沼氣池建設專家
沼液回流對沼氣工程的影響
厭氧沼氣工程是指利用有機物進行厭氧降解得到沼氣的工程。沼氣工程的原料通常為富含有機物的生物質(zhì)原料，如秸稈、青貯玉米等， 以及城市生活垃圾中的有機部分，例如餐廚垃圾、 廚余垃圾。這些物質(zhì)經(jīng)過厭氧沼氣工程的處理后， 原料轉(zhuǎn)化為可以資源化利用的沼氣， 沼氣可用來發(fā)電或作為燃料使用。在產(chǎn)生沼氣的同時，發(fā)酵后會產(chǎn)生固液混合剩余物，這些剩余物不能直接進行填埋或進入污水處理廠處理，需要經(jīng)過脫水處理。脫水后形成的沼渣和沼液再進行最終處理，沼渣可以進行填埋，或作為肥料；沼液也可以進入污水處理廠處理，或作為過程水回流等來調(diào)節(jié)厭氧消化。
對于厭氧沼氣工程來說，針對不同的原料，生產(chǎn)過程中可能需要加水進行稀釋，且用水量較大，導致生產(chǎn)成本增高，同時沼液進入污水處理廠處理也會增加運行成本。為了降低運行成本， 減輕后端污水處理的負擔，同時為厭氧系統(tǒng)提供具有活性的菌群，工藝上通常選擇設計沼液作為過程水回流，稀釋原料或調(diào)整漿液的固含量， 以保證后端厭氧發(fā)酵的順利運行。
筆者嘗試討論餐廚垃圾厭氧沼氣工程中的沼液回流時可能對厭氧過程產(chǎn)生的影響，對厭氧菌的影響、 對厭氧環(huán)境的影響、 對設備的影響等。討論沼液回流是否可行。
1 沼液性質(zhì)
沼液是有機物厭氧發(fā)酵后的剩余物經(jīng)過脫水后產(chǎn)生的液體。想了解沼液回流對厭氧過程的影響，首先要了解沼液的性質(zhì)。
脫水方式對沼液性質(zhì)可能會產(chǎn)生不同的影響，餐廚垃圾厭氧沼氣工程中，由于原料顆粒較小，含有纖維狀組分，在脫水時多選擇離心脫水機，脫水時加入絮凝藥劑。
從表1中可知，沼液的COD， 氨氮含量較高， 可能會對厭氧過程產(chǎn)生影響， 應對其進行研究。沼液pH 值較高，也會對厭氧過程產(chǎn)生影響。同時， 沼液中的氮磷以酸根的形式存在， 與液體中的金屬離子結(jié)合會產(chǎn)生鹽類，長期運行會在管道或設備中結(jié)垢，造成堵塞或設備減壽。
2 沼液回流對 pH 值的影響
由表1可知，沼液 pH 值 ＞8， 回流后對厭氧過程的 pH 值會產(chǎn)生影響。厭氧發(fā)酵過程通常分為產(chǎn)酸過程和產(chǎn)甲烷過程， 兩個過程中不同性質(zhì)的厭氧菌群分別起到?jīng)Q定性作用。對于餐廚垃圾厭氧沼氣工程，原料本身富含易于降解的有機物，降解速度極快，垃圾本身呈現(xiàn)酸性，產(chǎn)酸菌 pH 值的最佳活性范圍為 2～5。對于采用二步發(fā)酵的沼氣工程來說，沼液回流到產(chǎn)酸罐， 會對 pH 值產(chǎn)生影響。產(chǎn)酸過程的 pH 值在沼液加入的一周內(nèi)會出現(xiàn)下降，之后會逐步升高。pH 值最終可能升高至6． 5 ～ 7 的范圍內(nèi)，而這個范圍已經(jīng)超出了產(chǎn)酸菌的最佳活性范圍，會導致產(chǎn)酸菌的活性下降，有機物轉(zhuǎn)化效率下降，影響產(chǎn)酸過程。
3 沼液回流對揮發(fā)性脂肪酸的影響
揮發(fā)性脂肪酸是沼氣厭氧工程中厭氧過程監(jiān)控的重要運行指標之一，單位時間內(nèi)有機物產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸的多少， 表示該有機物厭氧降解能力的強弱。
揮發(fā)性脂肪酸與 pH 值有直接的聯(lián)系， 厭氧過程開始時，揮發(fā)性脂肪酸開始產(chǎn)生， 并不斷地累積，此時系統(tǒng) pH 值下降。當揮發(fā)性脂肪酸濃度達到最高時，pH 值降到最低值。此后， 揮發(fā)性脂肪酸在產(chǎn)甲烷菌的作用下進一步轉(zhuǎn)化成為甲烷氣和二氧化碳等氣體，揮發(fā)性脂肪酸濃度降低，pH 值會緩慢升高，直至系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)。在正常運行的沼氣工程中，系統(tǒng)是能達到平衡狀態(tài)的。
