厭氧發(fā)酵工藝

1、厭氧發(fā)酵處理工藝 有機垃圾的厭氧發(fā)酵處理正成為有機垃圾處理的一種新趨勢，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。若技術(shù)應(yīng)用于日處理有機垃圾 800 噸左右的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，每日可以產(chǎn)生100000m3左右生物氣體，其中氫氣含量 20以上，發(fā)電 160000 度；處理后的沼渣不僅可以生產(chǎn)出 100 噸左右的優(yōu)質(zhì)有機肥，而且不對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，相反，處理了大量的廢物，可以大大降低固體廢物對環(huán)境的危害。厭氧發(fā)酵工藝是一種產(chǎn)能又環(huán)保的生物處理工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于廢水的處理，在有機固體垃圾處理方面應(yīng)用。有機垃圾主要包括城市生活垃圾中的有機成份、各類農(nóng)作物的秸稈、禽獸的排泄物以及常見的餐飲垃圾等。統(tǒng)計顯示，我國城市

2、生活垃圾的清運量約 1.5 億噸/年，并以接近 10%的速度迅猛增加；我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源豐富，總產(chǎn)量約為 7 億噸/年，并且以每年 6%的速度增加；禽獸養(yǎng)殖糞便每年產(chǎn)量超過 20 億噸；我國餐飲垃圾總量約合 2000 噸/天，目前，處理這些有機垃圾的方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒、堆肥（好氧發(fā)酵）以及厭氧發(fā)酵方法。衛(wèi)生填埋的優(yōu)點是填埋量大且成本較低，不足是浪費大量的土地資源，對于城市而言，可供填埋的土地越來越少；焚燒的優(yōu)點是短時間內(nèi)減量幅度大（達80%90%），同時可以回收部分能源，但是其初投資和運行成本較高，而且對環(huán)境污染嚴重；堆肥的資源化程度較高，但減量較少且堆肥過程中容易產(chǎn)生惡臭

3、，影響空氣質(zhì)量，在發(fā)達國家受到嚴格限制。厭氧發(fā)酵方法處理有機垃圾是通過厭氧微生物的作用，將有機垃圾降解為甲烷、氫氣和二氧化碳的生化過程，該方法最終產(chǎn)物惡臭味減小，并且產(chǎn)生的甲烷氣體可以作為能源回收，同時達到減少垃圾容積，達到“減量化、資源化、無害化”的目的，具有巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，是未來處理有機垃圾的重要發(fā)展方向之一。厭氧發(fā)酵工藝：厭氧發(fā)酵處理工藝的分類方法諸多，根據(jù)不同的分類方法，厭氧發(fā)酵方法被分成不同的發(fā)酵工藝。根據(jù)發(fā)酵階段所處的反應(yīng)器的不同進行分類，可以分為兩相發(fā)酵工藝和單相發(fā)酵工藝。按照反應(yīng)器的操作條件不同（如固含率、發(fā)酵溫度）等可分為三類：按固含率分濕式、干式工藝；按運行溫度可

4、以分為高溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵和常溫發(fā)酵三類。按進料方式可分為間歇式、連續(xù)式。3根據(jù)反應(yīng)器中進行發(fā)酵階段的不同，厭氧發(fā)酵工藝分為單相厭氧發(fā)酵、兩相厭氧發(fā)酵。單相發(fā)酵工藝中，有機垃圾經(jīng)過前處理后，存放于儲存罐中以給反應(yīng)器供應(yīng)物料，厭氧發(fā)酵的整個過程都在一個反應(yīng)器中發(fā)生。然而，在發(fā)酵過程中，通過對不同微生物菌群特性的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)酸菌的生長快，而且種類多，對環(huán)境條件的變化不十分敏感；相反的是，產(chǎn)甲烷菌生長較慢，對環(huán)境條件敏感。在上個世紀 70 年代，美國學(xué)者 Ghosh和 Pohland 提出了兩相發(fā)酵工藝，它的本質(zhì)在于相分離，兩相厭氧工藝中發(fā)酵的不同階段是在獨立的兩個串聯(lián)反應(yīng)器中進行，使得二者的分工更加

5、明確。產(chǎn)酸相主要是改變基質(zhì)的可降解性，為產(chǎn)甲烷提供適宜的基質(zhì)，產(chǎn)甲烷相主要用來產(chǎn)生甲烷氣體。傳統(tǒng)的單相消化器往往由于沖擊負荷或環(huán)境條件的變化，使得氫分壓增加，從而引起丙酸積累而相分離后，產(chǎn)酸相有效去除了大量氫，從而提高了整個兩相厭氧生物處理系統(tǒng)的處理效率和運行穩(wěn)定性。對兩相發(fā)酵工藝而言，涉及到如何實現(xiàn)兩相的分離。目前，實現(xiàn)相分離的途徑可以歸納為化學(xué)法、物理法和動力學(xué)控制法目前最簡便、最有效，也是應(yīng)用最普遍的方法是動力學(xué)控制法該方法是利用產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個反應(yīng)器的有機負荷率，水力停留時間等參數(shù)，從而實現(xiàn)相的有效分離，但必須說明的是，兩相的徹底分離是很難實現(xiàn)的，只是在產(chǎn)酸

