厌氧发酵生物制氢工艺优化及反应器设计
The process optimization of anaerobic fermentative hydrogen production and reactor
design
学科专业：化学工程
研究生：李超
指导教师：隋红副教授
天津大学化工学院
二零壹三年六月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字日期：年月日
学位论文版权使用授权书
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学位论文作者签名：导师签名：
签字日期：年月日签字日期：年月日
摘要
随着社会的发展和科技的进步，化石燃料的大量使用造成的环境污染和能源危机问题日益严重，世界各国均着力开发清洁的可再生能源。氢能因其能量密度高、清洁无污染和热转化效率高的优点，被认为是最理想的矿石燃料替代能源。生物制氢是一种新型的制氢方法，是把自然界中水或有机物中的能量通过产氢菌的作用转化为氢气，是微生物自身新陈代谢的作用。与传统的制氢方法相比，生物发酵制氢以其环境友好和产氢稳定性高等优势成为一种极具应用前景的氢气生产技术。
本文通过单因素实验方法研究了厌氧发酵产氢的主要影响因素（包括厌氧活性污泥热处理温度和时间、发酵液初始pH、硫酸铵、硫酸亚铁和硫酸镁浓度）对微生物产氢能力的影响，并通过正交实验得出最优的发酵产氢操作条件。
研究结果表明发酵液初始pH对厌氧发酵产氢的影响最显著，得到的最优产氢操作条件是热处理温度80 ℃，热处理时间40 min，初始pH为8，硫酸铵3.0 g/L，硫酸亚铁0.10 g/L, 硫酸镁0.03 g/L。在该最优条件下进行的厌氧发酵产氢实验，得到氢气630 mL，产氢效率达到1.92 mol-H2/mol-葡萄糖。
将SiC规整波纹板填料应用在升流式填充床反应器中，利用其表面粗糙、孔隙率大的特点进行微生物的附着固定。在连续流生物发酵产氢实验中，SiC 规整填料升流式反应器启动时间较短，对外界条件变化有一定适应能力，能够较稳定运行。发酵液初始pH在8.0左右产氢效果最好，氢气产量最高达到0.42 L-H2/g-COD。反应器在COD负荷率为72 g-COD/（L2d）操作条件下产氢速率维持在（4.8±0.2）L-H2/(L2d)水平。
关键词：生物制氢，厌氧发酵，影响因素，SiC规整填料，升流式反应器
ABSTRACT
With the development of society and technology, the problem of environmental pollution and energy crisis caused by the large-scale use of fossil fuels is becoming more serious so the world focus on the development of clean, renewable energy. Hydrogen is considered to be the best fossil fuel alternative energy for its advantages of high energy density, clean and pollutionless, and the high thermal conversion efficiency. Biohydrogen production is a new method for hydrogen production that converts the water or organic energy to hydrogen by hydrogen producing bacteria. Compared with the traditional methods of hydrogen production, bio-fermentation hydrogen production is considered to be a new hydrogen production technology with its high stability and environmentally friendly advantages.
The main factors affecting anaerobic fermentative hydrogen production (including pre-heated treatment temperature and duration of anaerobic activated sludge, initial pH of the fermentation broth, the concentration of ammonium sulfate, ferrous sulfate and magnesium sulfate) were studied by single factor experiments, and the optimal operating conditions of fermentative hydrogen production were obtained by orthogonal experiments.
The study results showed that initial pH was the most significant facter on anaerobic fermentation hydrogen production, and the optimal hydrogen production operating conditions were: pre-heat treatment temperature 80 °C, pre-heat treatment duration 40 min, initial pH 8.0, ammonium sulfate 3.0 g/L, ferrous sulfate 0.10 g/L and magnesium sulfate 0.03 g/L. With the optimal conditions, the best hydrogen production volumn was 630 mL and the maximum hydrogen yield was 1.92 mol-H2/mol-glucose.
The SiC structured packings were applied in an up-flow packed bio-reactor to fix microbial by the character of rough surface and high porosity. In the continuous biohydrogen fermentation experiments, startup time of SiC structured packing up-flow was short, and the reactor could adapt to the change of external conditions and operated stable. With the initial pH about 8.0, the best hydrogen production was 0.42 L-H2/g-COD. The reactor kept a stable hyodrogen production level of (4.8±0.2) L-H2/(L2d) with COD loading rate of 72 g-COD/(L2d).
Keywords:biohydrogen production, anaerobic fermentation, influencing factors, SiC structured packing, up-flow reactor
目录
第一章引言 (1)
1.1选题背景 (1)
1.2氢能 (1)
1.3氢的传统制取方法 (1)
1.3.1化石燃料制氢 (2)
1.3.2水制氢工艺 (4)
1.4生物制氢 (5)
1.4.1光合生物制氢 (6)
1.4.2厌氧暗发酵制氢 (7)
1.4.3暗-光耦联发酵制氢 (13)
1.4.3生物制氢方法总结 (13)
1.5厌氧发酵生物制氢反应器的类型 (14)
1.5.1CSTR厌氧发酵生物制氢反应器 (14)
1.5.2UASB厌氧生物发酵制氢反应器 (15)
1.5.3ABR厌氧发酵生物制氢反应器 (16)
1.5.4膨胀床厌氧生物发酵制氢反应器 (17)
1.5.5填充床厌氧发酵生物制氢反应器 (18)
1.6存在的问题 (19)
1.6.1菌种 (19)
1.6.2产氢条件 (19)
1.6.3反应器 (20)
1.6.4降低成本 (20)
1.7研究意义及目标 (20)
第二章实验设计及检测方法 (21)
2.1实验材料 (21)
2.1.1接种污泥 (21)
2.1.2模拟废水 (21)
2.2实验步骤 (22)
2.3检测方法 (22)
2.3.1污泥性质（TS、VS） (22)
2.3.2pH值 (23)
2.3.3产气量 (23)
2.3.4气体组成 (23)
2.3.5发酵液组成 (24)
2.3.6葡萄糖浓度 (24)
第三章厌氧发酵生物制氢条件优化 (26)
3.1单因素实验 (26)
3.1.1热处理对厌氧生物制氢的影响 (27)
3.1.2初始pH对厌氧生物制氢的影响 (30)
3.1.3铵离子浓度对厌氧生物制氢的影响 (31)
3.1.4亚铁离子浓度对厌氧生物制氢的影响 (33)
3.1.5镁离子浓度对厌氧生物制氢的影响 (35)
3.2正交实验 (37)
3.2.1正交实验设计 (37)
3.2.2正交实验结果 (38)
3.2.3正交实验总结 (41)
第四章厌氧发酵生物制氢反应器的研究 (42)
4.1泡沫碳化硅陶瓷规整填料 (42)
4.2厌氧发酵生物制氢反应器特征与结构 (42)
4.3实验材料与监测物理量 (46)
4.3.1实验材料 (46)
4.3.2监测物理量 (46)
第五章SiC-UFPB产氢性能研究 (48)
5.1 SiC-UFPB的启动 (48)
5.1.1启动步骤 (48)
5.1.2启动阶段监测参数变化趋势 (48)
5.2 SiC-UFPB的稳定运行 (52)
5.2.1pH对SiC-UFPB产氢能力的影响 (52)
5.2.2COD负荷率对SiC-UFPB产氢能力的影响 (55)
第六章总结及展望 (58)
参考文献 (59)
发表论文和参加科研情况 (65)
致谢 (66)
第一章引言
1.1选题背景
人类的生存繁衍和文明的发展传承都是以能源作为主要的物质依托，经济的快速发展和社会的循序进步都是靠能源作为重要的物质推动力。世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭的广泛使用。而这一经济的资源载体，随着开采和消耗而日益枯竭，世界各国都已意识到化石能源危机爆发的可能性。同时，化石能源的开发与利用对全球的环境和气候有着重要影响，环境污染和温室效应对经济和社会的可持续发展有着严重的抑制作用。因而，新能源和可再生能源的研究与开发已成为世界各国能源战略的重点，且其消费比例正在快速增长。
