日产50万m3沼气工业化示范与研究

陆浩洋 刘纯显 刘 克 赵 印 包恒亭

（1.河南天冠企业集团有限公司，河南 南阳 473000；2.中聚天冠生物能源有限公司，河南 南阳 473000）

日产50万m3沼气工业化示范与研究

陆浩洋1刘纯显2刘 克2赵 印2包恒亭1

（1.河南天冠企业集团有限公司，河南 南阳 473000；2.中聚天冠生物能源有限公司，河南 南阳 473000）

利用薯类及谷物等淀粉质原料生产燃料乙醇废弃物，采用生物发酵技术开发工业沼气，研究开发出了两级厌氧及好氧处理工艺，实现大型发酵罐容积10000m3CSTR沼气厌氧发酵装置与启动，并实现酸化与甲烷化平衡，达到稳定连续产气，形成日产50万m3沼气工业化示范工程，沼气经过PDS脱硫净化可用作民用、发电、车用以及燃料等，替代化石燃料，年节约能源折标煤12万吨，减排二氧化碳111万吨，减排氮氧化物等有害物质4．5万吨，对改善大气环境，实现节能减排具有积极和示范作用。废水经好氧与物化深度处理，实现废水处理达标排放。

燃料乙醇；废弃物；资源化；沼气工业化示范

近年来，按照国家燃料乙醇发展战略，以粮食为原料生产燃料乙醇调整为以非粮原料替代为主生产燃料乙醇，原料的调整以及燃料乙醇的大规模开发，废水处理的规模和难度受到进一步挑战，面临着一系列新的问题，加之能源价格不断攀升，对该类废水处理采用厌氧处理显得尤为必要，利用厌氧处理方法综合利用酒精废糟液生产生物能源沼气及废水处理达标排放，已成为燃料乙醇生产企业可持续发展、发展低碳经济的探索课题。河南某燃料乙醇企业生产规模大、原料复杂，因此，开发一种适合大规模生产、适合复杂水质条件、能够平稳运行的沼气生产工艺系统，低成本的解决乙醇糟液的处理处置，已成为迫在眉睫的首要问题。另外，能源和环境问题已经成为当今社会两大突出问题，在不可再生能源日益减少和成本日益升高的情况下，资源的综合利用及发展可再生能源已成为解决当前能源和环境问题的重要手段之一。近年来，随着燃料乙醇产业的发展，对乙醇生产废水资源化利用的研究开发具有一定的现实意义。因此，开展对乙醇糟液的大规模资源化利用研究已成为当务之急。

1 废水水质

燃料乙醇是生产过程中产生的废水处理进行的，该废水是一种高浓度的有机废水，具有极高的污染负荷。该废水水质情况见表1：

表1 废水理化性质

2 工艺流程

2.1 工艺流程总图

乙醇生产废糟液经过离心分离和沉砂池除去较重杂质，通过孔径为0.5～1.5毫米的网板进行渣虑，进入调节池调节水质、水量、水温，控制水质均匀：CODCr=40 000～80 000mg/L，缓冲时间2～3h、水温：55～60℃。一级厌氧为全混高温厌氧发酵[1]（温度55±3℃），单座容积10 000m3以上，进水COD浓度为40 000～80 000mg/L，去除率在80%以上，并内置出水稳流装置，确保减少污泥流失率，提高抗冲击能力，产生的沼气收集利用。二级厌氧处理[2]前设施为脱气冷却装置、沉淀池、气浮装置进行合理串并联做到固液分离，改善生物环境，达到满足二级中温厌氧的水质要求。二级厌氧采用单罐容积4 000m3UASB厌氧反应器，内部配置U型布水系统，控制温度35±2℃，利用不同的微生物菌群[3-5]降解污水中的有机污染物产生沼气收集利用，成份稳定，甲烷含量高达60%。厌氧出水（CODCr≤2 000mg/l）进入两级氧化沟，进一步去除有机污染物并根据氨氮指标情况选用不同的脱氮工艺，获得稳定的脱氮效果，控制一级氧化沟污泥浓度4 000～10 000mg/L，溶解氧量1～4mg/L，停留时间25～40 h；控制二级氧化沟污泥浓度3 000～15 000mg/l，溶解氧量3～8mg/ L，停留时间30～45 h，并优化配置缺氧区、好氧区、回流区及沉淀区成为改良型倒置A2O工艺，达到脱氮效果，可将二级厌氧出水氨氮含量降至15mg/l以下。两级氧化沟出水进入絮凝沉淀池进行沉淀处理，絮凝剂采用聚双酸盐，絮凝沉淀处理进一步去除磷，去除污染物达到COD浓度100mg/l以下，絮凝沉淀需加聚双酸盐15～25mg/l，絮凝反应时间10～20分钟，沉淀时间为2～4小时，表面负荷1～2.5m/m2·h。

