本要求和规范有机垃圾厌氧发酵实验装置基本要求有以下几个方面：(1)罐内有效容积大于１立方米，能承受6个大气压压力。(2)为了保证物料混合均匀及满足不同搅拌速率的要求，需配置搅拌装置和变频器。(3)可以实现温度和pH值的在线检测和控制。(4)能保持高度的厌氧状态，进料出料过程中也能满足厌氧条件。实验装置(1)罐体发酵罐根据GB150-98《钢制压力容器》规范、标准进行设计制造。发酵罐体详图见附录Ⅱ。发酵罐内胆采用SUS304材质不锈钢材料，夹套采用普通碳钢制作；搅拌器的密封采用机械密封装置；全容积1.5立方米，有效容积1立方米；工作压力不大于1.5个大气压。(2)搅拌装置本实验装置采用机械式搅拌，电机（功率4kW）安装在罐顶部，下面安装有减速机，底座用于固定电机和减速机。搅拌轴距离内胆底部为250mm。为使得转速可调，搅拌装置还装有变频器，搅拌转速为10~80转。搅拌器分为上下两层，上层搅拌器采用“三叶后掠”式