干法厌氧发酵（精选4篇）
干法厌氧发酵 篇1
发酵是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动制备微生物菌体本身, 或其直接代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵有好氧发酵和厌氧发酵之分, 好氧发酵是利用需氧微生物进行的发酵生产, 其特点是在发酵过程中需不断供给氧气 (或空气) , 以满足微生物呼吸代谢;厌氧发酵是指在隔绝氧气的情况下, 通过细菌作用进行生物质的分解。
厌氧发酵的原料几乎都是不溶性的有机大分子, 只有通过水解酶把它们分解成较小的分子后才能被产氢产乙酸菌和产甲烷菌利用, 最终产生甲烷。目前普遍认为厌氧发酵主要分为3个阶段:第一阶段为水解性细菌产生水解酶把非水溶性大分子的碳水化合物、脂肪和蛋白质等水解成可溶性的较小分子化合物的过程;第二阶段为产氢产酸阶段;第三阶段为产甲烷菌利用降解产物产生甲烷的过程。
有机固体废弃物的厌氧发酵依据总固体 (TS) 含量高低分为湿发酵和干发酵。干法厌氧发酵是指TS质量分数20%~50%的厌氧发酵处理工艺。与湿法工艺相比, 干法工艺具有明显的优势: (1) 可以适应各种来源的固体有机废弃物; (2) 运行费用低, 并提高了容积产能能力; (3) 需水量低或不需水, 节约水资源; (4) 产生沼液少, 废渣含水量低, 后续处理费用低; (5) 运行过程稳定, 无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题; (6) 减少了臭气排放等。国外对干法厌氧发酵的研究始于20世纪80年代有关污泥的卫生填埋, 之后主要集中于城市垃圾的处理。近年来, 干法厌氧发酵技术作为有机固体废弃物能源化处置的有效途径已逐渐成为世界各国固体废弃物资源化技术研究的热点, 而我国对干法厌氧发酵技术研究较少。
1 影响干法厌氧发酵过程的主要因素
1.1 底物组成
因可生化降解性不同, 不同的底物沼气产量相差很大, 甚至相差40%以上。底物C/N比值影响产气量, C/N比值太高, 微生物所需氮量不足, 且消化液缓冲能力降低;C/N比值太低, 含氮量过多, 有机物分解受到抑制。研究结果表明:厌氧发酵底物C/N比值以20~30为宜, 过高与过低均会影响底物产气量或产气速率。底物中木质纤维素含量影响底物的可生化降解性, 进而影响产气潜力。此外, 采用多种底物混合发酵可获得更高的产气效率, 同时也为沼渣的后续处理与利用带来方便。混合厌氧发酵以及优化混合原料组合将是重要的发展方向。
1.2 底物预处理
对于固体含量高的有机废弃物, 底物水解是限制其厌氧发酵过程的主要因素。底物水解速率除受自身生物可降解性、C/N比值等影响外, 还受底物物理结构、性状以及它们与水解酶接触难易程度等影响。底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解速率, 加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术, 可以提高底物水解速率与产气量。
1.2.1 物理预处理
物理预处理通过减小物料粒径、改变物料晶体结构、使微生物/酶与底物有效接触而促进消化进程, 主要有切碎、研磨、浸泡、冷冻、超声波、蒸汽爆破、脉冲等方法。预处理温度越高, 固体减少量越多, 甲烷产量越高。
1.2.2 化学预处理
化学预处理可以促进复杂有机物质降解转变为易于物降解的小分子物质, 从而提高产气效率。通常有酸、碱和氧化等方法。稀酸预处理可以显著促进纤维素水解, 已经成功用于木质纤维原料预处理。
1.2.3 生物预处理
生物预处理主要利用微生物所分泌的胞外酶等物质预先水解底物。传统的化学与物理处理技术耗能较多, 生物处理技术从成本和设备角度考虑具有独特的优势, 但处理效率较低。如何将这些预处理方法进行优化组合, 实现低成本、高效率, 是今后有机固体废弃物预处理技术研究的发展方向。
1.3 总固体 (TS) 含量
总固体 (TS) 含量对有机物的降解有显著影响。总固体 (TS) 在20%和30%时, 总固体 (TS) 和挥发性固体 (VS) 的降解率较高, 分别为27.85%、29.47%和32.42%、33.63%。当TS浓度为40%时, TS和VS降解率明显下降, 分别为24.22%和29.74%;当TS为50%时, TS与VS降解率更低, 仅为21.56%和29.35%。在一定水力滞留时间条件下, 连续式反应器中总固体含量 (有机负荷量) 过高, 会因有机酸过量积累而导致启动失败或产气量降低。