与常规能源是相对的是新能源，其包含的内容正在不断更新和发展。目前，新能源主要包括太阳能、核能、风能、化学能、地热能、海洋能、生物质能等。氢能因其清洁、高效、可持续等特点，被列为21世纪最具开发潜力的新能源。
1.2氢能
氢是最简单也是含量最丰富的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%。氢具有以下性质和特点[1]：
（1）来源广泛海水，是氢取之不尽用之不竭的重要源泉。
（2）燃烧性能优越氢气的燃烧值为121 MJ/kg，高于所有化石燃料和生物质燃料；与空气混合有广泛的可燃范围，且燃烧效率很高。
（3）清洁无污染氢气本身无色、无毒、无味，燃烧后产物仅为水，不存在CO2排放问题。
（4）储存形式多纯氢可以以气、液、固三态存在，氢还可以形成金属氢化物，因此储运氢的方式可以有多种形式，但是还需解决一些瓶颈问题。
（5）利用形式多氢气燃烧可以产生大量的热能，或者用于燃料电池及核聚变中。
氢能的上述优点使其成为未来理想的含能体能源，随着化石燃料能源的日益枯竭，氢气能源的需求量迅速增长，因此，探索新的制氢技术，以满足大型化、高效率、低成本的发展要求，已成为重要的能源战略课题[2]。
1.3氢的传统制取方法
氢的制取可分为化石燃料制氢和水制氢。
1.3.1化石燃料制氢
在起始阶段，氢主要从化石燃料（煤、石油和天然气）中获得。
1.3.1.1煤制氢
煤制氢技术包括煤的焦化（高温干馏）和气化，从气体产物中提取氢。煤气化的工艺流程图如1-1所示。首先煤经气化炉制得煤气，然后经过气体净化装置脱硫，CO和CH4经重整、分离和提纯而获得产品氢。
图1-1 煤制氢的工艺流程
Fig. 1-1 Process of hydrogen production from coal
气化反应如下：
C+H2O→CO+H2-11882kJ （1-1）
CO+H2O→CO2+H2-76841kJ （1-2）
煤气化技术研究收到了世界各国的高度重视，美国首先提出洁净煤技术计划（Clean coal technology project），欧洲和日本也大力开展整体煤气化联合循环发电技术，如Texaco、Destec、KRW、Prenflo等技术[3,4]。
因为煤气化的处理原料是以固体状态存在，且处理过程中会产生较多灰分，所以增大了煤气化过程的复杂性。煤气化制氢主要取决于设备投资的费用。煤地下气化技术可以较高效率的利用煤炭资源，并降低地表环境破坏的危害[5]。该法在唐山刘庄矿已进行工业化运行，可以制得5万m3/d的水煤气[1]，经过变压吸附提纯得到氢气，证明该方法有一定的应用前景。
1.3.1.2天然气制氢
天然气的主要成分是甲烷，其他成分包含水、硫化氢、氮气、其他碳氢化合物和一些碳氧化合物，所以反应之前要先除去杂质。
天然气制氢的方法包括：天然气/水蒸气重整制氢，天然气部分氧化制氢，天然气/水蒸气重整与部分氧化联合制氢，天然气催化裂解制氢等。
a天然气/水蒸气重整制氢：经典制氢工艺路线如图1-2所示：
图1-2天然气/水蒸气重整制氢的经典制氢工艺路线
Fig. 1-2 Classic route of natural gas/steam reforming process b天然气部分氧化制氢：主要反应为：
CH4+H2O→CO+2H2+35.5kJ（1-3）
c天然气催化裂解制氢工艺：天然气的直接热解是直接转化制氢的一种技术，甲烷经高温催化分解为氢气和碳。
CH4→C+H2（1-4）
原材料费用占该工艺过程费用比例高达60%左右[6,7]，因此天然气价格对氢气生产有着决定性的影响。
1.3.1.3重油部分氧化制氢
重油是炼油过程的残余物，重油中的碳氢化合物在高温高压条件下与氧气、水蒸气反应，生成一氧化碳、二氧化碳和氢气等气体产物，最主要的反应如下[8]：
C n H m+n
2O2→nCO+m
2
H2（1-5）
C n H m+nO2→nCO+(n+m
2
)H2（1-6）H2O+CO→CO2+H2（1-7）在较高温度和压力下，甲烷和石脑油作为主要的低碳烃化合物，需要使用催化剂进行部分氧化反应，而以重油为部分氧化原料时则可以不用催化剂。因为重油的碳氢比较高，所以该法制得的氢气主要来自一氧化碳和蒸汽。重油部分氧化制氢的热量主要由重油氧化放热反应与重油-水蒸气吸热反应来进行平衡，设备投资费用决定着该法制氢价格的高低[9]。
1.3.2水制氢工艺
氢是以化合物的形态存在于水中，需要把氢从水中提取出来。水制氢工艺包括电解水制氢、光解水制氢、热解水制氢等工艺。
（1）电解水制氢
电解水制氢[1]技术的发展过程见表1-1，现已成为一种较为成熟的传统制氢方法。近年来电解制氢的研究对象主要是电解池，包括电极和电解质种类、性能、使用条件和年限的研究[10]。电解池的电流密度对单位面积电解池制氢量的大小起到决定性作用，电解电压的高低是电解制氢能耗的主要影响因素，这两个参数会受到工作温度和压力的显著影响[11]。现以碱液为介质，采用高温高压的方法电解水制氢已经发展的较为成熟，可进行大规模生产。
表1-1工业电解水的发展历史
Table 1-1 History of industrial water electrolysis development
年代事件
1800年Nicholson与Carlisle发现了电可以分解水的现象
1902年世界范围内400多个工业电解槽投入使用
1927年第一个大型电解车间投产（产量为（标准状态）10000 m3-H2/h）
1948年Zdansky/Lonza建立了第一个加压电解槽
1966年建立了第一个固体聚合物电解质体系（SPE system）
1972年发展了固体氧化物水电解体系
1978年开始使用改进的碱性介质体系
电解水制氢具有操作方法简便和氢气纯度高等优点，但是该方法生产成本高，所以目前使用电解水制氢工艺生产的氢气量所占比重较小[12]。
（2）光解水制氢
Fujishima等[13]发现n型半导体二氧化钛电极可以在光照条件下分解水产生H2，开始了光解水制氢的研究。
半导体光电催化分解水的基本原理是：光照射到半导体催化剂，光子被催化剂吸收产生光电子，从价带上跃迁到导带，光电子和空穴能够向吸附在半导体表面的物质转移电荷，从而氧化或还原被吸附的物质[14]。
光解水的电极反应为：
阴极还原（铂电极）2H++2e+→H2（1-8）
阳极氧化（半导体电极）2H2O?e?→O2+4H+（1-9）
光电催化制氢主要存在3种结构体系：半导体-金属体系，光化学双电极体系和SC-SEPPEC体系。有研究表明，光催化分解水制氢需要满足以下条件：高稳定性，无光腐蚀，能吸收太阳光，满足分解水的热力学要求[15]。当前的研究热点就是二氧化钛的可见光化改性研究。
1.4生物制氢
传统的制氢方法（如化石燃料制氢，电解水制氢）能耗高并且存在环境污染问题，生物制氢是一种新型的制氢方法，是把自然界中水或有机物中的能量通过产氢菌的作用转化为氢气，是微生物自身新陈代谢的作用，反应在常温常压的温和条件下进行，同时可以将各种工农废弃物、废水作为反应原料，实现废物利用和能源生产的双重作用。
早在19世纪就有科学家发现细菌和藻类能够产生氢气，20世纪70年代石油危机更使相关研究人员意识到生物制氢的实用性并开始了大规模的研究工作。
能够产氢的微生物主要有两个类群：光合生物和非光合生物，如表1-2所示：
表1-2 产氢生物种类[16]
Table 1-2 The species of hydrogen production microflora
生物类群代表种属
严格厌氧细菌Clostridium butyricum
兼性厌氧细菌Enterobacter aerogenes
固氮菌Klebseilla sp.
甲烷细菌Methylomonas albus
瘤胃细菌Ruminococcus albus
好氧菌Bacillus licheni formis
嗜热古细菌Pyrococcus furious
光合细菌Rhodospirillum rubrum
纤维素分解菌R. capsulate(Hup-)
蓝细菌（蓝藻）Anabaena cylindrical, Synechococcus, Oscillatoria
绿藻Chlamudomonas reinhardtii
根据生物产氢微生物种属的不同及产氢过程中操作条件的差异，生物制氢可分为：光合生物制氢、厌氧暗发酵制氢以及暗-光两步法发酵制氢三种类型。
1.4.1光合生物制氢
能进行光合作用的细菌和藻类是光合生物制氢方法所使用的两大类型，光合产氢原理和过程有一定差异，但都需要光源。
1.4.1.1光合细菌产氢
能够进行生物产氢的光合细菌主要包括：深红红螺菌、红假单胞菌、类球红细菌、液胞外流红螺菌、夹膜红假单胞菌等。固氮酶是主要的催化光合细菌产氢酶，起到关键作用。光合细菌进行生物产氢的机理为：光合作用单位得到被捕获的光子，将其能量送往光合反应中心，用于电荷分离产生高能电子，进而合成ATP。产生的高能电子，通过Fd-NADP+还原酶，从Fd（铁氧还蛋白）传给NADP+，生成NADPH。之前过程中生成的A TP和NADPH被固氮酶利用，将H+还原，最终生成H2[16]。
光合细菌的光合产氢大多存在于被研究的紫色非硫细菌中，产氢过程由固氮酶催化。光合细菌的电子供体为有机物或还原型硫化物，在产氢反应中只生成氢气不产生氧气[17]。
1.4.1.2藻类产氢
1942年，Gaffron和Rubin发现绿藻Scenedesmus obliquus能够产氢[18]。现已证明，能够产氢的藻类有绿藻、红藻、褐藻等真核生物，还有蓝藻等原核生物，主要由氢酶调节。产氢反应有两种形式：一种是有机底物被分解产生还原剂，可以作为运送电子的载体，同时伴随二氧化碳放出；另一种是光解水产氢，同时伴随氧气生成[19,20]。
藻类产氢一般分两步:
第一步：通过光和系统Ⅱ（PSⅡ）光解水，生成质子和电子同时放出氧气；
2H2O→4H++4e?+O2（1-10）第二步：藻类在产氢酶催化作用下还原质子生成氢气。
2H++2e?→H2（1-11）
70年代以来，各国科学工作者对光合法生物制氢技术开展了大量的科学研究工作，但是光合生物制氢的效果不是很理想。光合细菌对光能的转化率较低，
整个产氢过程的稳定性和连续性都较差，而且光合法生物制氢过程需要充足的、持续的光能源，以上这些均为该技术实现大规模国内工业化生产的技术瓶颈[21]。
1.4.2厌氧暗发酵制氢
与光合生物制氢相比较，厌氧发酵制氢有如下优势：（1）厌氧发酵生物制氢技术的产氢稳定性较高。因为厌氧发酵制氢的原理是发酵产氢细菌自身进行生理代谢，将有机底物消耗分解成挥发性脂肪酸，同时产生氢气，因此不需要光能，能够不分昼夜的进行连续产氢，从而保证了氢气产量的持续性与稳定性。（2）厌氧发酵产氢菌株的产氢能力比光合细菌高。研究表明，光合细菌的产氢能力普遍低于5 mmol-H2/(g-干细胞·h)，而厌氧发酵细菌的产轻能力都较高，如丁酸梭菌Clostridium butyricum IFO13949的产氢能力达1.9 mol-H2/mol-底物[22]。
1.4.
