二低固体沼气工程工艺-畜禽养殖污染防治新技术

低固体厌氧发酵技术发酵物料固体浓度为4%～12%，是目前养殖场常用的工艺技术。该工艺是将养殖场粪便废水调配，使固体浓度达到厌氧发酵所需要浓度，再进行发酵产生沼气。但粪水调配将导致物料稀释，从而产生的发酵剩余物必须脱水，对于脱水所产生的沼液的处理则是选择此工艺应加以考虑的重要问题。

低固体厌氧消化工艺包括三个基本的步骤。第一步为准备工作。对于混合固体废物，典型的第一步包括接收、分选和减小粒径等工序。第二步包括增加水分和养分、混合、调节pH等过程。第三步为在浓度完全混合的连续流反应器内完成并进行厌氧消化。

对于大多数低固体消化系统，所需要的水分和养分可以废水污泥或粪肥的形式加入。有时也需额外加入养分，这取决于污泥和粪肥的化学特性。在实际运行中，起泡和表面硬壳的形成对固体废物的消化造成很多问题，因此，在设计和运行这类系统时，应考虑物料要充分混合。常用的低固体沼气工程工艺类型主要如下所示：

1.完全混合式厌氧反应器（CSTR）

完全混合式厌氧反应器技术是类似常规活性污泥消化概念的厌氧处理技术。在一个密闭罐体内完成料液的发酵、沼气产生的过程。消化器内安装有搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态。投料方式采用恒温连续投料或半连续投料方式运行。新进入的原料由于搅拌作用很快与反应器内的全部发酵液菌种混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。CSTR工艺流程是先对各类畜禽粪便及其他有机物进行粉碎处理，调整进料总固体（TS）浓度为8%～12%，进入CSTR反应器，CSTR反应器采用上进料下出料方式，并带有机械搅拌，池容产气率视原料和温度不同为0.8%～2.0%。沼渣、沼液TS浓度含量高，一般不经固液分离即可直接用于农田施肥，是典型的能源生态型沼气工程工艺。其构造特征如图4-3所示。

图4-3 完全混合式厌氧反应器示意图

（1）优点CSTR工艺可以处理高悬浮固体含量的原料。消化器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加了物料和微生物接触的机会。利用产生沼气发电余热对反应器外部的保温加热系统进行保温，大大提高了产气率和投资利用率，同时使得反应器一年四季均可正常工作。该工艺占地面积小、成本低，是目前世界上最先进的厌氧反应器之一。

（2）使用领域应用于牛、猪、鸡等养殖场中畜禽粪便的处理和沼气生产、发电工程等。

2.塞流式反应器（PFR）

塞流式反应器也称推流式反应器，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，从另一端排出。由于消化器内产生的沼气，呈现垂直的搅拌作用，而横向搅拌作用甚微，原料在消化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。为了减少微生物的冲出，在消化器内应设置挡板，有利于运行的稳定。其构造特征如图4-4所示。

图4-4 塞流式反应器示意图

（1）优点需要搅拌，池形结构简单，能耗低；适用于高含量悬浮物的废水的处理，尤其适用于牛粪的厌氧消化，用于农场有较好的经济效益；运行方便，故障少，稳定性高。

（2）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/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。

3.升流式固体床反应器（USR）

升流式固体床反应器是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力停留时间高得多的固体停留时间和微生物停留时间，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率，适用于固体浓度为5%～8%的畜禽粪污。该工艺特点为高浓度厌氧微生物固体床，设置布水系统且不设三相分离器，出水渠前设置挡渣板，产气效率高，浓度较高时可有局部强化搅拌装置。升流式固体床反应器主要适用于我国中部和南部地区养猪场粪污处理和集中供气沼气工程，北方地区冬季需要进行加热。其构造特征如图4-5所示。

图4-5 升流式固体床反应器示意图

（1）优点在力的作用下，密度较大的固体物与微生物靠自然沉降作用积累在反应器下部，使反应器内始终保持较高的固体量和生物量，即有较长的SRT和MRT（微生物停留时间），这是USR在较高负荷条件下能稳定运行的根本原因。由于SRT较长，出水带出的污泥不需要回流，固体物得到了较为彻底的消化，悬浮物去除率在60%～70%。

（2）缺点固形物总固体浓度在5%～6%，再提高易出现布水管堵塞等问题（单管布水易短流）；对含纤维素较高的料液（如牛粪），应在发酵罐液面增加破浮渣设施，以防表面结壳。

