2019年6月5日

厌氧消化(通用)

作者/编译
Dorothee Spuhler(Seecon International GmbH)

执行概要

沼气卫生是指用厌氧消化的方法来处理废物和废水。在厌氧消化过程中,废水和废水中的有机物被转化为沼气、甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)的混合物以及营养丰富的污泥。沼气可转化为热能或动力,因此作为一种可再生能源具有很大的潜力。这些营养丰富的污泥可以被堆肥,在农业中用作土壤肥料。典型的沼气卫生技术有沼气沉降器、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧折流板反应器(abr)和城市污水厌氧过滤器;以及用于处理来自农业和工业的泥浆和固体有机废物的沼气反应器(批式、补料批式PFR或CSTR)。

优点
可再生能源生产(热、光、电)
通过回收甲烷减少温室气体排放
减少须处理的固体废物(例如减少多余污泥)
将有机废物转化为优质肥料
通过减少病原体、虫卵和苍蝇来改善卫生条件
工艺稳定性(可以治疗高负荷,但厌氧污泥也可以长时间保存,无需任何喂食)
建筑成本相对较低
厌氧处理系统对空间的要求比好氧处理系统低
缺点
设计、建造甚至操作都需要专家(复杂性通常随规模而增加)
温度的依赖
需要建立生产能源的再使用(例如转化为热能和电力)
污泥可能需要进一步治疗(例如,有氧堆肥,使用污泥干燥床等腐殖液)
产甲烷细菌对大量化合物的高敏感性
需要播种(由于厌氧菌的生长产量低,启动时间可能很长)
出去

黑水公司Brownwater粪便污泥

沼气

介绍

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沼气卫生技术的基础是在密闭的容器中收集废物和废水,在密闭的容器中厌氧消化将有机物转化为沼气和营养丰富的泥浆。生产的沼气可以被回收并直接用于烹饪和照明,也可以在燃气加热器系统中转化为热量,或在热电联产工厂中转化为热电联合(CHP),从而取代其他燃料来源(MES et al. 2003;jensen等人,2004年;WRAPAI 2009)(关于沼气转化为电能的资料小的大规模的,或者在直接使用沼气).沼气还可以升级为天然气质量,压缩并用于动力汽车。甲烷(CH4)是利用沼气燃料方面有价值的组成部分。沼气含有约60%至70%的CH4热值约为6千瓦时/米3.相当于大约1升柴油(ISAT/GTZ 1999)。剩余的污泥在生物上或多或少是稳定的,并且营养丰富,这使它成为一种宝贵的土壤调节剂和肥料。

沼气卫生系统概述方案。资料来源:Muench(2008)
沼气卫生系统概述方案。资料来源:Muench(2008)

厌氧消化是一种成熟的处理技术,适用于含有高浓度有机物的废水或废物。厌氧垃圾和废水处理比有氧工艺更便宜,更简单,因为不需要用于曝气系统的能量,并且污泥体积的减少相对较高,因为大部分有机物质挥发到沼气中。此外,沼气的收集将温室气体的排放减少到大气中,并提供可再生能源的来源。

厌氧消化是用于废物处理的最古老的技术之一(Mueller 2007)。Anaerobic消化的产业化始于1859年,是印度孟买的第一植物。这些早期的沼气植物基于简单的废物倾倒池,被覆盖为收集气体。这种类型的植物仍然适用于治疗一些非常稀释的废物(Burke 2001)。

用沼气收集覆盖了厌氧废物稳定池(WSP)。资料来源:莽(N.Y.)
用沼气收集覆盖了厌氧废物稳定池(WSP)。资料来源:莽(N.Y.)

处理市场废物的小型沼气反应器;大型厌氧泻湖,利用沼气回收处理养猪场废弃物(中);以及在蛋形完全混合反应堆中处理城市污水处理厂的多余污泥(右)。来源:MIKLED(纽约);GFN UNIZAR(纽约)。
用于处理市场废物的小型沼气反应器(左);大型厌氧泻湖,利用沼气回收处理养猪场废弃物(中);以及在蛋形完全混合反应堆中处理城市污水处理厂的多余污泥(右)。来源:MIKLED(纽约);GFN UNIZAR(纽约)。