1.4 接种物
因总固体含量高, 在干法厌氧发酵过程中加入足够的接种物是加快厌氧发酵启动和提高甲烷产气率的重要措施之一。一般情况下, 干法厌氧发酵时菌种 (消化污泥) 添加比例为料重的20%左右;达到30%以上则可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。不同接种物因菌群不同产气效果相差很大。
1.5 p H值及温度
厌氧发酵系统中产酸菌可以在p H值为5.5~8.5内生长良好, 而产甲烷菌对p H值变化非常敏感, 其适宜p H值为6.6~7.5, 因此, 反应器的p H值应维持在6.5~7.8。温度与有机物分解过程有密切关系, 30~35℃ (中温) 与50~55℃ (高温) 是厌氧发酵的2个适宜温度段。中温厌氧发酵工艺所需热量少, 运行稳定, 便于管理, 得到大量应用。
1.6 搅拌
搅拌可使微生物与发酵底物充分接触, 加快底物的分解速度, 对于厌氧干发酵, 搅拌尤为重要。搅拌可使物料混合均匀, 避免局部酸化, 并有利于沼气逸出;但由于厌氧微生物代谢较慢, 搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用, 降低消化能力。
2 有机固体废物干法厌氧发酵处理工艺
2.1 连续式反应器
目前主要采用连续沼气干发酵工艺, 采用一种改进的二相消化过程来处理有机固体物。该发酵系统使水解酸化和产甲烷二个反应阶段分别在二个反应系统进行。在二相消化过程中, 产沼气率及挥发性固体的转化率均有提高。
2.2 间歇式 (批次) 反应器
在间歇式消化系统中, TS质量分数为30%~40%, 底物一次加料接种后完成消化过程。间歇式反应器设计简单、操作方便、对粗糙底物与重金属耐受性强、投资少。
3 干法厌氧发酵的生物监测及环境效应
3.1 干法发酵工艺对病源菌的影响
干法发酵厌氧发酵能够杀灭病源菌, 且高温厌氧发酵比中温更有效, 厌氧发酵对病源菌的杀灭效果除与温度有关外, 还取决于水滞留时间以及采用的工艺, 一般2步法比1步法对病源菌与病毒的杀灭效果更好。厌氧发酵过程不稳定或消化不彻底均可降低对病源菌的杀灭效果。
3.2 大气环境的影响
对厌氧产沼气工艺的环境影响进行系统分析表明:CO2、CO、NOX、SO2、CH4等气体的排放不仅与厌氧工艺有关, 而且与所用底物种类、沼气利用方式以及沼液、沼渣后续处理方式有关, 不同底物间温室气体排放量差异很大。
4 干法厌氧发酵技术难点
与湿法厌氧发酵相比, 有机废弃物干法厌氧发酵虽具有众多优势与益处, 但推广应用仍然存在众多困难:一是反应基质浓度高, 造成反应中间产物与能量在介质中传递、扩散困难, 易使部分区域中间代谢产物过度积累, 从而形成反馈抑制;同时水分含量低也影响细胞移动或酶扩散, 进而影响细胞或酶与底物的接触, 最终影响产气速率与效率;此外, 由于细胞移动与酶扩散困难, 需要加大接种量来实现快速启动, 增加了运行成本。二是反应基质的结构、组成以及颗粒大小等呈不均匀性, 使得系统运行难以控制, 连续运行不稳定。三是搅拌阻力大, 使得基质搅拌混合困难。
5 厌氧分级干式快速发酵技术
图1是美国加州大学戴维斯分校、加洲能源委员会、旧金山奥塞特能源系统公司 (Onsite Power Systems Inc) 研制的利用先进分级式生物工艺和工程设计技术、特殊的设备以及高效微生物发酵系统, 集分批和连续式发酵的优点于一体的有机废弃物转换为生物燃气的先进厌氧发酵技术装置 (厌氧分级快速发酵系统) , 是目前全球最先进的技术, 该项目已有在中国上海崇明使用。
同现有的沼气生产技术相比, 厌氧分级干式发酵技术有以下优点:
5.1是唯一可用于干物质含量高的废弃物厌氧分级干式发酵的适用技术, 发酵前不需进行加水处理, 可避免水污染问题, 尤其适用于城市垃圾和食品废气物。
5.2是目前唯一可用于以生物转换过程稳定生产氢气的技术。该系统所产生的甲烷和氢气目前主要是用来发电, 将来可以被进一步净化、压缩和装罐后用于汽车的运输燃料。
5.3集合了批式和连续生物处理过程的优点。
5.4稳定高效工业化生产生物燃气, 不受气候限制。
5.5采用了独特的工程和工艺设计及高效微生物发酵系统, 发酵速度快, 生物气体产量高。
5.6高温发酵可有效杀死有机废弃物中的有害病菌, 经发酵后的废弃物可用为高效有机肥。
5.7此项技术包括几项发明专利, 可处理多种农业、食品和城市有机垃圾。
椰子废弃物干法厌氧发酵工艺研究 篇2
关键词：椰子废弃物,干法厌氧发酵,沼气,产气量
0引言