4.上流式厌氧污泥床（UASB）

UASB消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。该工艺将污泥的沉降与回流置于一个装置内，降低了造价。UASB在反应器中设有气、液、固三相分离器，反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。反应器集生物反应与沉淀于一体，设进水配水系统、反应区、三相分离器、气室、处理水排出系统。该工艺要求进水浓度不高，多用于工业废水和生活污水的厌氧消化处理，经过固液分离后的畜禽粪便污水也可以采用UASB进行厌氧消化处理。UASB工艺是一种以环保治理为主，生产能源为辅的能源环保型沼气工程工艺。其构造特征如图4-6所示。

图4-6 上流式厌氧污泥床工艺(www.xing528.com)

（1）优点设备简单，运行方便，无须设沉淀池和污泥回流装置，不需要充填填料，不存在堵塞问题，也不需要在反应区设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理；容积负荷率高，在中温发酵条件下一般可达10kgCOD/（m³·天）左右，甚至能够高达15～40kgCOD/（m³·天），废水在反应器内水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小；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。

（2）缺点安装三相分离器；进水中只能含有低浓度的悬浮固体；需要有效的布水器使其进料均匀分布于消化器底部；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，要求较高的管理水平。

5.两相厌氧消化工艺

两相厌氧消化工艺是将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器内，并为它们提供最佳的生长和代谢条件，使它们能够发挥各自最大的活性，该工艺较单相厌氧消化工艺的处理能力和效率大大提高。反应器分工明确，产酸反应器对污水进行预处理，不仅为产甲烷反应器提供了更适宜的基质，还能够解除或降低水中的有毒物质，如硫酸根、重金属离子的毒性，改变难降解有机物的结构，减少对产甲烷菌的毒害作用和影响，增强系统运行的稳定性。产酸相的有机负荷率高，缓冲能力较强，因而冲击负荷造成的酸积累不会对产酸相有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相造成危害，提高了系统的抗冲击能力。产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速率高于产甲烷菌降解酸的速率，产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体积。两相厌氧消化工艺适于处理高浓度有机污水、悬浮物浓度很高的污水、含有毒物质及难降解物质的工业废水和污泥。从国内外的两相厌氧系统研究所采用的工艺形式看主要有两种：第一种是两相均采用同一类型的反应器，如UASB反应器、UBF反应器、ASBR反应器，其中UASB反应器较常用；第二种是称作Anodek的工艺，其特点是产酸相为接触式反应器（即完全式反应器后设沉淀池，同时进行污泥回流），产甲烷相则采用其他类型的反应器。

两相厌氧消化工艺优点：有机负荷比单相工艺明显提高；产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；当废水中含有硫酸根等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。

6.内循环厌氧反应器（IC）

内循环厌氧反应器可以看作是由两个UASB反应器叠加串联构成的，高径比一般为4～8，高度可达16～25m，由五部分组成：混合区、第一反应区、第二反应区、内循环系统和出水区（见图4-7）。其中内循环系统是IC反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和污泥回流管组成。

第一反应区为颗粒污泥膨胀床区，第二反应区为精处理区。废水首先进入反应器底部的混合区，并与来自污泥回流管的回流污泥充分混合后进入第一反应区进行CODcr的生物降解。产生的沼气由一级三相分离器收集后，并夹带泥和水沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器，沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。污泥则借助重力作用沿着污泥回流管回到反应器底部的混合区，并与进入反应器的废水充分混合后进入第一反应区，形成所谓的内循环系统。其余污水通过一级三相分离器后，进入第二反应区进行剩余CODcr降解并产生少量沼气，从而提高和保证出水水质。产生的沼气由二级三相分离器收集后导出处理系统。上清液经出水区排出，颗粒污泥则沿着一级三相分离器的回流缝滑回反应器内重新参加反应。

图4-7 内循环厌氧反应器示意图

（1）优点容积负荷率高，在处理相同的废水时，内循环厌氧反应器的容积负荷是普通UASB的4倍左右，故其所需的反应体积仅为UASB的1/4～1/3。液体上升流速大，水力停留时间短。基建投资省，占地面积更小。反应器内生物量大，内循环液与进水混合均匀，系统抗冲击负荷能力强，运行稳定。适用范围广，可处理低、中、高浓度废水及含有毒物质的废水。

