唐浩 張心才

摘 要：針對高固體含量有機(jī)廢水厭氧消化處理難等問題，研制出一種新型的附著膜型厭氧消化裝置，即單池多床型厭氧消化裝置。運(yùn)行試驗(yàn)表明，單池多床型厭氧消化裝置與常用的升流式厭氧固體反應(yīng)器（USR）相比，發(fā)酵原料和微生物的分布更加均勻、融合，運(yùn)行過程中料液能實(shí)現(xiàn)自動攪拌，不易出現(xiàn)原料短路、堵塞現(xiàn)象，微生物滯留期（MRT）長而穩(wěn)定、抗沖擊，而且適宜的發(fā)酵濃度、原料利用率、池容利用率、沼氣產(chǎn)氣率等都得到了進(jìn)一步提高，同時降低了建設(shè)成本，綜合效益顯著。

關(guān)鍵詞：高固體;有機(jī)廢水;厭氧消化;單池多床

中圖分類號 R124.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 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

國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《沼氣工程技術(shù)規(guī)范》（NY/T 1220.1-2006）中明確規(guī)定“高固體含量或其他難降解的有機(jī)廢水宜選用完全混合式厭氧消化器（CSTR）、厭氧接觸工藝（AC）和升流式厭氧固體反應(yīng)器（USR）[1]”，其中厭氧接觸工藝（AC）是在完全混合式厭氧消化器（CSTR）之外加1個沉淀池改進(jìn)而來的，兩者特性沒有本質(zhì)區(qū)別[2-5]，而升流式厭氧固體反應(yīng)器（USR）的應(yīng)用較為普遍。從實(shí)踐的角度來看，USR比CSTR工藝的容積負(fù)荷更高、管理更簡單，綜合效益更好;從理論的層面看，USR屬于污泥滯留型消化器，而CSTR則屬于常規(guī)型消化器，污泥滯留型消化器優(yōu)于常規(guī)型消化器。筆者根據(jù)多年來的從業(yè)實(shí)踐，研制了一種綜合效率更高的消化裝置，不僅能實(shí)現(xiàn)附著膜型消化器用于處理高固體含量或其他難降解的有機(jī)廢水的夢想，而且通過對消化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，促使發(fā)酵原料的分布均勻化，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過程發(fā)酵原料的攪拌自動化，綜合發(fā)酵效率更高。

1 單池多床型厭氧消化裝置的主要運(yùn)行性能

沼氣工程中處理高固體含量有機(jī)廢水時一般采用CSTR和USR工藝，而USR的使用較為普遍。筆者根據(jù)高固體含量有機(jī)廢水厭氧消化工藝?yán)碚摵投嗄陱氖罗r(nóng)村沼氣技術(shù)工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)明了一種用于處理高固體含量有機(jī)廢水的附著膜型厭氧消化裝置-單池多床型厭氧消化裝置（見表1）。

2 發(fā)酵原料和微生物的存在狀態(tài)、接觸方式

2.1 起動階段 采樣USR工藝發(fā)酵時，發(fā)酵原料（懸浮物已清除）與微生物在罐體內(nèi)按其比重和自然沉降規(guī)律，從上到下分成清液層、活性層和沉渣層，微生物以懸浮狀存在于活性層。單池多床型厭氧消化裝置的罐體內(nèi)部被N個固菌布料床單元分成了2N+1個相對獨(dú)立的發(fā)酵空間，發(fā)酵原料（懸浮物已清除）與微生物在罐體內(nèi)發(fā)酵時，從上到下逐步分成2N+1個清液層、活性層和沉渣層，微生物以懸浮狀存在于2N+1個活性層內(nèi)。

2.2 運(yùn)行階段 USR中發(fā)酵原料在消化器中的分布均勻度決定于底部進(jìn)料點(diǎn)的分布，不同位置的發(fā)酵原料之間及原料和微生物之間難以相互融合，處于不均勻狀態(tài);微生物以懸浮狀存在于污泥床、污泥層（高濃度發(fā)酵細(xì)菌固體床）。正常運(yùn)行時，發(fā)酵原料從反應(yīng)器底部進(jìn)入，依靠進(jìn)料和所產(chǎn)沼氣的上升動力按一定的速度向上升流通過高濃度發(fā)酵細(xì)菌固體床時，有機(jī)物被分解發(fā)酵，上清液從反應(yīng)器上部排出[6-7]。單池多床型厭氧消化裝置中發(fā)酵原料的存在狀態(tài)決定于固菌布料床的結(jié)構(gòu)，發(fā)酵料液向下流經(jīng)的橫截面積和方向不斷發(fā)生改變，迫使發(fā)酵原料隨著料液不斷地分散、聚合，始終處于均勻、融合狀態(tài)。發(fā)酵原料在通過固菌布料床時，大部分被固菌布料床上的呈膜狀的微生物分解發(fā)酵，小部分被以懸浮狀存在的微生物分解發(fā)酵。從對比中可以看出，發(fā)酵原料和微生物在單池多床型厭氧消化裝置罐體內(nèi)的分布比在USR的罐體內(nèi)更加均勻，發(fā)酵原料和微生物的接觸面積也成倍增加。

