大中型沼气工程技术(最新整理）

大中型沼气工程技术(最新整理） 培 训 手 册 新疆维吾尔自治区农村能源工作站 编印 新疆农业职业技术学院 2009年6月 第一讲 沼气工程概述 沼气工程是指以规模化畜禽养殖场粪便污水的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产和资源化利用为一体的系统工程。按规模大小可分为小型、中型和大型沼气工程。 一、工艺类型 1、按发酵温度分3种: 常温(变温)发酵型、 中温(35?)发酵型、 高温(54?)发酵型 2、按处理原料分3种: 处理食品工业有机废水工程型、处理畜禽粪污工程型和处理其他工业有机废水工程型 3、根据沼气工程的目的和周边环境条件的不同，大中型沼气工程可分为能源生态模式和能源环保模式。 所谓能源生态模式，即沼气工程周边的农田、鱼塘、植物塘等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、沼液，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。如畜禽粪便沼气工程，首先要将养殖业与种植业合理配置，这样即不需要后处理的高额花费，又可促进生态农业建设，所以说能源生态模式是一种理想工艺模式。 所谓能源环保模式，即沼气工程周边环境无法消纳沼气发酵后的沼渣、沼液，必须将沼渣、制成商品肥料，将沼液经后处理达标排放。该模式既不能使资源得到充分利用，而且工程和运行费用较高，应尽量避免使用。 二、工艺流程 一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括如下工艺流程:原料(废水)的收集、预处理、消化器(沼气池)、出料的后处理和沼气的净化与储存等部分。 图 1 大中型沼气工程工艺流程 ? 原料收集 在畜禽场或工厂时就应当据当地条件合理安排废物的收集方式和集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。 收集到原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天均匀分配。所以调节池的大小一般要能储存24小时废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化作用，这对提高原料可消化性和加速厌氧消化都有好处。若调节池内原料滞留期过长，会因耗氧呼吸作用或沼气发酵的进行而损失沼气产量 ? 原料预处理 原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。畜禽场的粪便原料特性详见表1: 表1 三种发酵原料的特性 3 TS% 产气潜力(米/千克TS) 物料特征 种类 一般水平 设计参数 一般水平 设计参数 鲜牛粪 15,18 18 0.18,0.30 0.25 草多，沉淀物较少，浮渣多于沉渣 鲜猪粪 18,15 20 0.25,0.45 0.30 冬季沉淀物多，沉渣多于浮渣; 鲜鸡粪 25,40 30 0.30,0.55 0.35 而在冬季则相反有鸡毛贝壳沉淀,沉渣结实 在预处理时，牛和猪粪中的长草、鸡粪中的鸡毛都应去除，否则极易引起管道堵塞。上海星火农场采用搅龙除草机去除牛粪中的长草，可以收到较好的效果，再配用收割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草可有效防止管道阻塞。鸡粪中含有较多贝壳粉和砂砾等，必须进行沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部，不仅难以排除，而且会影响沼气池容积。 目前采用的固液分离方式有格栅机、搅龙除草机、卧螺式离心机、水力筛、板柜压力机带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。其中，螺旋挤压式固液分离机主要用于SS含量高，且易分离的的污水，如新鲜猪粪污水;卧螺式离心机用于酒精厂废醪效果较好;搅龙除草机主要用于纤维较长的废水预处理;板柜压力机和带式压滤机主要用于加凝絮剂后凝絮效果较好的废水，用于好氧污泥的处理效果极佳;水力筛一般均采用不锈钢制成，用于杂物较多、纤维长中等的污水，如猪粪污水、鸡粪污水等，且其分离效果好，安装方便，易于管理，在南方应用较为广泛。 ? 厌氧消化器 厌氧消化器是大中型沼气工程的核心设备，微生物的繁殖、有机物的分解转化、沼气的生成都是在消化器里进行的，因此，消化器的结构和运行情况是一个沼气工程设计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。 目前，应用较多的工艺类型及消化器的结构有常规型消化器，如在农村大量使用的家用水压水式沼气池和酒厂使用的隧道式沼气池;第二类为污泥滞留型消化器，使用较多的有使用于处理可溶性废水的UASB及使用于处理高悬浮固体的USR，另外，内循环厌氧消化器(IC)是目前效率较高的工艺类型，主要用于处理中低浓度、SS含量低、pH偏中性的污水。第三类为附着膜型消化器，目前使用的主要是填料过滤器，使用于可溶性有机废水处理，有启动快、运行容易的优点。各类消化器的详细特性将在下一节介绍。 