随着社会的发展, 人们对能源的需求不断提高。 在出现的各种替代能源中, 生物质能源具有体积小、 容量大、热值高、可再生等特性, 已经被人们所利用[1- 4]。目前, 作为生物质能源利用的物质主要是农作物秸秆、生活垃圾、粪便等[5]。2010年, 我国椰子种植面积约4. 037万hm2, 全国椰子总产量约为2. 5亿个。其中, 海南省椰子种植面积3. 916万hm2, 产量为2. 3亿个[6 - 7]。近年来, 随着我国椰子产业的发展, 椰子加工所带来的废弃物也在不断增多, 由于椰子产业化程度不高、科研开发投入不足够[8], 大多数椰子种植过程中和加工中产生的废弃物被随意丢弃在地上或就地焚烧。这种处理方式不仅会造成空气污染、滋生细菌, 还会影响人们的生活环境。椰子废弃物的处理对改善农村生态环境、促进资源合理利用、推进和谐社会以及社会主义新农村的建设具有重大意义[9]。
干法厌氧发酵技术将是未来农业能源利用的发展方向之一[10 - 11], 这种发酵技术是以固体有机废弃物为发酵原料 ( 总固体含量在20% 以上) , 利用厌氧细菌将其分解为CH4, CO2, H2S等气体的发酵工艺[12]。椰子废弃物中的总固体含量大于50% , 可以利用干法厌氧发酵技术将农业废弃物转换成沼气能源被利用于发电或供热, 对于获取新型能源及解决环境污染具有重大意义[13]。近年来, 我国对发酵制取沼气技术的研究取得了一定的成果, 农村沼气产业迅速发展, 不同区域形成了农村户用沼气、养殖场大中型沼气工程等多种模式的建设格局[14 -1 5]。
本文选用了椰子废弃物作为发酵原料, 设计了4组试验对椰子废弃物进行干法厌氧发酵工艺研究, 同时探讨了接种物及预处理对椰子废弃物干法厌氧发酵制取沼气工艺的影响, 为椰子废弃物干法厌氧发酵技术在实际应用推广提供理论依据。
1试验材料与方法
1. 1材料
1) 试验原料: 试验采用的发酵原料是老椰子树的树干、树根、枯萎的椰子叶以及椰子的落裂果等椰子废弃物。原料从椰子种植园取回后切成3 ~ 4cm的小段, 然后在粉碎机中粉碎3min, 提高纤维素的降解性, 并且方便取样测量。
2) 接种物: 接种污泥取自海南大学东坡湖上流式厌氧污泥床, 并在密闭的环境下经过1 ~ 2d驯化; 然后去除上层清液, 取下层沉淀的絮状活性泥作为试验接种物料。经过处理的椰子废弃物与接种物理化特性如表1所示。
3) 其它材料: 质量分数为6% Na OH溶液、饱和食盐水、NH4HCO3粉末。
表中“含水率/%和总固体质量分数/%”为含水量和总固体占原始样品的质量分数, 其它百分数为各成分占总固体的质量分数。
1. 2试验装置
干法厌氧发酵装置示意图如图1所示。试验装置为自制1 000m L密封水压式干法厌氧发酵装置, 主要由发酵瓶、集气瓶、集水量筒等部分组成。恒温水浴锅为型号SY-1-4系列4孔恒温水浴锅。发酵瓶和集气瓶采用1 000m L透明的玻璃瓶, 便于观察发酵原料状态以及饱和食盐水体积的变化, 并用适当橡皮塞封口, 在橡皮塞上钻出如图1所对应的小孔。集水量筒为500m L带刻度的量筒。在橡皮塞上的小孔中插入玻璃管作为连接管, 并用石蜡和凡士林密封。
1.恒温水浴锅2.发酵混合物3.发酵瓶4.橡胶塞5.沼气输送管6.气相取样管7.集气瓶8.饱和食盐水9.排水输送管10.集水量筒
其工作过程为: 发酵混合物经过调解, 加入接种污泥后, 放入发酵瓶中密闭, 并置于恒温水浴锅中, 温度设置为 ( 35±1) °C。发酵混合物在发酵瓶内进行厌氧发酵, 消化过程产生的沼气通过沼气输送管输入装有饱和食盐水的密闭集气瓶中, 用排水法进行收集, 每日定时通过测定集水量筒中饱和食盐水的体积得到日产气量。用气体采样袋在气相取样管收集气体样品, 用于气体成分的分析。
1. 3试验设计
试验设置A, B, C, D共4组, 每组称取粉碎的椰子废弃物物300g, 分别装入塑料袋中经行15 ~ 20d的堆沤, 堆沤温度为50 ~ 55°C, 直至废弃物出现白色物质。试验接种量 ( 接种污泥占全部反应物料的比例) 为A组20% , B组30% , C组40% , D组30% +300g质量分数为6% Na OH溶液。堆沤好的废弃物加入A, B, C, D组比例的接种污泥, 并加入NH4HCO3粉末调节C /N比为23 /1 ~ 25 /1, 再加入一定量的水, 搅拌均匀后装入发酵瓶中。发酵温度设置35±1°C。试验发酵运行了31d, 有效发酵过程约为28d, 每天17: 00准时记录产气量, 每两天取一次气样, 测定一次甲烷含量。
1. 4测定项目和方法