图1 工艺流程总图

2.2 中间处理单元工艺流程图

2.2.1 酒精糟液的预处理

采用机械分离、沉砂、调节池调节对酒精糟液进行预处理，满足进一级厌氧反应器条件，保证设备运行稳定、高效。

图2 预处理流程图

2.2.2 沼气生产系统

预处理后的糟液经调节池调节后，采用一级厌氧、气浮装置、二级厌氧反应器处理工艺，最大限度的生产沼气[6]。

图3 厌氧系统流程图

2.2.3 污水好氧处理系统

厌氧出水采用A、B段氧化沟+絮凝沉淀池处理达标排放，部分水经活性炭过滤后回用生产，污泥经离心分离后作有机肥农用。

图4 好氧系统流程图

3 主要生产设备

3.1 大型生物能搅拌装置的厌氧发酵装置

厌氧反应采用一种新型生产设备，这是一种提高废水处理效率、增加沼气产量、保证发酵过程安全、稳定、快速运行的目的的自动调压生物能搅拌装置的全混厌氧发酵装置。该装置[7]由发酵腔体（锥底板、柱形容器、弧形顶板组成）、底部排泥管和进料管、出水口自动调压装置、弧形顶板上沼气除渣输出管等主要部件组成，且内部安装生物能搅拌装置，不需要外加动能即可实现大型罐体内部物流的均质搅拌，降低能耗。本装置进料系统强化传质旋流布水，形成旋流，依靠能量来维持，而该能量来源于外部进料的动力，不同旋流需要相应大小的能量和流速来实现。达到微生物与物料充分接触的搅拌目的，加快消化速度，提高物料的转化率。该装置实现了旋流搅拌在理化和生化的连续作业领域的应用，体现了涡旋能量的传递规律，降低了运行成本，提高了废水处理的负荷率和产气量。该装置的出水系统与自动调压装置连接，实现了连续进水、连续出水，使装置内压力保持在一定范围内，增加了沼气发酵系统运行的安全、稳定性。实现了厌氧发酵系统的连续进水和连续出水；装置内布水排泥均匀，不易堵塞；实现了资源充分利用，降低了运行成本；结构简单、运行稳定，便于日常维护和管理，提高设备利用效率。

图5 厌氧发酵装置图

3.2 污水两级氧化沟+絮凝沉淀处理系统装置

好氧处理[8]采用一体化倒置A2O氧化沟与合建式C-Orbal氧化沟结合处理酒精废水装置，用以对沼气生产后的消化液进行处理达标排放。本系统装置将一体化倒置A2O氧化沟与合建式C-Orbal氧化沟串联，与其它处理设备相比，针对总氮含量在800mg/l以上的酒精废水，可去除污水中更多的氮，脱氮效果可达到国内外领先水平，同时此装置的占地面积少，特别是通过共享墙体将二沉池和初沉池与氧化沟合建于一体，利用夹层空间设计消化液回流、污泥回流区、pH调碱区等，大大节省了占地面积，降低运行费用和投资。该套装置通过合理配置缺氧区和好氧区循环处理，可不需要另外补充碳源即可对污水脱氮，组成良好的脱氮过程，好氧出水再经絮凝反应沉淀除磷，在整个工艺过程中，脱氮和除磷相对单独独立解决了脱氮和除磷相互影响机理，实现了高效的除磷脱氮。且该装置优化配置缺氧区、好氧区、回流区及沉淀区成为改良型倒置A2O工艺，达到理想的脱氮效果。