图2 搪瓷拼装型厌氧消化器 (四)出料的后处理 出料后处理的方式多种多样，采用能源生态模式，最简便的方法是直接用做肥料施入农田或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理，应设置适当大小的贮液池，以调节产肥与用肥的矛盾。如采用能源环保模式，则是将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用做肥料或配合适量花费做成适用于各种作物或花果的复合肥料，很受市场欢迎，并有较好经济效益。清液部分可经爆气池、氧化塘、人工湿地处理设备进行深度处理，经处理后的出水，可用于灌溉或达标后排入水体、但花费较大。 (五)沼气的净化、储存和输配 沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢(HS)气体生成并进入沼气。水的冷凝会造成管路堵塞,有时气体流量计2 中也充满了水。HS是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。HS本身及22燃烧时生成的SO、HSO、HSO，对人都有毒害作用。大型沼气工程，特别是用来进行集中2232 4 供气的工程必须设法脱出沼气中的水和HS。脱水通常采用脱水装置进行(图3)。沼气中的23HS含量在1,12克/米之间，蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的HS含量就22较高。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫(图4)。因脱硫剂使用一定时间后需要再生或更换，所以脱硫塔最少要有两个轮流使用。 沼气的输配是指将沼气输送分配至各用户(点)，输送距离可达数千米。输送管道通常采用金属管，近年来工程也采用高压聚乙烯塑料管、PE管、PPR管等作为输气干管。用塑料管输气避免了金属管的易锈蚀等问题。气体输送所需的压力通常依靠沼气产生池或储气柜所提供的压力即可满足，远距离输送可采用增压措施。 图3 脱水装置 图4 脱硫塔 第二讲 厌氧消化器 一、厌氧消化器分类 一个厌氧消化器，无论是哪一种类型工艺，在具备适宜的运行条件的基础上，决定其功能特性的构成因素主要是水力滞留期(HRT)、固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT)，并据此对消化器进行分类。 (一) 分类依据 1、水力滞留期(HRT):厌氧消化器的HRT是指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要的时间，通常一天(d)或小时(h)为单位，可按下式计算: 3消化器的有效容积(m)HRT(天),3每天进料量(m) 从上式可以看出，对一个消化器来说HRT与每天进料量互为函数即: 3消化器的有效容积(m3) 每天的进料量(米 )=HRT(天) 3 3例如一个消化器有效容积为100米， 每天进料量为5米，则HRT为20天。同样如果知道了HRT，也可求出每天的投料量。无论是半连续投料运行，或是连续投料运行的消化器都可以根据HRT来确定投料量，在生产上习惯使用投配率一词，即每天进料体积占消化器有效容积的百分数，按下式计算: 3每天进料体积(米)投配率(%)=×100% 3消化器有效容积(米) 按此公式计算前面举例消化器的投配率则为5%，而HRT则为投配率的倒数即20天。当消化器在一定容积负荷条件下运行时，其HRT与发酵原料有机物含量呈正比，有机物含量越高，HRT则越长，这有利于提高有机物的分解率。降低发酵原料的有机物浓度或增加消化器的负荷都会使HRT缩短，但过短的HRT会使大量沼气发酵细菌从消化器里冲走，除非采取一定措施将固体和微生物滞留，否则有机物的分解率和沼气产量就会大幅度降低，消化器的运行将难以稳定。 图5所示为牛粪高温沼气发酵时 HRT与甲烷产率的关系曲线，从图中可 以看出，当HRT减少到1.6天时，甲烷 产率急剧下降为零。因为这一时间，小 于活性污泥中产甲烷菌的增代时间，也 就是说甲烷菌还没有来得及繁殖一代， 已被料液冲走，这是因为产甲烷菌比产 酸菌繁殖速度慢，产甲烷菌更容易从消 化器里冲出。这个时间称为极限滞留期。 在稍大于极限滞留期的情况下，由于产 甲烷菌得到增殖，并有足够的原料可以 利用，因而甲烷产率急剧上升，当达到 产气最高峰时，其响应滞留期2.9天，即 为最佳滞留期。这时的原料利用速度最 高，虽可获得最高的熔剂产气率，但因 图5 HRT与甲烷产率的关系曲线 原料在消化器内停留时间太短而不能得 到充分消化。所以原料的转化率较低。 其后甲烷产率随滞留期的延长而下降，但原料转化率逐渐上升(表2)，在生产过程中可根据发酵目的的不同，选择适合的HRT，如以生产沼气为主则可适当的靠近最佳滞留期，如以环境保护为主，则应适当延长HRT。 表2 牛粪不同滞留期的产气率与原料利用率 滞留期(天) 4 6 12 2.89 33产气率[米/(米?天)] 6.29 4.96 原料利用率(%) 39.8 46.1 52.8 确定了HRT后，对一个每天污水产量一定的工程来说，就可以得出消化器的体积。例如， 3一个1000头的猪场，每头猪每天产生污水量为25升，则每天共产生污水25米，如果HRT 3定为10天，则消化器的有效容积为250米，为防止发酵液产生的泡沫堵塞导气管，所以常留10%体积作为缓冲，因此，消化器有效容积只占消化器总体积的90%。