1) 干物质TS: ( 105 ± 5 ) ° C的干燥箱中干燥至恒质量; 挥发性干物质VS: ( 550±2) °C马弗炉中干燥至恒质量。
2) 含水率:真空干燥箱中105°C下烘干3~4h。
3) 总有机碳量:K2Cr2O7—外热源法测定。
4) 纤维素、半纤维素、木质素: 采用纤维素测定仪 ( FIWE3 /6型) 。
5) 质量: 电子天平 ( kss-2201) 。
6) p H值:采用智能p H计 (PHS-3CT型) 测定。
7) 产气量:采用排水法测定。
8) 甲烷含量: 采用气相色谱法 ( GC -2010) 。
试验结束后, 综合所得到数据进行指标分析[1 6], 单位原料产气率CW和容积产气率CV, 计算公式为
式中VT—总产气量 ( m L) ;
W—每瓶发酵原料中废弃物总固体质量 (g) ;
V—发酵瓶体积 (m L) 。
2试验结果与分析
2. 1不同接种量对产气量的影响
图2所示为不同接种量对椰子废弃物干法厌氧发酵试验沼气日产量的影响。
从图2可以看出, 接种量为20% A组日产气量缓慢上升, 没有明显的产气高峰, 在发酵第29天停止产气。接种量为30% 和40% 的B和C试验组, 均在发酵第4天出现一个产气小高峰, 然后迅速下降到较低水平。这说明, 发酵初期出现一个产酸阶段, 到发酵第13天这两组均达到日产气量最高值, 分别为245m L / d和221m L / d, 发酵周期在29天左右。
干法厌氧发酵理论上可分为3个阶段: 水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段。接种量为20% 试验A组达不到椰子废弃物发酵的正常启动条件, 所以整个发酵周期无产气高峰期。对于接种量为30% 和40% 的B和C试验组, 在发酵初期有机酸较少, 原有的产甲烷菌比较活跃, 所以出现一个日产气小高峰; 而到产酸阶段的末端, 产酸菌产生的有机酸大于被利用的有机酸的量导致累积, 出现“酸中毒”现象, 从而破坏了沼气发酵的条件, 导致产气量下降; 随着发酵时间推移、椰子废弃物的分解和产甲烷菌的繁殖, 日产气量迅速增加到达最高峰; 达到最高峰以后, 椰子废弃物营养成分得到消耗, 影响产甲烷菌的活性, 产气量逐渐降低。
试验结束后各组累积产气量结果如图3所示。
由图3中可看出: 接种量为20% 时沼气累积产量最低, 接种量为40% 的试验组累积产气量高于接种量为30% 的试验组。
综合所有数据进行指标分析可得出原料产气率CW和容积产气率CV, 如表2所示。
从表2可以明显看出: 接种从20% 增加到30% 时, 总产气量增加了1 845m L; 接种量从30% 增加到40% 时, 总产气量增加了236m L, 产气总量相差不大。 这说明, 椰子废弃物干法厌氧发酵接种量达到一定值时, 分解率就达到了一定极限, 产量总量增加量减少, 因此接种量为30% 较合适。3组的原料产气率CW和容积产气率CV都随着接种量的增加而增大。由此可见, 接种量的多少对椰子废弃物干法发酵是非常重要的影响因素。
2. 2不同接种量对甲烷含量的影响
不同接种量试验组对沼气中甲烷体积分数的影响如图4所示。
从图4可以看出, 本实验产生气体甲烷含量随着发酵时间的延长, 呈先升高到平衡后下降的趋势。接种量为40% 和30% 的试验中, 甲烷含量上升迅速, 均在第13天达到最高值, 分别为54. 2% 和56. 4% 。这说明, 发酵料液中的产甲烷菌的活性增强, 进入了产甲烷活性期, 随着产气量的下降, 这两组甲烷含量均保持在48% ~ 55% 之间; 其后, 随着有机物的消耗, 甲烷浓度逐渐下降。接种量为20% 时, 椰子废弃物所产生的气体甲烷含量上升缓慢, 在第19天达到最高值51% , 随后趋于稳定。
2. 3预处理对沼气产量的影响
图5为6% Na OH预处理对椰子废弃物干法厌氧发酵的影响。本试验中, 预处理是在发酵前对发酵原料进行6% Na OH溶液浸泡。Na OH溶液预处理可以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键, 溶解纤维素、半纤维素、一部分木质素及硅酸盐, 使纤维素膨胀[1 7]。所以, 椰子废弃物在6% Na OH中浸泡一段时间后纤维素及木质素等成分被提前消解, 会使发酵进行得更加顺利。从图5可以看出: 经过预处理的试验组在发酵前期沼气产量一直高于无预处理的试验组, 在发酵第8天组日产气量就达到产气高峰, 高峰日产气量为249m L /d, 而无日产气小高峰。这主要是因为6% Na OH溶液中和了产酸阶段积累的有机酸, 达到最高峰以后, 随着发酵的进行, 椰子废弃物营养成分消耗, 产生的有机酸过剩, 影响产甲烷菌的活性, 产气量逐渐降低, 逐渐降到最小值。从图5可以明显看出, 在椰子废弃物干法厌氧发酵过程中, 预处理过的椰子废弃物达到产气高峰的时间比无预处理组更短。这说明, 产气高峰提前到达, 产气速率提高, 且启动速度加快。
