固体有机废弃物厌氧发酵装置研究进展

固体有机废弃物厌氧发酵装置研究进展收稿日期：２００６－１０－１３基金项目：国家自然科学基金项目（２００４０２２４００１）作者简介：夏吉庆（１９５４－），男，汉，安徽人，研究员，硕士，主要从事生物质能源利用研究。

＊通讯作者Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｗｅｎｚｈｅｑ＠１６３．ｃｏｍ夏吉庆，李文哲＊（东北农业大学工程学院，哈尔滨１５００３０）摘要：文章在调查分析现有厌氧发酵设备的基础上，从我国高寒地区实际生产需要出发，提出了开发高效厌氧发酵设备的基本思路，主要是：产酸阶段和产甲烷阶段设备独立设置；产甲烷阶段采用厌氧滤器和三相分离器有机组合应用；采取有效的污泥回流和全程菌群富集技术以及有效的节能保温措施；加强自动控制使设备高效稳定运行等。

关键词：厌氧发酵装置；适应性；设计中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ目前我国户用沼气池经过多年发展，技术已经比较成熟。

随着规模化养殖的不断扩大，近年来（８０年代以后）我国开始发展大型沼气工程，工业化的厌氧发酵设备在我国南方地区应用较多。

这些工程多数采用全混合发酵工艺，有的采用复合式反应器，不设保温和增温设施。

由于这些设备和工艺不适宜常年在低温状态下运行，所以没有在寒冷地区得到很好推广。

另外，这些设备不能很好的适应高浓度物料的厌氧发酵，容易发生堵塞，因此有必要设计出高效、稳定运行而且能够自动精确控制且不易堵塞的系统。

为了使厌氧发酵设备在高寒地区得到较好的推广使用，本文在分析各种厌氧发酵设备研究进展的基础上，探讨适应较高物料浓度和多种畜禽粪便需要的北方寒冷地区固体有机废弃物的厌氧发酵设备的设计思路。

１目前应用于固体废弃物厌氧发酵设备的特点分析固体厌氧发酵设备经过国内外多年的研究与实践出现了多种的形式，优缺点分析如下。

１．１常规型反应器常规型反应器包括常规反应器、完全混合式反应器和塞流式反应器（也称推流式反应器）。

１．１．１常规反应器常规反应器（也称常规沼气池）是一种结构简单，应用广泛的工艺类型。

该反应器无搅拌装置，原料在发酵器内呈自然沉淀状态，一般分为４层。

从上到下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉淀层，其中厌氧发酵微生物活动旺盛的场所只限于活性层内，多在常温条件下运行，容易出现浮渣层，效率较低。

１．１．２完全混合式反应器完全混合式反应器是以前使用最多，适用范围较广的一种反应器。

完全混合式反应器是在常规反应器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规反应器相比使活性区遍布整个发酵器，其效率比常规反应器有明显提高，曾经被称为高速反应器。

该反应器常采用恒温连续投料或半连续投料运行。

优点：该工艺可以处理高悬浮固体含量的原料；反应器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加底物和微生物接触的机会；反应器内温度分布均匀；进入反应器内任何一点抑制物质，能够迅速分散保持在最低浓度水平，避免了浮渣结壳、堵塞、气体逸出不畅和沟流现象。

缺点：由于该反应器无法做到使ＳＲＴ（固体滞第３８卷第５期东北农业大学学报３８（５）：７０２￣７０５２００７年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｅａｓｔＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｃｔ．２００７文章编号１００５－９３６９（２００７）０５－０７０２－０４留期）和ＭＲＴ（微生物滞留期）在大于ＨＲＴ（水力滞留期）的情况下运行，因而反应器体积较大，要有足够的搅拌，因而能量消耗高。

生产用大型反应器又难以做到完全混合，出水中容易带出固体物质，微生物随出料而流失较多。

１．１．３塞流式反应器（也称推流式反应器）塞流式反应器（简称ＰＦＲ）也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。