（2）缺点内循环厌氧反应器由于采用内循环技术，反应器结构较复杂，内部管路系统过多，占用了反应器的有效空间，影响了反应效率，增大了反应器的总容积。另外，沼气提升管及污泥回流管的设计过于复杂，难以精确控制循环量。最后，从污泥回流管和回流缝回流的污泥和上升的泥水混合物发生碰撞，影响了污泥的回流和混合物的上升。

（3）三相分离器的结构缺陷由于IC采用的泥、水、气分离是UASB技术，即在反应器内部采用三相分离器来进行固、液、气的分离，在实际工程应用中带来的问题有：造价较高，施工困难，日常维护复杂；在三相分离器处，回流的污泥和上升的水流发生碰撞，严重影响了出水水质、污泥的回流和气、液、固的分离。

（4）高径比问题IC实际上是由两个UASB上下叠加串联构成，高径比一般为4～8，甚至有些IC的顶部还需要设置避雷设施。由于反应器主体较高，因此会使水泵运行费用增加，而且地基处理费用高，单位反应器体积造价也高。

7.升流式厌氧复合床（UBF）

升流式厌氧复合床是由上流式厌氧污泥床（UASB）和厌氧滤器（AF）复合而成，反应器下面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（见图4-8）。UBF是借鉴流态化技术的生物处理反应器，它以砂和设备内的软性填料为流化载体，以污水作为流水介质，厌氧微生物以生物膜形式结在砂和软性填料表面，在循环泵或污水处理过程中产生的甲烷气的作用下使污水成流动状态。污水以升流式通过床体时，与床中附有厌氧生物膜的载体不断接触反应，达到分解、吸附污水中有机物的目的。UBF为复合型厌氧反应器，中部为生物挂膜污泥床区，下部为布水流化区，厌氧处理中率先采用以砂和设备内部软性填料为载体。设备上部分为固、液、气分离区，下部分为循环流化反应区，利用循环泵使污水和有生物膜的两种载体在中部、下部流化反应区中进行循环，达到流化的目的。

图4-8 升流式厌氧复合床示意图

（1）适用条件本工艺效能高、占地少，适用于较高浓度的有机污水处理工程。

（2）性能特点处理效率高，处理量大，能耗低，运行费用低，能自动连续运行；处理时产生的大量甲烷可作为燃料，能回收大量能源；占地面积小，适应性强，选型方便，工期短。

8.中温半混合气搅拌厌氧反应器（SMSTR）

中温半混合气搅拌厌氧技术是目前欧盟所采用的最先进的厌氧发酵工艺。发酵温度常年保持在35～40℃，发酵原料从底部进入并从罐体上部排出，通过产生的甲烷气体进行搅拌，将原料与反应层充分混合，使厌氧微生物与原料充分接触，在消化滞留期很短的情况下能够使原料完全发酵降解。反应器内设进排料装置、气搅拌装置、自动增温补温系统、生物膜。北京某公司在引进技术的基础上结合我国实际情况，自主研发了一系列增温补温技术和相关配套设备，已在我国获得应用。

（1）适用条件此工艺适用于较高浓度的有机污水处理工程，以及高寒地带畜禽粪污处理。

（2）工艺特色①设备罐体：施工简便，周期短，占地面积小，罐体省材省料，安装便捷，可随意拆卸、扩增、回收再利用，耐腐蚀，使用寿命可达30年以上。②发酵：能耗少，投资少，沼气发酵能总体维持一个较高水平，产气速度比较快，料液基本不结壳，可保证常年稳定运行。这种工艺因料液温度稳定，产气量也比较均衡，耗能低，发酵残余物的肥效高，铵态氮损失小。③搅拌方式：采用先进气搅拌方式，这种搅拌方式剪切力较小，搅拌时间短，能够保证物料性质，并且有利于微生物与进料基质的充分接触，混合充分，并能从根本上防止结壳的生成，能耗较低，使厌氧发酵完成得更彻底。④增温、补温方式：采用的是最新的再生能源互补系统的增温保温技术，该技术具有产气稳定、原材料可再生、生产成本低廉等特点，取代了传统的使用常规能源给沼气增温补温的方式，更能体现再生清洁互补能源的特点。其中研发的沼气汽化炉，它根据沼气固有的物理、化学特性可以使沼气充分燃烧，达到沼气的最大热值。⑤容积负荷率高，在中温发酵条件下一般可达1.2～1.5m³/（m³·天），高浓度废水在反应器内水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。