2.3 進(jìn)出料方式 USR為底部進(jìn)料、上部出料。新進(jìn)入的原料途經(jīng)污泥床、污泥層的過程就是被分解發(fā)酵的過程。由于這一過程很短，所以有一部分原料未被分解發(fā)酵。由于自身重力作用，已消化的原料殘?jiān)?、未消化的固體原料極易沉降到罐體底部形成沉渣污泥。為防止沉渣污泥聚集過多形成堵塞，消化器每7d需排泥1次。單池多床型厭氧消化裝置為上部進(jìn)料、下部出料。原料入池后，由于固菌布料床的隔離作用，發(fā)酵原料基本上是按入池的先后順序依次向下滑落沉降，實(shí)現(xiàn)多級發(fā)酵，提高原料利用率。另外，多個固菌布料床之間的合適間距和固菌布料床本身的錐形倒錐形斜坡設(shè)計(jì)，能夠保證沉渣和原料不會在中間形成堆集、堵塞。對比可以看出，只要按規(guī)定排泥，USR一般不會產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，但原料卻會產(chǎn)生短路。單池多床型厭氧消化裝置不僅能為發(fā)酵原料提供盡可能長的發(fā)酵路徑，而且依靠泵入動力和自身重力滑落沉降。

2.4 適宜發(fā)酵濃度和攪拌情況 USR內(nèi)部進(jìn)料點(diǎn)密度小、進(jìn)料量少，僅依靠進(jìn)料的動力難以打破罐體內(nèi)整體發(fā)酵原料的上下分層。發(fā)酵原料在向上升流的過程中，發(fā)酵料液流經(jīng)的橫截面積不變，上升的路線方向也不變，不同位置的發(fā)酵原料難以相互融合。單池多床型厭氧消化裝置內(nèi)部固菌布料床的設(shè)置使1個空間變成了2N+1個空間，使發(fā)酵料液均勻度提高了2N+1倍。連續(xù)進(jìn)出料時，錐形倒錐形斜坡設(shè)計(jì)的固菌床使發(fā)酵料液流經(jīng)的橫截面積和方向不斷發(fā)生改變，迫使發(fā)酵原料隨著料液不斷地分散、聚合，始終處于均勻、融合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了沼氣池全方位的自動攪拌。通過對比可以看出，單池多床型厭氧消化裝置中對發(fā)酵料液的攪拌作用及原料分布均勻度明顯優(yōu)于USR，所以單池多床型厭氧消化裝置中適宜的發(fā)酵濃度將遠(yuǎn)大于USR。

3 結(jié)論

在厭氧處理高固體含量有機(jī)廢水領(lǐng)域引入附著膜型消化裝置及技術(shù)有其必要性，單池多床型厭氧消化裝置則是第一個助推附著膜型消化器用于處理高固體含量或其他難降解的有機(jī)廢水領(lǐng)域夢想實(shí)現(xiàn)的厭氧消化裝置。通過對USR與單池多床型厭氧消化裝置的性能對比分析，可以看出單池多床型厭氧消化裝置優(yōu)于USR：發(fā)酵原料和微生物的分布更加均勻、融合;運(yùn)行過程中料液能實(shí)現(xiàn)自動攪拌，不易產(chǎn)生原料短路、堵塞;MRT不僅長而且穩(wěn)定、抗沖擊。因此，單池多床型厭氧消化裝置的適宜發(fā)酵濃度、原料利用率、池容利用率、沼氣產(chǎn)氣率將會進(jìn)一步得到提高，建設(shè)成本則相應(yīng)降低，其綜合效益會更好，應(yīng)用前景十分廣闊。

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（責(zé)編：張宏民）