毕设论文厌氧发酵罐的设计教材.docx

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毕设论文厌氧发酵罐的设计教材

摘要

目前，城市生活垃圾处理方法大多采用卫生填埋、焚烧、堆肥等方法，但这些方法都在一定程度上对土壤、地下水和大气都造成现实或潜在的危害。

城市生活垃圾中含有约40%的有机质，经过机械液化可以获得液态垃圾有机质浆液，采用厌氧发酵的方法进行深度处理，不仅可以获得沼气，还可以得到纯生态的有机肥，从而达到资源化的目的。

因此，垃圾有机质液化与厌氧发酵是一种处理城市生活垃圾的理想方法。

本论文通过收集、查阅大量国内文献资料，对厌氧发酵过程原理以及目前厌氧反应器的发展进行了较为详细的概括和总结。

厌氧反应器的发展按照工艺特点分为三代，每一代的性能都更加优越。

但是，垃圾有机质浆液的物料特性与一般的有机废液不同，且垃圾有机质浆液的成分更为复杂。

现有的厌氧反应器在处理有机垃圾时在进出料、和气体导排等存在许多问题，尤其是物料的停留时间无法保证。

故现有的厌氧反应器并不能满足液态垃圾发酵的要求。

本论文着眼于现有厌氧反应器的改进。

以发酵罐为原型，针对液态垃圾发酵工艺的特点与要求，进行设计与选型。

本论文研究1m3液态垃圾发酵罐的选型和计算.发酵罐以机械通风搅拌发酵罐为基础。

由于液态垃圾采用的是厌氧发酵，无需溶解氧，故而取出通气装置。

在此，设计的最大重点在于搅拌混合与温度控制两个方面。

在搅拌器的选型上考虑能耗，选用弯叶式开启涡轮搅拌器，有助于降低搅拌所需要的轴功率。

在温度控制方面，一般情况下，大型的发酵罐不需要加热，因为发酵过程中会产生大量的热，通常考虑冷却情况加多。

在本论文中考虑了发酵罐相对较小，故考虑了冷却和加温两种情况。

发酵罐的温度控制依靠的是夹套，通过向夹套通入冷水（自来水）冷却或接通夹套内电热管加热来控制发酵的温度。

关键词：

城市生活垃圾；有机质垃圾液化；厌氧反应器；发酵罐；设计与选型；搅拌器；温度控制；

Abstract

Currently,municipalsolidwastedisposalmethodismostlyusedsanitarylandfill,incineration,compostingandothermethods,butthesemethodsweretosomeextent,onsoil,groundwaterandtheatmospherearecausingrealorpotentialhazards.MSWcontainsabout40%oftheorganicmattercanbeobtainedthroughthemechanicalliquidslurryofliquidorganicwaste,anaerobicfermentationusingadvancedtreatmentmethods,notonlycangetgas,youcanalsogetpureecologicalorganicfertilizer,soastoachieveresource-orientedPurposes.Therefore,thewasteliquidandtheanaerobicfermentationoforganicmatterisanidealtreatmentmethodformunicipalsolidwaste.

Thispaper,throughthecollection,accesstolargeamountsofdomesticliterature,theprincipleofanaerobicfermentationprocessandthecurrentdevelopmentoftheanaerobicreactorinamoredetailedsummaryandsummary.Thedevelopmentofanaerobicreactorsisdividedintothreegenerationsaccordingtoprocesscharacteristics,theperformanceofeachgenerationaremoresuperior.However,thematerialcharacteristicsofwasteorganicmatterintheslurryoforganicwasteingeneralisdifferentfromthecompositionoftheslurryandthewasteorganicmatterismorecomplex.Existinganaerobicreactortreatingorganicwastematerialinandoutoftime,andgastherearemanyproblemssuchasleadrow,especiallyresidencetimeofmaterialcannotbeguaranteed.Therefore,theexistinganaerobicreactorcannotmeettherequirementsofthefermentationliquidwaste.

Thispaperfocusesontheexistingfermentationreactorimprovements.Fermentationprocessfortheliquidwastecharacteristicsandrequirementsoftheanaerobicfermentationtankdesignandselection.Inthisstudy,theliquidwastefermentationtank1m3Selectionandcalculation.Theselectionfermenterstirredfermentationtankbymechanicalventilationasthebasisfordesign.Liquidwasteisusedintheanaerobicfermentation,thebiggestfocusofmixingandtemperaturecontrol.Selectionofthestirrer,selectthesixflatbladeturbinesblender.Takingintoaccountthetemperaturecontrolcoolingandheatingtwocases.Directlybythecoolingwatercooling.Considerationsforheating,coolingwaterinthejacketheatertoaddheattoensurethatthebesttemperature.