这样即可按下式求出消化器体积: 3每天的污水量(m)，HRT(天)消化器体积 ,消化器有效容积(%) 则上面举例猪场的消化器体积为: 325，10 该猪场消化器体积,,277.(8米)90% 常规消化器的设计是根据HRT，然而在大型沼气工程的设计上常根据消化器的容积负荷而定。一般可溶性有机物容易分解，固体有机物分解较慢，所以固体滞留期(SRT)就显得更为重要。 2、固体滞留期(SRT):是指悬浮固体物质从消化器里被置换的平均时间。在一个混合均匀的完全混合式消化器里，SRT与HRT相等。而在一个非完全混合式消化器里,当消化器 在长的SRT运行时，一部分衰老的微生物细胞被分解，为新生长的微生物提供了营养物质，这样就可以减少微生物对原料的营养要求。由于蛋白类物质的分解率提高，因而发酵液中铵态氮含量也随SRT的延长而逐渐上升。一方面因SRT的延长固体有机物分解的更为彻底;另一方面因衰亡微生物的分解使细菌得到更多的营养物质，因而较长的SRT使污泥的甲烷化活性提高，污泥的沉降性能得到改善。所以，高悬浮固体有机物的厌氧消化应设法得到比HRT长得多的SRT，是至关重要的。在消化器里，沼气发酵微生物常附着于固体物表面而生长，SRT的延长也增加了微生物的滞留期，因此，除附着膜式消化器外，SRT与MRT是难以分开的，所以SRT的延长也同时增加微生物的量，减少了微生物的冲出。这也是在长的SRT条件下固体有机物具有较高分解率的原因之一。 3、微生物滞留期(MRT):指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。在一定条件下，微生物繁殖一代的时间基本稳定，如果MRT小于微生物增代时间，微生物将会从消化器里被冲洗干净，厌氧消化将被终止。如果微生物的增代时间与MRT相等，微生物的繁殖与被冲出处于平衡状态，则消化器的消化能力难以增长，消化器则难以启动。如果MRT大于微生物增代时间，则消化器内微生物的数量会不断增长。可见在一定条件下，消化器的效率与MRT呈正相关。如果MRT无限延长，则老细胞会不断死亡而被分解掉。这样可使微生物的繁殖和死亡处于平衡状态，就不会有多余的微生物排出。因此，延长MRT不仅可以提高消化器的处理有机物的效率，并且可以降低微生物对外加营养物的需求，还可减少污泥的排放，减少二次污染物的产生。 当处理低浓度有机污水时，在HRT很短的情况下运行，这样必须设法延长MRT来维持厌氧消化过程的产酸与产甲烷的平衡。只有延长了MRT才能阻止生长缓慢的产甲烷菌的冲击，增加产甲烷菌在消化器内的积累，防止微生物生长不平衡现象的产生。 用什么方法来延长MRT呢,在完全混合式消化器里，MRT与HRT、SRT相等，因此无法使MRT单独增加，所以完全混合型消化器必须有长的HRT，负荷难以提高。要想使消化器有比HRT更长的MRT，就必须使HRT与MRT分离，在污水经过消化器的条件下，使微生物滞留于消化器内，这就产生了UASB和厌氧滤器等使HRT与MRT分离的消化器类型，前者靠污泥的沉降而使微生物滞留，后者靠微生物附着于支持物的表面形成生物膜而滞留，这样就可使MRT大大延长，从而提高了消化器的效率，因而使消化器的负荷大幅度提高，并使厌氧消化器只适用于高浓度有机污水而发展到今天也可以用来处理低浓度污水。由此可见增加MRT在理论和时间上的重要性。 (二) 厌氧消化器类别 根据HRT、SRT和MRT的不同，可将厌氧消化器分为三种类型(表3)。第一类消化器为 常规性消化器，其特征为MRT、SRT和HRT相等，即液体、固体和微生物混合在一起，在出料同时被淘汰，消化器内没有足够的微生物，并且固体物质由于滞留期较短而得不到充分消化，因而效率较低。第二类消化器为污泥滞留型消化器，其特征为通过各种固液分离方式，将MRT和SRT与HRT加以分离，从而在较短的HRT的情况下获得较长MRT和SRT。即在发酵液排出时，微生物和固体物质所构成的污泥得到保留，因而称为污泥滞留型。第三类消化器为附着膜型消化器，其特征为在消化器内安放有惰性介质供微生物附着，使微生物呈膜状固着于支持物表面，在进料中，液体和固体穿流而过的情况下固着滞留微生物于反应器内，从而使消化器有较高的效率。 二、常规型消化器 (一)常规消化器 常规消化器也称常规沼气池，是一种结构简单、应用广泛的发酵装置(图6)。该消化器无搅拌装置，原料在消化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、活性层和沉渣层，其中厌氧消化活动旺盛场所只限于活性层内，因而效率低。 表3 厌氧消化器分类 类型 滞留期特征 消化器举例 常规型 MRT=SRT=HRT 常规消化器 塞流式 完全混合式 污泥滞留型 (MRT和SRT),HRT 厌氧接触工艺 升流式固体反应器 升流式厌氧污泥床 附着膜型 MRT,(SRT和HRT) 折流式 厌氧滤器 流化床和膨化床 图6 常规消化器与全混合式消化器 1、批量投料:批量投料是在沼气发酵的应用上最简单的工艺，其特点为在消化器启动时将原料和接种物一次投入消化器，直到产气停止或产气甚微时为止，再将发酵后的残余物全部取出，然后再重新投料进行启动。 批量投料的优点:适用于季节性产物和高固体原料;消化器结构简单、造价低;使用管 理简单，适用于农村家庭及农场。 