2.1厌氧发酵产氢菌种
（1）纯菌
按照生长条件和特性的不同，厌氧发酵产氢细菌可分为严格厌氧产氢细菌、兼性厌氧菌和混合厌氧产氢菌[23]。严格厌氧产氢细菌主要是梭状芽胞杆菌属，其中的丁酸梭菌CGS5[24]，耐热乳酸梭菌[25]，巴氏芽孢梭菌[26]均为高效产氢菌，产氢能力在190-340 mL-H2/g-己糖大致范围内[27]。兼性厌氧产氢菌主要是肠杆菌属的一些细菌，将葡萄糖转化成多种挥发性脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸）和乙醇，同时产生氢气。
综合国内外的研究，从产氢能力来看，分离得到的较优产氢菌株有：Kumar 从树叶榨出物中分离到一株阴沟肠杆菌Enterobacter clocaeⅡT-BT08,在反应温度36 ℃、pH值保持在 6.0的条件下得到最大的产氢量可达到29.63 mmol-H2/(g-干细胞2h)[28]；林明[29]采用厌氧Hungate技术，从生物制氢反应器的厌氧活性污泥中分离的到的高效产氢菌株B49，其产氢速率达到25 mmolH2/(g-干细胞2h)，是乙醇型发酵产氢菌株，具有良好的耐酸性，发酵产氢和细菌生长的最适宜pH值约为3.9-4.2。
（2）混合菌群
目前用于研究的混合菌群主要有活性污泥[30]、动物粪便堆肥[31,32]、土壤[33]等。混合菌可以互补的利用底物，互相提供生长因子、优化产氢环境、缓解相互间的抑制作用。因此与产氢纯菌相比，混合菌群的优势在于：更多样的生理代谢功能，更强的生态适应能力、不存在纯菌发酵具有的杂菌污染问题[34-36]，如果利用厌氧活性污泥作为发酵菌种，可以将其培养成具有良好沉降性能的絮状体，避免了在连续流状态下菌体流失的问题[21]，使厌氧活性污泥发酵制氢进行工业化生产更具可能性。
1.4.
2.2厌氧发酵产氢机理
厌氧产氢菌将各种有机底物，如葡萄糖、淀粉、纤维素、蛋白质、脂肪等，作为产氢底物，进行发酵转化，产出氢气和挥发性脂肪酸等小分子有机物。产氢机理主要有四种，分别为：丙酮酸脱羧产氢、NADH/NAD+氧化还原平衡调节产氢、产乙酸菌的产氢以及NADPH作用产氢。
有机物发酵过程大致分为三个阶段，如图1-3所示：Ⅰ水解阶段：厌氧菌胞外酶将复杂的有机底物分解为简单的小分子有机物；Ⅱ产酸阶段：经水解后生成的单糖被酵解酸化，生成挥发性脂肪酸、氢气和二氧化碳；Ⅲ产甲烷阶段：生成的氢气和二氧化碳被转化成甲烷，乙酸脱羧也生成甲烷。
图1-3 有机物发酵过程[37]
Fig. 1-3 The process of organic fermentation
1.4.
2.3厌氧发酵产氢类型
因为细菌种属不同，厌氧发酵产氢途径不同，导致最终末端产物组成的不同。根据末端发酵产物的组成将厌氧发酵制氢分为三种类型：乙醇型发酵(ethanol fermentation)、丁酸型发酵(butyric acid fermentation)和丙酸型发酵(propionic acid fermentation)。碳水化合物发酵的主要经典类型如表1-3[38]：
表1-3 碳水化合物发酵的主要类型
Table 1-3 The main types of carbonhydrate fermentation
发酵类型主要末端产物典型微生物
乙醇型发酵(ethanol fermentation) 乙醇、乙酸、氢气、二氧化
碳、少量丁酸
乙醇型B49
丁酸型发酵
(butyric acid fermentation) 丁酸、乙酸、氢气、二氧化
碳和少量丙酸
梭菌属(Clostridium)
丁酸弧菌属(Butyriolbrio)
丙酸型发酵(propionic acid fermentation) 丙酸和乙酸，气体产物很少丙酸菌属
(Propionibacterium)
费氏球菌属(Veillonella)
混合酸发酵
(mixed acid fermentation) 乳酸、乙酸、乙醇、甲酸、
氢气、二氧化碳
埃希氏杆菌属(Escherichia)
变形杆菌属(Proteus)
志贺氏菌属(Shigella)
沙门氏菌属(Salmonella)
（1）乙醇型发酵制氢[39]
乙醇型发酵的主要末端产物为乙醇、乙酸、氢气、二氧化碳和少量丁酸。根据生物产氢代谢机理进行分析，乙醇型发酵细菌是将葡萄糖类的碳水化合物进行糖酵解，生成丙酮酸，然后在丙酮酸脱羧酶和焦磷硫酸铵的共同作用下转化成乙醛，同时放出氢气和二氧化碳，之后乙醛在醇脱氢酶的作用下最终降解为乙醇，发酵途径如图1-4 所示。
图1-4 乙醇型发酵途径
Fig. 1-4 The route of ethanol fermentation
（2）丁酸型发酵制氢[40]
进行丁酸型发酵产氢的细菌主要是梭状芽胞杆菌属，包括丁酸梭状芽胞杆菌、丁酸弧菌、酪丁酸梭状芽胞杆菌等。进行丁酸型发酵的底物主要是葡萄糖、蔗糖等可溶性碳水化合物，发酵末端主要产物有：丁酸、乙酸、氢气、二氧化碳和少量丙酸。
丁酸型发酵的主要反应如下[23]：
C6H12O6+2H2O→2CH3COOH+2CO2+4H2（1-12）
C6H12O6→CH3CH2CH2COOH+2CO2+2H2（1-13）由以上方程式可以看出，丁酸型发酵末端产物丁酸与乙酸的摩尔比为2:1。
（3）丙酸型发酵制氢[41]
利用厌氧发酵方法进行污水处理时，含氮的有机化合物（如酵母膏、肉膏、明胶等），以及难降解的碳水化合物（如纤维素），往往进行的是丙酸型发酵。丙酸型发酵需要铁氧还蛋白氧化还原酶和铁氧还蛋白氢化酶的共同作用，发酵末端产物是丙酸和乙酸，最大的特点就是气体产物很少。反应历程如图1-5：
图1-5 丙酸型发酵制氢历程
Fig. 1-4 The route of propionic acid fermentation
1.4.
2.4厌氧发酵产氢影响因素
在厌氧发酵产氢过程中产氢菌的活性、产氢量和产氢速率、代谢途径及类型均会受到各种环境及操作因素的影响，如选用的菌种和发酵底物、厌氧发酵的条件以及各种微量元素的浓度等。
（1）菌种
厌氧发酵制氢菌种的选择会影响到操作条件的确定、产氢量的大小以及发酵途径和最终产物。纯菌E.harbinese B49在37℃下，以葡萄糖为发酵底物进行间歇式厌氧发酵，得到最大的产氢速率为729mL-H2/(g-干细胞2h)，最大氢气产量为2.2mol-H2/mol-葡萄糖[42]。厌氧发酵菌Clostridium butyricum CGS2 和Clostridiumpasteurianum CH4利用木薯淀粉的水解产物以及可溶性淀粉溶液进行发酵产氢的研究表明：以木薯淀粉的水解产物时，菌种Clostridium butyricum CGS2的最大产氢速率和产氢量为124.0mL-H2/(h?L) 和6.32 mmol-H2/g-COD；以木薯淀粉的水解产物时，菌种Clostridiumpasteurianum CH4的最大产氢速率为63.0mL-H2/(h2L)，而最大的产氢量9.95mmol-H2/g-COD是在以可溶性淀粉为底物时进行厌氧发酵得到的[43]。Chiu-Yue Lin[44]使用造纸厂污水处理后的厌氧污泥作为混合菌种，使用淀粉水溶液进行厌氧发酵制氢，得到最大的氢气产量和最大产氢速率分别为1.1mol-H2/mol-蔗糖和10.4mmol-H2/(h2L)。
综上所述，厌氧发酵产氢菌种选择会影响到发酵底物的选择以及产氢效率。纯菌产氢易染上杂菌、培养条件苛刻，给实际操作和工艺过程管理带来很大麻烦且增加了难度；而厌氧活性污泥或者动物粪便堆肥的使用，既消除了纯菌的杂菌污染问题，且来源方便降低产氢成本，混合菌种厌氧发酵制氢工艺的产氢条件并不十分严格苛刻并且易于操作，混合菌的菌种间的协同作用更使其具有实际运用的前景，但是需要进行一些预处理措施。
（2）发酵底物
发酵底物包含了厌氧发酵产氢菌生长代谢所需要的全部营养物质，厌氧发酵产氢的一大特点就是可利用的发酵底物很广泛，例如各种工厂的含糖废水（如制糖厂、啤酒厂等）、造纸厂富含纤维素废水、面粉厂废水、厨余垃圾等。不同的发酵底物其营养物质组成、分子结构及理化性质均存在着较大的差异[45]：通常分子量较小、结构较为简单的有机化合物可以被厌氧发酵产氢菌直接利用，被转化成氢能和其他副产物，如葡萄糖、蔗糖等；而复杂的大分子有机物则需要在厌氧发酵产氢前进行预处理（包括酸碱处理、热处理等），被分解为小分子物质后才能被厌氧发酵产氢菌利用进行代谢产氢，如淀粉、纤维素等。
使用米浆作为发酵底物进行厌氧发酵制氢的研究表明：在发酵温度37 ℃、pH值 4.5的实验条件进行间歇型生物发酵反应，得到最大的产氢量为346 mL-H2/g-carbohydrate，底物利用率达到62.6%[46]。孟飞琴[47]等对餐厨垃圾厌氧暗发酵制氢的可行性进行了系统的研究，并使用单因子实验和统计学方法进行实验研究了单质铁、镁离子以及微量元素镍离子、钼酸根离子的影响及交互作用。棕榈油厂的废水(palm oil mill effluent, POME)[48]也被用来进行厌氧发酵制氢的研究，通过中心复合实验设计和反应面数据分析方法，得到了最优的产氢量和COD去除率，分别为6.33±0.142L-H2/L-POME和55±1.5%。
综上所述，厌氧发酵产氢技术所能利用的发酵底物范围十分广泛，尤其是对各种富含有机质的污水的利用，既进行了一定程度的污水处理，同时还获得了清洁的氢能，若能实现工业化生产应用，将会带来良好的环境和经济效益。
（3）发酵温度
厌氧发酵产氢细菌必须在适宜的温度下才能保持良好的生物活性。根据各种微生物的温度生长范围，可以将微生物分为三类：嗜冷菌(psychrophils)、嗜温菌(mesophils)和嗜热菌(thermophils)[38]。以葡萄糖为发酵底物、以从牛粪堆肥分离得到的产氢细菌Enterobacteriaceae为接种菌，在发酵温度30 ℃下进行间歇型厌氧发酵产氢实验，得到氢气最大产率和产量分别为355.2 ml-H2/(h2L)和2.1 mol- H2/mol-葡萄糖，葡萄糖的最终转化率为35%[49]。经研究证明，从以棕榈油废水为发酵底物厌氧发酵制氢反应器中分离的到的嗜热产氢菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum有着较高的产氢能力，在20 g/L 的蔗糖溶液、pH 6.25、发酵温度60 ℃的条件下，得到最大产氢量和产氢速率分别为2.53 mol-H2/mol-己糖、12.12 mmol-H2/(h2L)[50]。而Kuo-Shing Lee[51]的研究则表明，40 ℃是新型的载体诱导颗粒污泥床(carrier-induced granular sludge bed, CIGSB)的最适宜厌氧发酵温度，在该条件下能够得到最大氢气产量
