新型沼氣消化裝置與常規消化裝置對比分析研究

唐浩 張心才

摘 要：針對高固體含量有機廢水厭氧消化處理難等問題，研制出一種新型的附著膜型厭氧消化裝置，即單池多床型厭氧消化裝置。運行試驗表明，單池多床型厭氧消化裝置與常用的升流式厭氧固體反應器（USR）相比，發酵原料和微生物的分布更加均勻、融合，運行過程中料液能實現自動攪拌，不易出現原料短路、堵塞現象，微生物滯留期（MRT）長而穩定、抗沖擊，而且適宜的發酵濃度、原料利用率、池容利用率、沼氣產氣率等都得到了進一步提高，同時降低了建設成本，綜合效益顯著。

關鍵詞：高固體;有機廢水;厭氧消化;單池多床

中圖分類號 R124.2文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）05-0143-03

Abstract： Aiming at the difficulty of anaerobic digestion and treatment of organic wastewater with high solid content， a new type of attached membrane anaerobic digestion device， single pool multi-bed anaerobic digestion device， was developed in this paper. Operation test shows that the single-pool multi-bed anaerobic digestion unit is more uniform and integrated than the commonly used up-flow anaerobic solid reactor （USR）. During operation， the feed liquid can be stirred automatically， and it is not easy to produce short circuit and blockage of raw materials. The microbial retention period （MRT） is not only long， stable and impact resistant， but also the suitable fermentation concentration， raw material utilization ratio， pool capacity utilization ratio and biogas production rate have been further improved. At the same time， the construction cost has been reduced and significant comprehensive benefits have been obtained.

Key words： High-solid; Organic wastewater; Anaerobic digestion;Single Pool Multi-bed

國家農業行業標準《沼氣工程技術規范》（NY/T 1220.1-2006）中明確規定“高固體含量或其他難降解的有機廢水宜選用完全混合式厭氧消化器（CSTR）、厭氧接觸工藝（AC）和升流式厭氧固體反應器（USR）[1]”，其中厭氧接觸工藝（AC）是在完全混合式厭氧消化器（CSTR）之外加1個沉淀池改進而來的，兩者特性沒有本質區別[2-5]，而升流式厭氧固體反應器（USR）的應用較為普遍。從實踐的角度來看，USR比CSTR工藝的容積負荷更高、管理更簡單，綜合效益更好;從理論的層面看，USR屬于污泥滯留型消化器，而CSTR則屬于常規型消化器，污泥滯留型消化器優于常規型消化器。筆者根據多年來的從業實踐，研制了一種綜合效率更高的消化裝置，不僅能實現附著膜型消化器用于處理高固體含量或其他難降解的有機廢水的夢想，而且通過對消化器內部結構科學合理的設計，促使發酵原料的分布均勻化，實現了運行過程發酵原料的攪拌自動化，綜合發酵效率更高。

1 單池多床型厭氧消化裝置的主要運行性能

沼氣工程中處理高固體含量有機廢水時一般采用CSTR和USR工藝，而USR的使用較為普遍。筆者根據高固體含量有機廢水厭氧消化工藝理論和多年從事農村沼氣技術工作的實踐經驗，發明了一種用于處理高固體含量有機廢水的附著膜型厭氧消化裝置-單池多床型厭氧消化裝置（見表1）。

2 發酵原料和微生物的存在狀態、接觸方式

2.1 起動階段 采樣USR工藝發酵時，發酵原料（懸浮物已清除）與微生物在罐體內按其比重和自然沉降規律，從上到下分成清液層、活性層和沉渣層，微生物以懸浮狀存在于活性層。單池多床型厭氧消化裝置的罐體內部被N個固菌布料床單元分成了2N+1個相對獨立的發酵空間，發酵原料（懸浮物已清除）與微生物在罐體內發酵時，從上到下逐步分成2N+1個清液層、活性層和沉渣層，微生物以懸浮狀存在于2N+1個活性層內。