有文獻資料表明， 沼液回流后， 產(chǎn)酸過程中，隨著沼液的回流加入，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中， 乙酸、 丁酸的濃度不斷地降低， pH 值不斷地升高。并且隨著回流沼液量的增大，乙酸、 丁酸的濃度下降更為明顯。與此同時，揮發(fā)性脂肪酸中的丙酸濃度卻呈現(xiàn)相反的趨勢， 丙酸的濃度隨著沼液的加入不斷的升高，沼液回流量越大，丙酸濃度的升高幅度越明顯。
在以上的揮發(fā)性脂肪酸中， 乙酸是比較容易被產(chǎn)甲烷菌利用并轉(zhuǎn)化為甲烷氣的，而丙酸卻不易被轉(zhuǎn)化。這樣，在沼液回流后就會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象: 回流的沼液越多， 不宜被降解的脂肪酸產(chǎn)量越多。于是就會造成后面產(chǎn)甲烷過程緩慢，并且出現(xiàn)脂肪酸的累積，最終導致厭氧過程受到抑制，影響沼氣工程的正常運行。
如果采用兩相厭氧發(fā)酵工藝， 產(chǎn)酸過程與產(chǎn)甲烷過程分開，產(chǎn)酸過程的 pH 值能夠得到更好的控制，從而抑制丙酸的產(chǎn)生。產(chǎn)甲烷過程由于較低的氫分壓以及產(chǎn)甲烷菌的活性得到更好的發(fā)揮，能夠使產(chǎn)生的丙酸快速的轉(zhuǎn)化為甲烷氣。從而提高厭氧發(fā)酵過程的效率和穩(wěn)定性， 也能夠提高整個沼氣工程的穩(wěn)定性。
4 沼液回流對氨氮濃度的影響
氨氮物質(zhì)對厭氧發(fā)酵過程起著重要作用。氨氮物質(zhì)作為厭氧菌類的氮源，提供厭氧菌生長所必需的元素，促進菌類的生長。同時氨氮物質(zhì)也在一定程度上能夠調(diào)節(jié)pH值。但是如果氨氮物質(zhì)的濃度達到一定范圍，就會抑制厭氧菌的生長，降低產(chǎn)甲烷菌的活性，減緩厭氧降解過程。
文獻資料表明 ， 隨著沼液的加入， 產(chǎn)酸過程中的氨氮濃度會逐步上升。加入的沼液量越大，氨氮濃度上升得越高。沼液長時間的回流， 氨氮濃度會繼續(xù)升高。沼液中的有機氮在產(chǎn)酸過程中轉(zhuǎn)化成為無機氮，氨氮濃度逐漸升高。厭氧系統(tǒng)本身對氮元素的去除效率不高，因此，氮元素會以各種不同的形式存在于厭氧過程中不斷的累積。當氨氮的濃度累積到一定程度時，就對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生毒性，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，從而延緩厭氧降解的過程，造成沼氣工程無法穩(wěn)定運行。
根據(jù)現(xiàn)有沼氣工程的運行經(jīng)驗， 當厭氧系統(tǒng)內(nèi)的沼液中氨氮濃度超過 3500 mg·L-1時， 對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用就比較明顯了。因此在運行時應當注意監(jiān)控沼液的回流量及回流次數(shù)，避免長時間、大流量、 超濃度的回流沼液，避免對厭氧過程形成不利影響。
5 沼液回流對發(fā)酵后產(chǎn)物 COD 去除率的影響
發(fā)酵后產(chǎn)物COD濃度反映了發(fā)酵后產(chǎn)物中能夠被氧化的物質(zhì)的多少，也是間接的反映了厭氧過程中有機物降解情況的好壞。發(fā)酵后產(chǎn)物COD濃度高，意味著厭氧過程中降解掉的可降解有機物減少，產(chǎn)生的沼氣量減少，厭氧發(fā)酵過程不充分。反之，意味著降解過程平穩(wěn)、 順利，沼氣產(chǎn)量提高。
