工艺技术_沼气发酵的基本原理和工艺培训课件

沼气发酵的基本原理和工艺 全国大中型沼气工程技术培训班周孟津教授首都师范大学生物系2005 10 20 主要内容 1沼气发酵基本原理2沼气发酵工艺装置 1沼气发酵基本原理 1 1沼气发酵细菌 目前公认的沼气发酵过程 主要有五大菌群参与活动 五大菌群 发酵性细菌 一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖 肽 氨基酸和脂酸 再将吸入细胞 发酵为乙酸 丙酸 丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例 反应过程如下 C6H10O5 nH2O n C6H12O6 2C6H12O6 CH3COOH CH3CH2COOH CH3CH2CH2COOH 3CO2 3H2 产氢产乙酸菌 除甲酸 乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用 所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸 氢和二氧化碳反应过程如下 CH3CH2COOH 2H2O CH3COOH CO2 3H2CH3CH2CH2COOH 2H2O 2CH3COOH 2H2 五大菌群 耗氢产乙酸菌 它们既能利用H2 CO2生成乙酸 也能代谢糖类生成乙酸 2CO2 4H2 CH3COOH 2H2OC6H12O6 3CH3COOH 产甲烷菌 食氢 食乙酸 它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物 在没有外源受氢体的情况下 把乙酸和H2 CO2转化成CH4 CO2 产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中 生成CH4的主要反应如下 CH3COOH CH4 CO24H2 CO2 CH4 2H2O4HCOOH CH4 3CO2 2H2O4CH3OH 3CH4 CO2 2H2O 五大菌群 各种发酵性细菌 玉米秸发酵时的发酵性细菌 五大菌群 食氢产甲烷菌 甲烷八叠球菌 甲烷丝菌 产酸与产甲烷的速度平衡 在稳定运行的厌氧消化器内 产酸与分解酸产生甲烷饿速度处于一个相对平衡的状态 它们之间的平衡依赖于产酸菌和产甲烷菌的增长速度 经大量试验公认下列计算细菌增长速度的公式 莫诺公式 上式中u与Ks均为常数 根据测定 在不同底物条件下 各类群细菌u与Ks的值如下表 从表中的一系列数据可以看出 裂解乙酸的产甲烷菌可能出现的最大繁殖速度比葡萄糖酸化菌群要慢得多 这种在繁殖速度上的差距 是构成产酸与产甲烷速度失调的主要原因 控制产酸与产甲烷阶段的速度平衡一般是通过控制S和X来实现 如 消化器启动时 1投入原料底物的浓度不能太高 尤其是葡萄糖类等物质不能太多 2投入大量厌氧活性污泥 是消化器内一开始就有很多产甲烷菌群 消化器运行阶段 1控制消化器负荷 即每单位体积消化器每日投入有机物的量波动不能太大 2设法减少消化器出料是产甲烷菌的流失 以上这些措施也要根原料的不同 不同的厌氧消化工艺等因素相配合使用 1 2沼气发酵的条件沼气发酵就是培养和积累厌氧消化细菌 使细菌具有良好的生活条件 只有首先做到了这一点 才有可能得到较好的沼气生产率或污水净化效率 微生物的生命活动要求多种条件 其中条件主要包括发酵原料 厌氧活性污泥 消化器负荷 发酵温度 PH值 碳氮比 有害物的控制及搅拌等 1 原料类型 1 2 1沼气发酵原料 发酵原料既是产生沼气的底物 又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源 2 有机物沼气产量的测定和计算发酵原料的组分决定了沼气发酵时所产沼气的量和成分碳水化合物的沼气产量计算公式C6H12O6 3CH4 CO2180g 3 22 4L1000g x在标准状态下每摩尔气体的体积均为22 4L则每kg葡萄糖可产CH4及CO2均为x 主要有机物沼气产量与成分 农村常用原料的产气量及产气速度 1 2 2厌氧活性污泥厌氧活性污泥是由厌氧消化菌与悬浮物质和胶体物质结合在一起形成的具有很强分解有机物能力的凝絮体 颗粒体或附着膜 见后面图片展示 由于在厌氧消化过程中H2S的生成 使厌氧活性污泥呈现黑色 发育良好的污泥呈油亮的黑色 在带有搅拌或悬浮固体较多的消化器里 厌氧污泥呈絮状 黑色或灰黑色 在升流式厌氧污泥床 UASB 消化器中 发育良好的污泥呈颗粒状 直径一般在3mm左右 图片 絮状污泥颗粒污泥生物膜 厌氧活性污泥的形态 厌氧活性污泥 在厌氧活性污泥中 细菌以菌胶团形式存在 产酸菌固定于菌胶团内 或分散于菌胶团外 甲烷丝菌或多或少地分布于各种污泥的内外 而甲烷八叠球菌则往往被网络其中 或游离存在 初形成的污泥中 悬浮物质较多 细菌较少 因而产甲烷活性较低 发育良好的污泥中细菌很多 特别是甲烷丝菌普遍分布 悬浮物质较少 并具有良好的结构 因而产甲烷活性也较高 图片 厌氧活性污泥中的细菌 活性污泥及其放大 