在发展中国家,主要是基本农业小型沼气反应器已得到推广。在工业化程度更高的国家,厌氧消化池不断得到改进,更先进的设备和操作技术出现,导致使用大型封闭罐和加热和混合设备(MUELLER 2007)。如今,面对全球能源和气候危机,沼气作为一种可再生的绿色能源的兴趣日益高涨。电力和燃料定价以及电网接入是推广沼气厂的关键因素(BRUYN 2006)。几乎任何有机废物都可以通过厌氧消化转化为能源,根据基质和环境的不同,有各种各样的技术可用。

主要应用沼气卫生

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沼气卫生系统分类

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沼气处理技术分类。来源:SPUHLER (2010)
沼气处理技术分类。来源:SPUHLER (2010)

厌氧沼气反应器可分为“高速”系统,涉及生物质保留和没有生物质保留的“低速”系统。

高速系统的特征在于液压保留时间(HRT),但长污泥保留时间(SRT)。典型的高速系统是沼气的定居者AFsUASB反应器,用于预处理(如沼气沉淀器)和处理(如abr、AFs和UASB)相当不均匀的流动,如城市废水。在高速率系统中,污泥被保留并转化为沼气,而液体则从罐中流出,进行进一步处理和/或处置。

低速率系统的特征在于相对长的液压HRT,其等于SRT作为污泥和液体进入并将罐更加均匀地混合浆料。低速率系统适用于各种可生物降解的浆料(例如动物粪便,来自市政废水植物的多余污泥,混合有机固体废物)。典型的低速率厌氧沼气消化器是批量反应器,FED批量反应器(累积系统),塞流反应器(PFR)或连续搅拌罐式反应器(CSTR)(参见事实表沼气消化器小大的规模)和用于有机固体废物处理的沼气反应器).

所有这些技术使用的过程基本上都是一样的:厌氧消化。然而,根据要处理的废水的规模和类型,设计、建造和操作的复杂性有很大差异。

厌氧消化

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厌氧消化是指在没有空气的情况下,微生物活动将有机物降解为生物质和沼气(甲烷的混合物)4),二氧化碳(CO2)和一些微量气体:

甲烷(CH4

50%至75%

二氧化碳(有限公司2

25 - 50%

氢(H)

5% - 10%

(N.2

1% - 2%

硫化氢(H2S)

痕迹

典型的沼气组成。来源:Yadava&Hesse(1981);粮农组织(1996);pipoli(2005);GTZ(2009年)

该方法通常用四个阶段进行:水解;发酵和酸化;乙酰化和甲烷发生。为了达到这种四个步骤的序列,各种细菌(例如发酵,乙酰致和甲状腺细菌)需要一起工作。这些类型的细菌都不能单独生产沼气产品(ISAT / GTZ 1999)。

厌氧消化:复杂的有机分子、蛋白质和脂肪在四个步骤的过程中被分解成甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和一些微量气体的混合物。沼气可以被收集,甲烷可以作为可燃物使用。来源:SPUHLER (2010)
厌氧消化:复杂的有机分子、蛋白质和脂肪在四个步骤的过程中被分解成甲烷(CH4)、二氧化碳(CO2)和一些微量气体的混合物。沼气可以被收集,甲烷可以作为可燃物使用。来源:SPUHLER (2010)

水解描述化合物通过与水反应而裂解的过程。因此,一个氢原子(H)被加到分裂链的一部分,而水的剩余羟基(OH)被加到另一部分。水解是厌氧消化的第一步,其中不溶于碳水化合物和脂肪的不溶性复合分子被分解为短糖,脂肪酸和氨基酸。
发酵是厌氧消化的第二步。发酵细菌将糖和其他水解的有机单体产物转化为有机酸、醇、二氧化碳(CO2)、氢(H)和氨(NH)3.).

Acetogenesis是厌氧消化的第三步。发酵产物(有机酸、醇)转化为氢(H2),二氧化碳(CO2)和醋酸(CH3.羧基)。为了产生醋酸,产醋细菌需要氧气和碳。为此,他们使用溶解氧或束缚氧。因此,产酸细菌创造了厌氧条件,这对负责下一步的产甲烷微生物是必不可少的。

甲烷化是厌氧消化的第四步,也是最后一步。产甲烷细菌(methanogens)是严格厌氧的,它将乙酸、二氧化碳和氢转化为甲烷(CH4,50-75%),二氧化碳(CO2, 50- 75%)和不同数量的氮气、硫化氢和其他成分。这种混合物被称为沼气(PIPOLI 2005;公司2009年)。