接种量为30% 和接种量30% 经过6% Na OH溶液预处理的试验组的各项产气指标如表3所示。
从表3可以明显看出, 经过预处理的试验组各项产气指标均高于无预处理的试验组。这说明, 对椰子废弃物进行预处理可以大幅度提高发酵产气量及发酵产气率。
3结论
1) 通过对比接种量在A, B, C等3组试验数据可以看出: 接种量需要在20% 以上时才能正常启动; 接种量30 % 与接种量40 % 得到的总产气量分别为3 238m L和3 474m L, 两者差距不大; 但接种物达到一定量时, 原料的分解率达到了极限。30% 和40% 产生的沼气含甲烷的最大体积分数为54. 2% 和56. 4% 。 综合以上数据分析得出: 接种量30% 是较适宜椰子废弃物发酵。
2 ) 通过接种量30% 与接种量30% 加6% Na OH溶液对比试验表明: 经过6% Na OH溶液处理的发酵原料达产气高峰所用时间比无预处理试验组少用了5天, 且产气总量、原料产气率和单位体积产气率都有所提高。因此, 经过6% Na OH溶液处理干法厌氧发酵效率高于无预处理的试验组。
污泥厌氧发酵沼气产生规律研究 篇3
污泥是城市污水处理和废水处理不可避免的副产物,含有大量的有机质和营养元素,能量巨大。另一方面,我国正面临着巨大的能源与环境压力,矿物能源和资源日益耗尽,开发并生产各种可再生能源替代煤炭、石油和天然气等化石燃料是世界今后解决能源紧缺的一种有效途径[2]。在德国,城市污水厂通过污泥沼气发电,可满足其自用电力的57%[3]。因此,利用污泥消化产沼气不仅能够解决污泥出路的问题,还使得污泥作为一种资源得到了利用。
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
1.1.1 仪器。
注射器(50 mL)、电子天平(BS124S,北京赛多利斯仪器系统有限公司)、干燥箱(101-3y(A),苏州市大隆仪器仪表有限公司)、电炉(500 W,永康市豪鹰电器有限公司)、总碳测定仪(WW-05,上海谷雨环保科技有限公司)。1.1.2供试原料与试剂。供试原料为沉淀池污泥,南昌市朝阳污水处理厂提供。试剂:硼酸、尿素、CuSO4·5H2O,北京化工厂产;无水氯化钙,上海市奉贤奉城试剂厂产;硫酸、硫酸汞、盐酸,上海振兴化工二厂有限公司产;硫酸亚铁氨,上海试四赫维化工有限公司产;重铬酸钾、硫酸银、氢氧化钠、三氧化铁、K2SO4、甲基红,上海试剂一厂产。规格均为分析纯。
1.2 试验设计
1.2.1 沼气池设计。
由于原材料和制作工具的限制,试验中沼气发生器不能制作成圆形的,但沼气池形状的基本数据还是类比成圆形的。材质选用透明的有机玻璃,根据计算所得数据在有机玻璃板上画出相应的图形,然后通过人工切割和手工打磨的方式把有机玻璃板分成小块,最后用三氯甲烷把切割下来的小块拼接组装起来。沼气发生器结构如图1所示,单位为厘米。
1.2.2 沼气净化装置的设计与制作。
沼气净化采取碱液吸收和用干燥剂干燥的方法对沼气进行净化,因此吸收部分采用箱状结构,干燥部分采用塔状结构。具体形状和数据如图2,单位为厘米。
2 结果与分析
2.1 污泥含水率与碳氮比
经分析表明,从朝阳污水处理厂取来的污泥含碳量为0.655 mg/g、含氮量为0.032 mg/g,含水率比较高,为93.65%;但是碳氮比偏低,为20.5,合理的碳氮比为20～30,因此可考虑加入一些氮进去,以增大碳氮比[4]。
2.2 CODcr与沼气量
投入当天从南昌朝阳污水处理厂取来的新鲜污泥12 L,并且密封好沼气发生器,开始厌氧发酵。因为碳氮比有点偏低,所以加入少量的尿素,约10 g。发酵过程变化见表1,由表1可知,试验开始1～2 d没有产沼气,其原因是污泥中细菌以好氧菌为主,加上沼气发生器中还含有部分空气,因此整个反应器内以好氧为主,这阶段COD的下降也是这个原因。试验3～5 d CODcr下降幅度度差不多,但沼气产量相差较多,其原因是污泥中的好氧菌还存在一部分,但是厌氧反应明显开始大于好氧反应。试验5～6 d沼气产量达到最大值。以后几天厌氧菌进入衰亡期,加上污泥中有机质已消耗差不多了,因此沼气量逐渐减少。
注:从2008年4月18日18:00开始发酵,每隔24 h测1次数据,共检测10次。
2.3 沼气的净化
