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2 厌氧消化工艺
2.1 厌氧消化工艺原理
2.1.1 厌氧发酵基本原理
厌氧活性污泥技术是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。
参与厌氧发酵的微生物可分为两类，即分解复杂有机物为以有机酸为主的简单产物的水解菌和将有机酸转化为家玩的产甲烷细菌。厌氧消化的反应式为：
有机物+H2O+营养物
有机废物厌氧发酵工艺原理示意图如下
厌氧微生物
细胞物质+CH4+CO2+NH3+H2+H2S+??+抗性物质+热量
图(1)
2.1.2 三段理论
三段理论将厌氧发酵分为水解、产酸、产甲烷三个阶段。水解阶段起作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质水解菌； 在水解酶作用下，转化产生单糖、酞和氨基酸、脂肪酸和甘油。产酸阶段起作用 细菌是发酵性细菌，产氢产乙酸和耗氢产乙酸菌在胞内酶作用下，转化产生挥发 性脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳；产甲烷阶段是产甲烷菌利用H2、CO2、乙酸、 甲醇等化合物为基质，将其转化成甲济 南 大 学
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烷，其中H2、CO2和乙酸是主要基质。
三段理论示意图如下：
图（2）
(1)水解阶段
水解细菌利用胞外酶对有机物进行体外解酶，使固体物质变成可溶于水的物质，戏剧再吸收可溶于水的物质，并将其分解为不同产物。纤维素、淀粉等水解为单糖类，蛋白质水解为氨基酸，再经脱氨基作用形成有机酸和氨，脂肪水解形成甘油和脂肪酸。
(2)产酸阶段
简单可溶性有机物在产氢和产酸细菌作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸、醇、酮、醛、CO2、H2等。
(3)产甲烷阶段
产甲烷菌进一步将产物降解为CH4和CO2，同时利用产酸阶段产生的H2将部分CO2
转化为CH4。 2.1.3 两段理论
两段理论分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。与三段理论相比，两段理论更为简洁清楚，其示意图如下:
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图（3）
(1）酸性发酵阶段
分解初期，产酸菌占主导地位，有机物被分解为有机酸、醇等，有机酸大量积累，pH随之下降。
(2)碱性发酵阶段
分解后期，产甲烷菌占主导作用，有机酸和醇等被进一步分解产生CH4和CO2等，pH迅速上升。发酵进行到后期，可降解有机物大都被分解，消化过程趋于完成。
2.2 厌氧消化工艺类型
2.2.1 自然消化工艺
按照消化温度，厌氧消化工艺可分为高温消化工艺和自然消化工艺。自然消化工艺是指在自然温度下消化温度发生变化的厌氧消化。目前我国农村基本上都采用该种方法，其工艺消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广。 2.2.2 半连续消化工艺
按照投料运转方式，可分为连续消化、半连续消化、两步消化。半连续消化是在启动时一次性投入较多的消化原料，当产气量趋于下降时，开始定期或不定期添加新料和排出旧料。该工艺在农村沼气池的应用已经比较成熟。
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3 农林固体废弃物厌氧消化处理总体设计
3.1项目介绍
本课程设计拟采用自然消化和半连续工艺为农村的一个四口之家设计一个水压式沼气池，用于该农户家的农林固体废弃物的处理以及产沼利用。该沼气池计划设计容量为6立方米。
3.2 设计参数
（1）气压：7840Pa(即80cm水柱)
（2）池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池1昼夜的产气量，单位为m3沼气／(m3池容.d)。我国常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。本次设计采用0.2。
（3）贮气量：指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压式沼气池的最大贮存气量以12H产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。
（4）某农户家共4人，牲畜2头。
3.3沼气池工作原理
水压式沼气池装料封盖后启动前状态时，在发酵间内的料液和水压间内的料液液面上，同时受到大气压力的作用，因此两个液面处在同一水平面上，它们之间的气压差和液面差均为零。此时的工作状态称为“初始工作状态”，此时的料液液面高度为O-O水平面，发酵间内存在的空间为V0。
启动以后，沼气池内开始发酵产气，随着沼气产量的逐渐增加，发酵间上部气箱中的贮气量越来越大，同时所产生的沼气将发酵间内的料液压入水压间，压出的料液体积与所产的沼气体积相等。当发酵间内贮气量达到最大贮气量VC时，水压间里增加的料液也为最大贮液量VC。此时发酵间内的料液面下降到可能下降的最低位置A-A水平面，水压间内的料液面上升到可能上升的最高位置B-B水平面。此时的工作状态称为“极限工作状态”。发酵间内料液面的下降和水压间内料液面的上升使得两液面产生了高度差，高位料液具有的势能使得发酵间内沼气产生了一定的压强，其数值等于两液面高差值与料液比重的乘积。由于料液比重接近于1，因此一般将两料液面的高差值视为池内沼气压强值。在极限工作状态时的液面高差最大，称为极限沼气压强，数值等于：
? ΔH =H1+H2?? 式中
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ΔH ——沼气池最大液面差； H1——发酵间液面最大下降值； H2——水压间液面最大上升值。 以上就是“气压水”的全过程。
当用户的燃烧器工作时，池内沼气在高位水压间液体压力下逐渐输出，随着发酵间内沼气贮量的减少，水压间料液面渐渐下降，发酵间内液面渐渐上升。此时，输出的沼气的压强也随两料液液面高差的减少而变得越来越小。当发酵间料液液面与水压间料液液面相平时，沼气池又回到初始工作状态，此时池内的沼气也因压强为零而不再输出，“水压气”过程结束。
3.4 发酵料液与气室容积计算
(1)发酵料液体积的计算
V1=〔（n1+n2）·k2+n3〕·T
式中
V1—发酵料液体积，m3；
n1—产人粪便总量。按常住人口×0.0013-0.006m3/(人·d)取值，本设计取0.005；
n2—产牲畜粪便总量。按养猪头数×0.006-0.015m3/(头·d)取值，本设计取0.01；
n3—每日舍外能定量收集粪便总量，m3/d。本设计取0.1； k2—收集系数，取值0.5-1.0；本设计取0.8； T—原料滞留期（d）；取丘陵期的40。 则
V1=[(4×0.005+2×0.01)×0.8+0.1]×40=5.28m3
(2)气室容积的计算 V2=1/2·V1·k3 式中
V1—发酵料液体积，m3； V2—气室容积，m3；
k3—原料产气率，本次设计为0.2，为常温下产率。 则
V2=1／2×5.28×0.2=0.528m3
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