重要工艺参数

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为了使消化有效,它应该作为一个精细平衡的生命系统运行——仔细控制和密切监测——以便为负责厌氧消化的细菌的生长创造最佳条件。因此,在设计和处理沼气处理装置时应考虑几个因素。下面将介绍这些参数中最重要的几个。

温度:嗜苯胺和嗜热消化

温度是影响厌氧消化过程性能的重要参数之一。厌氧消化在理论上在大约3到70°C之间是可能的(ISAT/GTZ 1999)。在所有其他微生物过程中,代谢速率随着温度的升高而增加:温度越高,保留时间越短(WERNER et al. 1989)。根据温度的不同,消化过程或多或少会持续很长时间,因此,温度与保留时间直接相关。
根据消化器的温度(SASSE 1988)可分为以下几种消化:嗜冷消化(10-20℃);中温消化(20-35℃);耐热消化(50-60℃,HRT > 8天)。厌氧消化器的常规操作温度是中温和温温的。嗜热工艺过程在更短的时间内产生更多的沼气,但需要更高的输入能量来获得操作温度。此外,在较高的温度下,不仅可以增加甲烷产量,还可以产生游离氨,这对消化性能有抑制作用(ISAT/GTZ 1999)。因此,中亲性系统通常更有趣。如果生物质的温度低于15°C,气体产量将非常低,沼气厂在经济上不再可行。

的最佳ph值

就pH值而言,有两组细菌,即产酸菌和产甲烷菌。酸性菌的最佳pH值范围为5.5 - 6.5,产甲烷菌的最佳pH值范围为7.8 - 8.2 (MANG n.y.)。组合培养的pH值为6.5-7.5 (MES et al. 2003)。由于甲烷生成被认为是一个限速步骤,pH值接近中性是最适的。一般来说,pH值是自动调节的,现在需要调整。然而,在系统功能障碍的情况下,不适当的pH值可能是微生物过程受到干扰的原因(MES et al. 2003)。

总固体含量:干发酵(高固体)和湿发酵(低固体)

低速率消化器可以设计为在高固体(干)或低固体(湿)消化过程中操作。高固体消化器中TS含量高于20%,而低于20%的消化过程称为湿消化。处理剩余污泥、粪便污泥和农业或工业泥浆的最常见的低速率工艺是湿法工艺。湿式(也是低固体)消化器可以通过系统使用标准泵输送物料,这需要更低的能量输入。干燥法的优点是需要较少的空间,但它们在某种程度上更复杂和相对较新的,但它们在处理城市有机固体废物方面有很大的潜力。在高速率厌氧系统中,污泥与液体分离后的TS含量与湿式消化的浆体含量大体相似,但干湿式概念不适用于高速率厌氧系统。

混合

对于操作系统的操作系统,必须通过机械搅拌,气体循环(鼓泡)或重力下的位移来提供混合(Mueller 2007)。密集混合对于允许细菌与每种可降解材料的接触是重要的。因此,混合改善了反应器系统的处理速率(Mueller 2007)。

甲烷生产潜力:COD和厌氧生物降解性

在各种沼气技术中,化学需氧量(COD)通常被用来量化废水中有机物的数量,并预测沼气生产的潜力。另一个评价厌氧消化底物的非常有用的参数是厌氧生物降解性和水解常数。总厌氧生物降解性是通过在至少保留50天的时间内产生的甲烷总量来测量的(MES et al. 2003)。

反应堆设置:批次或连续

最常见的低速率沼气反应器是间歇式反应器、塞流式反应器(PFR)和连续搅拌罐反应器(CSTR)。混合概念的高速反应器:连续模式用于液体,分批模式用于沉淀污泥。湿系统通常也采用进料分批反应器(堆积系统,MES等,2003)。

批处理系统是唯一能够精确控制水力或固体停留时间(HRT和SRT)的系统。但由于该批次需要定期打开和排空,可能会产生臭味。在连续反应器(PFR和CSTR)中,HRT/SRT是通过反应器体积除以流量来确定的。

一段和多段加工

所有的过程都在一个反应器中进行的一级消化,节省了成本,也更容易操作。小型工厂一般按一级工艺设计。然而,大型工厂通常采用两阶段或多阶段工艺。多阶段过程的想法是消化是由一系列生物化学反应介导的,这些反应不一定具有相同的最佳环境条件。该系统涉及从醋酸生成和甲烷生成相分离水解和酸生成相(MES et al. 2003)。这样可以更精确地控制影响消化细菌性能的主要工艺因素(氧气、温度和pH)。尤其有趣的是,当加热用于改善甲烷生成过程时,需要加热的体积大大降低,从而节约能源。

