4.3 厌氧消化工艺及设备

4.3.1 厌氧消化工艺和厌氧消化器应根据原料特性、发酵时间、进料方式、进料条件等经技术经济比较后确定。

4.3.2 厌氧消化工艺温度应根据原料温度、采用热源形式等因素确定，并应符合下列规定：

1 采用中温厌氧消化工艺时，温度宜为35℃±2℃；

2 当原料温度高于50℃时，宜选用高温厌氧消化工艺，高温厌氧消化温度宜为55℃±2℃，不宜超过58℃；

3 运行稳定后日发酵温度波动范围宜为±2℃。

4.3.3 厌氧消化工艺可根据消化阶段的要求按一级消化工艺或两级消化工艺进行设计。当采用两级消化工艺时，一级的厌氧消化器应能和二级的厌氧消化器切换，且均可独立使用。

4.3.4 对于不间断供气的沼气工程，厌氧消化器数量不应少于2个。

4.3.5 厌氧消化器进料方式可采用连续进料或批次进料方式，并应根据小时进料量计算进出料管管径、进料设备参数及加热料液到设计温度所需要的热量等。

4.3.6 采用固体含量较高的废弃物为原料时，宜选用完全混合式厌氧反应器（CSTR）、升流式固体反应器（USR）或高浓度推流式反应器（HCPF）。采用溶解性有机物较高的废水为原料时，宜选用升流式厌氧污泥床反应（UASB）、内循环厌氧反应器（IC）或颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）。

4.3.7 厌氧消化器设计参数宜按表4.3.7的要求确定。当不满足需要时，可通过试验确定。

表4.3.7 厌氧消化器设计参数

表4.3.7 厌氧消化器设计参数

4.3.8 厌氧消化器的设计压力应根据工作液面高度和气相部分工作压力确定，且不应小于工作液面的高度对应的水压，其气相部分的输出工作压力应按下列公式计算：

气相部分的输出工作压力计算公式

式中：P——厌氧消化器气相部分工作压力（Pa）；
P_cq—气柜额定工作压力（Pa）；
△P_y——管路沿程阻力（Pa）；
△P_j——管路局部阻力（Pa）；
△P_jh——净化装置阻力（Pa）；
λ——摩擦系数；
I—管路长度（m）；

ζ——局部阻力系数；
p——沼气密度（kg/m³）；
V——管道内沼气流速（m/s）；
d——沼气管道内径（m）。

4.3.9 厌氧消化器的总有效容积可根据水力停留时间或容积有机负荷确定，并应符合下列规定：

1 根据水力停留时间确定的厌氧消化器的总有效容积可按下式计算：

根据水力停留时间确定的厌氧消化器的总有效容积

式中：V——厌氧消化器的总有效容积（m³）；
Q—厌氧消化器的设计流量（m³/d）；
θ——厌氧消化器的水力停留时间（d）。

2 根据容积有机负荷确定的厌氧消化器的总有效容积可按下式计算：

式中：S_o——厌氧消化器进水化学需氧量（kgCOD_cr/m³）；
S_e——厌氧消化器出水化学需氧量（kgCOD_cr/m³）；
U_v——厌氧消化器的化学需氧量容积有机负荷（kgCOD_cr/（m³.d））。

4.3.10 CSTR应设置搅拌装置，并应符合下列规定：

1 当采用机械搅拌时，机械搅拌器宜设置在厌氧消化器顶部，搅拌器的半径应根据罐体尺寸、料液性质等确定，扰动半径宜为3m~6m；对于直径较大的厌氧消化器，宜设置多个搅拌器，且应均匀布置；

