厌氧消化池的设计和配置

配置

厌氧消化池可采用多种不同的配置通过设计和工程来运行，并可分为间歇式与连续式工艺模式、中温与高温条件、固体高含量与低含量、单级与多级工艺。连续过程需要更复杂的设计，但仍然比间歇过程更经济，因为间歇过程需要更多的初始建设资金和更大体积的消化池（分散在几个批次）来处理与连续过程消化池相同数量的废物。与中温系统相比，高温系统需要更高的热能，但是高温系统需要更少的时间，并且具有更大的气体输出容量和更高的甲烷气体含量，因此必须仔细考虑这种权衡。对于固体含量，低将处理高达15%的固体含量。高于这个水平被认为是高固体含量，也可以被称为干消化。在单级工艺中，一个反应器包含四个厌氧消化步骤。多级工艺利用两个或多个消化反应器分离产甲烷和水解阶段。

分批或连续

厌氧消化可作为间歇过程或连续过程进行。在间歇系统中，生物量在过程开始时添加到反应器中。然后在整个过程中密封反应器。在较简单的形式中，批处理需要接种已处理的材料以开始厌氧消化。在一个典型的情况下，随着时间的推移，沼气产量将以正态分布模式形成。操作员可以利用这一事实来确定他们认为有机物的消化过程何时完成。如果间歇式反应器在工艺完成前被打开并排空，可能会有严重的气味问题。一种更先进的间歇式方法通过将厌氧消化与容器内堆肥相结合来限制臭味问题。在这种方法中，接种是通过使用循环脱气渗滤液进行的。厌氧消化完成后，生物质被保存在反应器中，然后用于容器内堆肥，然后再将其打开，因为分批消化简单，需要较少的设备和较低水平的设计工作，这通常是一种较便宜的消化形式。在一个工厂使用多个间歇式反应器可以确保沼气的持续生产。

在连续消化过程中，有机物不断添加（连续完全混合）或分阶段添加到反应器中（连续塞流；先进先出）。在这里，产物是不断或定期删除，导致不断生产沼气。可以按顺序使用一个或多个消化池。这种形式的厌氧消化包括连续搅拌槽反应器、上流式厌氧污泥毯、膨胀颗粒污泥床和内循环反应器。

温度

厌氧消化池的两个常规操作温度水平决定了消化池中产甲烷菌的种类：

嗜中温消化适宜发生在30至38°C左右，或在20至45°C的环境温度下，其中嗜中温菌是存在的主要微生物。

嗜热消化的适宜条件是在49至57°C左右，或在高达70°C的高温下进行，其中嗜热菌是存在的主要微生物。

嗜中温物种的数量超过嗜热物种，它们也比嗜热物种更能耐受环境条件的变化。因此，中温体系被认为比高温消化体系更稳定。相反，虽然高温消化系统被认为不太稳定，但它们的能量输入更高，在相同的时间内从有机物中去除更多的沼气。温度升高有助于加快反应速度，从而加快气体产量。在更高的温度下操作有助于消化液中病原体的减少。

额外的预处理可用于减少产生沼气所需的停留时间。例如，某些工艺将基质切碎以增加表面积或使用热预处理阶段（如巴氏杀菌）显著提高沼气产量。巴氏杀菌工艺也可用于降低消化液中的致病性浓度，从而使厌氧消化池脱离。巴氏杀菌可通过热处理结合固体浸渍来实现。

固体含量

在典型情况下，三个不同的操作参数与消化池进料的固体含量有关：

高固体分（干堆叠基板）

高固体分（湿可泵基质）

低固体（湿可泵基质）

高固体分（干）消化池设计用于处理固体含量在25%到40%之间的材料。与处理可泵送泥浆的湿消化池不同，高固体（干-可堆叠基质）消化池设计用于处理固体基质而不加水。干法消化池的主要形式是连续垂直推流式消化池和间歇式隧道式水平消化池。连续垂直推流式消化池是直立的圆柱形罐，在这里原料被连续地送入消化池的顶部，并且在消化过程中通过重力向下流动。在间歇式隧道式消化池中，原料沉积在带有气密门的隧道式腔室中。两种方法都没有在消化池内进行混合。预处理的量，如污染物的去除，取决于被处理的废物流的性质和所需的消化液质量。在连续垂直系统中，尺寸减小（研磨）是有益的，因为它加速了消化，而批处理系统避免研磨，而是需要结构（例如堆场废物）来减少堆放的堆料的压实度。由于有效停留时间较短和垂直设计，连续立式干蒸池的占地面积较小。湿消化池可设计为在高固体含量、总悬浮固体（TSS）浓度大于约20%或低固体浓度小于约15%的情况下运行。

