几种沼气厌氧发酵工艺比较剖析

塞流式工艺

塞流式工艺细分有两种，一种是普通的塞流式反应器（PFR），另一种是改进的高浓度塞流式工艺（HCF）。

1.塞流式反应器（PFR）

图1

（1）原理

PFR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，呈活塞式推移状态从另一端排出。消化器内沼气的产生可以为料液提供垂直的搅拌作用，料液在沼气池内无纵向混合，发酵后的料液借助于新鲜料液的推动作用而排走。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。PFR反应原理及结构见图1。这种工艺能较好地保证原料在沼气池内的滞留时间。许多大中型

畜禽粪污沼气工程采用这种发酵工艺。

（2）特点

优点：适用于高SS废水的处理，尤其适用于牛粪的厌氧消化，固体含量可以提高到12%；用于农场有较好的经济效益；不需要搅拌；池形结构简单，运行方便，故障少，稳定性高。

缺点：固体物容易沉淀池底，影响反应器的有效体积，使HRT和SRT降低，效率较低；需要固体和微生物的回流作为接种物；因该反应器占地面积或体积比较大，反应器内难以保持一致的温度；易产生厚的结壳。

2. 高浓度塞流式工艺（HCF）

（1）原理

HCF是一种塞流、混合及高浓度相结合的发酵装置。厌氧罐内设机械搅拌，以塞流方式向池后端不断推动，HCF厌氧反应器的一端顶部有一个带格栅并与消化池气室相隔离的进料口，在厌氧反应器的另一端，料液以溢液和沉渣形式排出。

（2）特点

进料浓度高，干物质含量可达8％；能耗低，不仅加热能耗少，而且装机容量小，耗电量低；与PFR相比，原料利用率高；解决了浮渣问题；工艺流程简单；设施少，工程投资省；操作管理简便，运行费用低；原料适应性强（畜禽粪便、碎秸秆和有机垃圾均可）；没有预处理，原料可以直接入池；卧式单池容积偏小，便于组合。

升流式固体反应器

升流式固体反应器（Upflow Solid Reactor，简称USR)适用于处理高悬浮固体原料、总固体含量（TS）为5%畜禽粪污，在当前畜禽养殖行业粪污资源化利用方面有较多的应用。

1. 原理

USR的下部是含有高浓度厌氧微生物的固体床。发酵原料从反应器底部进入，依靠进料和所产沼气的上升动力按一定的速度向上升流。料液通过高浓度厌氧微生物固体床时，有机物被分解发酵，上清液从反应器上部排出。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，这样可以得到比水力滞留期（HRT）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

率和消化器的效率。USR反应器内设有布水系统，底部是高浓度厌氧菌床，上部设置挡渣板。本工艺不使用机械搅拌，浓度较高时可有局部强化搅拌装置，其结构及反应原理见下图。

经过USR处理后产生的沼液属于高浓度有机废水，具有有机物浓度高、可生化性好、易降解的特点，不能达到排放标准，因此除用于花卉蔬菜等的肥料外，剩余沼液须回流至集水池，经过好氧处理后达标回用或排放。针对该沼液含氨氮较高的特点，通过预处理可将溶于水的挥发性氨氮部分去除。沼液中的有机物则通过生物法进行处理。

许多大中型沼气工程均采用该工艺，对国内沼气工程而言，单体池容可加大到2000立方米。

2. 特点

（1）优点

①在重力的作用下，比重较大的固体与微生物靠自然沉降作用积累在反应器下部，使反应器内始终保持较高的固体量和生物量，即有较长的SRT和MRT，这是USR在较高负荷条件下能稳定运行的根本原因。由于SRT较长，出水带出的污泥不需回流，固体物能够得到较为彻底的消化，悬浮固体（SS）去除率在60%～70%。

②当超负荷运行时，污泥沉降性能变差，出水化学需氧量（COD）升高，但一般不会造成酸化。

③产气效率高。

（2）缺点

①进料固形物悬浮物含量为5%～6%, 浓度再提高易出现堵塞布水管等问题，单管布水易短流。

②对含纤维素较高的料液，如以牛粪为发酵原料，应在发酵罐液面增加破浮渣设施，以防表面结壳。

③沼渣沼液COD浓度含量很高，不适宜达标排放，一般用于农田施肥进行生态化处理。

全混合消化器

全混合消化器（Continuous Stirred Tank Reactor ，简称CSTR）也称连续搅拌反应器系统，是一种完全混合消化器。本工艺可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。该工艺的反应原理及反应器内部结构如下所述。

1. 原理

反应器采用上进料下出料或者下进料上出料的方式，内设立式搅拌机。消化器内的搅拌装置不仅可以使原料在消化器的流动

呈全混合状态，而且能够让发酵原料和微生物完全混合。该反应器采用恒温连续投料或半连续投料运行。与常规消化器相比，CSTR使活性区遍布整个消化器，传质效果与微生物活性明显提高，发酵效率比较高，还缩短了水力滞留期（HRT），中温条件下，HRT约15d～30d。

