厌氧消化

3、厌氧消化工艺与反应器
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厌氧消化工艺
2
厌氧消化设备
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
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
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。
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。
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。
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。
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 。
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 碱金属和碱土金属 Ca2+，Mg2+，Na+， K+ 重金属Cu2+，Ni2+， Zn2+，Hg2+，Fe2+ H+和OH― 胺类 有机物质
毒域浓度界限 /(mol/L)
10-1~10+6
10-5~10-3 10-6~10-4 10-5~100 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
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。
气提式搅拌
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。
安徽工业大学 建筑工程学院
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
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。
第五章 厌氧消化
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
内
容 提
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
要
厌氧消化（Anaerobic digestion, 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。
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。
来自百度文库
有机物 H 2O 厌氧微生物 细胞物质 CH 4 CO 2 NH3 H 2S 能 量
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。
欧美型
d/H>1，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。
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
总的反应式
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。
–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