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沼液回流对厌氧沼气工程的影响
来源:不详  作者:未知  发布时间:2017/12/15 9:36:44  点击量:0  字号:[ 打印

厌氧沼气工程是指利用有机物进行厌氧降解得到沼气的工程。沼气工程的原料通常为富含有机物的生物质原料,如秸秆、青贮玉米等, 以及城市生活垃圾中的有机部分,例如餐厨垃圾、 厨余垃圾。这些物质经过厌氧沼气工程的处理后, 原料转化为可以资源化利用的沼气, 沼气可用来发电或作为燃料使用。在产生沼气的同时,发酵后会产生固液混合剩余物,这些剩余物不能直接进行填埋或进入污水处理厂处理,需要经过脱水处理。脱水后形成的沼渣和沼液再进行最终处理,沼渣可以进行填埋,或作为肥料;沼液也可以进入污水处理厂处理,或作为过程水回流等来调节厌氧消化。

对于厌氧沼气工程来说,针对不同的原料,生产过程中可能需要加水进行稀释,且用水量较大,导致生产成本增高,同时沼液进入污水处理厂处理也会增加运行成本。为了降低运行成本, 减轻后端污水处理的负担,同时为厌氧系统提供具有活性的菌群,工艺上通常选择设计沼液作为过程水回流,稀释原料或调整浆液的固含量, 以保证后端厌氧发酵的顺利运行。

笔者尝试讨论餐厨垃圾厌氧沼气工程中的沼液回流时可能对厌氧过程产生的影响,对厌氧菌的影响、 对厌氧环境的影响、 对设备的影响等。讨论沼液回流是否可行。

1 沼液性质

沼液是有机物厌氧发酵后的剩余物经过脱水后产生的液体。想了解沼液回流对厌氧过程的影响,首先要了解沼液的性质。

脱水方式对沼液性质可能会产生不同的影响,餐厨垃圾厌氧沼气工程中,由于原料颗粒较小,含有纤维状组分,在脱水时多选择离心脱水机,脱水时加入絮凝药剂。

 

表 1 沼气工程出水离心脱水方式下沼液的性质

 

从表1中可知,沼液的COD, 氨氮含量较高, 可能会对厌氧过程产生影响, 应对其进行研究。沼液pH 值较高,也会对厌氧过程产生影响。同时, 沼液中的氮磷以酸根的形式存在, 与液体中的金属离子结合会产生盐类,长期运行会在管道或设备中结垢,造成堵塞或设备减寿。

2 沼液回流对 pH 值的影响

由表1可知,沼液 pH 值 >8, 回流后对厌氧过程的 pH 值会产生影响。厌氧发酵过程通常分为产酸过程和产甲烷过程, 两个过程中不同性质的厌氧菌群分别起到决定性作用。对于餐厨垃圾厌氧沼气工程,原料本身富含易于降解的有机物,降解速度极快,垃圾本身呈现酸性,产酸菌 pH 值的最佳活性范围为 2~5。对于采用二步发酵的沼气工程来说,沼液回流到产酸罐, 会对 pH 值产生影响。产酸过程的 pH 值在沼液加入的一周内会出现下降,之后会逐步升高。pH 值最终可能升高至 6. 5 ~ 7 的范围内,而这个范围已经超出了产酸菌的最佳活性范围,会导致产酸菌的活性下降,有机物转化效率下降,影响产酸过程。

3 沼液回流对挥发性脂肪酸的影响

挥发性脂肪酸是沼气厌氧工程中厌氧过程监控的重要运行指标之一,单位时间内有机物产生的挥发性脂肪酸的多少, 表示该有机物厌氧降解能力的强弱。

挥发性脂肪酸与 pH 值有直接的联系, 厌氧过程开始时,挥发性脂肪酸开始产生, 并不断地累积,此时系统 pH 值下降。当挥发性脂肪酸浓度达到最高时,pH 值降到最低值。此后, 挥发性脂肪酸在产甲烷菌的作用下进一步转化成为甲烷气和二氧化碳等气体,挥发性脂肪酸浓度降低,pH 值会缓慢升高,直至系统达到平衡状态。在正常运行的沼气工程中,系统是能达到平衡状态的。

有文献资料表明, 沼液回流后, 产酸过程中,随着沼液的回流加入,产生的挥发性脂肪酸中, 乙酸、 丁酸的浓度不断地降低, pH 值不断地升高。并且随着回流沼液量的增大,乙酸、 丁酸的浓度下降更为明显。与此同时,挥发性脂肪酸中的丙酸浓度却呈现相反的趋势, 丙酸的浓度随着沼液的加入不断的升高,沼液回流量越大,丙酸浓度的升高幅度越明显。

在以上的挥发性脂肪酸中, 乙酸是比较容易被产甲烷菌利用并转化为甲烷气的,而丙酸却不易被转化。这样,在沼液回流后就会出现这样的现象: 回流的沼液越多, 不宜被降解的脂肪酸产量越多。于是就会造成后面产甲烷过程缓慢,并且出现脂肪酸的累积,最终导致厌氧过程受到抑制,影响沼气工程的正常运行。

如果采用两相厌氧发酵工艺, 产酸过程与产甲烷过程分开,产酸过程的 pH 值能够得到更好的控制,从而抑制丙酸的产生。产甲烷过程由于较低的氢分压以及产甲烷菌的活性得到更好的发挥,能够使产生的丙酸快速的转化为甲烷气。从而提高厌氧发酵过程的效率和稳定性, 也能够提高整个沼气工程的稳定性。