2. 特点

（1）原料适应性广。广泛适用于畜禽粪便和各种有机垃圾，适合于城市污水厂污泥稳定化处理，也用于高浓度、高悬浮物、难降解有机废水的处理。

（2）抗冲击负荷。

（3）消化池具有完全混合的流态，原料与底物的接触充分，发酵速率高，容积产气率较高。

(4）消化器内温度分布均匀。

（5）无法分离水力停留时间和固体停留时间，不能滞留微生物。

（6）厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构简单、能耗低、运行管理方便。

（7）由于有强制机械搅拌，在高浓度状态仍可有效控制原料的沉淀、分层以及表层浮渣结壳、气体溢出不畅和短流等问题。

（8）消化池体积大。

由于CSTR反应器在高浓度进料时，搅拌可能会导致部分生物料随出液排出，因此，为了获得更高的物料利用率一般会设

置二次发酵罐，工艺组成为CSTR与二次发酵一体化，即在二次发酵池顶部装配双层膜气囊，CSTR和二次发酵池产生的沼气统一收集在气囊中，供后续发电或者供气使用。

上流式厌氧污泥床

上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Bed ，简称UASB)工艺适用于处理含有较低悬浮固体的可溶性废水。

1. 原理

该工艺装置的特点为在消化器上部安装有气、液、固三相分离器。消化器内所产沼气在分离器下被收集起来，污泥和污水升流进入沉淀区，由于该区不再有气饱上升的搅拌作用，悬浮于污水中的污泥则发生絮凝和沉降，它们沿分离器斜壁滑回消化器内，使消化器内可以积累大量活性污泥。这些活性污泥在消化器的底部浓度很高，并具有良好沉降性能，进而形成污泥床。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，在上升过程中逐渐合并成大气泡。由于气泡上升的搅动作用，使消化器上部的污泥呈悬浮状态，形成逐渐稀薄的污泥悬浮层。有机污水自下而上经三相分离器后从上部溢流排出。UASB发酵原理见下图。

升流式厌氧污泥床的良好性能依赖于高活性污泥床层的形成。活性污泥实际上是沼气发酵微生物的天然固化。这些污泥呈絮状或颗粒状，具有较高的产甲烷活性和良好的沉降性能，对消化器负荷的提高和运转的稳定性均有明显作用。

2. 特点

（1）优点

①UASB在反应器中设有气、液、固三相分离器，具有产气和均匀布水形成的良好自然搅拌，并在反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。

②UASB内污泥浓度高,平均污泥浓度为20VSS/L ~40VSS/L（VSS为挥发性悬浮固体）。

③长的SRT和MRT使其具有很高的负荷率。有机负荷高，水力停留时间短（1d~5d），中温发酵，容积COD负荷一般为5 kg/m3~10kg/m3左右。

④一般不设沉淀池，一般不需污泥回流设备。

⑤消化器结构简单，除三相分离器外，没有搅拌装置及供微生物附着的填料，节约造价及避免因填料发生堵塞的问题。

⑥出水的悬浮物固体含量低。

（2）缺点

①进料中不能含有较高的悬浮固体，一般控制在1000mg/L以下。如果进水中悬浮固体含量较高，会造成无生物活性固体物在污泥床层的积累，大幅度降低污泥活性并使床层受到破坏。

②需要有效的布水器使进料能均匀分布于消化器的底部。

③对水质和负荷突然变化比较敏感，耐冲击能力稍差。

④污泥床内有短流现象，影响处理能力。

⑤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。

常用工艺对比分析和工艺类型选择

本文前面介绍了塞流式反应器（PFR）、高浓度塞流式工艺（HCF）、升流式固体反应器（USR）、完全混合式厌氧反应器（CSTR）和上流式厌氧污泥床（UASB）共5种工艺，其中的HCF是近几年在PFR的基础上改进发展的新工艺，这两种工艺同为塞流式厌氧消化工艺。

一、常用工艺对比分析

上述4种工艺是应用最广泛的、也是现阶段发展比较快的沼气厌氧发酵工艺，下面将这4种工艺进行分析对比，见下表。

二、工艺类型选择

厌氧消化器工艺的选择是决定畜禽粪便沼气工程能否长期、高效、稳定运行的关键。根据以上分析，可以看出4种工艺有着自身的原料适应性，适合于不同的工程类型。

对于高悬浮固体（SS）浓度、高固体发酵原料，选择CSTR、USR和PFR，此3种工艺适用于“能源生态型”沼气工程。在悬浮物含量较高的情况下，经济效益和技术最合适的为CSTR与USR，而CSTR尤其适合于热电肥联产(CHP)零排放模式。另外，在沼气工程工艺选择时要考虑到与各工艺参数之间的配合，在一定的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发展的主要方向。

对于“能源环保型”沼气工程中处理低SS浓度的溶解性废水应选择UASB，而此模式不适合养殖场沼气工程。