(3.88 mol-H2/mol-蔗糖)。
综上所述，发酵温度对厌氧发酵产氢菌的生物活性有着较强的影响，进而会影响到氢气的产率和COD去除率。厌氧生物产氢菌的适宜发酵温度从较低的20 ℃到70 ℃都有报道，但文献记录的大多数厌氧发酵产氢菌的适宜发酵温度基本在30 ℃- 40 ℃之间，属于嗜温菌。
（4）pH
发酵液的pH值是厌氧发酵生物制氢的关键非生物因素之一，主要影响着细菌酶活性（包括和厌氧发酵产氢密切相关的产氢酶和固氮酶等）、细菌厌氧发酵产氢的代谢途径及产氢类型、氧化还原电位以及底物最终被利用的程度等。研究表明，适宜的pH范围对厌氧发酵产氢是有利的，但是这个“适宜范围”却有着很大差异。
S.G. Won[52]使用厌氧序批式间歇反应(anaerobic sequencing batch reactor, ASBR)器进行了pH和水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)对厌氧发酵制氢工艺的影响，研究结果表明最优的pH值是随着HRT的改变而变化的，最大的产氢速率(3.04 L-H2/L-反应器)和最高氢气产量(2.16 mol-H2/mol-己糖)是在pH值4.5、水力停留时间30 h下得到的。JH Wu[53]利用食品厂的废水进行厌氧发酵，使用厌氧活性污泥作为产氢菌种，研究了pH在4.0-8.0之间的产氢效果。最终的实验结果为：最适宜pH值为6.0，在此条件下，得到的最大产氢量为4.71 mmol-H2/g-COD。
pH对厌氧发酵产氢的研究较为充分，大多数研究所得到的最优pH值是在6.0-8.0之间，均为弱酸或者弱碱条件。但是由于用于厌氧发酵制氢的发酵底物不同、所用的菌种亦有所差别，所以各文献所报道的最优pH值亦是有所差异的。
（5）无机营养物质
微生物的生长代谢需要各种无机元素的作用，是必不可少的一类营养物质。这些无机元素在厌氧发酵产氢菌的生长代谢过程中起着多种多样的生理作用，如促进或抑制相关酶的活性、维持细胞的代谢稳定性、促进细胞生长等。不同的无机营养元素起着不同的生理作用。
金属离子铁广泛存在于发酵产氢微生物的细胞色素、酶的辅助因子、铁氧还蛋白和其他铁硫蛋白中，是大多数厌氧产氢菌的必须无机营养元素。刘旭东[54]等人研究了厌氧发酵条件下亚铁离子对厌氧发酵生物制氢能力的影响，考察了亚铁离子浓度对产氢能力、发酵末态pH值、底物降解率以及发酵末端液相产物组成的影响实验研究结果表明，800 mg/L的亚铁离子浓度是最适浓度，可
以得到最大的产氢效率和产氢量。王建龙[55]等人的研究证明了35 ℃、初始pH 7.0的发酵条件下，镍离子能够促进厌氧发酵制氢的能力，最适浓度值为0.1 mg/L。Bingfeng Liu[56]研究了镍离子、亚铁离子和镁离子对生物制氢的影响，实验证明在合适的离子浓度下，对产氢有促进作用。
综上所述，金属离子的加入，对微生物生长代谢有着较大的影响，只有在合适的离子浓度下才能产生较好的促进作用，一旦浓度不适宜，则会起到相反地抑制作用。
1.4.3暗-光耦联发酵制氢
暗-光耦联生物制氢，顾名思义就是将暗发酵和光发酵两种制氢方式联合起来，在暗发酵反应过程中，糖类等有机底物被反应生产氢气和二氧化碳的同时，生成了乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸和乙醇，而这些液相产物恰恰可以作为光发酵细菌的发酵底物进行代谢产氢。由此可以解决有机底物转化率低得问题。同时，由于光发酵过程分解了乙酸、丁酸等酸性副产物，从而提升了发酵体系环境pH，降低了发酵产氢过程受酸性环境抑制的不利影响。目前暗-光联合发酵产氢的方式主要有两种：
（1）暗发酵和光发酵在同一反应器内产氢
将暗发酵细菌和光发酵细菌进行共培养，如Y okoi等人[57]将C.butyricum和Rhodobacter sp.M-19两种细菌接种在同一培养基上，以淀粉作为生长代谢发酵产氢的底物培养，进行暗-光耦联产氢实验，得到的最高氢气产量为 6.6 mol-H2/mol-葡萄糖。但是这种联合产氢方式存在明显的缺陷，即暗发酵产氢菌代谢发酵生成的挥发性脂肪酸的量和光发酵产氢菌代谢消耗的量不能完全一致，这就导致随着反应的进行，体系环境会变化，直至最后不适宜微生物的生长代谢反应停止。
（2）暗-光两步法产氢
暗-光两步法发酵产氢，就是将暗反应和光反应分成两步，依次进行发酵产氢反应。将暗发酵结束后富含挥发性脂肪酸的发酵液送入光发酵反应器内，作为光发酵细菌的代谢底物进行发酵产氢。浙江大学国家重点实验室在研究暗-光两步法生物产氢时，以葡萄糖作为碳源，Clostridium butyricum作为暗发酵细菌，进行第一步暗发酵产氢，得到最高氢气产量为1.72 mol-H2/mol-葡萄糖，然后将暗发酵液作为光发酵产氢菌Rhodopseudomonas palustris的发酵底物，最终暗-光联合产氢的氢气产量达到5.48mol-H2/mol-葡萄糖[58]。实现了有机底物的高效利用。但暗-光两步法生物制氢也存在一些问题，如暗发酵液有机酸浓度过高及组成变化不定等，所以还需要大量研究工作。
实用汇总，13种厌氧生物反应器原理！目前，厌氧微生物处理是高浓度有机废水处理过程中不可缺少的一个处理阶段。它不仅能耗低，而且可以生产沼气作为二次利用的能源。厌氧反应的容积负荷远大于好氧反应的容积负荷，而处理等量COD厌氧反应的投资较低。 目前常用的厌氧处理方法是：UASB，EGSB，CSTR，IC，ABR，UBF等。其他厌氧处理方法包括：AF，AFBR，USSB，AAFEB，USR，FPR，两相厌氧反应器等。 1。UASB——上流式厌氧污泥床反应器 uasb是一种英文缩写，表示向上流动的、不能吸收的细长床/毯子。称为上游厌氧污泥床反应器，是处理污水的厌氧生物方法，又称升厌氧污泥床。它是由荷兰的Lettinga教授在1977年发明的(Ding Yinian)。 UASB由三部分组成：污泥反应区、气-液-固三相分离器(包括沉淀区)和气室。底部反应区储存了大量的厌氧污泥，沉淀和凝结性能好的污泥在下部形成了一层污泥层。待处理的污水从厌氧污泥床底部流入污泥层与污泥混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物并转化为沼气。沼气不断地以微小气泡的形式释放出来，在上升的过程中，这些微小的气泡继续合并逐渐形成较大的气泡。在污泥床的上部，由于沼气的搅动，污泥浓度较低的污泥与水一起上升到三相分离器中。当沼气接触到分离器下部的反射器时，它围绕反射器弯曲，然后穿过水层进入气室。浓缩在气室沼气中，经导管输出，固液混合物反射到三相分离器的沉淀区，使污水中的污泥絮凝，颗粒逐渐增多，在重力作用下沉降。斜壁上沉淀的污泥沿斜壁滑回厌氧反应区，使大量污泥在反应区内堆积，从沉淀区溢流堰上部分离出的污水从溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
生物制氢 环工1402 2014011315许江东 摘要：基于2H2+O2＝2H2O，氢气燃烧不产生CO2这种温室气体，所以氢气被称为清洁能源，具有广大的应用前景，导致制氢技术具有很高的研究价值。简要概述了生物制氢的几种方法，包括光发酵、暗发酵、两步发酵、光解水等技术，并在此基础上，探讨可能的突破方向。 关键字：生物制氢；光解水；光发酵；暗发酵；两步发酵 引言 如果把社会比作一台机器，那么能源就是这台机器必不可少的能量来源。现如今全球大部分的能源来自于化石燃料的燃烧，这不仅产生了大量的CO2等温室气体，还浪费了这种不可再生能源。氢气燃烧仅产生水，而且放热远大于碳水化合物。氢气燃烧的最高热值是122 kJ/g，比碳水化合物燃料高2.75倍【1】。在生物制氢之前，已经有了一些制氢技术。 ①水电解法:以铁为阴极面,镍为阳极面的串联电解槽(外形似压滤机)来电解苛性钾或苛性钠的水溶液,阳极产生02,阴极产生H2。该方法成本较高,在电解过程只有15%的电能最终被转化为氢能,高达85 %的电能得不到合理利用被白白地浪费掉。但产品纯度大,可直接生产99.7%以上纯度的氢气。目前工业用氢总量的4%来源于水电解法。 ②热化学法:这种方法采用高温热解进行制氢,水在3000 °C条件下会发生热化学反应,生成H2和02。该方法对温度的要求较高,因此设备和能源的要求和花费较大,虽然经过研究人员的不懈努力,现在已经将热解温度降低到1000°C,但是与其他方法相比依然成本过高消耗过大。 ③等离子化学法:以石油、煤、天然气与水蒸气等物质为原料进行一系列反应生成水煤气,然后将水煤气和水蒸气一起通过灼热的Fe203(氧化剂)后就会产生C02和H2,经过简单的气体分离和干燥技术即可得到氢气。 ④光电化学法:这是一种比较新的方法,主要原理就是利用一些半导体材料和电解质溶液使其组成光电化学电池,在阳光照射下通过电化学方法生产出H2的过程。 而生物制氢法是通过发酵微生物或光合微生物的作用,在适当的工程条件下
1. 厌氧塔的设计计算 1.1 反应器结构尺寸设计计算 （1） 反应器的有效容积 设计容积负荷为 5.0 /( 3 / ) N v kgCOD m d 进出水 COD 浓度 C 0 2000( mg / L) ， E=0.70 QC 0 E 3000 20 0.70 8400m 3 3 V= 5.0 ，取为 8400 m N v 式中 Q ——设计处理流量 m 3 / d C 0——进出水 CO D 浓度 kgCOD/ 3 m E ——去除率 N V ——容积负荷 （2） 反应器的形状和尺寸。 工程设计反应器 3 座，横截面积为圆形。 1） 反应器有效高为 h 17.0m 则 横截面积： S V 有效 8400 ＝495(m 2 ) h 17.0 单池面积： S i S 495 165(m 2 ) n 3 2) 单池从布水均匀性和经济性考虑，高、直径比在 1.2 ： 1 以下较合适。 设直径 D 15 m ，则高 h D*1.2 15 * 1.2m 18 ，设计中取 h 18m 单池截面积： S i ' 3.14 * ( D )2 h 3.14 7.52 176.6( m 2 ) 2 设计反应器总高 H 18m ，其中超高 1.0 m 单池总容积： V i S i ' H ' 176.6 (18.0 1.0) 3000( m 3 ) 单个反应器实际尺寸： D H φ15m 18m 反应器总池面积： S S i ' n 176.6 3 529.8(m 2 ) 反应器总容积： V V 'i n 3000 3 9000(m 3 )