适用性

厌氧消化几乎可以用来处理任何一种有机废物。在对沼气作为可再生能源有需求的地方,以及在剩余的肥料污泥可用于食品或作物生产的地方,这一点特别有趣。

南方国家广泛传播动物粪便,厨房废物和厕所产品的小型沼气反应堆,主要在南方国家广泛传播。大型植物主要用于工业化国家,用于治疗农业和工业的废物浆料或从市政废水处理中的过度污泥处理。在小型,社区和大规模水平下,还有技术用于治疗有机固体废物。

库引用

乳品废物厌氧消化手册。从牛粪中回收有益产品的选择

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案例研究

沼气系统

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发展中国家生物废物的厌氧消化

Eawag/Sandec出版的这本书汇编了关于中小型城市生物废物厌氧消化的现有和最近产生的知识,并特别考虑到发展中国家的普遍情况。本书为在废物和可再生能源部门工作的参与者编写,分为两部分:第一部分侧重于厌氧消化供应链(基材、工艺和产品链)的实际信息,第二部分介绍了来自世界各地的精选案例研究。

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培训材料

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沼气卫生系统

本pdf演示文稿很好地介绍了沼气卫生作为一种可持续的生态卫生方法。阐述了基本原理和主要特点。还讨论了一些设计注意事项。

MANG, h.p.(2005):沼气卫生系统。(=生态卫生课程)。北京:中国农业工程研究院

沼气技术-推广培训手册

本手册载有关于大规模传播国内(农业)沼气系统的各种主题的一整套培训材料,包括沼气技术的系统办法、沼气方案、沼液的再使用、补贴和机构筹资、质量标准以及监测和评价问题。

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沼气手册。整合的信息

这本手册,即使它可以追溯到1982年,是非常全面的。它解释了沼气制作理论,影响植物设计的因素,以及植物的操作。提供了几种流行的沼气设备设计,建筑和操作和维护的细节。还包括沼气利用装置的设计及其用于照明和烹饪的操作要求以及作为用于素移动器的燃料。讨论了消化的浆料作为有机肥源的用途。沼气植物和器具建筑和操作面临的技术问题以及原因和已知解决方案。

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沼气工厂

这份相当古老的文件仍然对沼气技术有很好的概述。它的目的是帮助沼气厂的设计者能够区分有效和无效的解决方案。

刘志强(1988):沼气厂。德国适当技术交流(GATE)和德国技术合作署(GTZ)有限公司URL.[访问:15.05.2012]

发展中国家改良沼气装置

这本小册子反映了坦桑尼亚阿鲁沙CAMARTEC(农业机械化和农村技术中心)生物气推广服务(BES) 7年的经验,该服务于1983年至1986年与GTZ合作开展。它可以作为农业院校的教学辅助工具,也可以作为从事农村沼气推广工作的专业人员的参考书。

(1991):发展中国家改良沼气单位。德国适当技术交流(GATE)和德国技术合作署(GTZ)有限公司URL.[访问:05.06.2019]

厌氧废水处理培训材料

本培训手册强调沼气技术的基础知识以及设计原则和技术考虑。文中还给出了一个设计示例和一些技术图纸和草图。

华夫勒(2008):厌氧废水处理培训教材。(= Ecosan专家培训课程)。阿劳:Seecon GmbH是一家URL.
提高认识材料

…和污水

罗斯·乔治在《纽约时报》上发表的这篇专栏文章强调了作为可再生能源的巨大潜在废水。

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亚洲大爆发

在几个亚洲国家,沼气技术已经在大规模上运行得非常好。本文报道了其中一些成功案例和最近的升级计划,并呼吁召开一次关于沼气的全球会议。

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卫生、气候变化和可再生能源之间的联系

本《可持续卫生联盟》概况介绍了温室气raybet CS:GO体对气候变化的影响,重点介绍了可再生能源的优势。因此,许多不同的技术,如沼气生产或短轮作种植园被提到。

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城市沼气——新趋势?

本文研究了厌氧消化是否也适用于处理城市和城郊地区的有机生活垃圾,以缓解发展中国家城市的固体废物危机。

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