缺点为:投料启动后，微生物处于自然繁殖状态，产气量无法控制，因而难以作到均衡产气;高浓度原料启动时可能导致产酸和产甲烷的不平衡，从而导致因酸化使发酵失败。 2、半连续投料: 即每隔一定时间进行投料一次，这样可使批量投料时无法控制的产气量得到控制。例如水压式沼气池在以禽畜粪便为原料时，按半连续投料进行效果较好。在常 3温条件下，池温再20?以上时有机负荷为1—2千克COD/(米?天)，产气率为0.2—0.5 33米/(米?天)。 (二)完全混合式消化器(CSTR) 完全混合消化器也称高速消化器，是以前使用最多、适用范围最广的一种消化器。但随着近来研究工作的深入，认识到该种消化器能耗大、能效比较低，应用范围逐渐缩小。 完全混合消化器是在常规消化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，与常规消化器相比使活性区遍布整个消化器，其效率比常规消化器有明显提高，故名高速消化器 该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理，例如污水处理厂好氧活性污泥的厌氧消化过去多采用该工艺。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。而其排出的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10—15天或 3更长的时间。中温发酵时负荷为3—4千克COD/(米?天)，高温发酵为5—6千克COD/(米3?天)。 (三)塞流式消化器 塞流式亦称推流式消化器，是一种长方形的非完全混合消化器，高浓度悬浮固体原料从一端进入，从另一端流出，原料在消化器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。由于进料端缺乏接种物，所以要进行污泥回流。在消化器内应设置挡板，有利于运行的稳定。 图7 塞流式消化器 塞流式消化器最早用于酒精废醪的厌氧消化，河南省南阳酒精厂于60年代初期即修建了隧道式塞流消化器，用来高温处理酒精废醪。发酵池温为55?左右，投配率为12.5%，滞 3/33留期为8天，产气率为2.25—2.75米(米?天)，负荷为4—5千克COD/(米?天)，每 3 立方米酒醪可产沼气23—25米 塞流式消化器在牛粪厌氧消化上也广泛应用，因牛粪质轻、浓度高，长草多，本身含有较多产烷菌，不易酸化，所以，用塞流式消化器处理牛粪较为适宜(表4)。该消化器要求进料粗放，不用去除长草，不用泵或管道输送，使用搅龙或斗车直接将牛粪投入池内。采用TS为12%的浓度使原料无法沉淀和分层。生产实践表明:塞流式池不适用于鸡粪的发酵处理，因鸡粪沉渣多，易生成沉淀而大量形成死区，严重影响消化器效率。 表4 塞流式消化器与常规沼气池比较 池型及 温度负荷 进料 HRT 产气量 CH4 3体积 (?) [千克VS/(米?天)] (TS%) (天) (升/千克VS) (%) 塞流式 25 3(5 12(9 30 364 57 3 (38(4米)35 7 12(9 15 337 55 常规池 25 3(6 12(9 30 310 58 3(35(4米) 35 7(6 12(9 15 281 55 三、污泥滞留型消化器 消化器的特征为通过采用各种固液分离方式使污泥滞留于消化器内，提高消化器的效率，缩小消化器的体积。包括厌氧接触工艺、升流式厌氧污泥床和升流式固体反应器等。 (一) 厌氧接触工艺 该工艺是在全混合消化器之外加一个沉淀池，从消化器排出，沉淀污泥重新回流至消化器类内，这样既减少了出水中的固体物含量，又提高了消化器内的污泥浓度，从而在一定程度上提高了设备的有机负荷率和处理效率。 图8 厌氧接触工艺 实践表明:该工艺允许污水中含有较高的悬浮固体、耐冲击负荷，具有较大缓冲能力，操作过程比较简单，工艺运行比较稳定。 该工艺的优点与完全混合式消化器相同，并可采取较高的负荷率运行。其缺点是需要额外的设备来使固体和微生物沉淀与回流。 (二)升流式厌氧污泥床(UASB) 该消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。 1(UASB的工作原理 消化器内部分为三个区，从下至上为污泥床、污泥层和气、液、固三相分离器。消化器的底部是浓度很高并且有良好沉淀性能和凝聚性的絮状或颗粒状污泥形成的污泥床，污水从底部，经布水管进入污泥床，向上穿流并与污泥床内的污泥混合，污泥中的微生物分解污水中的有机物，将其转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，并在上升过程中不断合并成大气泡。在上升的气泡和水流的搅动下，消化器上部的污泥处于悬浮状态，形成一个浓度较低的污泥悬浮层。在消化器上设有气、液、固三相分离器。 图9 UASB消化器结构示意图 在消化器内生成的沼气泡受反射板的阻挡，进入三相分离器下面的器室内，再由管道经水封而排出固、液混合液经分离器的窄缝进入沉淀区内由于污泥不再受到上升气流的冲击，在重力作用下而沉淀。沉淀至斜壁上的污泥沿斜壁滑回污泥层内，使消化器内积累起大量的污泥。分离出污泥后的液体从沉淀区上表面进入溢流槽而流出。 2(UASB的启动与运行 UASB的启动最大困难是获得大量性能良好的厌氧活性污泥。最好的办法是从现有的厌氧处理设备中取出大量污泥投入消化器进行启动，如有处理相同废水的污泥效果更好。