6、相，產(chǎn)酸菌成為優(yōu)勢菌種，而在產(chǎn)甲烷相，產(chǎn)甲烷菌成為優(yōu)勢菌種。相對于兩相反應(yīng)而言，單相工藝投資少，操作簡單方便，因而在當前約 70%的發(fā)酵工藝采用的是單相發(fā)酵工藝。但是，兩相發(fā)酵工藝處理城市生活垃圾有很多的優(yōu)點，比如，可以單獨控制兩個不同反應(yīng)器的條件以使產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在各自最適宜的環(huán)境條件下生長，也可以單獨控制它們的有機負荷率（OLR）、水力停留時間（HRT）等參數(shù)，微生物數(shù)量和活性有了很大程度提高，從而縮減了 HRT，提高了系統(tǒng)的處理效率。兩相厭氧目前的研究多集中在如何將高效厭氧反應(yīng)器和兩相厭氧工藝有機的結(jié)合，兩相厭氧消化工藝的反應(yīng)器可以采用任何一種厭氧生物反應(yīng)器，如厭氧接觸反應(yīng)器，厭氧生物

7、濾器，UASB, EGSB, UBI，ABR 或其它厭氧生物反應(yīng)器產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相所采用的反應(yīng)器形式可以相同，也可以不相同。楊玉楠認為，傳統(tǒng)兩相工藝雖然比單相工藝技術(shù)復(fù)雜，但是卻不一定在提高反應(yīng)速率和甲烷產(chǎn)率上取得預(yù)期效果。典型的單相工藝和兩相工藝見圖 1-1 和圖 1-2 所示。濕式厭氧工藝的固含率在 10%15%，而干式厭氧工藝的固含率在 20%和 40%。濕式中一級發(fā)酵系統(tǒng)與廢水處理中應(yīng)用了幾十年的污泥厭氧穩(wěn)定化處理技術(shù)相似，但是在實際設(shè)計中有很多問題需要考慮，特別是對于城市生活垃圾，分選去除粗糙的硬垃圾、將垃圾調(diào)成充分連續(xù)的漿狀的預(yù)處理過程。為達到既去除雜質(zhì)，又保證有機垃圾正常處理，需

8、要采用過濾、粉碎、篩分等復(fù)雜的處理。這些預(yù)處理過程會濘致 15%25%的揮發(fā)性固體的損失。漿狀垃圾不能保持均勻的連續(xù)性，因為在消化過程中重物質(zhì)沉降，輕物質(zhì)形成浮渣層，濘致在反應(yīng)器中形成了二種明顯的不同密度的物質(zhì)層。重物質(zhì)在反應(yīng)器底部聚集可能破壞攪拌器，因此必須通過特殊設(shè)計的水力旋流分離器或者粉碎機去除。干式發(fā)酵系統(tǒng)的難點在于：其一，生物反應(yīng)在高固含率條件下進行；其二，輸送、攪拌；其三，反應(yīng)啟動條件苛刻，在運行中存在著很高的不穩(wěn)定性。但是在法國、德國己經(jīng)證明對于機械分選的城市生活有機垃圾的發(fā)酵采用干式系統(tǒng)是可靠的。在 Drancco工藝中，消化的垃圾從反應(yīng)器底部回流至頂部。垃圾固含率為 20%5

9、0%時與 Kompogas工藝的工作方式相似，只是采用水平式圓柱形反應(yīng)器，內(nèi)部通過緩慢轉(zhuǎn)動的槳板使垃圾均勻，處理系統(tǒng)需要將垃圾固含率調(diào)至大約 23%。而 Valorga 工藝有顯著不同，因為在圓柱形反應(yīng)器中水平塞式流是循環(huán)的，垃圾攪拌是通過底部高壓生物氣的射流而實現(xiàn)的。Valorga 工藝優(yōu)點是不需要用消化后的垃圾來稀釋新鮮垃圾，缺點是氣體噴嘴容易堵塞，維護比較困難。Valorga 工藝產(chǎn)生的水回流使反應(yīng)器內(nèi)保持 30%的固含率，但干式發(fā)酵不能單獨處理濕垃圾，因為在固含率 20%以下時重物質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生沉降。厭氧消化的溫度與有機物的厭氧分解過程有密切的關(guān)系，不同的溫度范圍內(nèi)存在不同類型的微生