厌氧反应器的作用及工作原理 厌氧反应器为厌氧处理技术而设置的专门反应器。 厌氧消化技术在世界各地广泛应用，大部分处理城市生活有机垃圾的厂处理量在2500t/a以上。 厌氧过程实质是一系列复杂的生化反应，其中的底物、各类中间产物、最终产物以及各种群的微生物之间相互作用，形成一个复杂的微生态系统，类似于宏观生态中的食物链关系，各类微生物间通过营养底物和代谢产物形成共生关系(symbiotic)或共营养关系(symtrophic)。因此，反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是保持该系统持续稳定的必要条件。如何培养和保持相关类微生物的平衡生长已经成为新型反应器的设计思路。 UASB反应器 工作原理:上流式厌氧污泥床反应器(UASB)是传统的厌氧反应器之一。三相分离器是UASB反应器的核心部件，它可以再水流湍动的情况下将气体、水和污泥分离。废水经反应器底部的配水系统进入，在反应器内与絮状厌氧污泥充分接触，通过厌氧微生物的讲解，废水中的有机污泥物大部分转化为沼气，小部分转化为污泥，沼气、水、泥混合物通过三相分离器得于分离。技术特点:运行稳定、操作简单、可用絮状污泥、产生沼气、较低的高度、投资省。适用场合:广泛应用于食品、啤酒饮料、制浆造纸、化工和市政等废水的处理。 EGSB反应器 工作原理:EGSB厌氧反应器是在UASB厌氧反应器的基础上发展起来的新型反应器，EGSB反应器充分利用了厌氧颗粒污泥技术，通过外循环为反应器提供充分的上升流速，保持颗粒污泥床的膨胀和反应器内部的混和。TWT通过改进和优化EGSB的内外部结构，提供了效率，降低了能耗，增强了运行的稳定性，有效防止了颗粒污泥的流失。技术特点:污泥浓度高高负荷高去除率抗冲击负荷能力强占地面积小造价低适用场合: 适用于淀粉废水、酒精废水和其他轻工食品等高浓度有机废水的处理。 TWT-IC反应器 工作原理:TWT-IC反应器是继UASB、EGSB之后的新型厌氧反应器，需要处理的废水使用高效的配水系统由反应器底部泵入反应器，与反应器内的厌氧颗粒污泥混合。在反应器
1.2.2 厌氧处理工艺选择 1、各类厌氧工艺性能概述 （1）完全混合厌氧工艺（CSTR） CSTR是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵期内的发酵液混合，使发酵池底浓度始终保持相对较低的状态。而其排除的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器具有完全混合的状态，其水力停留时间、污泥停留时间、微生物停留时间完全相等，即HRT=SRT=MRT。为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10-15d或更长的时间，进料浓度8%-12%。中温发酵时负荷为3-4kgCOD（m3.d），高温发酵为5-6 kgCOD（m3.d）。 CSTR的优点：1.可以进入高悬浮固体含量的原料；2.消化器内物料的均匀分布，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；3. 消化器内温度分布均匀；4.进入消化器的抑制物质，能够迅速分散，保持较低的浓度水平；5.避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象。 缺点：1.由于消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；2.要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；3.生产用大型消化器难以做到完全混合；4.底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。 （2）厌氧接触工艺反应器 厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。其不足之处在于，厌氧污泥经沉淀池再回流，温度变化较大，影响了厌氧处理效率的提高，同时，厌氧罐内的热能损失也较大。但因受水泵性能的限制，该装置进料的干物质浓度（TS%）为4-6%，故需配兑2.5-3倍于发酵原料重量的配料污水；还需多级“预处理”以去除堵察水泵和管道的秸草等较大固形物。 （3）厌氧滤器（AF） 厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。 （4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，
生物工程设备课程论文 厌氧生物处理反应器概述及展望学生姓名： 2017年11月
厌氧生物处理反应器概述及展望 摘要：概述了厌氧消化阶段理论与厌氧消化的主要影响因素；介绍了厌氧生物反应器的发展历史；并对几种典型的高效厌氧生物反应器（上流式厌氧污泥床，厌氧折板反应器，厌氧膨胀颗粒污泥床和内循环式反应器）的工作原理、构造、技术特点、运行机制及其应用情况等做了详尽的阐述；最后，对厌氧反应器今后的研究方向给予了展望。 关键词：厌氧消化；厌氧生物反应器；工作原理；研究方向 随着我国工业化进程的不断加快，环境保护压力也越来越大，大量难降解工业废水的处理是摆在我们面前的一个重大难题。在废水生物处理领域，常用的有好氧法和厌氧法两种，其中好氧生物处理技术的曝气需要大量的能耗，而厌氧生物处理技术相对而言能耗则低的多，并且能够产生沼气达到资源再利用，符合当今节能环保的主题。因此研究和开发新型高效的厌氧生物处理反应器及其相关工艺具有长远的战略意义。 1 厌氧消化阶段理论 厌氧消化，是指在严格厌氧条件下，通过多种微生物（厌氧或兼性菌）的共同作用，将各种复杂有机物进行降解，并产生大量的CH4和CO2等沼气能源的复杂过程［1］。厌氧消化阶段理论先后经历了两阶段理论、三阶段理论到四菌群学说，其中三阶段理论和四菌群学说描述较为全面和准确，是目前在业内相对得到公认的主流理论，占主导地位。
1.1 三阶段理论 M.P.Bryant根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，于1979 年，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论［2］。该理论将厌氧发酵分成三个阶段，即水解和发酵阶段、产氢、产乙酸阶段及产甲烷阶段 1.2 四菌群理论 1979 年，J.G. Zeikus在第一届国际厌氧消化会议上提出了四菌群理论。该理论认为参与厌氧消化菌，除了水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群［3］。这类菌可将中间代谢物的H2和CO2转化成乙酸。厌氧发酵过程分为四个阶段，各类群菌的有效代谢均相互密切连贯，处于平衡状态，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。 2 厌氧消化的影响因素 （1）温度。主要影响微生物的生化反应速率，进而影响有机污染物的分解速率。同时温度突变对厌氧菌影响大。厌氧消化分为常温、中温和高温厌氧消化［4］。 （2）pH 值。厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH 有密切的关系，pH 值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH 值，其中产甲烷菌对pH 值尤其敏感，其最佳生存pH 值范围为6.5～7.2。 （3）搅拌。搅拌可使消化物料与微生物充分接触，从而提高消化效率、增加产气量。但搅拌也存在一定的负面效果，搅拌过快则不利于颗粒污泥的形成，实际操作上要选择最适宜的搅拌速度及搅拌时间。 （4）营养物。营养物质中最重要的是碳和氮两种，二者需要满足一定的比例。C/N 比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低，造成pH 值上升，铵
1.厌氧塔的设计计算 1.1反应器结构尺寸设计计算 （1） 反应器的有效容积 设计容积负荷为)//(0.53 d m kgCOD N v = 进出水COD 浓度)/(20000L mg C = ，E=0.70 V= 3 084000 .570 .0203000m N E QC v =??= ，取为84003 m 式中Q ——设计处理流量d m /3 C 0——进出水CO D 浓度kgCOD/3 m E ——去除率 N V ——容积负荷 （2） 反应器的形状和尺寸。 工程设计反应器3座，横截面积为圆形。 1） 反应器有效高为m h 0.17=则 横截面积：)(4950 .1784002 m h V S ＝有效 == 单池面积：)(1653 4952 m n S S i == = 2) 单池从布水均匀性和经济性考虑，高、直径比在1.2：1以下较合适。 设直径m D 15=，则高182.1*152.1*===m D h ，设计中取m h 18= 单池截面积：)(6.1765 .714.3)2 ( *14.32 2 2' m h D S i =?== 设计反应器总高m H 18=，其中超高1.0m 单池总容积：)(3000)0.10.18(6.176'3 ' m H S V i i =-?=?= 单个反应器实际尺寸：m m H D 1815?=?φ 反应器总池面积：)(8.52936.1762 ' m n S S i =?=?= 反应器总容积：)(900033000'3 m n V V i =?=?=
（3） 水力停留时间（HRT ）及水力负荷（r V ）v N h Q V t HRT 72243000 9000=?== )]./([24.03 6.1762430002 3h m m S Q V r =??= = 根据参考文献，对于颗粒污泥，水力负荷)./(9.01.02 3 h m m V r -=故符合要求。 1.7.2 三相分离器构造设计计算 （1） 沉淀区设计 根据一般设计要求，水流在沉淀室内表面负荷率)./(7.02 3 ' h m m q <沉淀室底部进水口表面负荷一般小于2.0)./(2 3 h m m 。 本工程设计中，与短边平行，沿长边每池布置8个集气罩，构成7个分离单元，则每池设置7个三项分离器。 三项分离器长度：)(16' m b l == 每个单元宽度：)(57.27 187 ' m l b == = 沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积即2882m 沉淀区表面负荷率：)./(0.20.1)./(39.0288 58.1142 323h m m h m m S Q i -<== （2） 回流缝设计 设上下三角形集气罩斜面水平夹角α为55°，取m h 4.13= )(98.055 tan 4.1tan . 31m h b === α )(04.198.020.32 12m b b b =?-=-= 式中：b —单元三项分离器宽度，m ； 1b —下三角形集气罩底的宽度，m ； 2b —相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离（即污泥回流缝之 一），m ； 3h —下三角形集气罩的垂直高度，m ；
