厌氧发酵工艺

以农业废弃物和农产品加工废水及废渣等各种有机物为原料，在厌氧条件下利用微生物的话动，生产沼气并使有机物得到处理的过程称为沼气发酵工艺。由于发酵原料和发酵条件的不同，所采用的发酵工艺也多种多样，目前应用或研究较多的工艺类型有塞流式反应器、完全混合厌氧消化工艺、上流式厌氧污泥床反应器、升流式固体反应器等。1．塞流式反应器(PlugFlowReactor，简称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，它是一种结构简单、应用广泛的工艺类型。该反应器没有搅拌装置，原料在反应器内呈自然沉淀状态，一般分为四层，从上到下依次为浮渣层、上清掖、活性层和沉渣层，其中厌氧微生物活动较为旺盛的场所只局限于活性层内，因而效率较低，多于常温条件下运转。我国农村应用最多的水压式沼气池和印度的哥巴式沼气池均属PFR。近年来经过研究和改进，一些新的农村家用沼气池得到应用，如曲流布料池，集气罩式池、塞流式池，北京-Ⅰ型池等。这些沼气池的性能有所提高，产气率都达到0.5m3/(m3·d)以上。2．完全混合厌氧消化工艺（continualstirTankReactor，简称CSTR）完全混合厌氧消化工艺即工艺是世界上使用最多、适用范围最广的一种反应器。CSTR反应器内设有搅拌装置，使发酵原料与微生物处于完全混合状态，使活性区遍布整个反应器，其效率比常规反应器有明显提高。该反应器常采用恒温连续投料或半连续投料运转。CSTR反应器应用于含有大量悬浮固体的有机废物和废水，如酒精费醪、禽畜粪便等。在CSTR反应器内，进入的原料由于搅拌作用很快与反应器内发酵液混合，其排出的料液又与发酵液的浓度相等，并且在出料时发酵微生物也一起排出，所以出料浓度一般较高，停留时间要求较长，一般需15天或更长一些时间。CSTR反应器一般负荷，中温为3-4kgCOD／(m3·d)，高温为5-6kgCOD／(m3·d)。为了提高反应器效率，在应用过程常加以改进，通过延长固体停留时间（SRT）来提高产气率。该工艺的优点是处理量大，产沼气多，易启动，便于管理，投资费用低，但是水力停留时间（HRT）和SRT要求较长。3．上流式厌氧污泥床反应器：上流式厌氧污泥床反应器，UpflowAnaerobicSludgeBedReactor，简称UASB反应器。该工艺装置的特点为在反应器上部安装有气、液、固三相分离器，反应器内所产生的气体在分离器下被收集起来，污泥和污水升流进入沉淀区，由于该区不再有气体上升的搅拌作用，悬浮于污水中的污泥则发生絮凝和沉降，它们沿着分离器斜壁滑回反应器内，使反应器内积累起大量活性污泥。在反应器的底部是浓度很高并具有良好沉降性能的絮状或颗粒状活性污泥，形成污泥床。有机污水从反应器底部进入污泥床并与活性污泥混合，污泥中的微生物分解有机物生成沼气，沼气以小气泡形式不断放出，在上升过程中运渐合并成大气泡。由于气泡上升的搅动作用，使反应器上部的污泥呈悬浮状态，形成污泥悬浮层。有机污水自下而上经三相分离器后从上部溢流排出。该工艺的优点为：（1）除三相分离器外，消化器结构简单，没有搅拌装置及供微生物附着的填料；（2）长的SRT使其达到了很高的负荷率；（3）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；（4）出水的悬浮固体含量低。缺点：（1）需要安装三相分离器；（2）进水中只能含有低浓度的悬浮固体；（3）需要有效的布水器使其进料能均匀分布于消化器的底部；（4）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。4．升流式固体反应器（UpflowSolidsReactor，简称USR）升流式固体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HRT高得多的SRT和微生物滞留期(MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。消化器内不设三相分离器，不需要污泥回流。该工艺适于处理SS含量较高的禽畜粪污和有机废弃物，这是其它工艺无法比拟的，现在欧洲等地沼气工程中已有大量使用。