10、物，研究者根據(jù)產(chǎn)甲烷菌在不同溫度下的最佳活性將厭氧發(fā)酵分為 3 個溫度范圍：5055稱為高溫發(fā)酵；3035稱為中溫發(fā)酵；<20稱為低溫發(fā)酵。而一般農(nóng)村沼氣發(fā)酵罐隨著自然環(huán)境的溫度變化而變化，稱為常溫發(fā)酵。溫度主要是通過對厭氧微生物細胞內(nèi)某些酶的活性的影響而影響微生物的生長速率和微生物對基質(zhì)的代謝速率，這樣會影響到厭氧生物處理土藝中污泥的產(chǎn)量，有機物的去除速率，反應(yīng)器所能達至的處理負荷。溫度還會影響有機物在生化反應(yīng)中的流向和某些中間產(chǎn)物的形成以及各種物質(zhì)在水中的溶解度，會影響到沼氣的產(chǎn)量和成分等。眾多的研究者對中溫厭氧生物處理工藝已經(jīng)進行了大量的研究和應(yīng)用，但馴化良好的高溫厭氧細菌的代謝速

11、率可以比中溫( 35)厭氧細菌提高 50% 100%。高溫發(fā)酵具有更高的產(chǎn)氣速率，能夠大大縮短發(fā)酵周期，但相比于中溫發(fā)酵，具有設(shè)備復(fù)雜、運行費用高的不足，目前發(fā)酵工藝中多采用中溫發(fā)酵工藝。利用自制的小型破碎篩分設(shè)備進行了城市生活垃圾的破碎篩分實驗，得到可生物降解部分的破碎篩分率約為 64.04%。測定并比較了人工分選和機械分選垃圾的物理組成和有機質(zhì)成分，得到人工分選和機械分選垃圾的可生物降解分率(基于木質(zhì)素不可降解)分別為 72%和 64%；理論產(chǎn)氣量為 0.795 L/gTS 和 0.733L/gTS。人工分選和機械分后的有機選垃圾中溫(35)生物化學(xué)甲烷勢(BMP)分別為 199.1mLC

12、H4/gVS 和 162.4mL CH4/gV5；高溫(55)BMP 分別為 232.4 和 180.6 mL CH4/gVS 。間歇式厭氧消化工藝是將垃圾批量投入到反應(yīng)器中接種后密閉直至完全降解之后，消化罐出料，并進行下一批進料，一般進料固體濃度在 15%40%之間。連續(xù)式是物料連續(xù)的叢反應(yīng)器內(nèi)流入和流出。研究表明，對于處理高木質(zhì)素和纖維素的物料，若在動力學(xué)速率低、存在水解限制時，批式反應(yīng)器比全混式連續(xù)反應(yīng)器(Continuous Flow StirredTank Reactor, CSTR處理效率高得多。批式反應(yīng)水解程度更高，甲烷產(chǎn)量更大。間歇式處理系統(tǒng)技術(shù)簡單，投資連續(xù)式進料系統(tǒng)減少約

13、40%。雖然間歇式處理系統(tǒng)地占地面積比連續(xù)進料干式處理系統(tǒng)大得多，但由于它的設(shè)計簡單、容易控制、對粗大得雜質(zhì)適應(yīng)能力強，投資也少，適合于在發(fā)展中國家推廣應(yīng)用。厭氧發(fā)酵是在厭氧的條件下，通過厭氧微生物的作用將有機物分解并產(chǎn)生氣體的過程。厭氧過程是一個極其復(fù)雜的生物化學(xué)過程，過程涉及眾多微生物及生物化學(xué)反應(yīng)。為便于研究，理論上將整個發(fā)酵過程簡化為三階段或兩階段來研究。厭氧發(fā)酵過程的兩階段理論將發(fā)酵過程分為酸性發(fā)酵階段和堿性發(fā)酵階段。在酸性發(fā)酵階段，復(fù)雜的有機物（如糖類、脂肪和蛋白質(zhì)）在產(chǎn)酸菌（厭氧和兼性厭氧菌）的作用下被分解為低分子的中間產(chǎn)物，主要是一些低分子有機酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）和醇類（

14、如乙醇），并有氫、二氧化碳、氨氮、硫化氫等氣體產(chǎn)生。由于該階段有大量的脂肪酸產(chǎn)生，使得發(fā)酵液 ph 降低，所以此階段被稱為酸性發(fā)酵階段，又稱為產(chǎn)酸階段。而在堿性發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷菌（專性厭氧菌）將第一階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物繼續(xù)分解為甲烷和二氧化碳等。由于計算在第二階段不斷被轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳，同時由于氨根離子的存在，發(fā)酵液的 ph 將升高，因此，該階段被稱為堿性發(fā)酵階段，又被稱為產(chǎn)甲烷階段。 兩階段理論示意圖6(2) 酸化階段一階段水解的產(chǎn)物被微生物吸收到菌體內(nèi),并在胞內(nèi)酶的催化作用下,將它們轉(zhuǎn)化為低分子化合物,其中主要是氫和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）,如乙酸、丙酸、丁酸及乳酸等,還有乙醇、甲醇等,其中