2 当采用沼气搅拌时，在厌氧消化器内应设置配气环管，且配气环管应均匀布置。

4.3.11 UASB、IC、EGSB应设置三相分离器，并应符合下列规定：

1 三相分离器应由气封、沉淀区和回流缝三部分组成，可采用整体或组合式的布置方式。
2 三相分离器斜板与水平面的夹角宜为55°~60°；

3 沉淀区的沉淀面积可根据原料流量和表面负荷率确定，表面负荷率可按厌氧消化器的上升流速计算确定；

4 沉淀区的水深应大于1000mm，水力停留时间宜为1.0h～1.5h；

5 回流缝的水流速度宜小于2.0m/h；

6 三相分离器可使用高密度聚乙烯、碳钢、不锈钢等材质。当使用碳钢时，应进行防腐处理。

4.3.12 厌氧消化器应设置进料管、出料管、排泥管、安全放散、集气管、检修人孔和观察窗等附属设施及附件，并应符合下列规定：

1 检修人孔孔径不应大于1200mm；

2 进料管距消化器罐底不宜小于500mm；

3 厌氧消化器集气管距液面不宜小于1000mm，管径应经计算确定，且不宜小于100mm；

4 厌氧消化器排泥管宜设置在消化器的最低处，排泥管的管径不宜小于150mm；排泥管阀门后应设置清扫口；

5 厌氧消化器进料管和排泥管应选用双刀闸阀门；

6 厌氧消化器罐体应预留各附属管道及附件的接口。

4.3.13 厌氧消化器宜采用钢制或钢筋混凝土结构，钢制厌氧消化器可采用焊接、钢板拼装和螺旋双折边咬口结构。钢制厌氧消化器的罐壁板的材质宜为Q235或Q345。

4.3.14 钢制厌氧消化器应安装在钢筋混凝土基础上，基础外圆直径应大于设备主体直径500mm以上。基础设计应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定。

4.3.15 厌氧消化器应设置加热保温装置。总需热量应考虑冬季最不利工况，并可按下式计算：

式中：Q——总需热量（kJ/h）；
Q₁——加热料液到设计温度需要的热量（kJ/h）；
Q₂——保持消化器发酵温度需要的热量（kJ/h）；
Q₃——管道散热量（kJ/h）。

换热装置的总换热面积应根据热平衡计算，并应留有10%~20%的余量。

4.3.16 钢制厌氧消化器内外壁应采取防腐措施，外壁防腐层外侧应设置保温层，保温材料宜选用阻燃、环保的材料，保温层厚度应通过经济技术比较后确定，保温层外侧应设置防护层。

4.3.17 厌氧消化器上部应设置正负压保护装置和低压报警装置。

4.3.18 厌氧消化器集气管路上宜设置稳压装置。采用水封稳压装置时，有效高度应根据厌氧消化器最大工作压力和后端储气压力确定。

4.3.19 厌氧消化污泥的处理应符合下列规定：

1 厌氧消化污泥应采用储泥池储存，储泥池的容积应根据污泥量和消纳量及消纳周期等因素确定；

2 厌氧消化污泥机械脱水可根据污泥性质、污泥产量、脱水要求等选用离心机、板框压滤机、螺旋式压滤机或带式压滤机；脱水后的污泥含水率应小于80%；

3 脱水后的污泥不得露天堆放，并应及时处理；

4 污泥堆场的大小应按污泥产量、运输条件等确定，污泥堆场地面应有防渗、防漏等措施。

4.3.20 厌氧消化液的处置与利用应符合下列规定：

1 厌氧消化液宜优先考虑农用；

2 储存池应能满足所种农作物均衡施肥要求，其容积应根据厌氧消化液的数量、储存时间、利用方式、利用周期、当地降雨量与蒸发量确定。

条文说明

4.3.1 本条规定了选择厌氧消化工艺和厌氧消化器时所应考虑的因素。厌氧消化阶段是指发酵原料在厌氧反应器内所处的消化阶段，包括酸化阶段和甲烷化阶段。原料特性是指发酵原料的种类及性质，例如以禽畜粪便为原料的沼气工程，应根据养殖场规模、养殖场周围可供厌氧残留物综合利用的农田、果园、蔬菜地和鱼塘等设施数量、周围环境容量、沼气利用方式等条件综合考虑，并进行经济技术比较。以工业高浓度有机废水为原料的沼气工程，其原料来源就比较复杂了，且差异性较大，包括酿造废水、糖蜜废水、制药废水等工业高浓度有机废水，应根据具体的工程选择不同的厌氧发酵工艺。