由于开始测COD时,用硝酸银滴定时没有发现沉淀,因此污泥中不含有卤素,也就没有卤化烃产生,不需要做卤化烃成分的测定和去除。
2.3.1 沼气中硫化氢的测定。
用50 mL注射器抽取50 mL沼气发生器产生的沼气于1个密闭容器中(容器中装有一定量的氧化铁),静置24 h。称其前后的质量差,差值就是硫化氢的含量。平行测定2次,取其平均值。此次试验的差值为0.0001 g,则硫化氢含量为:0.000 1/50×10-6×100%=2 000(mg/m3)。根据《恶臭污染物排放标准》(GB14554-93)中硫化氢二级排放标准,排放浓度应该达到0.06 mg/m3,实测的数据为2 000mg/m3,必须予以净化。
2.3.2 沼气中二氧化碳的测定。
用50 mL注射器抽取50 mL沼气发生器产生的沼气于1个密闭容器中(容器中装有足量的氢氧化钠),静置2 h。称其前后的质量差,然后换算出二氧化碳的含量。平行测定2次,取其平均值。此次试验的差值为0.036 g,换算成二氧化碳的体积为18.327 mL,则二氧化碳含量为:18.327/50×100%=36.65%。
2.3.3 沼气中甲烷的测定。
沼气中主要成分就是二氧化碳和甲烷,其他气体可以忽略不计(约占2%),计算出二氧化碳的含量,就能得出甲烷的含量。此次试验中甲烷含量为:1-36.65%=63.35%。
2.3.4 沼气的净化研究。
把自制的沼气发生装置的出气管接到自制沼气净化装置的进气管上,在沼气净化装置中分别加入2、4、6 moL/L的氢氧化钠溶液。再在净化装置的出气管处收集沼气,测定沼气中硫化氢和二氧化碳的含量[5](方法同2.3.1、2.3.2,具体数据如表2所示。由表2可知,碱液对二氧化碳的吸收效果非常明显。此次实验不同浓度的氢氧化钠对二氧化碳的吸收影响极其有限,可能是二氧化碳的量相对较少,而氢氧化钠的量相对较多的缘故,而硫化氢本身量就小,经过氢氧化钠溶液后,已经超出天平(万分级)称量范围而无法准确测出去除率,但也应该是明显的,因此取碱液浓度为2 moL/L。
注:进出口处CO2含量(%)为体积比,出口处H2S含量:“-”为超出仪器检测范围。
2.3.5 沼气中水的去除。
沼气中水的去除,可以通过延长沼气输送管道来达到目的[6]。试验是通过加了1根较长的U形玻璃管来去除,试验中U形玻璃管底部有少量水珠出现。由于水含量本来就少,通过干燥剂后再称出质量求得差值,得出结果已微乎其微,因此该试验中没有测定沼气的含水量。
3 结论
试验结果表明,朝阳污染处理厂的污泥含水率比较高,达到93%以上,但是C/N偏低,只有20.5;厌氧发酵过程中CODcr不断下降,而在第6天时沼气产量达到最大(0.63 L);以不同浓度的氢氧化钠溶液吸收二氧化碳和硫化氢,当氢氧化钠溶液浓度为2 moL/L时吸收率可以达到99%以上。
摘要：利用自制的沼气发生器和沼气净化装置,以污水处理厂污泥为原料进行厌氧发酵产沼气研究。结果表明:污泥含水率在93%以上,但是C/N只有20.5,厌氧发酵过程中CODcr不断下降,而在第6天时沼气产量达到0.63 L。以氢氧化钠溶液吸收二氧化碳和硫化氢,浓度为2 moL/L时吸收率可达到99%以上。
关键词：污泥,厌氧发酵,沼气,产生规律
参考文献
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间歇式沼气干法发酵的研究 篇4
沼气是沼气微生物在厌氧条件下发酵、分解有机物而产生的一种可燃性气体。甲烷含量占55%～70%, 二氧化碳占25%～40%, 此外还含有少量的氮气、一氧化碳、氢气和硫化氢等。沼气燃烧时, 呈淡蓝色火焰, 温度高达1 400℃, 每立方米沼气燃烧时能够释放20 640～22 990kJ热量。目前用于制取沼气的厌氧工艺很多, 其中较为常用的有:上流式厌氧污泥床 (UASB) 、污泥床滤器 (UBF) 、两段厌氧消化法、升流式污泥床反应器 (USR) 、塞流式消化器 (HCF) 。
根据厌氧发酵底物干物质含量的不同, 沼气发酵技术可分为湿法和干法两种:湿法技术的底物干物质含量一般小于8%, 是液态有机物的处理方法;干法技术的底物干物质含量一般在20%以上, 是固态有机物的处理方法。沼气湿法发酵技术具有物料传热、传质效果好, 反应器可以在厌氧状态下连续进出料, 易于工程放大等优点, 被现阶段大中型沼气工程普遍采用;而沼气干法发酵技术较难实现在厌氧状态下连续进出料, 过去仅用于一次性“大换料”的户用沼气池。随着全球能源和环境危机日益加剧, 具有容积产气率高、处理过程中不产生污水、自身能耗低等独特优势的沼气干法发酵技术受到了越来越多的关注, 近年来在工程化技术方面取得了长足的进步。