环化系环测1001 李园方 厌氧发酵 1前言 餐厨垃圾是城市生活垃圾中有机相的主要来源。餐厨垃圾以蛋白质、淀粉类、食物纤维类、动物脂肪类等有机物质为主要成分, 是能源和肥料潜在的资源。餐厨垃圾含水率高达75% ~ 90%, 渗沥液易通过渗透作用污染地下水, 产生出大肠杆菌等病原微生物, 直接危害人体健康[ 1] 。另外, 餐厨垃圾处理过程中也会产生大量的高浓度有机废水, 如果处理不当, 将造成巨大的环境污染和资源浪费。宁波市于2009 年6月建成了一座餐厨垃圾废水厌氧 发酵工程, 经过2个月的调试运转, 于2009年8月开始正式运行。现将该工程情况介绍如下。 2废水概况 餐厨垃圾经提油处理和加工成饲料的处理后会产生大量有机废水, 该工程废水处理量约为110m3 d- 1, 其水质pH 为3. 5 ~ 4. 0, CODC r 80 ~ 1602废水概况餐厨垃圾经提油处理和加工成饲料的处理后会产生大量有机废水, 该工程废水处理量约为110m3 d- 1, 其水质pH 为3. 5 ~ 4. 0, CODC r 80 ~ 1603工艺流程根据工艺流程, 餐厨垃圾废水制沼气及发电主 要为以下三个步骤。 3-1厌氧发酵调试阶段 活性污泥的培养及驯化对反应器的正常运行至关重要。本项目的
接种污泥取自宁波骆驼沼气站(该沼气站以猪粪为原料)。 ( 1)污泥驯化初期(时间10天)。投入一定量的接种污泥, 再加入稀释后的废水( CODCr < 10 g L- 1 )一起投入改进型升流式厌氧污泥床反应器( UASB )中, 调节pH 至中性, 使污泥恢复活性。 ( 2)污泥驯化中期(时间30天)。投入一定量的接种污泥, 餐厨垃圾废水稀释为50% ( CODC r 40~ 80 g L- 1 ) , 出水水质良好。污泥性质基本稳定,上清液澄清透明。这表明, 活性污泥开始驯化, 适应餐厨垃圾废水。 ( 3)污泥驯化后期(时间20天)。餐厨垃圾废水提高到进料COD 浓度80~ 120 g L- 1, 保持一个 水力停留期。随着餐厨垃圾废水投加量的增加, 出水COD有所提高, 但仍能保持较高的COD 去除率。较长时间稳定的去除率表明, 污泥已基本适应餐厨垃圾废水的特性, 活性污泥驯化完成。 3-2厌氧发酵阶段 该工程采用2000m3 的改进型升流式厌氧污泥床反应器进行厌 氧发酵制沼气, 发酵装置外观见图1。该反应器处理效率高, 耐负荷能力强, 出水水质相对较好, 沼泥生成量小, 具有防堵防爆的特点, 其 结构、运行操作维护管理相对简单, 造价也相对较低。具有良好的沉淀性能和聚凝性能的污泥在下部形成污泥层, 运行一段时间后, 出水悬浮物增加, 需要按时排泥。 该工程设计为连续投料的工业化生产工艺路线。厌氧发酵启动后,
本技术涉及一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，反应容器由下至上依次分为布水段、反应段和分离段，布水段包括第一倒锥短筒，第一倒锥短筒内设有泡罩布水器，泡罩布水器与进水管连通，反应段包括倒锥长筒，增温保温系统对应反应段设置，增温保温系统由外向内包括保温层、增温储油层和增温盘管，分离段包括圆短筒和第二倒锥短筒，第二倒锥短筒和圆短筒内设有出水出气系统，出水出气系统包括锥形分离集气罩、环形溢流堰和回流管，锥形分离集气罩设置于增温盘管的上方，环形溢流堰的上方设有出水管、下方设有回流管，回流管下端与进水管连通。本技术具有良好保温增温能力，传质条件好，持留污泥能力强，稳定性强，清空方便，处理效能高。 权利要求书
1.一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，包括反应容器和增温保温系统，所述反应容器整体呈圆柱状，其特征在于：所述反应容器由下至上依次分为布水段(Ⅰ)、反应段(Ⅱ)和分离段(Ⅲ)，所述布水段(Ⅰ)包括设于反应容器下部的第一倒锥短筒(3)，所述第一倒锥短筒(3)内设有泡罩布水器(24)，所述泡罩布水器(24)与设于第一倒锥短筒(3)底部的进水管(1)连通，所述反应段(Ⅱ)包括下端与第一倒锥短筒(3)连通的倒锥长筒(9)，所述增温保温系统对应反应段(Ⅱ)设置，增温保温系统沿反应容器由外向内的方向包括保温层(6)、增温储油层(8)和设置于倒锥长筒(9)内上部的增温盘管(10)，所述增温储油层(8)中安装有电阻加热棒(7)，所述分离段(Ⅲ)包括上下连通的圆短筒(15)和第二倒锥短筒(12)，所述第二倒锥短筒(12)与倒锥长筒(9)的上端连通，所述第二倒锥短筒(12)和圆短筒(15)内设有出水出气系统，所述出水出气系统包括锥形分离集气罩(14)、环形溢流堰(17)和回流管(22)，所述锥形分离集气罩(14)对应设置于增温盘管(10)的上方，所述分离集气罩(14)通过导气筒(21)与外界连通，所述环形溢流堰(17)沿圆短筒(15)内壁设置，所述环形溢流堰(17)的上方设有出水管(16)、下方设有回流管(22)，所述回流管(22)下端与进水管(1)连通。 2.根据权利要求1所述的一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，其特征在于：所述增温盘管(10)顶端设置于倒锥长筒(9)中线距顶端2/5处，增温盘管(10)呈倒锥形紧密缠绕、下端盘口大小与倒锥长筒(9)对应位置的内径相匹配，所述增温盘管(10)的下入口(11)和上出口(13)与反应容器的外部连通。 3.根据权利要求1所述的一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，其特征在于：所述增温储油层(8)下端沿对称设置两根电阻加热棒(7)，所述电阻加热棒(7)通过下部的安装于反应容器底部的智能温控开关(5)进行加热控制，所述智能温控开关(5)能够通过电脑进行远程控制。 4.根据权利要求1所述的一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，其特征在于：所述进水管(1)设有进水流量阀(26)，所述回流管(22)与进水管(1)进水流量阀(26)以上的管体直接连通，所述回流管(22)下端安装有回流流量阀(25)。 5.根据权利要求1所述的一种高浓度难降解有机废水处理厌氧生物反应器，其特征在于：所述反应容器的顶板上通过套管接入pH计(18)和温度计(19)，顶板边缘两侧对称地设有可向外打开的盖板(20)。
两相厌氧工艺的研究进展 摘要：传统的厌氧消化工艺中，产酸菌和产甲烷菌在单相反应器内完成厌氧消化的全过程，由于二菌种的特性有较大的差异，对环境条件的要求不同，无法使二者都处于最佳的生理状态，影响了反应器的效率。1971年Ghosh和Poland提出了两相厌氧生物处理工艺［1］，它的本质特征是实现了生物相的分离，即通过调控产酸相和产甲烷相反应器的运行控制参数，使产酸相和产甲烷相成为两个独立的处理单元，各自形成产酸发酵微生物和产甲烷发酵微生物的最佳生态条件，实现完整的厌氧发酵过程，从而大幅度提高废水处理能力和反应器的运行稳定性。 (1) 两相厌氧消化工艺将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应器内，并为它们提供了最佳的生长和代谢条件，使它们能够发挥各自最大的活性，较单相厌氧消化工艺的处理能力和效率大大提高。Yeoh对两相厌氧消化工艺和单相厌氧消化工艺进行了对比实验研究。结果表明：两相厌氧消化系统的产甲烷率为0.168m3CH4/(KgCOD Cr?d)明显高于单相厌氧消化系统的产甲烷率0.055m3CH4/(KgCOD cr?d)。 (2) 反应器的分工明确，产酸反应器对污水进行预处理，不仅为产甲烷反应器提供 了更适宜的基质，还能够解除或降低水中的有毒物质如硫酸根、重金属离子的毒性，改变难降解有机物的结构，减少对产甲烷菌的毒害作用和影响，增强了系统运行的稳定性。 (3) 产酸相的有机负荷率高，缓冲能力较强，因而冲击负荷造成的酸积累不会对产 酸相有明显的影响，也不会对后续的产甲烷相造成危害，提高了系统的抗冲击能 力。 (4) 产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速度高于产甲烷菌降解酸的速率［4,5］，产酸反应器的体积总是小于产甲烷反应器的体积。 (5) 两相厌氧工艺适于处理高浓度有机污水、悬浮物浓度很高的污水、含有毒物质及难降解物质的工业废水和污泥。 2两相厌氧工艺的研究现状 2. 1反应器类型 从国内外的两相厌氧系统研究所采用的工艺形式看，主要有两种：第一种是两相均采用同一类型的反应器，如UASB反应器,UBF反应器,ASBR反应器，其中UASB 反应器较常用。第二种是称作Anodek的工艺，其特点是产酸相为接触式反应器 (即完全式反应器后设沉淀池，同时进行污泥回流)，产甲烷相则采用其它类型的反应器⑹。 王子波、封克、张键采用两相UASB反应器处理含高浓度硫酸盐黑液，酸化相为8.87L的普通升流式反应器，甲烷相为28.75L的UASB反应器,系统温度 (35 ±)C。当酸化相进水COD 为(6.771 ?11.057)g/ L ,SO42-为(5.648?8.669) g/
UASB 一、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）调试计划： 1.UASB反应器的反应原理 UASB反应器可分为三个区域，反应区和沉淀区和气、液、固三相分离区。在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥（颗粒污泥或絮状污泥），形成厌氧污泥床。当废水由反应器底部进入反应器后，由于水的向上流动和产生的大量气体上升形成了良好的自然搅拌作用，并使一部分污泥在反应区的污泥床上方形成相 对稀薄的污泥悬浮层。悬浮液进入分离区后，气体首先进入集气室被分离，含有