图6 好氧处理设施图

4 系统整体运行状况

4.1 厌氧系统运行情况.。采用两级厌氧处理高浓度有机废水工艺，使废水中的有机物通过多重厌氧菌作用最大限度地产生沼气，保证气源量和处理水质。大容积的CSTR与UASB联合使用。开发出了单体容积10 000m3的超大型高温厌氧发酵罐（CSTR）与单体容积4 000m3的UASB厌氧反应器等装置。设计并实施了单体容积10 000m3超大型厌氧发酵装置，该装置采用钢制，柱锥形结构，同时配置了不需要外加动能即可实现大型罐体内部物料的均质搅拌系统，不仅降低能耗而且解决了大型罐体的搅拌不均的技术难题，并实现出水系统与自动调压装置连接，实现连续进水、连续出水，使装置内压力保持在一定范围内，增加了沼气发酵系统运行的安全、稳定性。COD去除率在85%以上。二级厌氧采用大容积UASB反应器，该装置内部布水系统底部装有多个U形配水支管组，在UASB反应器底部范围外的U形配水支管组上的支管和进水总管相连，使反应器底部配水均匀，能迅速形成水力旋转流进行混合，全罐均质效果优良；个别配水支管发生堵塞时，容易实现在线清通；配置的三相分离器可实现将泥水分离和气水分离在不同部位完成，提高沼气、出水和泥的分离效果，减少污泥流失现象，COD去除率在45%以上。厌氧产生的沼气经过PDS净化后，供应南阳市城市居民使用、脱碳变为生物天然气，作为车用燃料。部分沼气作为12MW内燃机和12mw燃气轮机发电，余热生蒸汽。实现冷热电联供，为我国已沼气等生物质为原料实现分布式能源供给模式提供示范。其一，厌氧处理COD变化。厌氧处理一级COD出水在4 000mg/L左右，去除率在85%以上；二级COD出水在2000mg/L以下，去除率在45%以上。

图7 厌氧处理系统COD变化图

厌氧系统高、中温厌氧罐底部泥浓度分析由于高温罐底部厌氧污泥浓度正常可稳定在80～100mg/L，中温罐底部厌氧污泥浓度正常可稳定在25～35mg/L。保证了运行效果。

图8 厌氧处理系统COD变化图

4.2 系统SS变化。上游来水经沉砂池处理，物料中携带的砂、部分悬浮物沉淀入池中，去除约10%以上的SS，再经两级厌氧反应以及气浮、沉淀等去除大部分SS，厌氧反应出水进入好氧处理系统、絮凝沉淀及活性炭过滤，最终达到去除悬浮物的目的。

表2 系统运行SS变化表

4.3 两级好氧处理系统运行情况

厌氧出水氨氮一般在500mg/l，为实现氮的高脱除率，选择脱氮效果理想的氧化沟工艺。结合好氧生化处理的机理，一级好氧处理主要研究将厌氧菌逐步转化为水解及好氧菌，达到脱氮和为下一级氧化创造条件的目的，采用合建式氧化沟配置倒置A2/O工艺，生化处理的设置有缺氧区、好氧区及兼氧区，简称为为倒置A2/O工艺，进行生化处理，将各污染指标处理至常规处理范围。根据处理负荷的情况调整污泥和消化液回流比例有效控制脱氮效果。在好氧生化处理的氧化沟的中央岛内布置一定数量的曝气器，对回流污泥进行再生，增加其有效活性污泥浓度，既可增加生物量的目的，又可实现对进水的预曝气功能，从而实现氨氮及COD等污染指标的去除；当实际运行过程中，进水氨氮浓度低于设计值，可完全进行生化处理时，则减少曝气量（或不曝气），此时该区则可做为缺氧区，与氧化沟（A/O）组成倒置A2/O工艺系统，对废水进行生化处理。二级好氧为主生化反应阶段，进一步消解有机质去除污染物，采用改良的C-Orbal氧化沟。与一般的前置分离式厌氧—好氧（A/O）脱氮处理工艺不同，Orbal采取同步硝化与反硝化方式进行脱氮处理。从空间上来看，Orbal的外沟位于曝气区下游呈好氧状态，而其上游则呈现缺氧状态，因而类似多个好氧—缺氧反应器的串联系统，污水在其中不断地进行硝化—反硝化，获得脱氮除磷效果。为保证氧化沟内维持足够的污泥浓度，本研究将C-Orbal氧化沟使传统工艺的外回流变成内部回流，缩短了回流时间和活性污泥在沉淀区的停留时间，从而在保持出水质量所需DO值恒定的条件下，大大降低了在此流程中MLSS内源呼吸所消耗的DO，从而使全程氧消耗量降低，提高系统运行效率。该工艺与一级氧化沟结合，可对厌氧出水起到较好的处理效果。