1 沼气干法发酵的原理及工艺条件
沼气干法发酵是指培养基呈固态, 虽然含水丰富, 但没有或几乎没有自由流动水的沼气厌氧微生物发酵过程, 其发酵的微生物学原理与湿法沼气发酵基本相同。在这个过程中已查明的微生物约有二三百种, 这些微生物在有机物的厌氧分解过程中相互依存, 形成一条食物链, 其中大多数微生物不直接产生甲烷。按“三阶段理论”, 沼气干法发酵的过程可分为3个阶段:第一阶段为水解阶段, 各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用, 必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶 (纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶) 的作用下, 将固体有机质水解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸, 这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用;第二阶段为产酸阶段, 各种可溶性物质 (单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸) , 在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质, 如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质, 同时也有部分氢气、二氧化碳等无机物释放;第三阶段为产甲烷阶段, 由产甲烷菌将第二阶段分解出来的乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳。
沼气干法发酵的工艺条件主要包括两个方面:一是从工艺上满足厌氧发酵微生物生长繁殖的适宜条件, 以达到发酵旺盛、产气量高的目的。这包括厌氧环境的形成, 原料的预处理, 底物C/N比和干物质含量、发酵温度、pH值、接种物量等参数的合理控制等。二是从工艺上满足沼气干法发酵的工程化生产问题。由于干法发酵原料呈固态, 在反应器厌氧状态下连续进出料有较大难度, 为避免使用高能耗的输送设备, 一般采用全进全出的间歇式进出料工艺。在间歇式进出料工艺条件下, 能够实现大规模快速进出料的反应器形式和密封结构是工程化研究设计的难点。
自20世纪80年代末、90年代初开始, 随着畜禽养殖业的快速发展, 畜禽粪便资源日渐丰富, 采用干法发酵技术的户用沼气池逐渐被进出料方便、产气量相对较稳定的湿法发酵技术取代, 沼气干法发酵技术进入缓慢发展时期, 但有关研究仍在继续。干法发酵工艺又可以分为连续式和间歇式两种, 由于连续性干法沼气发酵工艺太复杂、成本过高, 因此未能得到推广。世界上第一个商业运行的间歇式反应器建于荷兰, 其1kgVS (挥发性固体) 可产甲烷260L。
2 国内外间歇式沼气干法发酵的技术概况
从20世纪90年代起, 德国大量资助了新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发;90年代末, 德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试, 2002年生产出工业级装备并投入实际运行。
德国巴伐利亚州是目前德国沼气技术应用最发达的地区。巴伐利亚州的别费慕公司在德国中试研发的基础上, 研发出了商业实用的技术, 很好地解决了上述两个问题, 并在全世界登记了专利, 成为德国第一个通过德国技术监督协会undefined的干法沼气发酵成套设备技术安全认证和建立并运营德国第一套商用级间歇式干法沼气站的公司。采用别费慕公司的技术, 可在国内配套很多材料和部件, 进口技术只占沼气站设备和建设投资的很少一部分, 同时别费慕公司是一家高技术公司, 因此非常支持间歇式干法沼气发酵技术尽可能多的部分国产化。
我国在21世纪初开始了间歇式沼气干法发酵的研究, 目前还处于起步阶段, 有一部分科研人员对间歇式沼气干法发酵的操作参数做了很多研究为间歇式沼气干法发酵的工程化提供了一定的理论基础。根据2008年北京奥运会中国政府的承诺, 中国鼓励大力发展作为可再生能源的先进大型沼气生产技术。
3 间歇式干法沼气发酵技术的优点