高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，经过一些挡板之后从另一端排出。

由于反应器内沼气的产生，呈现垂直的搅拌作用，而横向搅拌作用甚微，原料在发酵器内的流动呈活塞式推移状态。

在进料端，呈现较强的水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。

由于进料缺乏接种物，所以要进行固体回流。

优点：不需要搅拌，池形结构简单，能耗低；适用于高悬浮固体废物的处理，运行方便，故障少，稳定性高。

缺点：固体物容易沉淀于池底，影响反应器的有效体积，使ＨＲＴ和ＳＲＴ降低，效率较低；需要固体和微生物的回流作为接种物，因该反应器面积和体积比较大，反应器内难以保持一致的温度，易产生厚的结壳。

１．２污泥滞留型反应器污泥滞留型反应器包括厌氧接触工艺、升流式固体反应器（ＵＳＲ）、厌氧折流板式反应器，上流式厌氧污泥床反应器（ＵＡＳＢ）等。

目前最常用的是上流式厌氧污泥床反应器（ＵＡＳＢ），也是世界上发展最快的反应器。

ＵＡＳＢ反应器优点：从反应器下部进料，而在上部安装三相分离器，发酵器结构简单，没有搅拌装置及供微生物附着的填料；长的ＳＲＴ和ＭＲＴ使其达到了很高的负荷率；颗粒污泥的形成，使微生物天然固定化，改善了微生物的环境条件，增加了工艺的稳定性；出水的悬浮固体含量低。

ＵＡＳＢ反应器缺点：因所有的料均是从下部进入，三相分离器负荷比较大，进料中只能含有低浓度的悬浮固体，因此不适合用来处理高浓度悬浮固体的废物；需要有效的布水器使其进料能均匀分布于发酵器的底部；当冲击负荷或进料中悬浮固体含量升高，以及遇到过量有毒物质时，会引起污泥流失。

１．３附着膜型反应器（ＡＦ）厌氧滤器属于附着膜型反应器的一种，又称为厌氧滤池反应器或厌氧生物滤池，分为升流式和降流式两种。

该工艺是在反应器中加填料，以提供微生物生长的表面，其有机物的去除主要依靠填料表面的生物膜来完成，其填料多采用鲍尔环、塑料波纹板、交叉流型滤料等。

进水由底部进入装有填料的反应器，在填料表面附着的以及由于填料截留的大量微生物的作用下，将进水中的有机物降解转化成甲烷和二氧化碳等。

沼气与水从反应器顶部排出，反应器中的生物膜也不断进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水带走。

厌氧滤器的优点：依靠填料使反应器内拥有大量附着的生物膜，微生物的固体停留时间长，污泥停留时间可以超过１００天，不宜流失，装置内各种不同的微生物通过筛选作用，形成自然分层，可使各类微生物处于最佳的生长环境中，因而微生物的活性较高，负荷较大，有较高的处理效率，工艺本身能耗较小，运行管理方便，抗冲击负荷能力较强。

厌氧滤器的缺点：固液气三相分离效果较差，由于大量使用填料容易发生堵塞。

１．４复合式反应器污泥床滤器（ＵＢＦ）是在１９８４年由加拿大Ｇｕｉｏｔ开发的复合式厌氧反应器，是由上流式污泥床（ＵＡＳＢ）和厌氧滤器（ＡＦ）复合而成，反应器下部是高浓度颗粒污泥组成的污泥床，上部是填料和其表面附着的生物膜组成的滤料层。

ＵＢＦ装置极大地延长了ＳＲＴ（水利滞留期），反应器内污泥的浓度高，增强了反应器对不良因素（如有毒物质）的适应性，能够高效、稳定地处理高浓度难处理有机废水。

由于附着于纤维填料上的生物膜补充了污泥床上部微生物的不足，所以效率较高。

北京某肉联厂的屠宰废水处理采用ＵＢＦ工艺，它对低浓度低悬浮固体污水的厌氧消化效果较好，用于高浓度高悬浮固体废水处理仍易产生堵塞。

２发展寒带固体废弃物厌氧发酵装置设计的思考２．１总体设计思路综上所述，寒带固体有机废弃物的厌氧发酵处夏吉庆等：固体有机废弃物厌氧发酵装置研究进展・７０３・第５期理依然面临三个主要问题，首先是温度适应性问题；其次是高效厌氧发酵问题，第三是高浓度物料发酵的堵塞问题。