4.3.1 好氧处理和物化处理COD变化

厌氧出水COD浓度一般在2 000mg/l左右，经初沉池沉淀后COD在1 000～1 500mg/l之间，经初沉池沉淀后进入A段氧化沟，将COD浓度降至900～1 100mg/l，A段氧化沟出水进入B段氧化沟处理，处理后COD浓度在200～500mg/l之间，最后经絮凝沉淀池沉淀后，出水COD浓度达到100mg/l以下。

好氧、物化处理COD浓度变化如图9

图9 好氧处理、物化处理的COD变化图

4.3.2 好氧处理氨氮指标变化情况

厌氧出水氨氮含量较高，一般在500mg/L以上，经过好氧系统一级好氧A2/O氧化沟的处理，氨氮含量大幅降低，可达160 mg/L以下，再经二级好氧C-Orbal氧化沟处理，氨氮含量降至10 mg/L以下。

5 结论及存在的问题

综上所述，采用该技术工艺本着污水净化及工业沼气生产的双重目的，促进厌氧发酵高效、稳定、彻底地进行；好氧处理进一步去除有机污染物并获得稳定的脱氮效果，絮凝沉淀池进一步去除磷及有机污染物，在整个工艺过程中，脱氮和除磷相对独立地解决了其相互影响，达到高效脱氮除磷。最终实现了以下处理效果：

5.1 单体容积10 000m3超大型厌氧发酵装置平稳运行，其进料负荷由4KgCOD/m3·d提高到6KgCOD/m3·d，COD去除率达到80%以上；二级UASB反应器的COD去除率达到45%以上，日产沼气达到45万m3以上。

表3 好氧处理氨氮（m g/L）变化表

5.2 最终出水COD浓度100mg/L以下，氨氮含量降至15 mg/L以下，达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）酒精行业一级标准。

存在的问题：以淀粉质为原料生产燃料乙醇的废水经过生化处理后，虽然可以实现达标排放，但因色度较大造成运行费用偏高，如何降低色度的问题是下一步技术攻关的方向。

[1]张绪跃，李素贞.木薯酒精废水全渣厌氧机理的探讨[J].甘蔗糖业.2006（3）：33-39.

[2]王凯军，左剑恶，甘海南，等.UASB工艺的理论与工程实践[M].北京：中国化境科学出版社，2000.9.

[3]陈坚.厌氧污泥颗粒化和UASB反应器放大的研究[D].无锡轻工大学，1990.

[4]张毅，陈西平，凌霄云，等.微生物发酵工业生产与污染防治[M].北京：中国环境科学出版社，1991.

[5]陈坚，伦世仪.颗粒污泥UASB反应器处理高浓度有机废水的研究[J].轻工环保，1987，9（3）：11-16.

[6]郭益军，耿拥军，吴玲华.斜板气浮和双滤料过滤装置用于含聚稠油污水处理试验[J].油气田地面工程，2009（5）：32.

[7]张德清.薯类酒精废糟液治理工程设计探讨[J].给水排水，1999（7）：34-36.

S216.4

A

1671-0037（2014）11-84-4

陆浩洋，男，研究方向：能源与水处理技术。

刘纯显，女，研究方向：生物发酵技术。