1) 自身耗能低, 冬季仅耗用自身产生的能量10%～15%。而湿法要耗用30%左右的能量, 在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%, 因而大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。
2) 可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物, 大大节省了预处理成本。
3) 由于没有搅拌器和管道, 发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等的影响, 因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出。
4) 在发酵罐/室中没有搅拌器等运动部件, 因此系统的可靠性很高。
5) 沼气质量高 (含硫量远远低于湿法沼气, 只有50×10-6～300×10-6, 可以不经洗气直接供沼气发动机使用) , 发酵物出气率高。
6) 发酵室为地面车库型不透气混凝土结构, 底部管道暖气供热, 因而土建费用很低。
7) 发酵室为模块化结构, 易扩展。
8) 建设和运营成本随规模增长很慢, 占地小, 适于建设年处理可发酵垃圾1 000t以上、年产沼气100m3以上的大型沼气工程。
9) 进料出料可使用通用的装载机等工程机械, 设备效率高, 通用性强。
10) 因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液, 所以不用脱水处理, 发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料, 因而存储和后处理费用低, 价值高。
11) 耗水量比起湿法大大降低, 几乎没有污水排放, 大大节省了水费和污水处理费。
12) 由于上述的原因, 因而新型的间歇式干法沼气发酵工艺的初期投资、运营成本和环境成本都远远低于湿法技术。
4 间歇式干法沼气发酵技术工艺
4.1 间歇式干法沼气发酵技术工艺流程图
间歇式干法沼气发酵技术的工艺流程图, 如图1所示。
4.2 间歇式沼气干法发酵的工艺流程
间歇式沼气干法发酵原料为牛粪和秸秆混合物。工艺分为以下几个步骤进行:
1) 在牛粪中加入粉碎的秸秆混拌均匀, 牛粪与秸秆质量比约为3∶1;
2) 混合原料经好氧发酵后利用装载机运入厌氧反应仓, 关闭仓门;
3) 利用反应仓顶部的沼液喷淋系统向原料喷撒沼液, 仓底部设集液槽, 将沼液收集到沼液池, 经增温后再通过沼液喷淋系统喷撒在原料上, 保证发酵物中甲烷菌群数量和繁殖速度;
4) 利用生物质锅炉, 通过反应仓底部地热管给原料增温;
5) 反应仓设换气系统, 在产气结束后, 监测和自动控制系统会自动启动换气系统, 排干仓内残余沼气, 保证安全;
6) 本工程设自动监测、控制系统, 可对每个反应仓内原料含水量、仓内压力、温度、含水率、沼气成分进行监测, 并自动控制整个工程运行;
7) 原料在经过两天发酵后, 可正常产气, 产气周期为30d, 所产沼气净化后经输配系统供应居民使用及用于发电自用, 沼渣经干化筛分后用做肥料。
4.3 单元工艺举例
1) 混合备料。
将牛粪中加入粉碎量为1～10mm的秸秆粉, 混拌均匀混合比例为3∶1。
2) 沼液池。
设容积90m3沼液池, 用于收集沼液回流使用。
3) 厌氧反应仓。
总容积2 000m3, 干物质浓度控制在20%, 沼气发酵温度为 (35±20) ℃、设计发酵原料滞留时间为30d。反应器底部埋设地热管道, 采用生物质锅炉为厌氧反应仓增温。
4) 进、出料设备。
850型滑移式装载机1台, 用于进出料。
5) 控制系统。
整个工程在各单元设置传感器, 包括温度、压力、流量以及气体成分分析, 通过计算机进行监控。
6) 附属设施。
根据工艺要求, 附属设施有进料间、存料间、净化间、控制室、锅炉房等。
7) 配电系统。
整个工程采用统一配电, 可以节约电能。
8) 增温系统。
采用生物质锅炉1台, 冬季为沼气池增温。
9) 净化系统。
采用脱硫器、除尘器、气水分离器净化沼气, 提供清洁能源。
10) 安全系统。
采用消防水枪、灭火器、避雷针, 保证沼气工程的正常生产。
5 结束语
间歇式沼气干发酵能产生清洁的能源和优质的有机肥, 基本上达到了零排放, 符合我国广大农村地区对环境优良、清洁能源和优质有机肥的需求。随着对农村城镇化以及养殖的集约化发展, 对清洁能源及畜禽养殖场能环工程的需求将不断加大, 间歇式沼气干发酵必将成在废弃物处理中起到重要的作用。
参考文献
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