有研究機構(gòu)進行了實驗室實驗， 其結(jié)果表明，如果以牛糞作為發(fā)酵原料，隨著沼液的回流，COD的去除率會有所升高。這是因為牛糞中纖維素、 半纖維素、 木質(zhì)素含量較高， 而這幾種物質(zhì)都是厭氧發(fā)酵較為困難的物質(zhì)，因此在發(fā)酵過程中降解較慢。隨著沼液的不斷回流， 沼液中沒有被降解的纖維素等難降解物質(zhì)不斷地被重新送入發(fā)酵罐中重新發(fā)酵，在較長時間的回流下， 難降解物質(zhì)逐步降解，體現(xiàn)為長時間的沼液回流，COD 去除率提高。
這種結(jié)果表明， 在發(fā)酵原料中含有較多的木質(zhì)素、纖維素、 半纖維素等難降解物質(zhì)是， 長時間的沼液回流能夠提高這類物質(zhì)的降解率， 發(fā)酵后產(chǎn)物中COD去除率會有所提高。但是對于以餐廚垃圾為原料的厭氧沼氣工程來說，原料中多為極易降解的有機物，如淀粉、 碳水化合物等， 在厭氧過程中很快完成降解，不需要多次重復的降解。因此沼液回流對以餐廚垃圾為原料的厭氧沼氣工程來說， 提高發(fā)酵后產(chǎn)物 COD 的去除率，影響并不明顯。
6 沼液回流對沼氣產(chǎn)量的影響
如上所述，沼液回流后會在一定程度上提高沼氣的產(chǎn)量。這是因為，沼液中一部分沒有降解掉的有機物再次進行了降解，產(chǎn)生了一部分沼氣。另外，沼液中含有的產(chǎn)甲烷菌重新進入發(fā)酵罐中， 菌類的活性重新被激活，也會提高沼氣的產(chǎn)量。
以兩相發(fā)酵工藝為例，沼液回流后，產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生沼氣量明顯增加。這是因為沼液中攜帶的產(chǎn)甲烷菌重新回到厭氧環(huán)境，又獲得了活性。隨著回流沼液量的增加，沼氣的總產(chǎn)量不斷地增加，產(chǎn)酸菌的活性不斷受到抑制，導致有機物產(chǎn)酸過程受到抑制，進入后端產(chǎn)甲烷過程的揮發(fā)性脂肪酸減少， 造成后端沼氣產(chǎn)量下降。對于產(chǎn)甲烷過程，沼液的回流對沼氣的產(chǎn)量并沒有明顯的影響， 沒有出現(xiàn)沼氣產(chǎn)量的明顯提高。
從總的沼氣產(chǎn)量上看， 沼液回流并沒有帶來明顯的產(chǎn)量提高，只有當厭氧過程不完全，有機物得不到完全降解時，沼液回流才能帶來沼氣產(chǎn)量的提高。
7 沼液回流對于輸送管道及設備的影響
經(jīng)過厭氧降解后，有機物中的無機元素在沼液中多數(shù)以酸根的形式存在，游離態(tài)的酸根遇到金屬離子時會形成金屬鹽類。由于沼液管道輸送的過程中溫度可能會發(fā)生變化， 沼液中溶解的鹽類會被凝結(jié)出來在管道內(nèi)壁形成結(jié)垢。尤其在管道彎頭處，由于流速降低更容易出現(xiàn)結(jié)垢、堆積的情況。
同時，產(chǎn)生的鹽類可能會對設備產(chǎn)生腐蝕，金屬鹽中的金屬離子與設備上的金屬離子發(fā)生反應，使設備產(chǎn)生腐蝕，減少設備的使用壽命。
目前關(guān)于沼液回流對管道及設備的影響還沒有形成系統(tǒng)的研究，并且沒有長期的監(jiān)測報告。但是在部分厭氧沼氣工程上， 已經(jīng)出現(xiàn)了由于沼液回流造成的管道內(nèi)結(jié)垢、 堆積并堵塞的情況， 因此， 沼液回流對管道及設備的影響也是厭氧沼氣工程沼液回流必須考慮的問題。
8 總結(jié)
綜上所述，在厭氧沼氣工程中沼液回流要根據(jù)不同發(fā)酵原料來選擇是否進行。對于糞便、生物質(zhì)原料來說，沼液回流會對提高 COD 的去除率， 并能適當提高沼氣產(chǎn)量， 但同時也會帶來氨氮抑制厭氧降解過程、不易降解的揮發(fā)性脂肪酸濃度升高等負面影響。同時長時間的沼液回流對管道造成堵塞的情況也不能夠忽視?？偟膩碚f， 長時間的沼液回流并不可行，對整個厭氧沼氣工程的穩(wěn)定運行會帶來不利影響。
文章來源地址：http://szdirise.com.cn/biogastech/425.html
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