新型沼气消化装置与常规消化装置对比分析研究

唐浩 张心才

摘 要：针对高固体含量有机废水厌氧消化处理难等问题，研制出一种新型的附着膜型厌氧消化装置，即单池多床型厌氧消化装置。运行试验表明，单池多床型厌氧消化装置与常用的升流式厌氧固体反应器（USR）相比，发酵原料和微生物的分布更加均匀、融合，运行过程中料液能实现自动搅拌，不易出现原料短路、堵塞现象，微生物滞留期（MRT）长而稳定、抗冲击，而且适宜的发酵浓度、原料利用率、池容利用率、沼气产气率等都得到了进一步提高，同时降低了建设成本，综合效益显著。

关键词：高固体;有机废水;厌氧消化;单池多床

中图分类号 R124.2文献标识码 A文章编号 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

國家农业行业标准《沼气工程技术规范》（NY/T 1220.1-2006）中明确规定“高固体含量或其他难降解的有机废水宜选用完全混合式厌氧消化器（CSTR）、厌氧接触工艺（AC）和升流式厌氧固体反应器（USR）[1]”，其中厌氧接触工艺（AC）是在完全混合式厌氧消化器（CSTR）之外加1个沉淀池改进而来的，两者特性没有本质区别[2-5]，而升流式厌氧固体反应器（USR）的应用较为普遍。从实践的角度来看，USR比CSTR工艺的容积负荷更高、管理更简单，综合效益更好;从理论的层面看，USR属于污泥滞留型消化器，而CSTR则属于常规型消化器，污泥滞留型消化器优于常规型消化器。笔者根据多年来的从业实践，研制了一种综合效率更高的消化装置，不仅能实现附着膜型消化器用于处理高固体含量或其他难降解的有机废水的梦想，而且通过对消化器内部结构科学合理的设计，促使发酵原料的分布均匀化，实现了运行过程发酵原料的搅拌自动化，综合发酵效率更高。

1 单池多床型厌氧消化装置的主要运行性能

沼气工程中处理高固体含量有机废水时一般采用CSTR和USR工艺，而USR的使用较为普遍。笔者根据高固体含量有机废水厌氧消化工艺理论和多年从事农村沼气技术工作的实践经验，发明了一种用于处理高固体含量有机废水的附着膜型厌氧消化装置-单池多床型厌氧消化装置（见表1）。

2 发酵原料和微生物的存在状态、接触方式

2.1 起动阶段 采样USR工艺发酵时，发酵原料（悬浮物已清除）与微生物在罐体内按其比重和自然沉降规律，从上到下分成清液层、活性层和沉渣层，微生物以悬浮状存在于活性层。单池多床型厌氧消化装置的罐体内部被N个固菌布料床单元分成了2N+1个相对独立的发酵空间，发酵原料（悬浮物已清除）与微生物在罐体内发酵时，从上到下逐步分成2N+1个清液层、活性层和沉渣层，微生物以悬浮状存在于2N+1个活性层内。

2.2 运行阶段 USR中发酵原料在消化器中的分布均匀度决定于底部进料点的分布，不同位置的发酵原料之间及原料和微生物之间难以相互融合，处于不均匀状态;微生物以悬浮状存在于污泥床、污泥层（高浓度发酵细菌固体床）。正常运行时，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通过高浓度发酵细菌固体床时，有机物被分解发酵，上清液从反应器上部排出[6-7]。单池多床型厌氧消化装置中发酵原料的存在状态决定于固菌布料床的结构，发酵料液向下流经的横截面积和方向不断发生改变，迫使发酵原料随着料液不断地分散、聚合，始终处于均匀、融合状态。发酵原料在通过固菌布料床时，大部分被固菌布料床上的呈膜状的微生物分解发酵，小部分被以悬浮状存在的微生物分解发酵。从对比中可以看出，发酵原料和微生物在单池多床型厌氧消化装置罐体内的分布比在USR的罐体内更加均匀，发酵原料和微生物的接触面积也成倍增加。

2.3 进出料方式 USR为底部进料、上部出料。新进入的原料途经污泥床、污泥层的过程就是被分解发酵的过程。由于这一过程很短，所以有一部分原料未被分解发酵。由于自身重力作用，已消化的原料残渣、未消化的固体原料极易沉降到罐体底部形成沉渣污泥。为防止沉渣污泥聚集过多形成堵塞，消化器每7d需排泥1次。单池多床型厌氧消化装置为上部进料、下部出料。原料入池后，由于固菌布料床的隔离作用，发酵原料基本上是按入池的先后顺序依次向下滑落沉降，实现多级发酵，提高原料利用率。另外，多个固菌布料床之间的合适间距和固菌布料床本身的锥形倒锥形斜坡设计，能够保证沉渣和原料不会在中间形成堆集、堵塞。对比可以看出，只要按规定排泥，USR一般不会产生堵塞现象，但原料却会产生短路。单池多床型厌氧消化装置不仅能为发酵原料提供尽可能长的发酵路径，而且依靠泵入动力和自身重力滑落沉降。

2.4 适宜发酵浓度和搅拌情况 USR内部进料点密度小、进料量少，仅依靠进料的动力难以打破罐体内整体发酵原料的上下分层。发酵原料在向上升流的过程中，发酵料液流经的横截面积不变，上升的路线方向也不变，不同位置的发酵原料难以相互融合。单池多床型厌氧消化装置内部固菌布料床的设置使1个空间变成了2N+1个空间，使发酵料液均匀度提高了2N+1倍。连续进出料时，锥形倒锥形斜坡设计的固菌床使发酵料液流经的横截面积和方向不断发生改变，迫使发酵原料随着料液不断地分散、聚合，始终处于均匀、融合状态，实现了沼气池全方位的自动搅拌。通过对比可以看出，单池多床型厌氧消化装置中对发酵料液的搅拌作用及原料分布均匀度明显优于USR，所以单池多床型厌氧消化装置中适宜的发酵浓度将远大于USR。

3 结论

在厌氧处理高固体含量有机废水领域引入附着膜型消化装置及技术有其必要性，单池多床型厌氧消化装置则是第一个助推附着膜型消化器用于处理高固体含量或其他难降解的有机废水领域梦想实现的厌氧消化装置。通过对USR与单池多床型厌氧消化装置的性能对比分析，可以看出单池多床型厌氧消化装置优于USR：发酵原料和微生物的分布更加均匀、融合;运行过程中料液能实现自动搅拌，不易产生原料短路、堵塞;MRT不仅长而且稳定、抗冲击。因此，单池多床型厌氧消化装置的适宜发酵浓度、原料利用率、池容利用率、沼气产气率将会进一步得到提高，建设成本则相应降低，其综合效益会更好，应用前景十分广阔。

参考文献

[1]NY/T1220.1-2006，《沼气工程技术规范》第一部分：工艺设计[S].

[2]曹军，房博.农村沼气集中供应设施建造与运营[M].北京：中国三峡出版社，2008.

[3]曹军，房博.农村沼气集中供应设施建造与运营[M].北京：中国三峡出版社，2008.

[4]农业部人事劳动司，农业职业技能培训教材编审委员会.沼气生产工下册[M].北京：中国农业出版社，2004：221.

[5]农业部人事劳动司，农业职业技能培训教材编审委员会.沼气生产工下册[M].北京：中国农业出版社，2004：230.

[6]NY/T1220.1-2006，《沼气工程技术规范》第一部分：工艺设计[S].

[7]農业部人事劳动司，农业职业技能培训教材编审委员会.沼气生产工下册[M].北京：中国农业出版社，2004：226，231.

（责编：张宏民）