如果没有相同废水的污泥，也可以选取沉降性能较好的鸡粪厌氧消化污泥、城市污水厌氧消化污泥或猪粪厌氧消化污泥等作为接种物。如果附近没有厌氧消化器可以取污泥，也可以在工程附近原排放污水的沟内寻找污泥作为接种物，但要筛除粗大固体物，并且沉淀出泥土砂石后方可进入消化器。总之，对作为接种物的污泥有两点要求:一是能够适应将要处理的有机物，特别是在处理有毒物质时这一点更重要;二是要污泥具有良好的沉降性能。例如，用消化过的鸡粪作为接种物就比猪粪好，因鸡粪沉降性能好，并且比较细碎有利于颗粒污泥的形成。 启动过程应注意以下几点:最初污泥负荷应低于0.1,0.2千克COD/(千克VSS×天);污水中的各种挥发酸未能有效分解之前不应提高反映器负荷;环境条件应有利于沼气发酵细 菌的繁殖。如能注意以上几点，在启动运行6,12周内，在温度约30?的条件下，污泥负荷可达0.5千克COD/(千克VSS×天)，对所处理的废水大多数都有满意的处理效果。 在UASB内虽设有三相分离器,但出水中仍带有一定数量污泥,特别是在工艺控制不当时,常会造成大量跑泥。在正常运行时,少量活性污泥会因进水中的悬浮固体或气泡的夹带而随水冲出，污泥过满,也会使出水中污泥增多,这时应及时排放剩余污泥。在冲击负荷的条件下,可能导致污泥过度膨胀,也可大量流失污泥。 为了减少出水中所夹带的污泥,可在USAB反应器后设置一个沉淀池，将所沉淀的污泥送回反应器内.沉淀池的HRT可采用2小时,每天回流污泥一次至污泥床与污泥层交界处。设置沉淀池的好处是:污泥回流可加速污泥的积累，缩短投产期;去除悬浮物，可改善出水水质;当偶因工艺控制不当造成大量跑泥时，可回收污泥;污泥回流入消化器内做进一步分解,可减少剩余污泥排放量。 (三)内循环(IC)厌氧反应器 内循环(Internal Circulation)厌氧反应器是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化床反应器的优点于一身,利用反应器所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。 IC反应器的基本结构如图所示，如同把 两个UASB反应器叠加在一起，反应器高度 可达16~25米，高径比可达4~8。在其内部 增设了沼气提升管和回流，上部增加了气液 分离器.该反应器启动时，投入了大量颗粒污 泥。运行过程中，用第一反应室所产沼气经 集气罩收集并沿提升管上升作为动力，把第 一反应室的发酵液和污泥提升至反应器顶 部的气液分离器，分离出的沼气从导管排走, 泥水混合液沿回流管返回第一反应室内，从 而实现了下部料液的内循环。如处理低浓度 废水时循环流量可达进水量的2~3倍，处理 高浓度废水时内循环流量可达进水量的 10~20倍.。结果使第一厌氧反应室不仅有很 高的生物量，很长的污泥滞留期，并且有很 大的升流速度，使该反应室的污泥和料液基 本处于完全混合状态，从而大大提高第一反 应室的去除能力，经第一反应室处理的废水, 自动进入第二厌氧反应室。 图10 IC反应器结构示意图 废水中的剩余有机物可被第二反应室内的颗粒污泥进一步降解,使废水得到更好的净化。经过两级处理的废水在混合液沉淀区进行固液分离，清液由出水管排出,沉淀的颗粒污泥可自动返回第二反应室.这样废水完成了全部处理过程。 (四)升流式固体反应器(USR) 沼气集气室升流式固体反应器是一种结构简单，适 挡渣板用于高悬浮固体原料的消化器。它的结构如出水渠右图所示。USR是一种简单而又低值的反应出水器，它能自动形成比HRT较高的SRT和 MRT，未反应生物固体和微生物靠自然沉淀 滞留于反应器内，可进入高SS原料如畜禽粪固体床进水水和酒清废液等，而且不需要出水回流和气/ 排泥固分离器。原料从底部进入消化器内,消化器 内不需要安置三相分离器, 不需要污泥回流, 配水系统也不需要完全混合式消化器那样的搅拌装 置，未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微 图11 USR消化器示意图 生物,靠被动沉降滞留于消化器内,上清液从消化器上部排出,这样就可以得到比HRT高的多的SRT和MRT,从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。 研究表明:利用中温USR,在TS浓度平均为12%海藻的沼气发酵时,其负荷范围从1.6 33克到9.6千克VS/(米天).其甲烷产量为0.38—0.34米/千克VS加入,并且甲烷产率为0.6 33—3.2米/(米.天),这个效果明显比完全混合式要好的多,其效率接近UASB的功能,但UASB必须严格使用可溶性原料。 四、附着膜型消化器 这类消化器的特征是使微生物附着于安放在消化器内的惰性介质上，使消化器在允许原料中的液体和固体穿流而过的情况下，固定微生物于消化器内.应用或研究较多的附着膜 反应器有厌氧滤器(AF)、硫化床(FBR)和膨胀床(EBR)。主要介绍一下厌氧滤器。 图12 附着膜型消化器 生物膜由种类繁多的细菌组成，随着污水的流动,固着的微生物群体也有所变化。在进料部位多为酸化菌，而沿着流动方向的延长，产甲烷菌则更多一些。生物膜中有大量甲烷丝菌，并且网络着一定数量的甲烷八叠球菌，这两类细菌都是食乙酸产甲烷菌，在消化器内它们是甲烷生成的主要菌类。