4.3.2 厌氧消化工艺按温度的划分为中温和高温两类，以产沼气为目的沼气工程，推荐使用中温发酵的厌氧消化工艺。

温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般情况下，产甲烷菌的适宜温度范围是5℃~60℃，在35℃和53℃左右时可以分别获得较高的消化效率。温度为40℃~45℃时，厌氧消化效率较低，如图1所示。在中温厌氧条件下，既可以保证厌氧消化器获得稳定、高效的产气率，同时减少了为维持反应温度而消耗的能量。所以推荐以产沼气为目的的沼气工程使用中温发酵的厌氧消化工艺。

图1 温度对产气量的影响

别外，温度突变会对厌氧微生物的活性产生显著的影响。降温幅度愈大，低温持续时间愈长，产气量的下降就愈严重，升温后产气量的恢复更困难。有研究表明，高温消化比中温消化对温度的波动更为敏感。所以，一般认为，厌氧消化处理系统每日的温度波动为±2℃为宜。

4.3.3 厌氧消化工艺按厌氧消化阶段的要求可划分为一级厌氧消化和两级厌氧消化。一级厌氧消化只设置一个厌氧消化器，原料在这个反应器内完成厌氧消化过程，两级厌氧消化过程是分在两个串联的厌氧消化器内进行的，一级厌氧消化工艺建设费用较省，但原料中有机物的分解率不如两级厌氧消化工艺。

4.3.4 对于以供气为主要目的沼气工程来说，保证不间断供气是其基本要求，所以要求此类沼气工程的厌氧消化器数量不得少于2个，以保证其有一个厌氧消化器处于检修状态时仍能不间断供气。

4.3.5 连续进料就是将原料连续不断地打入厌氧消化器，同时连续不断地出料。批次进料方式就是间歇式的进料和出料。在进行进出料设备及管道设计时应考虑进料方式对其的影响。

4.3.6 厌氧消化器通常是根据原料的特性来选择的。目前应用较为广泛的厌氧消化器包括：完全混合式厌氧反应器（CSTR）、升流式厌氧固体反应器（USR）、升流式厌氧污泥床（UASB）、内循环厌氧反应器（IC）、厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）和高浓度推流式厌氧反应器（HCPF），如图2所示。

CSTR、USR和HCPF适用于料液浓度较大、悬浮物固体含量较高的有机原料，如：禽畜粪便、污泥、工业有机废渣和秸秆。UASB、IC和EGSB则适用于料液浓度低、悬浮物固体含量少的有机原料，如：屠宰及肉类加工废水、酿造废水、食品加工废水等等。

4.3.7 一般在进行厌氧消化器设计时应对其原料进行试验，以获取设计参数，本条给出的设计参数总结了国内目前CSTR、USR、HCPF、UASB、IC和EGSB的设计经验。设计者可以参考，如不满足需要时可通过试验确定具体的设计参数。

CSTR是目前国内沼气工程中应用最为广泛的一种厌氧消化器，其设有搅拌装置，可使反应器温度均匀，并使微生物和发酵原料充分接触，加快发酵速度，提高产气量。而USR与CSTR相比具有更大的高径比，且不设搅拌装置，底部设有布水系统。USR有比水力滞留期（HRT）高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。

图2 各类厌氧消化器结构示意图

高浓度推流式沼气发酵工艺（HCPF）是塞流式消化工艺的一种。畜禽粪便等原料不需“预处理”直接加入消化器前端，在机械搅拌的作用下呈活塞式状态向后端移动，原料经发酵产生沼气。其进料TS浓度一般为10%~15%。

UASB由污泥反应区、三相分离器和气室三部分组成。原料从底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气，沼气上升过程中不断合并形成较大的气泡。沼气、污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板折向四周，然后穿过水层进入气室。集中在气室的沼气用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区。污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降回反应区内。与污泥分离后的水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出反应器。