高固体（湿）消化池处理的浆液很稠，需要更多的能量输入才能移动和处理原料。材料的厚度也可能导致相关的磨损问题。由于与水分相关的体积较小，高固含量的沼气池通常具有较低的土地需求。高固含量的消化池还需要校正初始基于非常稀的污水消化概念的常规性能计算（例如，产气量，保留时间，动力学等），因为较大部分的原料可能会转化为沼气。

低固体（湿）消化池可以使用标准泵来运输物料，而标准泵所需的能量输入要低得多。与高固体含量的沼气池相比，低固体含量的沼气池需要更多的土地，这是因为与增加的沼气池液/原料比相关的体积增加了。在液体环境中进行操作有很多好处，因为它可以使材料更彻底地循环以及细菌与其食物之间的接触。这使细菌能够更容易地接触到其所饲养的物质，并提高了产气率。

复杂性

消化系统可以配置为具有不同级别的复杂性。在单级消化系统（一级）中，所有生物反应都在单个密封的反应器或储罐中进行。使用单个阶段可降低构造成本，但导致对系统内发生的反应的控制较少。产酸细菌通过产生酸来降低水箱的pH值。如前所述，产甲烷细菌在严格定义的pH范围内运行。因此，在单级反应器中不同物种的生物反应可以彼此直接竞争。另一个单级反应系统是厌氧池。这些泻湖是池塘状的土盆，用于粪便的处理和长期储存。在此，厌氧反应包含在池中包含的天然厌氧污泥中。

在两阶段消化系统（多阶段）中，优化了不同的消化容器，以更好地控制生活在消化池中的细菌群落。产酸细菌比产甲烷细菌产生有机酸，并且生长和繁殖更快。产甲烷细菌需要稳定的pH和温度来优化其性能。

在典型情况下，水解，产乙酸和产酸在第一反应容器内发生。然后在将有机材料泵入产甲烷反应器之前，将其加热到所需的操作温度（中温或嗜热）。在产甲烷反应器之前的初始水解或产酸罐可以为原料的添加速率提供缓冲。一些欧洲国家要求进行一定程度的热处理，以杀死输入废物中的有害细菌。在这种情况下，在消化之前或在两个消化罐之间可能存在巴氏灭菌或灭菌阶段。值得注意的是，不可能完全分离出不同的反应相，并且经常在水解或产酸罐中产生一些沼气。

停留时间

在消化池中的停留时间随进料的量和类型以及消化系统的配置而变化。在典型的两阶段中温消化中，停留时间在15到40天之间变化，而对于单阶段嗜热消化，停留时间通常更快，大约需要14天。这些系统中某些系统的塞流特性将意味着在此时间范围内可能尚未实现材料的完全降解。在这种情况下，从系统排出的消化物的颜色会变深，并且通常会有更多的气味。

在上流厌氧污泥层消化（UASB）的情况下，水力停留时间可以短至1小时至1天，而固体滞留时间可以长达90天。通过这种方式，UASB系统能够通过使用污泥覆盖层来分离固体和水力停留时间。连续消化池具有机械或液压装置，具体取决于物料中的固体含量，以混合内容物，使细菌与食物接触。它们还允许连续提取多余的物料，以在消化罐内保持合理的恒定体积。

抑制

厌氧消化过程可以被几种化合物抑制，影响一个或多个负责不同有机物降解步骤的细菌群。除其他因素外，抑制程度取决于消化池中抑制剂的浓度。潜在的抑制剂是氨，硫化物，轻金属离子（Na，K，Mg，Ca，Al），重金属，某些有机物（氯酚，卤代脂肪族，N-取代的芳香族，长链脂肪酸）等。