悬浮液的废水进入分离区的沉降室，由于气体已被分离，在沉降室扰动很小，污泥在此沉降，由斜面返回反应区。 2.UASB反应器运行的三个重要前提： ?反应器内形成沉淀性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。 ?由于产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用。 ?合理的三相分离器使沉淀性能良好污泥能保留在反应区内。 3.UASB反应器启动运行的四个阶段： 3.1第一阶段：UASB启动运行初始阶段： 选用接种污泥： 选用污水厂污泥消化池的消化污泥接种（具有一定的产甲烷活性）。 接种污泥的方法：接种污泥量、接种污泥的浓度 方法：将含固80%的接种污泥加水搅拌后，均匀倒入到UASB反应池。 接种污泥量：接种污泥量为UASB反应器的有效容积的30%到50%，最少15%，一般为30%。接种污泥的填充量不超过UASB反应器的有效容积的60%。本系统接种污泥量为80m3。 接种污泥的浓度：初启动时，稀型污泥的接种量为20到30kg VSS/m3, 浓度小于40 kg VSS/m3的稠型硝化污泥接种量可以略小些。 亦有建议以6-8kgVSS/m3为宜，因为消化污泥一般为絮状体，不宜接种太多，太对了对颗粒污泥不但没有好出，反而不利，种泥即污泥种的意思，种泥太多事没有必要的，颗粒污泥并非是种泥本身形成的，而是以种泥为种子，在提供充足的营养基质下由新繁殖的微生物形成，种泥多了，反而会与初生得颗粒污泥争夺养分，不利于颗粒污泥的形成。 接种污泥时的水质 配制低浓度的废水有利于颗粒污泥的形成，但浓度也应当足够维持良好的细
近年来，由于环境问题和能源问题的突出，对厌氧生物处理废水技术的研究出现了热潮。一些新型厌氧生物反应器相继推向市场。铁道部第三勘测设计院经过多年的理论研究和实践总结，综合厌氧池及升流式污泥床优点的基础上开发成功的高效厌氧生物滤池就是其中的一种。其主要特点是：由两级厌氧污泥床组成，投加填料固定和保留微生物菌群，充分发挥生物滤池的截污作用，有效提高颗粒污泥去除COD的效率；它可以埋地不占地表空间，无动力消耗，操作简单。 一、适用范围： 1、主要用于排水量1-24m3/d的生活污水处理，一般串连在化粪池后使用； 2、本设计采用埋地式，其埋深根据实际情况确定。 二、工作原理： 污水经化粪池后，自流至一级厌氧生物滤池内，自上而下通过具有较大比表面积的球形复合填料，由于滤池内没有空气，产生的厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，当污水通过带有该种生物膜的填料表面时，受生物膜的吸附作用和微生物的分解代谢作用以及在滤料的截流作用下，污水中的有机物被去除。然后污水通过底部周边进入二级厌氧由下而上进一步生化处理，最后利用进出水的水位差经三角堰集水槽后流出，老化脱落的生物膜沉积在滤池底部，定期通过吸泥管吸走。 三、设计原则及主要设计参数： 设计原则 1、处理设备按二级厌氧设计 2、厌氧设备结构有A3钢防腐或玻璃钢设计制造 设计参数 1、规格型号、出水指标、设备尺寸（附表） 2、结构工艺参数 停留时间T=2d,第一级24小时，第二级24小时； ３、填充比60%； ４、污泥清掏周期：一年； ５、容积负荷：0.25kgCOD/m3·d； ６、二级厌氧区流速：<0.5m3/m2·h。 四、高效厌氧生物滤池的技术特点： 1、污泥床有效容积大，可以获得更高负荷，提高混合液浓度，减少堵塞和短路； 2、相比于USAB污泥流失少，反应器启动速度加快，运行管理简单、方便； 3、无需三相分离器，结构更加简单； 4、能耗低，无污泥回流和鼓风曝气等设备，沼气产率为0.4-0.5m3/kgCOD； 5、尤其在处理低浓度溶解性有机废水时，其COD去除率和甲烷产量均超过其他同类反应器。 五、施工注意事项： １、应考虑外部载荷情况，覆土埋深按具体要求确定，应防止污水倒流及池体
1.4 实验研究目的，技术路线 我国目前的农作物发酵制沼气技术与发达国家相比,起步较晚,大型项目的运行经验相对较少。由于我国幅员辽阔,不同地域的农作物资源种类不同,其物理和化学性质也有较大的差别,加之我国不同地区年平均气温差别较大,使我国农作物厌氧发酵制备沼气的大型项目难有统一的设计参数标准。对于不同的大型沼气项目,必须结合项目实际的农作物种类和物性、气候条件、供热条件、沼液和沼渔的消纳和后续处理工艺、农作物的价格和最大运输半径、原料的储存和供料方式、发电机组的选型等因素进行综合考虑,才能使项目实施后获得最佳的经济和社会效益。 根据我国农作物制备沼气技术的应用现状,结合本文研究的农作物制备沼气项目实际案例,本文的研究目的为:;研究发酵原料的物理化学性质和产气率,提出合理估算农作物（主要是黄瓜藤）和粒径的方法,为项目实例提供工艺选择、系统设计和经济性计算提供可靠依据。 为了实现上述目的,本文研究内容主要集中如下几个方面: （1）研究农作物破碎预处理的特点,为合理计算破碎预处理能耗提供计算方法。 （2）研究了黄瓜藤的鲜活度对发酵产气量和产气速率等因素的影响。 （3）不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响；为了厌氧发酵反应的持续反应，同时还研究不同投配率对于pH值的影响。 1.5 论文章节安排 本论文共包括六章内容。 第一章介绍课题的研究背景，国内能源消费和可再生能源利用现状，以及课题的主要研究内容和意义。 第二章厌氧发酵反应制备沼气的基本原理和影响参数。
第三章阐述农作物的破碎原理，从中说明粒度与能耗间的关系，并且从能耗的角度分析不同粒度的颗粒的耗能情况。 第四章针对需要采用实验方法对各个因素进行研究，确定实验的数据测量的方法以及实验进行过程中需要的注意事项，防止实验失败。 第五章实验采用定制CSTR厌氧反应器对黄瓜藤在中温条件下进行厌氧消化反应实验，研究系统的稳定性能和产气性能。 第六章作出对课题的总结和展望，总结本课题的研究成果，并提出不足之处和以后还需进一步研究的方向。
1.厌氧塔的设计计算 反应器结构尺寸设计计算 （1） 反应器的有效容积 设计容积负荷为)//(0.53 d m kgCOD N v = 进出水COD 浓度)/(20000L mg C = ，E= V= 3084000 .570 .0203000m N E QC v =??= ，取为84003m 式中Q ——设计处理流量d m /3 C 0——进出水CO D 浓度kgCOD/3 m E ——去除率 N V ——容积负荷 （2） 反应器的形状和尺寸。 工程设计反应器3座，横截面积为圆形。 1） 反应器有效高为m h 0.17=则 横截面积：)(4950 .178400 2m h V S ＝有效= = 单池面积：)(1653 4952m n S S i === 2) 单池从布水均匀性和经济性考虑，高、直径比在：1以下较合适。 设直径m D 15=，则高182.1*152.1*===m D h ，设计中取m h 18= 单池截面积：)(6.1765.714.3)2 ( *14.3222 ' m h D S i =?== 设计反应器总高m H 18=，其中超高m 单池总容积：)(3000)0.10.18(6.176'3 'm H S V i i =-?=?= 单个反应器实际尺寸：m m H D 1815?=?φ 反应器总池面积：)(8.52936.1762'm n S S i =?=?= 反应器总容积：)(900033000'3 m n V V i =?=?=
（3） 水力停留时间（HRT ）及水力负荷（r V ）v N h Q V t HRT 72243000 9000=?== )]./([24.03 6.176********h m m S Q V r =??== 根据参考文献，对于颗粒污泥，水力负荷)./(9.01.02 3 h m m V r -=故符合要求。 三相分离器构造设计计算 （1） 沉淀区设计 根据一般设计要求，水流在沉淀室内表面负荷率)./(7.02 3 ' h m m q <沉淀室底部进水口表面负荷一般小于)./(2 3 h m m 。 本工程设计中，与短边平行，沿长边每池布置8个集气罩，构成7个分离单元，则每池设置7个三项分离器。 三项分离器长度：)(16'm b l == 每个单元宽度：)(57.27 187'm l b === 沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积即2882m 沉淀区表面负荷率：)./(0.20.1)./(39.0288 58.1142323h m m h m m S Q i -<== （2） 回流缝设计 设上下三角形集气罩斜面水平夹角α为55°，取m h 4.13= )(98.055 tan 4.1tan . 31m h b === α )(04.198.020.32 12m b b b =?-=-= 式中：b —单元三项分离器宽度，m ； 1b —下三角形集气罩底的宽度，m ； 2b —相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离（即污泥回流缝之 一），m ； 3h —下三角形集气罩的垂直高度，m ；
高效厌氧反应器(UASB) UASB厌氧反应器，它是20世纪80年代发展起来的技术，目前该技术已成功应用在各行业的污水处理中，具有处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等优点，是第三代厌氧反应器的代表工艺之一。 污水由泵提升进入反应器底部，以一定流速自下而上流动，厌氧过程产生的大量沼气起到搅拌作用，使污水与污泥充分混合，有机质被吸附分解；所产沼气经由厌氧反应器上部三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的污水进入三相分离器的沉降区，沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分，含有少量较轻污泥的污水从反应器上部排出。 UASB厌氧反应器有一个很大的特点，就是能使反应器内的污泥颗粒化，且具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。这使反应器内的污泥浓度更高，泥龄更长，大大提高了COD容积负荷,实现了泥水之间的良好接触。由于采用了高的COD负荷，所以沼气产量高，使污泥处于膨胀流化状态，强化了传质效果，达到了泥水充分接触的目的.
