大中型沼气工程技术讲座三+沼气发酵消化器设计

!!田晓东，强健，陆军（吉林省能源研究所，吉林长春"#$$"%）中图分类号：&’$#()%"*+!文献标识码：,文章编号："*’"-.%/%（%$$%）$*-$$!!-$!大中型沼气工程技术讲座（三）沼气发酵消化器设计（"）!"01"2"$34（%）消化器是大中型沼气工程的核心处理装置，众多的设计者都努力在消化器结构形式上精心设计，以便提高处理负荷，同时又要追求适中的造价。

!消化器的设计要求由于沼气发酵的原料不同，发酵处理的最终目标不同，工程设计采用的发酵工艺也有所不同。

因此进行沼气工程设计时，必须要根据政府部门批准的计划任务书要求和所处理原料的特性，按照沼气发酵工艺参数要求，选定工艺类型和运行温度（常温、中温或高温），最后确定消化器的总体容积和结构形式。

消化器的设计应注意：!应最大限度地满足沼气微生物的生活条件，使消化器内能保留大量的微生物；"应具有最小表面积，以利于保温，使其散热损失量最少；#要使用很少的搅拌动力，可使新进的料液与消化器内的污泥混合均匀；$易于破除浮渣，方便去除器底沉积污泥；%要实现标准化、系列化生产；&能适应多种原料发酵，且滞留期短；’应设有超正压和超负压的安全措施。

"设计消化器应考虑的内容设计消化器要根据所处理原料的物性特点，以尽力为沼气微生物创造良好的活动条件为目的。

按照生物化学、传热学、流体力学和机械原理等相关内容进行设计。

消化器结构形式是由该工程所处理原料的水质条件和最终要达到的处理目标要求来决定的。

水质特性包括所处理原料的5)、))（悬浮物）、6789:和,78.含量以及原料的温度和;<值高低等。

工程最终处理目标是要明确该处理项目是达标排放的环保项目，还是对沼气、沼渣、沼液综合利用的生态工程项目。

消化器容积大小与沼气发酵原料的物料特性、消化液浓度和水力滞留期有关。

消化器总容积!等于消化器中消化液容积!"与消化器中的储气容积!%之和。

消化液容积!"与每日处理原料量、消化液浓度、消化液容重和水力滞留期有关，列式如下："#=$%&’!式中：!"———消化器中消化液容积，>#；"———消化器每日进料量，?@A B ；#———原料干物质量，5)3；$%&———消化器水力滞留期，B ；’———消化液浓度，5)3；!———消化料液容重，?@A >#。

一般取!%0（C D "$）3!"即!0!"2!%"#=$%&’(消化器总容积经计算确定后，按所选用的消化器类型来相应地确定消化器的内径和高度，要充分考虑如何提高消化器的容积利用率和协调诸参数间的关系。

#几种常用的消化器随沼气工程建设发展，消化器不断更新，缺点不断得到克服。

新型消化器最大的特点是在消化器内滞留了大量的厌氧活性污泥，这些活性污泥在运转过程中会逐步形成颗粒状，使其具有极好的沉降性能和较高的生物活性，大大提高了消化器的负荷和产气率。

#+"接触式厌氧工艺接触式厌氧工艺可以增加微生物和废水之间的接触反应，从根本上解决控制污泥停留时间这一问题。

即加上污泥沉淀和回流循环装置，在罐内保持较高的微生物浓度。

从而大大提高发酵效率，EFGFHI,JF FGFE9K GL+"%$$#1"$’MNNOP QR ISS 4技术讲座!"图#厌氧接触工艺图$厌氧过滤器图%纤维填料固定床生物膜消化器示意图图!纤维填料图减少占地面积和投资，如图#所示。

接触式厌氧工艺主要用于处理生活污水和工业废水。

%&$厌氧过滤器（’(）厌氧过滤器技术如图$所示，通过微生物在惰性填料的巨大表面积上形成生物膜的方法来保证微生物的滞留时间。

填料一般采用卵石、炉渣、瓷环、塑料等。

废水从过滤器底部进入，均匀上流，与附着在填料上的微生物接触，从而达到净化废水的目的，)*+负荷率高的可达#",-./0%・12。

处理屠宰、合脂酸、豆制品等废水已取得成功。

酒精废水也有采用此法的。

厌氧过滤器有一个弱点：由于填料的存在，废水中悬浮物稍多，容易出现从进水到出水料液在消化器内走近路的短路和堵塞现象。

目前由于设计出异形填料，其材料又是特殊的塑料，易挂膜、易脱膜、运转中不易短路和堵塞。

因而近#3年来，已有几十座’(装置投入运行。

厌氧过滤器目前正广泛地被用来处理多种高浓度的有机污水，如用于处理)*+高达4万0-.5的糖蜜酒厂废水；处理其)*+浓度不到$3330-.5的屠宰废水；也用来处理城市下水道污水，所需的滞留时间短，有的需要几天，有的不到一天。

在处理有机质浓度低的污水时，应适当控制有机质负荷，避免因水力负荷过高而冲刷填料表面的生物膜和填料间隙中的活性污泥。

上述厌氧消化器属于上流式，其特点：料液从过滤器下部进入，由下向上升流经过生物床，料液被沼气微生物消化，微生物牢固地附着在填料表面形成生物膜，克服了一般厌氧消化器沼气微生物易流失的缺点。