IC是基于UASB的一种改进。其构造特点是具有很大的高径比，一般可达4～8，反应器高度能达到16m~25m。IC可以看作是两个UASB上下串联组成的，由第一反应室产生的沼气作为提升的内动力，使上升管和回流管的混合液产生一个密度差，实现了下部混合液的内循环。第二反应室对原料进行继续处理，进一步提高了处理效果，增加了沼气产量。

EGSB也是一种改进型的UASB反应器，EGSB能维持很高的上升流速，达3m/h～7m/h，可采用较大的高径比（3~8），细高型的反应器构造可有效减少占地面积。

4.3.8 进行厌氧消化器的结构设计时，其设计压力是一个十分重要的参数。厌氧消化器在正常运行时，厌氧消化液占有大部分的体积，顶部约10%~20%的空间是沼气。所以，其设计压力应充分考虑厌氧消化器在正常工作时的水压，而厌氧消化器不同位置的水压是不一样的。根据这个压力计算出来的钢板厚度通常也是不一样的。对于体积较大的厌氧消化器一般会根据不同的高度选择上中下三种不同厚度的钢板。

厌氧消化器的工作压力一般指上部气相部分的工作压力，即沼气的工作压力。厌氧消化器的工作压力与整个沼气系统的工作压力密切相关，厌氧消化器中气相压力应尽可能低，使沼气能够最大量地从消化液中释放出来。根据本条款公式计算得到厌氧消化器的正常工作压力，系统中其余各点的压力根据不同的管路损失可以分别计算出。运行时，一般通过改变储气装置的工作压力来设定和调节厌氧消化器的工作压力。

4.3.9 厌氧消化器的有效容积有两种计算方法，即利用水力停留时间计算或者容积有机负荷来计算有效容积。

不同类型的厌氧消化器或同类型的厌氧消化器对不同的原料，及在不同的条件下其水力停留时间θ或容积有机负荷U_v都是不同的。在工程实践中一般是从试验数据或同类型原料有效处理的经验数据中确定一个合适的水力停留时间θ或容积有机负荷U_v。

一般来说，原料在较低浓度的情况下，反应器有效容积的计算主要取决于水力停留时间，而水力停留时间的大小与反应器内的污泥类型（是否形成颗粒污泥）或三相分离器的效果有关。而在较高浓度下，厌氧消化器的容积取决于其容积负荷的大小和进料浓度，而厌氧消化器采用的负荷值与原料的性质和浓度、厌氧消化器的运行温度有关。对于某种特定原料，厌氧消化器的容积负荷一般通过实验确定，也可以参考表6。

表6 厌氧消化器的容积有机负荷与水力停留时间参考表

表6 厌氧消化器的容积有机负荷与水力停留时间参考表

注：对于CSTR、USR和HCPF容积有机负荷的单位为kgTS（m³·d）水力停留时间的单位为d；对于UASB、IC和EGSB，容积有机负荷的单位为kgCOD_cr/（m³·d），水力停留时间的单位为h。

上表中水力停留时间和容积有机负荷参考了环境部和农业部的相关标准，主要包括《酿造废水处理工程技术规范》HJ575、《UASB污水处理工程技术规范》HJ2013、《制浆造纸废水治理工程技术规范》HJ2011、《制糖废水处理工程技术规范》HJ2018、《制浆造纸废水治理工程技术规范》HJ2011和《沼气工程技术规范工艺设计》NYT1220.1等。