生物膜的过多积累和在填料空隙中污泥的沉积,以及高SS原料的进入都会导致滤器的堵塞，在使用煤渣做填料时堵塞现象尤为严重，使用纤维填料后这种情况有所改善。附着生长的生物膜不易消失，从细菌生成到从膜上脱离可在消化器内滞留150,600天,这样可在消化器内积累大量微生物，从而可利用厌氧过滤器处理COD浓度很低 的污水。 在AF内,填料的主要功能是为厌氧微生物提供附着生长的表面积，一般来说,载体的比表面积越大，滤器可承受的有机负荷越高。除此之外，填料还要有相当的空隙率，空隙率高。在同样的负荷条件下HRT越长，有机物去除率越高,另外，高孔隙率对防止滤器堵塞和产生短流均有好处. 表5 各种常用厌氧处理工艺的优、缺点 工艺类型 优点 缺点 沼气池 系统非常简单，高SS浓度 低负荷，需要较大池容 常规消化器 结构简单 效率较低 完全混合式消适用于高浓度及含有大量悬浮固体需要消化器体积较大;能量消耗较 化器 原料的处理 高; 固体物可能沉淀于底部，影响消化器不需搅拌装置，结构简单，能耗低;的有效体积，使SRT降低;需要固体适用于高SS废物的处理外，尤其适塞流式消化器 和微生物的回流作为接种物;因该消用于牛粪的消化;运转方便，故障少，化器面积/体积比值较大，难以保持稳定性能高。 一致的温度，效率较低;易产生结壳。 适应中等浓度SS，并可采取较高的负其缺点是需要运行经验，需要额外的厌氧接触工艺 荷率运行。 设备来使固体和微生物沉淀与回流。 厌氧滤池 运行简单，适应高或低浓度COD 不适于废水SS含量高，有堵塞危险。 运行简单，适应高或低浓度COD，可解决运转问题需要技巧，不适宜废水UASB工艺 能适应极高负荷。 具有高SS的情况。 具有很高的容积负荷率，沼气提升实 IC 现内循环,不必外加动力节省基建投发酵塔高度太高，不方便施工。 资和占地面积。 USR 简单，造价低，适应高悬浮固体 效率较低、产气率低。 第三讲 中原地区辅热集箱式沼气工程设计施工 一、工艺特点: 本装置的几何形状为长方形隧道式，底部由进料口下方呈‰坡向出料间;发酵池旁为砖混结构，即池墙和隔墙下部4/5部分采用24墙砖，M10水泥砂浆专筑，上部1/5处用C20钢筋混泥土浇注24×30(宽×高)cm的圈梁。这样即可满足发酵池内沼液和沼气压力的需要，又便于顶部钢质集气与池墙上端圈梁内的予埋件的连接，密封更为牢固，操作也更为简易方便。同全混凝土结构池墙相比，不仅节约了 大量钢材，水泥和摸具费用，而且大大加快了建 池进度，缩短了工期。 本装置在发酵池上部的贮气部 分改全砖或混凝土结构为太阳能集 箱式全钢结构。内外多层防锈，防 腐处理后，外涂高性能太阳能吸热 涂层，高效率利用太阳能增加发酵 温度，提高产气率。在早春和冬季， 由于本装置上方建有钢管大棚支架， 上面覆盖塑料温棚、予处理池、计 量池、进出料间都设置在大棚内， 避免了冷空气侵袭，又对太阳能加 热后的料液进行了保温措施，料液发酵温度应保持在20?以上，达到了保温效果，为太阳能加热的沼气池夏季发酵的温度。 改大中型沼气工程输配系统常用的钢质管道为燃气专用PE管或PVC给水管道。不仅能满足沼气压力要求，增加气密性，而且减少了输气阻力，抗腐蚀能力强，大大延长了管道使用寿命，而且投资也大幅降低，施工简便，速度快。 二、主要装置及工艺参数: 1、发酵池 ? 发酵池容积的确定 发酵池容积主要根据每天粪便污水进料量和设计的发酵原料水利滞留期(HRT)来确定。HRT是指一个沼气池内的发酵液按体积计算为全部置换所需要的时间，通常以天为单位，可按本章第二节有关计算公式计算出池容。 33? 为方便施工，大中型沼气池设计为100 m池容为一个独立单元，如需建300 m容积 3的发酵池，可按设计几何尺寸大开挖，中间设置二道隔墙，即二隔三池进行并连。500m沼气池设置四道隔墙，即四隔五池进行并连。 2、出料间: ? 出料间容积的确定:出料间容积按沼气池24小时产气量的一半来设计 沼气池有效容积，产气率出料间容积, 即: 2 ? 出料间可根据出料方式的不同而设置为中层出料和底层出料。出料间与发酵池的连通口大小应以方便施工、维修人员的进出为宜。 ? 出料间上加盖板，以防人畜掉入。 3、预处理池(沉淀池) ? 预处理池容积的确定: 预处理池的容积大小一般要能储存24小时的粪便、污水量。 ? 预处理池与计量池连接处要在距池底30cm处设置钢质格栅，以拦截原料中的各种杂物，如牛粪中的长草、鸡粪中的鸡毛等悬浮物，以免堵塞污泥泵或进入发酵池中形成结壳。格栅下部的30cm容积为沉淀鸡粪,猪粪中的沙砾.要在予处理池上设置高压水管,以搅拌冲淋原料拦截长草杂物和沉淀的泥沙要及时清除，如有条件可设置粪草分离器、固液分离器、搅拌器、切割泵等,将会收到更好效果。 4、计量池(酸化调节池) 计量池容积的确定一般为预处理池的2~4倍设计,应能容纳预处理池24小时污水粪便稀释后体积的总和，对各发酵池定量分配泵输，同时兼有酸化池作用,对原料加速厌氧消化大有好处。 5、太阳能集气钢罩 ? 沼气发酵池内产生的沼气聚集于集气钢罩内，并通过其顶部的导气孔用管道输送至气柜。集气罩内刷防锈漆,环氧树脂防腐密封漆各一道，外部涂以防锈、树脂防腐漆和沥青 保护油漆各一道，太阳能吸收率大于80%，故能很好的利用太阳能给料液增温.达到中温发酵的温度要求。 ? 集气钢罩为3mm钢板，集气罩与池墙螺栓连接，为钢质予埋件焊接,解决了集气钢罩受压变形。密封难的问题,提高了沼气池在运行中的耐久性，可靠性和稳定性。 ? 