2.2 運行階段 USR中發酵原料在消化器中的分布均勻度決定于底部進料點的分布，不同位置的發酵原料之間及原料和微生物之間難以相互融合，處于不均勻狀態;微生物以懸浮狀存在于污泥床、污泥層（高濃度發酵細菌固體床）。正常運行時，發酵原料從反應器底部進入，依靠進料和所產沼氣的上升動力按一定的速度向上升流通過高濃度發酵細菌固體床時，有機物被分解發酵，上清液從反應器上部排出[6-7]。單池多床型厭氧消化裝置中發酵原料的存在狀態決定于固菌布料床的結構，發酵料液向下流經的橫截面積和方向不斷發生改變，迫使發酵原料隨著料液不斷地分散、聚合，始終處于均勻、融合狀態。發酵原料在通過固菌布料床時，大部分被固菌布料床上的呈膜狀的微生物分解發酵，小部分被以懸浮狀存在的微生物分解發酵。從對比中可以看出，發酵原料和微生物在單池多床型厭氧消化裝置罐體內的分布比在USR的罐體內更加均勻，發酵原料和微生物的接觸面積也成倍增加。

2.3 進出料方式 USR為底部進料、上部出料。新進入的原料途經污泥床、污泥層的過程就是被分解發酵的過程。由于這一過程很短，所以有一部分原料未被分解發酵。由于自身重力作用，已消化的原料殘渣、未消化的固體原料極易沉降到罐體底部形成沉渣污泥。為防止沉渣污泥聚集過多形成堵塞，消化器每7d需排泥1次。單池多床型厭氧消化裝置為上部進料、下部出料。原料入池后，由于固菌布料床的隔離作用，發酵原料基本上是按入池的先后順序依次向下滑落沉降，實現多級發酵，提高原料利用率。另外，多個固菌布料床之間的合適間距和固菌布料床本身的錐形倒錐形斜坡設計，能夠保證沉渣和原料不會在中間形成堆集、堵塞。對比可以看出，只要按規定排泥，USR一般不會產生堵塞現象，但原料卻會產生短路。單池多床型厭氧消化裝置不僅能為發酵原料提供盡可能長的發酵路徑，而且依靠泵入動力和自身重力滑落沉降。

2.4 適宜發酵濃度和攪拌情況 USR內部進料點密度小、進料量少，僅依靠進料的動力難以打破罐體內整體發酵原料的上下分層。發酵原料在向上升流的過程中，發酵料液流經的橫截面積不變，上升的路線方向也不變，不同位置的發酵原料難以相互融合。單池多床型厭氧消化裝置內部固菌布料床的設置使1個空間變成了2N+1個空間，使發酵料液均勻度提高了2N+1倍。連續進出料時，錐形倒錐形斜坡設計的固菌床使發酵料液流經的橫截面積和方向不斷發生改變，迫使發酵原料隨著料液不斷地分散、聚合，始終處于均勻、融合狀態，實現了沼氣池全方位的自動攪拌。通過對比可以看出，單池多床型厭氧消化裝置中對發酵料液的攪拌作用及原料分布均勻度明顯優于USR，所以單池多床型厭氧消化裝置中適宜的發酵濃度將遠大于USR。

3 結論

在厭氧處理高固體含量有機廢水領域引入附著膜型消化裝置及技術有其必要性，單池多床型厭氧消化裝置則是第一個助推附著膜型消化器用于處理高固體含量或其他難降解的有機廢水領域夢想實現的厭氧消化裝置。通過對USR與單池多床型厭氧消化裝置的性能對比分析，可以看出單池多床型厭氧消化裝置優于USR：發酵原料和微生物的分布更加均勻、融合;運行過程中料液能實現自動攪拌，不易產生原料短路、堵塞;MRT不僅長而且穩定、抗沖擊。因此，單池多床型厭氧消化裝置的適宜發酵濃度、原料利用率、池容利用率、沼氣產氣率將會進一步得到提高，建設成本則相應降低，其綜合效益會更好，應用前景十分廣闊。

參考文獻

[1]NY/T1220.1-2006，《沼氣工程技術規范》第一部分：工藝設計[S].

[2]曹軍，房博.農村沼氣集中供應設施建造與運營[M].北京：中國三峽出版社，2008.

[3]曹軍，房博.農村沼氣集中供應設施建造與運營[M].北京：中國三峽出版社，2008.

[4]農業部人事勞動司，農業職業技能培訓教材編審委員會.沼氣生產工下冊[M].北京：中國農業出版社，2004：221.

[5]農業部人事勞動司，農業職業技能培訓教材編審委員會.沼氣生產工下冊[M].北京：中國農業出版社，2004：230.

[6]NY/T1220.1-2006，《沼氣工程技術規范》第一部分：工藝設計[S].

[7]農業部人事勞動司，農業職業技能培訓教材編審委員會.沼氣生產工下冊[M].北京：中國農業出版社，2004：226，231.

（責編：張宏民）