颗粒污泥形成的五个阶段 生物膜中的产甲烷菌 1 2 3温度 沼气发酵可分为3个温度范围 50 65 称高度温发酵 20 45 称中温发酵 20 以下称低温发酵 此外随自然温度变化而变化的发酵方式称为常温发酵 高温发酵的产气率较高 但就能量角度讲不划算 一般只用于余热可利用的单位或是需要杀害有害生物的废物处理 中温发酵的最适温度为35 左右 40 45 对中温或高温发酵来说均属于效率较低的范围 温度对产气率的影响 1 2 4pH值与碱度pH值沼气发酵是在中性条件下的厌氧发酵 这与乳酸发酵不同 PH值下降沼气发酵就会中止 沼气发酵的最适PH值为6 8 7 4 6 4以下7 6以上都对产气由抑制作用 在沼气池启动时投料浓度过高 接种物中的产甲烷菌数量又不足时 以及在消化器运行阶段突然升高负荷 都会因产酸与产甲烷的速度失调而导致PH下降 这一般是启动失败的主要原因 碱度 是指水中含有的能与强酸相作用的所有物质的含量 可用标准盐酸或硫酸滴定至pH 4 0时测出 它们可与挥发酸发生反应 使pH值不会有太大变动 主要以重碳酸盐 碳酸盐 氢氧化物三种形式存在 1 2 5负荷厌氧消化时的负荷通常是指发酵器的容积有机负荷 kgCOD m3 d 容积负荷是消化器设计和运行的重要参数 它的大小主要是由厌氧活性污泥的数量和活性决定 因此在运行过程中确定容积负荷的根据是污泥的负荷 kgCOD kgVSS 在一定的容积负荷条件下 发酵原料浓度不同 投料体积就不一样 这就构成不同的水力负荷 m3 m3 d 在同样有机负荷的条件下 有机物浓度高则水力负荷低 有机物浓度低则水力负荷高 当有机物浓度基本稳定时 水力负荷则成为工艺控制的主要参数 1 2 6C N比值发酵原料的C N比值 是指原料中有机碳素与氮素含量的比例关系 因为微生物生长对碳氮比有一定要求 一般认为在启动阶段C N不应大于30 1 在处理废水时 COD N P的比值一般为350 5 1 表农村常用原料的C N值 1 2 7搅拌在生物反应器中 生物是依靠微生物的代谢活动而进行 这就要微生物不断接触新的食料 因此 搅拌是有效手段 主要作用 使微生物与原料充分接触 同时打破分层现象 使活动性层扩大到全部发酵液内 防止沉渣沉淀 防止产生或破坏浮渣层 保证池温均一 促进气液分离 1 2 8毒性化合物一般情况下 农业剩余物中不会含有大量有毒物质 但畜禽场消毒 防疫中常会有较多药物或是工厂有机废水中常含有毒物质 这些物质会毒害或抑制沼气发酵过程 例如 有些有机氯毒性很强 如 CH2CL2 CHCL3和CCL4等 浓度在1mg L 左右则有较强的抑制作用 因此以三氯甲烷 CHCL3 为容积粘接的发酵器 常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败 2沼气发酵工艺装置 2 1沼气发酵基本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 都包括了如下的工艺流程 原料 废水 的收集 预处理 消化器 沼气池 出料的后处理 沼气的净化 贮存和输配等 2 1 1原料的收集充足而稳定的原料供应是沼气发酵工艺的基础 不少沼气工程因原料来源的变化被迫停止运转或报废 原料的收集方式义直接影响原料的质量 如一个猪场采用自动化冲洗其TS浓度一般只有1 5 3 5 若采用刮粪板刮出 则原料浓度可达5 6 如手工清运则浓度可达20 左右 因此 在禽畜场或工厂设计时就应当根据当地条件合理安排废物的收集方式及集中地点 以便就近进行沼气发酵处理 2 1 2原料的预处理原料中常混有各种杂物 如牛粪中的杂草 鸡粪中的鸡毛和砂砾等 为了便于用泵输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还要进行升温或降温等 因而要对原料进行预处理 酒精和丙酮丁醇废醪 有条件时可采用固液分离机将固体残渣分出用做饲料 有较好经济效益 2 1 3消化器消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备 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 消化器的工艺类型 根据消化器水力滞留期 HRT 固体滞留期 SRT 和微生物滞留期 MRT 相关性的不同 分为三大类 见下页表 在一定HRT条件下 设法延长SRT和MRT 并使微生物与原料充分混合 是厌氧消化器科技水平提高的主要方向 厌氧消化器的类型 2 2常规型消化器这类消化器的典型特征是发酵料中的液体 固体和微生物靠搅拌作用均匀混合在一起 在出水的同时固体和微生物一起被淘汰 即HRT SRT和MRT完全相等 消化器内由于没有足够的微生物 并且固体物质得不到充分的消化 因而效率较低 此类消化器包括我们通常所说的常规消化器 完全混合式和塞流式消化器等 2 2 1常规消化器 该消化器无搅拌装置原料在消化器内呈自沉淀状态 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的场所只限于活性层内 