各钢质集气罩长3m、宽1.5m、矢高0.75m.。 6、钢质贮气柜 ? 钢质贮气柜容积的确定: 可按发酵池总容积日产气量的1/2,1/3设计，气柜的出口压力可根据用气布点的多少和输送距离长短来确定，一般应控制在2500~5000Pa之间。 ? 贮气柜的布置原则 贮气柜应布置在集中用气点附近，其优点是沼气从发酵池装置脱硫后，利用其自身压力送至气柜，不需消耗动力。且因输送途中无用户或很少用户，所以可采用较小管径，节约管道投资费用。由于贮气柜靠近用户，所以管线长度短，各用户灶前压力稳定，使灶具在良好状态下工作，具有较高热较率。 对于供气规模很小的沼气工程，可将气柜布置在气源附近,以利于统一管理。 7、贮气柜水封池 ? 贮气柜水封池为了便于施工，可根据地下水位情况修建成半池上式。由于全钢结构耗资太大，一般修建为钢筋砼结构、池底、池墙均为双排钢筋，其钢筋直径和分布间距根据气柜容积大小和受力情况计算确定。 ? 气柜的进出气管道在穿越水封壁时，一定要在管道上焊制止水环，止水环四周的混凝土一定要捣实。 ? 水封池峻工后必须进行注水试验，48小时不渗漏为合格。使用过程中，应勤检查水封池内水位情况，如损耗则应及时添加。 ? 气柜顶部四周和水封池外沿要设置钢管护栏，并设置爬梯，以保证施工、维修、参观人员的安全。并要在规定的范围内设置防火警示标志。 8、沼气脱硫装置 建议在每个沼气用户购置使用简便小型脱硫器，不仅成本低，而且更新容易，效果也不错。 9、脱水管理 本装置昼夜温差大，沼气中含水量较多，容易使管道堵塞，所以在沼气输配系统中应设置脱水装置。脱水装置应视输送距离长短均布设置.并设置在管道沟最低处,两端管道以3‰坡度坡向脱水器.脱水器下端应安装阀门，当输气管道被水堵塞造成沼气灯忽明忽暗,灶具火焰忽大忽小时,应及时打开脱水器排水阀门放水。 10、塑料大棚 在沼气池上部设置塑料大棚是保证本装置高效率利用的一个重要配套设施。由于季节性、昼夜温差变化大，夏季和有阳光的时段,集气钢罩吸热快，增温效果好。但在冬季和夜间，其散热速度也较快。因此，配套塑料大棚保温是必不可少的措施。 ? 为防止冷空气袭入,进料口、预处理池、计量池、出料间都应设计在温棚内; ? 温棚可不分季节变化、常年进行覆盖; ? 大棚骨架用ф4分钢管焊成双层骨架(上下层间距150mm)。上下层钢管间用ф6钢筋焊成“V”型支撑，骨架间距1M，矢跨比1:5.沼气池四周挡土墙用24砖砌筑，高度同钢集气罩等高。大棚骨架下端安装在挡土墙内，大棚骨架两端应设置活动门,以便人员进出。 11、其他设置 ? 泥浆泵一台，由计量池往发酵池抽进原料，可设置为一泵多点进料。 ? 无堵塞切割型污泥泵一台。由出料间中下部抽取泥肥，输送至蔬菜大棚，苗木果园等用肥处。 ? 如冬季利用气量大,为满足供应，可选用我厂自行研制生产的秸秆、煤两用加热锅炉,给发酵池料液增温加热，以提高沼气池冬季的产气量。 ? 在具有一定规模的园艺场，无公害蔬菜生产基地，可选用我厂生产的固液分离机和成套沼液处理设备(沉淀罐、搅拌罐、过滤罐、分装罐等)处理后的固态肥料制成颗粒复合肥，液态肥料可用于蔬菜、果园喷灌、叶面施肥等。 三、施工技术要点 1、 土方工程 沼气工程在场地平整及清理后，要根据总平面布置图上的设计要求进行定位与放线工作.同时进行高程测定，确定沼气池相关部位的标高。定位工作，一般用经纬仪及钢尺进行。土方基槽开挖要用机械进行，作到快挖快建,以防雨水侵入，造成塌方,影响土壁稳定。 2、 基槽放线 基础放线应根据基础的设计尺寸和埋置深度，土的类别及密实度，地下水位高低,，气候条件不同情况，确定是否需留工作面和放坡，从而定出挖土边线和进行放线工作,确保沼气池各部位几何尺寸的精确。 3、 基础施工 混凝土基础施工前，应检查基底，清楚杂物，弹出基础的轴线及边线，有垫层的要弹出垫层的边线，如基础土质坚硬密度均匀，可直接在基础上，淤泥土等，则可先用河卵石或大粒精经碎石垫铺20cm厚，作为垫层，然后在其上浇筑C20砼20cm厚即可.也可先在基础上浇筑C10砼10cm厚作为垫层然后在其上放置钢筋网,浇筑C20砼20cm厚.砼要用平板振动器进行振捣。 4、 砖墙施工 为节约钢材投资，加快建池进度,本装置的予处理池、计量池、出料间、发酵池墙、隔墙、挡土墙等部位均可涌4墙砖M10水泥沙浆砌筑。要求必须用Mu10以上的机制砖，砖在砌筑前要浇水湿润，保证外湿内干。砌筑时作到横平竖直，竖封错开，灰浆饱满，砖墙与土壁之间要用回填土分层夯实，每层厚度不大于30~40cm,湿度在30%左右，即手捏成团，落地即散为宜。 5、 钢筋混凝土施工 本装置在沼气发酵池四周池墙、隔墙上端1/5处设计有24×30cm钢筋砼圈梁，沼气池贮气柜水封池底、池墙均要求浇筑钢筋砼，砼在施工前应先进行试配，并检测其强度指标，达到要求后方可使用,砼应分层进行浇捣，可用振捣棒进行振捣。每层铺设厚度不大于30cm,要求连续操作，振捣密实，不留施工缝，每两层相隔时间夏季不超过2h，冬季不超过3h。 对钢筋的直径、分布、间距、应符合图纸设计要求，不得随意更改。对钢筋的绑扎，搭接长度，弯钩或弯折，砼保护厚度等均应按照《混凝土结构工程施工与验收(GB50204--92)》的规定严格操作。 气柜水封池壁的混凝土中可兑一定比例的抗渗剂，冬季施工时要掺兑一定比例的抗冻剂，以保证水封池的抗渗性能。 6、 予埋件施工 予埋件必须安装位置精确，保持平整。埋置深度应不超过混凝土截面的3/4.