4.3.10 CSTR中设置搅拌器是为了使厌氧发酵原料与厌氧消化污泥能够充分混合，使得温度均衡，有利于有机物充分分解并产生沼气，所以有必要在CSTR内进行搅拌。常用的搅拌方式有机械搅拌和沼气搅拌。如图3所示，机械搅拌一般指螺旋桨式搅拌，根据工艺要求可以在厌氧消化器顶部安装一台或数台机械搅拌器。机械搅拌容易操作，可以通过竖管向上、下两个方向推动，因此在固定的污泥液面下能够有效地消除浮渣层，此种搅拌特别适合于蛋形或带漏斗底的圆形反应器。沼气搅拌是通过收集在厌氧消化过程中所产生的沼气，经过增压机加压后再注入厌氧消化器，从而起到对厌氧消化器内的污泥进行有效混合搅拌的作用。沼气搅拌通过厌氧消化器顶部的配气环管，由均匀布置的立管注入厌氧消化器。搅拌功率一般按单位池容计算确定，单位池容所需功率一般取4W/m³～8W/m³。

图3 搅拌装置示意图

1-消化液；2-沼气；3-机械搅拌；4-消化液搅拌；5-沼气搅拌

4.3.11 三相分离器是UASB、IC和EGSB最有特点和最重要的设备，三相分离器的形式可以有很多种，但应具有3个主要功能和组成部分：气液分离、固液分离和污泥回流3个功能及气封，沉淀区和回流缝3个组成部分，其基本构造如图4所示。

图4 三相分离器基本结构

三相分离器的设计可分为沉淀区的设计、回流缝的设计和气液分离的设计。沉淀区的固液分离是靠重力沉淀实现的，其设计方法与普通的沉淀池类似，主要考虑沉淀面积和水深这两个因素。

沉淀面积可以根据原料流量和沉淀区的表面负荷率确定，一般表面负荷率的数值等于水流的上升流速，沉淀区设计日平均表面负荷率一般可采用1.0m³/（m²·h）~2.0m³/（m²·h）。速率过低可能形成浮渣层。速率过高可能形成气沫层，两种情况都可能堵塞气体释放管。

4.3.12 检修人孔的孔径既要考虑操作人员能够顺利出入，500mm是适宜操作人员进出的最小直径。此外，人孔直径的设置还应保证整个厌氧消化器的承载能力。根据《钢制焊接常压容器》NBT47003.1的规定，对于直径大于1200mm的圆筒形容器，其开孔孔径不得大于其圆筒直径的0.4倍，且开孔的最大孔径不得大于1200mm。人孔距地面的距离不大于1000mm也是基于操作人员进出的方便性考虑的，在实际工程当中，一般取600mm~800mm。

厌氧消化器的进料管一般设置在底部。考虑到目前沼气工程的实际情况，原料的含砂量较多，且预处理设施并不能完全把砂石全部去除，不可避免地会在厌氧消化器的底部积聚大量的砂石，需要定期排渣。将进料管设置在距离厌氧消化器底部500mm的位置上是防止厌氧消化器底部的细砂石沉淀太多而堵塞进料管。厌氧消化器集气管一般设置在顶部，其作用是将产生的沼气导出来，而不能将厌氧消化器内的沼液或浮渣排出罐外，所以其距厌氧消化器的正常工作液面应保持一段距离，通常是1000mm。另外在厌氧消化器的底部还应设置排泥管，为保证底部聚集的细砂石顺利排出，应保证其管径大于150mm。

刀闸阀具有自清理的功能，可以防止沉淀物的堆积，适合浓度较高的流体，采用双刀闸阀能保证关闭严密，从安全的角度保证设备正常运行。

4.3.14 为了保证钢制厌氧消化器运行稳定应将其安装在钢筋混凝土结构的基础上，根据经验数据其基础直径比厌氧消化器直径大500mm以上，其具体设计应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定。

4.3.15 加热方式可以根据不同原料的特性和工艺要求选择厌氧消化器内加热或厌氧消化器外加热，使厌氧消化器内的温度符合厌氧消化工艺要求，一般来说对于高温厌氧消化工艺或者是含有有毒病菌的原料，通常采用外加热的方式。热源形式从节能环保的角度上考虑应多利用太阳能、地热和锅炉余热，从热源的稳定性和便利性方面可以考虑利用燃煤、燃油或燃气锅炉。

