沼气工程工艺及设备

集中供气沼气工程技术及配套设备

一、沼气发酵工艺类型

目前，已经开发出的厌氧沼气发酵工艺技术类型很多，但就技术成熟、投资费用管理方便等方面来看，应用较多的主要有以下四类，即完全混合式厌氧消化技术（CSTR），升流式固体消化技术（USR），升流式厌氧污泥床消化技术(UASB)和污泥床滤器（UBF）。分别介绍如下：

1、完全混合式厌氧消化技术（CSTR）

该工艺主体设施为完全混合式厌氧消化反应器（CSTR），该类型反应器对粪污中的固体浓度大小没有严格要求，可以是低浓度发酵（3%以下），也可以是高浓度发酵(8%以上)，是目前沼气工程建设最常用的工艺技术之一。整套工艺以CSTR发酵罐为主体设施，配套原料收集池、酸化罐、储气罐、脱硫脱水净化装置等附属装备，组成一整套CSTR发酵工艺技术。CSTR发酵罐内采用机械搅拌和加温技术，使发酵物料均质和发酵温度稳定，这是沼气发酵工艺的一项重要的技术突破，通过搅拌和加温，可使发酵速率和产气率大大提高，提高装置利用率，保证整套工艺正常运转。另一方面，该工艺非常适合于高浓度物料发酵，传质和传热效果好，原料利用率高。因此，完全混合式厌氧消化技术（CSTR）是目前沼气工程普遍采用的主要工艺之一，其主要特点如下：不受发酵浓度限制，便于管理，启动快，运行费用低，非常适合于以产沼气能源为主，周围有使用沼渣、沼液有机肥条件的地区。该工艺已在全国多处应用，产气效果好、运行稳定，将会成为我国沼气工程建设的首选工艺。

2、升流式固体消化技术（USR）

该工艺主体设施为升流式固体反应器（USR），该类型反应器是一种结构简单、适用于高固体原料发酵的反应器。发酵原料从底部配水系统进入反应器内，依靠进料和产气的上升动力按一定的速度向上流经含有高浓度厌氧微生物的污泥床时，使原料得到快速消化产生沼气。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反应器内，上清液从反应器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期 (MRT)，从而提高了固体有机物的分解率和反应器的利用效率。该工艺优点是处理效率高，运行管理方便，缺点是对进料均布性要求高，发酵过程中需强化搅拌。但由于这种工艺适合处理高固体含量的畜禽粪污和有机废水具有其它沼气发酵工艺无法比拟的优点，现在欧洲等沼气工程发达地区广泛使用，我国目前也有很多地方采用该工艺，且运行效果良好。如北京房山区琉璃河猪粪废水沼气发酵工程、南韩继和平谷县南独乐河猪粪废水沼气工程、留民营鸡粪污水中温沼气发酵工程等。

3、升流式厌氧污泥床消化技术(UASB)

该工艺的主体设施为升流式厌氧污泥床反应器（UASB），是世界上发展最快的厌氧反应器。发酵原料从反应器底部进入，向上流过有厌氧颗粒污泥组成的污泥床，随着原料与污泥充分接触而发生沼气发酵反应，产生的沼气引起污泥床的扰动。产生的沼气一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部，撞击到三相分离器挡板的下部，引起附着气泡的释放。脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的

气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含的一些剩余固体颗粒和生物颗粒进入三相分离器内的沉淀区内，剩余污泥固体和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。

升流式厌氧污泥床反应器（UASB）的特点在于可维持较高的发酵污泥浓度，污泥泥龄（25天以上），较高的进水容积负荷率，提高了反应器内单位体积的处理能力，同时将污泥的沉降与回流置于一个装置内，降低了造价。但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能均匀分布于消化器的底部，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。

UASB 是已建沼气发酵工程中应用较多的工艺，但多用于工业废水和生活污水的厌氧消化，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。北京啤酒厂采用UASB工艺的厌氧消化工程已被国家环保局定为重点推广项目。

4、污泥床滤器(UBF)

该工艺主体设施为污泥床滤器(UBF)，它是将UASB和厌氧滤器结合为一体的厌氧反应器器。其下部为污泥床，上部设置纤维填料。由于附着于纤维填料上的生物膜补充了污泥床上部微生物的不足，所以效益较高。但填料投资较高，使工程总造价上升。顺义肉联厂的屠宰废水处理采用UBF工艺。它对低浓度低悬浮固体污水的厌氧消化效果较好。但用于高浓度高悬浮固体废水处理易产生堵塞。目前，该工艺在我国应用较少。