%&%纤维填料生物膜消化器纤维填料固定床生物膜法消化器是’(结构形式的一种，如图%所示。

采用维纶制成的纤维填料如图!所示。

维纶具有较好的耐腐蚀性能，在一般有机溶剂及石油等溶剂内均不溶解，是一种理想的填料。

其特点为孔隙率大、理论比表面积大、不易堵塞。

纤维填料生物膜的工艺原理是固定床中的纤维丝均匀地分布在液相空间，形成微生物可再生能源$33%&#/总第#34期2技术讲座!"图#上流式厌氧污泥床消化器的附着载体，微生物呈立体网状结构附着在纤维上。

废水从生物膜处流过，被分解消化，同时实现自身的生长。

生物膜的表面积大，因而有极强的消化能力。

纤维填料的间距设计，要考虑有尽可能大的表面积，在料液中能自由飘动，长期使用不粘连、不堵塞。

纤维束直径!太大，分散性不好，容易发生自身缠绕；若太小，则飘动性差，容易发生粘连。

经过试验，弹性纤维束!$%&’(%)’**，为好；为了保证两根填料间不发生缠绕，其间距+一般宜为%&’(%)’**。

束间距离"，当",!’**时飘动性好，建议采用"’(-’**。

纤维填料排布设计，要保证!、"、#诸参数在一定范围内变动都不会发生堵塞现象。

若!$"$#时，无论水流方向如何，每束纤维填料都有自由运动空间，当填料受到气水冲击时，就处在不断飘动状态。

此时，纤维只附着生物膜，不滞留其它固体物，因而就避免了空隙的堵塞。

纤维填料对进料浓度的适应性，当进料./0浓度1&万*234时运转正常。

试验结果表明进料./0浓度为#万*234时，由于进料浓度过高，造成进料量超负荷，会导致消化器底部物料酸化，影响消化器的稳定运行。

&5!上流式厌氧污泥床消化器（6789）6789消化器能维持很高的生物量（污泥:88浓度可达#’(%’’234，:88为挥发性悬浮物），一般污泥龄（微生物代谢更新间隔时间）在&’;以上，所以处理废水的能力很高。

中温发酵，进水容积./0负荷率可达%’(%#<23=*&・;>。

使用6789处理酒精废醪液、屠宰废水、啤酒废水、淀粉废水等都取得成功。

!6789消化器运行特点6789消化器是一个无填料的空心圆柱体，器底层形成污泥床是消化器的反应区；上部设有气固液三相分离器。

废水经布水器进入消化器底部，经污泥床中的沼气微生物分解消化后上升，经三相分离器后进入沉淀区。

沼气入气室外排，固体污泥与气水分离后返回污泥床，经沉淀后的液体外排。

6789消化器结构如图#所示。

"三相分离器三相分离器具有气液分离、固液分离、污泥回流&种功能。

由气室、污泥回流缝和沉淀区组成，如图"所示。

虽然构造较复杂一些，然而污泥回流通道和液流通道分开了，提高了固液气分离的效果。

在固液气三相分离区，要求结构对称，以促使气流、液流、固流分布均匀，反应区内负荷均衡和液流稳定，不能产生短流现象。

#污泥床的污泥要求颗粒化6789消化器的污泥床内污泥应呈颗粒状，污泥颗粒化标志消化污泥性能成熟，使消化器能在高的./0容积负荷下运行，污泥的沉降性能好，消化器工作稳定；与此相反，如果消化器内的污泥以松散的絮状体存在时，往往容易出现污泥上浮流失，使消化器不能在较高的负荷下稳定运行。

&5#69?型消化器69?型消化器是6789和7?结合型消化器，是在6789消化器的基础上，在消化器内一定部位安装了有过滤器作用的填料，其目的是要最大限度地保留沼气微生物在消化器内的数量，使图"三相分离器示意图@ABAC794A ABA@DE BF5%G’’&=%’)HIIJK LM 7NN >技术讲座!"图#$%&消化器图"上流式污泥床与厌氧过滤器消化器（’%(）其充分发挥作用。

当’$)%消化器内的污泥还未结成粒状污泥时，污泥容易流失，特别是起动时更是这样，需要经常回流污泥。

为了尽量减少污泥流失，可利用厌氧过滤器中填料阻隔污泥的流失。

填料可装在三相分离器的下面或上面。

消化器底部为’$)%，上端为$(，装有软性填料，消化器的结构示意如图"所示。

*+,$%&消化器$%&消化器如图#所示，是在消化器内设置垂直放置的折流板，料液在消化器内沿折流板上下折流运动，依次流过每个格腔内的污泥床直至出口，在此过程料液中有机物质与厌氧活性污泥充分接触而被消化去除。

$%&消化器有多种形式，这种消化器兼有厌氧接触、厌氧过滤和’$)%*种消化器的特点。

$%&消化器的结构已作了多种改进，最终目的是延长厌氧活性污泥的停留时间，促使进水分布均匀，使泥水混合良好。

料液流经$%&消化器需要经过多次上下折流，虽然在每一个转角处必然存在一定程度的死区，但是$%&消化器的死区程度远小于其它结构形式的厌氧消化器。

$%&消化器内没有移动部件，不需要搅拌设备，在容积不变的条件下，增长了料液的流程；而且颗粒污泥不是$%&良好运行的必要条件。

虽然$%&消化器沿纵向运行将产酸与产甲烷过程分离开了，但是在同等的总负荷条件下，与单级厌氧消化器相比，$%&消化器第一格腔要承受较大的负荷量，易造成第一格腔超负荷运行，要加以注意。

!消化器的保温设计采取中、高温运行的大中型沼气工程，消化器内料液的温度或是*-.，或是-!.。

而消化器周围环境温度却随着四季更替或昼夜交换而变化，为确保消化器能在恒温条件下运行，必须以当地最寒冷时刻的气温条件，确定保温层的厚度，对消化器进行保温设计。