提供给厌氧消化器的热量要考虑将原料加热到设计温度需要的热量、保持消化器温度需要的热量和管道、热交换器等其他装置的散热情况。将原料加热到设计温度所需要的热量可以按公式（1）计算：

式中：Q₁——将原料从初始温度加热到设计温度需要的热量（kJ）；
c——料液的比热容，可近似取水的比热容4.2kJ/（kg·℃））；

m——单位时间进入厌氧消化器的原料重量（kg）；
T_D——厌氧消化器的设计温度（C）；
T_s——原料的初始温度（C）。

保持消化器温度需要的热量可以按公式（2）计算：

式中：Q₂——保持厌氧消化器温度需要的热量（kJ）；

T_A——环境温度（℃）；
b_i——厌氧消化器各部（罐顶、罐底、罐壁）保温层的厚度（mm）；

λ_i——厌氧消化器各部（罐顶、罐壁）的保温层导热系数[W/（m·℃）]；

S_i——厌氧消化器各部（罐顶、罐壁）的散热面积（m²）；
a——厌氧消化器罐外壁（罐底、罐壁）的传热系数[W/（m·℃）]；
S_o——厌氧消化器外壁（罐顶、罐壁）的散热总面积（m²）。

管道散热损失的热量可以按公式（3）计算：

式中：Q₃——管道散热损失的热量（kJ）；
T_i——进料管温度（℃）；
r_o——管道保温层的外半径（mm）；
r_i——管道保温层的内半径（mm）；
L——管道长度（m）；
λ——管道保温层导热系数[W/（m·℃）]。

换热装置使用一段时间后，其换热表面结垢，导致换热效率下降，所以在换热面积原来的计算基础上，乘以1.1~1.2的系数，保证后期能满足换热要求。

4.3.16 对钢结构或钢筋混凝土结构的厌氧消化器都应进行防腐处理。

钢筋混凝土结构的厌氧消化器有可能受到化学侵蚀，其侵蚀的程度依赖于碳酸盐和钙离子的浓度。如果这两种离子产物低于碳酸钙的溶解度，钙离子将从混凝土中溶出，将造成混凝土结构的剥蚀。因此混凝土结构的厌氧消化器需要采用环氧树脂进行防腐。而对于钢制的厌氧消化器，其最严重的腐蚀出现在消化器上部，主要是气、液交界面处。此处H₂S可能造成直接腐蚀，同时硫化氢被空气氧化为硫酸或硫酸盐，这使局部pH值下降造成间接腐蚀。硫化氢和酸造成的腐蚀属于化学腐蚀，更严重的是在气液接触面还存在电化学腐蚀。由于厌氧环境下的氧化-还原电位为一300mV，而在气液交界面的氧化-还原电位为一100mV时，则构成了微电池，形成电化学腐蚀，所以钢制厌氧消化器在气液交界面处应该加强防腐处理。

4.3.17 厌氧消化器正常运行时应保证工作压力的稳定，其工作压力大约在3kPa~4kPa之间。厌氧消化器正负压力保护装置应能防止厌氧消化器超压或者负压运行。低压报警装置应能设定一定的压力值，当出现低压时，低压报警装置应能自动报警。

4.3.18 设置稳压装置的目的是保障厌氧消化器的压力稳定，防止压力的突然变化影响消化反应的正常运行。稳压装置可以是水封的形式，水封是根据其液面的高度来调节厌氧消化器的工作压力。

4.3.19 厌氧残留物是厌氧发酵后得到的产物，包含厌氧消化污泥和厌氧消化液，也叫沼渣和沼液。如果处置不当，也容易造成二次污染，因此要求脱水后的污泥严禁露天堆放。

4.3.20 厌氧消化液也叫作沼液。沼液是厌氧发酵后残留的液体，由于消化液中含有少量有机、无机盐类，如铵盐、钾盐、磷酸盐等可溶性物质，具有速效性养分。为了充分利用应配备消化液储存池，如果暂时无法储存和利用，则应进行好氧、过滤等无公害化处理后达标排放。

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