四周用混凝土填捣密实。 7、 沼气池的粉刷 沼气池的粉刷是保证沼气池不漏水，不漏气的关键，因此要人真做好。可采用四道粉刷法:?砖或砼基面清理干净，保持湿润，刷水泥净浆1mm厚。?1:2水泥砂浆粉1cm厚，作 为找平层。?1:1水泥砂浆粉0.5cm厚作为面层。?刮抹纯水泥灰膏0.2cm厚，抹平收光不现沙粒.然后在其上刷水泥净浆或沼气密封胶浆2—3遍即可。 8、 钢质储气柜和钢质集气罩的焊制 应严格按照图纸设计的几何尺寸加工制作，钢板厚度要满足设定沼气压力的需求,焊缝进行内外满焊，气柜应按设计压力计算配重，并安置超限气压排气阀。运行过程中不的有卡轨、脱轨现象。气柜、气罩内外均按要求进行防锈、防腐处理，做到漆膜均匀，不得有漏刷现象。 9、 沼气系统的调试及试压 沼气工程峻工后，应对沼气池的密性、抗渗性及沼气的输配系统，沼液综合利用设备进行检验、调试.经检验合格后方可投料运行，决不允许未经检验不合格就投料，否则将给维修带来很大麻烦。 沼气发酵池、气柜蓄水池应进行注水试验，并记下水位标记,观察48小时,水位不下降、池壁、池底无渗漏为合格.气柜、集气钢罩经充气达6000—10000Pa压力，观察24小时，漏损率小于3%为合格。输气管道用表压为3000Pa的空气检验，10min内压力无下降。 第四讲 大中型沼气工程运行与管理 一、 试压检验 1、发酵罐试漏: 水压法:向发酵罐内注水至溢流高度，稳定观察12小时，当水位无明显变化时，表明发酵罐及进料管系统不漏水，之后方可进行水压试验。关闭罐体通向大气空间的所有阀门，最佳方法是用盲板切断通向大气空间的去路。在罐顶起空间接好测压仪表或U型压力计，对气空间做好全面的密封处理，此后继续向发酵罐内注水。当压力达到最大设计压力时停止加水，好压力值，稳压观察24小时，当压力下降在3%-10%以内时，可确认发酵罐抗渗性能符合要求。 气压法:注水稳压观察后，不再注水，而是注气。压降小于3%，确认符合抗渗性能。 2、单机调试与联动试运行 用清水进行承压检验，原料、水、输配管路、阀门、压力表、流量计、液位计，pH计，加热器，搅拌器，电机，水泵等依各自产品质量检验和设计要求，进行单机调试和联动试运行。以保证安全可靠。 二、启动运行程序 1、选取接种物: 2、接种物的驯化: 确定系统运行温度后，选择同类工程的活性污泥作为接种物。若不能获得，需要驯化。一般沼气发酵罐排出的活性污泥和污水沟底正在发泡的活性污泥，都可作为接种物，接种量约占发酵容积的1/10-1/3。 驯化方法: 菌种与底物按照10:1左右，混合于发酵罐，逐步升温至35或54?，调PH6.8-7.2 。隔周加入新料一次，数量为料液的5-10%，以此继续下去。富集菌种加入发酵罐，对于较小容积的发酵罐，菌种量要占1/3;较大容积发酵罐，菌种量可小于1/3。后封 闭发酵罐。升温35或54度。停止进料若干天。每次进料要在预处理阶段使温度高出系统运行温度3-5度。pH调解到6.5-7。每次进料量控制在发酵罐内料液量的5-10%。每7-8天进料一次，直至料液溢流。此后缩短间隔，增大负荷直至设计要求。 3、投料启动 若发现发酵液挥发酸浓度升高，pH下降;沼气量明显减少，沼气中CO含量升高，CH含24量下降;出水COD浓度升高，悬浮固体沉降性能下降。丁酸、戊酸含量上升等，预示着设备超负荷。应采取以下措施: (1)控制有机负荷，保持或调节发酵液的pH值在6.8以上。首先要停止进料。若pH值已经降至6.5以下，则沼气产量显著下降，可加中和剂调整pH至6.8。这样可以避免不平衡态的进一步发展，而且还可以使消化作用在短时间内恢复平衡。 (2)若上述方法不能缓解失衡，则应考虑进料中是否有毒性物质。 (3)若有有毒物质，可以稀释进料的方法降低有害物质浓度，或添加某种物质使有毒物质中和或沉淀。 (4)如果pH下降或中毒情况严重，应考虑重新启动。 三、日常管理 污泥沉降的上平面应保持在溢流出水口下0.5-1.0米的位置，这样既可以保证水力运行的畅通，又可使悬浮污泥有沉降的空间。一般每隔3-5天排放一次，每次排放量应视污泥在消化器内的累积高度而定。 UASB一般不需要搅拌，USR如无浮渣结壳现象也不需要搅拌，一些常规消化器一般不需要连续搅拌，特别是在出料时应尽量使发酵原料保持自然沉降状态，这样可以延长SRT和MRT因而获得较高的消化率。 因检修或因季节性生产等限制，厌氧消化器可能会有一段时间停运，这种停运对厌氧消化性能的保持并无多大影响。活性可以保持一年或更长的时间。在停运期间，应使消化器内发酵液的温度保持在4-20度。此外，在停运期间，应设法使出料口及导气管等保持封闭，以维持消化器的厌氧状态。 大型沼气工程每隔3-5年有地检修一次，事先应做好存放厌氧活性污泥的池子。大修时应将污水、污泥、浮渣、沉渣和底部泥沙清扫干净，进行防腐、防渗、防漏处理，最后按沼气池试漏规定验收合格后，才能重新装入污泥继续运行。安全事项: 1、 打开消化器所有孔口，用鼓风机连续吹入新鲜空气24小时以上，测定池内空气中的甲 烷、HS、CO、O含量合格后方可进入，也可以用动物试验。 222 2、 检修人员应戴防毒面具。戴好安全帽，系上安全带及安全绳，池外必须有人监护，整个 检修期间不得停止鼓风。 3、 池内所有的照明用具和电动工具必须防爆。如果明火作业，必须符合公安部门的防火要 求，同时要有应急措施。 4、 有条件时，配备有毒有害气体及可燃性气体监测器，以保证人身绝对安全。