BOD去除率可以达到90％ 性能参数：COD去除率可以达到90％ 应用范围：特别适合COD>20000mg/L的高浓度有机废水重金属去除率99％以上。
UASB反应器原理示意图 UASB反应器工程实景 主要特点：升流式流态——泥水充分混合 三相分离器——充分截留污泥 运行费用低 膜生物反应器(MBR) 膜生物反应器（MBR）是生化反应器和膜分离相结合的高效废水处理系统，用膜分离（通常为超滤）替代了常规生化工艺的二沉池。与传统活性污泥法相比，MBR对有机物的去除率要高得多，因为在传统活性污泥法中，由于受二沉池对污泥沉降特性要求的影响，当生物处理达到一定程度时，要继续提高系统的去除效率很困难，往往需要延长很长的水力停留时间也只能少量提高总的去除效率，而在膜生物反应器中，由于分离效率大大提高，生化反应器内微生物浓度可从常规法的3~5g/L提高到15~30g/L，可以在比传统活性污泥法更短的水力停留时间内达到更好的去除效果，减小了生化反应器体积，提高了生化反应效率，出水无菌体和悬浮物，因此在提高系统处理能力和提高出水水质方面表现出很大的优势。错流式膜分离技术的开发，特别
UASB 、EGSB 和IC 三种厌氧反应器比较 UASB 、EGSB 和IC 是在高负荷有机废水处理中最常见的三种厌氧反应器。 这三种反应器结构不同，处理能力各异，今天我们将这三种厌氧反应器进行详细比较，分别说一说他们的优缺点。 1. 厌氧生物处理的基本原理 厌氧生物处理，就是利用厌氧微生物的代谢特性,将废水中有机物进行还原,同时产生甲烷气体的一种经济而有效的处理技术。废水厌氧生物处理技术（厌氧消化），就是在在无分子氧条件下，通过厌氧微生物的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等。厌氧与好氧过程的根本区别，就是不以分子态氧作为受氢体，而以化合态的氧、碳、硫、氢等作为受氢体。 COD →微生物 CH 4+CO 2+H 2O+H 2S+NH 3+微生物 2. 厌氧处理技术发展历史 3. 三代厌氧反应器的演变
4. 三种厌氧反应器比较 (1) UASB反应器 UASB反应器是第二代厌氧反应器，它的优缺点如下： 优点： ?有机负荷居第二代反应器之首 ?污泥颗粒化使反应器对不利条件抵抗性增强 ?简化工艺，节约投资与运行费用 ?提高容积利用率，避免堵塞问题 缺点： ?内部泥水混合较差不利于微生物和有机物之间的传质 ?当液相和气相上升流速较高时会出现污泥流失，导致运行不稳定 ?水力负荷和反应器有机负荷无法进一步提高 (2) EGSB反应器 EGSB反应器相当于改进型UASB反应器，属于第三代厌氧反应器，它的优缺点如下：优点： ?提高反应器内的液体上升流速, ?颗粒污泥床层充分膨胀
?污水与微生物之间充分接触,加强传质效果 ?避免反应器内死角和短流的产生 ?占地面积较UASB小 缺点： ?反应器较高 ?采用外循环，动力消耗大 (3) IC反应器 IC反应器属于第三代厌氧反应器，它的内部结构相当于两个UASB叠加。 优点： ?内循环结构,利用沼气膨胀做功,无须外加能源,实现内循环污泥回流?实现了“高负荷与污泥流失相分离” ?引入分级处理,并赋予其新的功能 ?抗冲击负荷能力强 ?基建投资省，占地面积少，节能 缺点： ?进水需预处理 ?结构复杂,维护困难 ?出水需后处理
产品描述: 一简介 IC反应器中文名内循环厌氧反应器，由两个UASB反应器上下叠加串联构成，高度可达16-25m，高径比一般为4-8，由5个基本部分组成：混合区、颗粒污泥膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区。其内循环系统是IC工艺的核心结构，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等结构组 成。 二工作原理 经过调节pH和温度的生产废水首先进入反应器底部的混合区,并与来自泥水下降管的内循环泥水混合液充分混合后进入颗粒污泥膨胀床区进行COD生化降解，此处的COD容积负荷很高，大部分进水COD 在此处被降解，产生大量沼气。沼气由一级三相分离器收集。由于沼气气泡形成过程中对液体做的膨胀功产生了气提的作用，使得沼气、污泥和水的混合物沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器，沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合物则沿泥水下降管进入反应器底部的混合区，并于进水充分混合后进入污泥膨胀床区，形成所谓内循环。根据不同的进水COD负荷和反应器的不同构造，内循环流量可达进水流量的倍。经膨胀床处理后的废水除一部分参与内循环外，其余污水通过一级三相分离器后，进入精处理区的颗粒污泥床区进行剩余COD降解与产沼气过程，提高和保证了出水水质。由于大部分COD已经被降解，所以精处理区的COD负荷较低，产气量也较小。该处产生的沼气由二级三相分离器收集，通过集气管进入气液分离器并被导出处理系统。经过精处理区处理后的废水经二级三相分离器作用后，上清液 经出水区排走，颗粒污泥则返回精处理区污泥床。 三选型、选材及尺寸（IC实验室选型） 1、有机玻璃IC厌氧反应器有效容积为25L，底边周长15cm，高120cm。其优点为外观结构干净漂亮；内部三相分离器、布水器、上下流管道等结构清晰可见；外附保温层保障了系统在合适的温度下自动运行； 该产品适用于学校、实验室小试模拟教学使用。 2、钢结构IC厌氧反应器为Q235碳钢焊制主体,内衬双层玻璃钢防腐层，内部管道喷双层环氧漆防腐，保障设备正常运行过程中不被腐蚀。该设备有效容积200L，底面直径40cm，高200cm，净重150kg。其优点为更接近于工程实际，抗压强度高，温度适应范围广，适用于科研单位、工地现场中试模拟运行。 四订货须知 1、用户应注明设备的材质及防腐要求。 2、用户应提供详细的水质化验单以便于我公司计算反 应器各部件的尺寸。 3、若用户有详细的加工图纸，可按用户要求进行生产。 4、可根据用户提出的具体要求进行设计制造。 天津国韵生物科技的限公司绍兴女儿儿酒有限公司山西 长冶金泽生化有限公司等 厌氧塔是本公司承接，效果很好~！ 联系电话：
以农业废弃物和农产品加工废水及废渣等各种有机物为原料，在厌氧条件下利用微生物的话动，生产沼气并使有机物得到处理的过程称为沼气发酵工艺。由于发酵原料和发酵条件的不同，所采用的发酵工艺也多种多样，目前应用或研究较多的工艺类型有塞流式反应器、完全混合厌氧消化工艺、上流式厌氧污泥床反应器、升流式固体反应器等。 1．塞流式反应器(Plug Flow Reactor，简称PFR) 塞流式反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出，它是一种结构简单、应用广泛的工艺类型。该反应器没有搅拌装置，原料在反应器内呈自然沉淀状态，一般分为四层，从上到下依次为浮渣层、上清掖、活性层和沉渣层，其中厌氧微生物活动较为旺盛的场所只局限于活性层内，因而效率较低，多于常温条件下运转。我国农村应用最多的水压式沼气池和印度的哥巴式沼气池均属PFR。近年来经过研究和改进，一些新的农村家用沼气池得到应用，如曲流布料池，集气罩式池、塞流式池，北京-Ⅰ型池等。这些沼气池的性能有所提高，产气率都达到0.5 m3/(m3·d)以上。 2．完全混合厌氧消化工艺（continual stir Tank Reactor，简称CSTR） 完全混合厌氧消化工艺即工艺是世界上使用最多、适用范围最广的一种反应器。CSTR反应器内设有搅拌装置，使发酵原料与微生物处于完全混合状态，使活性区遍布整个反应器，其效率比常规反应器有明显提高。该反应器常采用恒温连续投料或半连续投料运转。CSTR反应器应用于含有大量悬浮固体的有机废物和废水，如酒精费醪、禽畜粪便等。在CSTR反应器内，进入的原料由于搅拌作用很快与反应器内发酵液混合，其排出的料液又与发酵液的浓度相等，并且在出料时发酵微生物也一起排出，所以出料浓度一般较高，停留时间要求较长，一般需15天或更长一些时间。CSTR反应器一般负荷，中温为3-4 kg COD／(m3·d)，高温为5-6 kg COD／(m3·d)。为了提高反应器效率，在应用过程常加以改进，通过延长固体停留时间（SRT）来提高产气率。该工艺的优点是处理量大，产沼气多，易启动，便于管理，投资费用低，但是水力停留时间（HRT）和SRT要求较长。 3．上流式厌氧污泥床反应器： 上流式厌氧污泥床反应器，Upflow Anaerobic Sludge Bed Reactor，简称UASB 反应器。该工艺装置的特点为在反应器上部安装有气、液、固三相分离器，反应器内所产生的气体在分离器下被收集起来，污泥和污水升流进入沉淀区，由于该区不再有气体上升的搅拌作用，悬浮于污水中的污泥则发生絮凝和沉降，它们沿着分离器斜壁滑回反应器内，使反应器内积累起大量活性污泥。在反应器的底部是浓度很高并具有良好沉降性能的絮状或颗粒状活性污泥，形成污泥床。有机污