4 沼液回流对氨氮浓度的影响

氨氮物质对厌氧发酵过程起着重要作用。氨氮物质作为厌氧菌类的氮源,提供厌氧菌生长所必需的元素,促进菌类的生长。同时氨氮物质也在一定程度上能够调节pH值。但是如果氨氮物质的浓度达到一定范围,就会抑制厌氧菌的生长,降低产甲烷菌的活性,减缓厌氧降解过程。

文献资料表明 , 随着沼液的加入, 产酸过程中的氨氮浓度会逐步上升。加入的沼液量越大,氨氮浓度上升得越高。沼液长时间的回流, 氨氮浓度会继续升高。沼液中的有机氮在产酸过程中转化成为无机氮,氨氮浓度逐渐升高。厌氧系统本身对氮元素的去除效率不高,因此,氮元素会以各种不同的形式存在于厌氧过程中不断的累积。当氨氮的浓度累积到一定程度时,就对产甲烷菌产生毒性,抑制产甲烷菌的活性,从而延缓厌氧降解的过程,造成沼气工程无法稳定运行。

根据现有沼气工程的运行经验, 当厌氧系统内的沼液中氨氮浓度超过 3500 mg·L-1时, 对产甲烷菌的抑制作用就比较明显了。因此在运行时应当注意监控沼液的回流量及回流次数,避免长时间、大流量、 超浓度的回流沼液,避免对厌氧过程形成不利影响。

5 沼液回流对发酵后产物 COD 去除率的影响

发酵后产物COD浓度反映了发酵后产物中能够被氧化的物质的多少,也是间接的反映了厌氧过程中有机物降解情况的好坏。发酵后产物COD浓度高,意味着厌氧过程中降解掉的可降解有机物减少,产生的沼气量减少,厌氧发酵过程不充分。反之,意味着降解过程平稳、 顺利,沼气产量提高。

有研究机构进行了实验室实验, 其结果表明,如果以牛粪作为发酵原料,随着沼液的回流,COD 的去除率会有所升高。这是因为牛粪中纤维素、 半纤维素、 木质素含量较高, 而这几种物质都是厌氧发酵较为困难的物质,因此在发酵过程中降解较慢。随着沼液的不断回流, 沼液中没有被降解的纤维素等难降解物质不断地被重新送入发酵罐中重新发酵,在较长时间的回流下, 难降解物质逐步降解,体现为长时间的沼液回流,COD 去除率提高。

这种结果表明, 在发酵原料中含有较多的木质素、纤维素、 半纤维素等难降解物质是, 长时间的沼液回流能够提高这类物质的降解率, 发酵后产物中COD去除率会有所提高。但是对于以餐厨垃圾为原料的厌氧沼气工程来说,原料中多为极易降解的有机物,如淀粉、 碳水化合物等, 在厌氧过程中很快完成降解,不需要多次重复的降解。因此沼液回流对以餐厨垃圾为原料的厌氧沼气工程来说, 提高发酵后产物 COD 的去除率,影响并不明显。

6 沼液回流对沼气产量的影响

如上所述,沼液回流后会在一定程度上提高沼气的产量。这是因为,沼液中一部分没有降解掉的有机物再次进行了降解,产生了一部分沼气。另外,沼液中含有的产甲烷菌重新进入发酵罐中, 菌类的活性重新被激活,也会提高沼气的产量。

以两相发酵工艺为例,沼液回流后,产酸过程中产生沼气量明显增加。这是因为沼液中携带的产甲烷菌重新回到厌氧环境,又获得了活性。随着回流沼液量的增加,沼气的总产量不断地增加,产酸菌的活性不断受到抑制,导致有机物产酸过程受到抑制,进入后端产甲烷过程的挥发性脂肪酸减少, 造成后端沼气产量下降。对于产甲烷过程,沼液的回流对沼气的产量并没有明显的影响, 没有出现沼气产量的明显提高。

从总的沼气产量上看, 沼液回流并没有带来明显的产量提高,只有当厌氧过程不完全,有机物得不到完全降解时,沼液回流才能带来沼气产量的提高。

7 沼液回流对于输送管道及设备的影响

经过厌氧降解后,有机物中的无机元素在沼液中多数以酸根的形式存在,游离态的酸根遇到金属离子时会形成金属盐类。由于沼液管道输送的过程中温度可能会发生变化, 沼液中溶解的盐类会被凝结出来在管道内壁形成结垢。尤其在管道弯头处,由于流速降低更容易出现结垢、堆积的情况。

同时,产生的盐类可能会对设备产生腐蚀,金属盐中的金属离子与设备上的金属离子发生反应,使设备产生腐蚀,减少设备的使用寿命。

目前关于沼液回流对管道及设备的影响还没有形成系统的研究,并且没有长期的监测报告。但是在部分厌氧沼气工程上, 已经出现了由于沼液回流造成的管道内结垢、 堆积并堵塞的情况, 因此, 沼液回流对管道及设备的影响也是厌氧沼气工程沼液回流必须考虑的问题。

8 总结

综上所述,在厌氧沼气工程中沼液回流要根据不同发酵原料来选择是否进行。对于粪便、生物质原料来说,沼液回流会对提高 COD 的去除率, 并能适当提高沼气产量, 但同时也会带来氨氮抑制厌氧降解过程、不易降解的挥发性脂肪酸浓度升高等负面影响。同时长时间的沼液回流对管道造成堵塞的情况也不能够忽视。总的来说, 长时间的沼液回流并不可行,对整个厌氧沼气工程的稳定运行会带来不利影响。

 

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