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