因而效率较低 2 2 2连续搅拌罐反应器 CSTR CSTR又称完全混合式 它是当前用于污水处理的典型常规消化器 在该反应器里原料的进入和流出处于动态平衡状态 并且发酵液中的液体 固体和微生物处于混合状态 出水有机物浓度与反庆器内料液浓度相等 连续搅拌罐反应器 CSTR 优缺点 优点 1 该反应器可以进入高悬浮固体 SS 含量的原料 2 消化器内底物均匀分布 增加了底物与微生物的接触机会 3 消化器内温度分布均匀 4 进入消化器内的任何一点的抑制物质 会迅速分散保持在最低水平 5 避免了堵塞 沟流和气体逸出不畅现象 6 易于建立数学模型 缺点 1 由于该消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行 所需消化器体积较大 2 要有足够的搅拌 所以能量消化耗较高 3 生产用大型消化器难以做到完全混合 4 出水底物浓度与反应器内底物浓度相等 底物流出该系统时未完全消化 微生物随出料而流失 2 2 3塞流式消化器 PFR 2 2 3塞流式消化器 PFR PFR是一种长方形的非完全混合式消化器 原料从一端进入 呈活塞式推移状态从另一端流出 由于消化器内沼气的产生 呈现垂直的搅拌作用 而纵向搅拌作用甚微 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 由于该体系进料端缺乏接种物 所以要进行固体的回流 为减少微生物的冲出 在消化器内应设置挡板以有利于运行的稳定 塞流式消化器 塞流式消化器 PFR 优缺点 优点 1 不需要搅拌装置 结构简单 能耗低 2 适用于高SS的废水处理 尤其适用于牛粪的消化 用于农场有较好的经济效益 3 运转方便 故障少 稳定性高 缺点 1 固体物可能沉淀于底部 影响反应器的有效体积 使HRT和SRT降低 2 需要固体和微生物的再循环 3 因该消化器面积 体积比值大 难以保持一致的温度 效率较低 4 易产生厚的浮渣结壳 2 3污泥滞留型消化器 该类消化器的特征为通过各种固液分离方式将SRT MRT与HRT加以分离 从而使消化器有较长的SRT和MRT和较短的HRT 提高了产气量并缩小了消化器体积 包括固体回流式CSTR 又称厌氧接触工艺 升流式厌氧污泥床 UASB 膨胀颗粒污泥床 EGSB 内循环厌氧反应器 IC 升流式固体反应器 USR 和折流式反应器等 2 3 1固体回流式CSTR CSTR SR 厌氧接触工艺 该工艺是CSTR的改良 通过沉淀和回流增加了微生物和未反应固体的滞留期 它广泛应用于工业废水的处理 如酒精废液等 该工艺需要额外的设备来使固体和活性微生物沉淀与回流 又称厌氧接触工艺 2 3 2升流式厌氧污泥床 UASB UASB是目前发展最快的消化器 其特征是自下而上流动的污水穿流过膨胀的颗粒状的污泥床 消化器分为三个区 即污泥床 污泥层和气 固分离器 升流式厌氧污泥床 UASB 升流式厌氧污泥床 UASB 的优缺点 优点 1 除气 固分离器外结构简单 没有搅拌装置和填料2 长的STR及MRT使其实现了很高负荷率3 颗粒污泥的形成使微生物天然固定化 增加了工艺的稳定性4 出水SS含量低 5 适用于低SS含量废水的处理缺点 1 需要安装气 固分离器2 需要有效的布水器 使进料能均布于消化器底部3 进水要求低SS含量4 在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物 运行技术要求较高 2 3 3膨胀颗粒污泥床 EGSB 膨胀颗粒污泥床实际上是改进的UASB 该工艺采用高达20 30m的反应器或配以出水回流以获得高的上升流速 使厌氧颗粒污泥在反应器内呈膨胀状态从而保证了进水与颗粒污泥的充分接触 使容积负荷可高达20 30KgCOD m d 在常温下处理生活污水时 水力滞留期 HRT 达1 5 2h COD去除率可高达90 EGSB工艺在低温条件下处理生活污水时 也可以得到比其它工艺更好的效果 近年来他们的研究表明 在温度为8 C的条件下 进水COD浓度为550 1100mg L 反应器上升流速为10m h时 其有机负荷达5 1 6 7kgCOD L d COD去除率达97 2 3 4内循环 IC 厌氧反应器 IC反应器如同把两个UASB反应器叠加在一起 在其内部增设了沼气提升管和回流管 上部增加了气液分离器 该反应器启动时 投加了大量颗粒污泥 运行过程中 用第一反应室所产沼气做动力 从而实现了下部料液的内循环 使处理低浓度废水时循环流量可达进水流量的2 3倍 处理高浓度废水时循环流量可达进水流量的10 20倍 2 3 5升流式固体反应器 USR USR是一种简单而又低值的反应器 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原料如畜禽粪水和酒清废液等 而且不需要出水回流和气 固分离器 2 3 6折流式反应器 BFR 折流式反应器的结构如图所示 在这种消化器里 由于挡板的阻隔使污水上下折流穿过污泥层 2 4附着膜型消化器这类反应器的特征是在