二、沼气工程配套设备

1、沼气工程装备产品

（1）罐体材料

传统沼气工程建设大多采用钢混结构，但存在工期长，施工难度大等缺点。近年来，为了缩短施工周期，节省建筑材料，提高装备化水平，建设美观大方的能源工程处理装置。目前，市场上已出现一种新型柔性搪瓷拼装板材料，工程中的构筑装置都可使用该搪瓷材料进行现场拼装成型。此种材料的表面喷涂了一层搪瓷，能阻止罐体腐蚀，而且具有抗酸碱的功能，并且具有维修便利、外观美观的特点。采用该技术，可大大缩短施工周期，只需1-2周，使用寿命在30年以上，使用成本低于碳钢和Lipp结构的发酵装置，该技术已被国家环保总局列为国家重点环保实用技术，目前在北京、山东、四川等多处沼气工程中使用，是今后沼气工程装备化首选材料之一。

（2）膜式储气袋

传统沼气工程储气多采用湿法储气罐，但存在管理复杂、地域适应窄、投资高等缺点，目前市场已出现一种新的膜软体材料，采用该材料加工成由内层膜和外层膜组成的气体储存袋，外层膜构成储气袋的外部球体形状，内层膜与底膜构成内腔存储气体，同时设有防爆鼓风机等配套设备，目前，膜式成套产品技术已经开始在我国沼气工程推广使用。

（3）沼气净化装置

沼气工程净化装置主要包括汽水分离器和脱硫塔，目前，该类产品还没有专门的标准设备，多为根据工程的实际沼气产量设计的非标设备。

2、沼气工程配套设备

目前，我国沼气工程配套的设备多采用其它行业的设备，针对沼气工程原料

类型及工艺模式进行设计与制造的专业化配套设备不多，常用配套设备如下：（1）搅拌设备

该类设备主要用于原料搅拌均质，主要分为桨式搅拌器和潜水搅拌器两大类。一般沼气工程中多采用潜水搅拌器，具体参数根据工程规模大小具体选型（2）格栅机

根据工程实际情况，如原料中含有大块杂物，需在进入工程设施前设置格栅机，一般多采用回转式格栅除污机，具体参数根据工程规模大小具体选型。

（3）进料泵

沼气工程中，原料首先在调配池内收集混合，随后提升到后续各构筑设施，在原料提升过程中，一些较大尺寸的原料或杂质容易堵塞泵，造成工程整体不能运行，因此好的进料泵对整个沼气工程的正常运行尤为重要，目前，沼气工程多选用潜水无堵塞切割式泵和单螺杆泵。

（4）沼气蒸汽锅炉

为了保证沼气工程长期正常产气，必需对沼气工程进行加热保温处理，目前多采用沼气蒸汽锅炉使用沼气工程本身产生的沼气进行加热保温，市场长已有比较成熟的沼气专用锅炉。

（5）固液分离机

如果沼气工程周围不能消纳产生的沼渣，应设置固液分离机，对沼渣进行脱水浓缩。目前，国内常采用的固液分离机主要为：带式压滤机、板框压滤机、箱式压滤机，根据工程规模和业主要求具体选用。

（6）其它配套设备

仪表计量类：沼气流量计、液体流量计、液位计、压力表、热电耦温度计等。

监控管理系统：成套技术，包括运行软件和运行保护装置等一整套技术，目前，国内已有多家专业从事沼气自动监控管理技术的公司。

三、结论与建议

随着经济的高速发展和人口的急剧增加，日益尖锐的能源供需矛盾及其引起的全球性环境污染等问题，迫使世界各国相继进行新能源的开发与研究。沼气作为一种可再生的生物质能源，具有投资低，投入产出比高，原料来源广泛，清洁性优良等特点。根据我国国情，发展沼气工程可极大地缓解农村能源需求紧张的局面，改善农村能源供应结构，降低秸秆、薪柴、天然气、煤炭等传统生物和化石能源的消耗水平，对提高农村地区卫生水平，构建农村人与自然和谐发展，保护生态环境和缓解国家能源压力具有重大的现实意义。目前，我国大中型沼气工程工艺已日趋成熟，但沼气工程配套专用设备及工装装备水平和发达国家有比较大的差距，相关沼气产业尚未形成，配套设备没有根据沼气发酵原料特性及采用的工艺类型进行针对性设计与制造，造成设备性能不稳定、能耗较高、效率偏低、维修费用高、使用寿命短等多种问题，并且工程管理运行以手动为主，自动化水平很低。因此，在我国开展沼气产业开发，市场潜力巨大，技术需求旺盛。