15、乙酸數(shù)量最大,約占 80%。第一階段眾多的代謝產(chǎn)物中只有無機的CO2、H2、甲酸、甲胺、甲醇和乙酸可直接被甲烷細菌吸收利用。其他眾多的代謝產(chǎn)物(主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有機酸和乙醇、丙酮等有機物質(zhì))不能為產(chǎn)甲烷的細菌利用。它們必須經(jīng)過第二階段的產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌進一步轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后才能進行下一步的產(chǎn)甲烷的階段。CH3COCOO+4HCH3CH2COO+H2OCH3COCOO+CH3COO+2HCH3CH2COOHC03CH3COCOO+2H+2H2OCH3CH2OH+ HC03CH3CH2OH+ H2O CH3COOH+2H2CH3COCOOH+ 2 H2OCH3COOH + 3H2+CO2(

16、3) 產(chǎn)甲烷階段由于產(chǎn)甲烷的基質(zhì)已很豐富,以及產(chǎn)氨細菌的活動而使氨態(tài)氮濃度增高,使發(fā)酵液中的氧化還原電勢(Eh)降低,為產(chǎn)甲烷細菌提供了適宜的環(huán)境條件,促使產(chǎn)甲烷細菌迅速生長繁殖,將乙酸、甲酸、甲醇、氫氣及二氧化碳等轉(zhuǎn)化為甲烷。該階段發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)： CH3COOHCH4CO2裝置的設(shè)計：設(shè)計的基本要求和規(guī)范有機垃圾厭氧發(fā)酵實驗裝置基本要求有以下幾個方面：(1) 罐內(nèi)有效容積大于立方米，能承受 6 個大氣壓壓力。(2) 為了保證物料混合均勻及滿足不同攪拌速率的要求，需配置攪拌裝置和變頻器。(3) 可以實現(xiàn)溫度和 pH 值的在線檢測和控制。(4) 能保持高度的厭氧狀態(tài)，進料出料過程中也能滿足

17、厭氧條件。實驗裝置(1) 罐體發(fā)酵罐根據(jù) GB150-98鋼制壓力容器規(guī)范、標準進行設(shè)計制造。發(fā)酵罐體詳圖見附錄。發(fā)酵罐內(nèi)膽采用 SUS304 材質(zhì)不銹鋼材料，夾套采用普通碳鋼制作；攪拌器的密封采用機械密封裝置；全容積 1.5 立方米，有效容積 1 立方米；工作壓力不大于 1.5個大氣壓。(2) 攪拌裝置本實驗裝置采用機械式攪拌，電機（功率 4kW）安裝在罐頂部，下面安裝有減速機，底座用于固定電機和減速機。攪拌軸距離內(nèi)膽底部為 250mm。為使得轉(zhuǎn)速可調(diào)，攪拌裝置還裝有變頻器，攪拌轉(zhuǎn)速為 1080 轉(zhuǎn)。攪拌器分為上下兩層，上層攪拌器采用“三葉后掠”式，它可產(chǎn)生徑向流，轉(zhuǎn)速和流體的黏度均適用于它

18、的運行條件；下層采用“INTER-MIG”式，在擋板的配合下可以得到上下的循環(huán)流，混合效果好，適用于層流和湍流區(qū)操作(3) 加熱和保溫系統(tǒng)本實驗裝置的加熱和保溫系統(tǒng)包括兩根電加熱管（每根功率為 2.5 千瓦）、恒溫水箱、循環(huán)水泵、電磁閥、夾套、補水及循環(huán)水路等。水箱溫度和罐內(nèi)溫度通過數(shù)據(jù)采集儀采集熱電偶（T 型熱電偶）傳遞過來的溫度數(shù)值發(fā)送到上位機后，再由上位機通過串口通訊發(fā)送至單片機，從而形成一個閉環(huán)回饋系統(tǒng)。通過設(shè)定水箱和罐內(nèi)溫度上下限來控制溫度的波動范圍。加熱段采用兩根加熱，保溫時，熱量散失不多，可采用一根保溫表 3-1 攪拌器直徑與反應(yīng)器直徑經(jīng)驗參數(shù)對不同類型反應(yīng)器，最低離底安裝高度為： h = 0.10 0.25D。攪拌器直徑為： d = 360mm。(4) 在線溫度 T 和 pH 測量與控制溫度 T 的測量通過數(shù)據(jù)采集儀通過設(shè)定采集頻率（一般為 150 赫茲）實現(xiàn)在線測量，數(shù)據(jù)以 Excel 格式保存到文件中以便進行數(shù)據(jù)分析。通