这些问题可以从装置设计上考虑解决，总体的设计思路就是既要吸收现有设备的优点又要克服这些设备的缺点，根据环境和生产的需要进行组合式创新设计。

通过对设备的优缺点分析发现：常规反应器虽然适宜于料液浓度大、悬浮物固体含量较高的有机废水，但是发酵效率由于微生物滞留期不能延长而难以提高，因此，不宜在工业化的设备上采用。

在污泥滞留型反应器中，ＵＡＳＢ和厌氧滤器的许多优点是我们可以采用的，比如ＵＡＳＢ反应器内的水流方向与产气上升方向相一致，减少了堵塞的机会，加强了对污泥床的搅拌混合作用有利于固液气三相的分离等，但由于ＵＡＳＢ反应器具有上部微生物不易富集和三相分离器不适合高浓度物料分离的缺点，所以不能直接应用在高效的高浓度的固体废弃物处理系统中；复合式反应器虽然在ＵＡＳＢ上部增加了厌氧滤器（ＡＦ）富集微生物，但是却造成了处理高浓度物料时更容易发生堵塞。

我们认为处理高浓度物料时，附着膜型反应器与ＵＡＳＢ可利用各自的优点进行有机组合，但不能在ＵＡＳＢ上部加入厌氧滤器。

由于厌氧发酵过程中的产酸菌和产甲烷菌具有不同的生长特性，不可能使用一个发酵器使产酸菌和产甲烷菌都生长快，因此，推荐设计设备时把产酸阶段单独进行。

在预处理和产酸阶段，做好原料的除杂、过滤和酸化流程配置，为后续的产甲烷阶段做好充分准备；而产甲烷阶段接收的料液是经过酸化好了的发酵原料，这样将更有利于发酵条件的精确控制。

２．２关键装置设计方案设想所谓关键装置是指产甲烷阶段的装置，为了解决目前存在的三个主要问题，新的设计应满足以下要求：最大限度地满足厌氧微生物的生活条件，使反应器内驻留足够的微生物；适应高浓度物料需要；发酵温度保持稳定；高浓度物料能够顺利通过各发酵设备又不形成浮渣层和方便去除反应器底部沉积污泥以适应多种固体废弃物的厌氧发酵；运行参数控制可靠、精确；固液分离能够顺利进行。

为了满足以上要求拟采取以下措施：产甲烷阶段的厌氧发酵反应器应包括一个厌氧滤器和一个ＵＡＳＢ厌氧反应分离器在底部通过管道相连通，通过厌氧滤器的降流和ＵＡＳＢ的升流相结合解决高浓度物料适应性问题，用载体附着微生物和最合适部位的活性污泥回流以及生熟料混合实现全程菌群富集。

经过合理的管路配置可以实现污泥和上清液回流、混合、加热及搅拌等功能。

另外，在设备上单独设置沉渣排放装置，可以适应多种原料的需要。

设计自动监测、自动控制系统使厌氧发酵过程实现准确高效运行。

控制的参数应包括：温度、ｐＨ值、负荷、浓度、污泥回流量、时间、微量元素添加量等。

而在保温方面则采用以下几项措施：采用太阳房做厂房；采用水循环加热隔层和罐体保温（使用聚苯乙烯板或珍珠岩）发酵罐；采用沼气辅助加热。

预计通过以上的改进设计，实现微生物全程富集，保温加热措施得力，被处理物料的浓度适应性将大为提高，厌氧发酵的效率将提高３０％以上。

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