Keywords:

Municipalsolidwaste;organicwasteliquid;anaerobicreactor;fermentationtanks;designandselection;mixer;temperaturecontrol;

前言

参考文献

附录

引言

随着经济和社会的高速发展，各种类型的固体废物越来越多。

这些固体废物一方面通过环境介质如大气、土壤地表或地下水体直接或间接传至人体，对人体的健康造成威胁；另一方面要占用大量土地（予以堆放）。

但是，对固体废物的认识又是相对的。

从时间的角度来看，随着科学技术的发展以及各种资源的日趋枯竭，昨天的废物势必成为明天的资源；从空间的角度来看，废物仅仅是相对于在某一过程或某一方面没有使用价值，而并非在一切过程或方面都没有使用价值。

某一过程的废物往往是另一过程的原料，所以固体废物又有“放错了地方的资源”之称。

有机固体废物是指有机质含量很高，而含水量比较低的固态废物。

这些废物蕴含大量的生物质能，如何有效利用这些生物质能源对实现环境和经济的可持续发展具有重要的意义。

随着工业的飞速发展和人口的不断增加，能源资源和环境等问题日趋严重，近30年来能源的短缺问题变得更加突出。

厌氧发酵法是一种既节能又产能的生物处理工艺已经被广泛用于废水的处理，但在对有机固体废物处理方面应用相对较少，尤其是在中国。

城市生活垃圾中有机物多为含水率高、易腐熟的食品垃圾与厨余物。

城市生活垃圾中有机物含量高、含水量大等特点是厌氧微生物发酵的基础。

厌氧发酵法处理城市生活垃圾的方法不但可以回收能源，而且不带来二次污染或二次污染容易控制，发酵产物还可以作为土壤改良剂和化肥。

目前，由于成本较高，固体废物厌氧消化在城市应用较少，尤其在中国。

因此，开发低成本、高效率的厌氧发酵工艺是十分必要的。

而发酵装置的设计，更是重中之重。

厌氧反应器的发展按照工艺特点分为三代，每一代的性能都更加优越。

如上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧内循环反应器（IC）等都能对高浓度的有机废水进行高效的厌氧处理。

但是，在应用于垃圾有机质浆液的厌氧处理时，进出料，气体的导排等等存在许多问题，尤其是物料的停留时间无法保证。

物料特性的不同，成分的复杂复杂性，使得现有的厌氧反应器在处理液态垃圾有机质时面临困难，因此，高效厌氧发酵装置的设计是我们面临的新课题。

1概述

1.1城市生活垃圾的定义

城市生活垃圾又称城市固体废物（municipalsolidwastes,MSW）,它是指在城市居民日常生活中或城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，其主要成分包括厨余物、废纸、废塑料、废织物、废金属、废玻璃、废旧家用电器等。

固体废物来源于人类的生产和生活活动，人们在开发资源和制造产品的过程中，必将产生废物，任何产品经过使用和消耗后，最终也将变成废物。

可以说，物质和能源消耗越多，废物产生量就越大。

固体废物按其组成可分为有机废物和无机废物，按照形态可分为固态废物半固态废物。

按照固体废物的来源可以分为工业固体废物城市生活垃圾农业固体废物（主要为秸秆）及人畜禽排泄物。

随着经济的发展，固体废物产生量必将越来越大。

所以，妥善处理固体废物是人类必须面临的新课题。

1.2城市生活垃圾的危害

城市固体废物具有数量大、种类多、性质复杂等特点，如何造成环境污染，其途径多且形式复杂。

一旦造成环境污染，对环境的影响和破坏很难完全恢复，社会、经济损失严重。

城市固体废物对环境的危害主要表现为以下几个方面：

侵占土地、污染土壤、污染水体、污染大气。

我国城市固体废物产生量巨大，产生后直接倾倒或简易堆放，侵占大量土地资源。

目前城市固体废物堆存，侵占的土地面积就超过5亿平方米，城市近郊堆放场所，垃圾堆存占用了大量生产、生活用地。

以北京为例，2000年城市固体废物总排放量达527万吨，其中只有40﹪的无害处理率，60﹪基本不处理只简单堆放，处理的40﹪中，95﹪为填埋方式。

加上农村生产结构发生很大变化，化肥施用量增大，城市固体废物已失去原来的重要的消纳场所，因而大量堆积于城市郊区农田[1]。

城市固体废物及其有害成分在地表径流和雨水淋溶、渗透作用下，通过土壤空隙向四周和纵深的土壤迁移。

在迁移过程中，有害成分受到土壤吸附或其他作用。

通常土壤的吸附能力和吸附容量很大，因此有害成分的土壤中呈现不同程度的积累，导致土壤成分和结构的改变，影响植物营养吸收和正常生长，影响土壤中微生物的活动，破坏土壤内部生态平衡。

有害物质污染生长植物，通过食物链影响人类健康[2]。

固体废物随天然降水或地表径流进入河流、湖泊，或随风飘迁落入河流、湖泊，污染地面水；并随渗滤液渗透到土壤中，进入地下水，使地下水污染；废渣直接排入河流、湖泊或海洋，能造成更大的水体污染。

城市固体废物含有大量的有机质，在水中微生物对其进行分解的过程中，会消耗大量的溶解氧，使水体变黑发臭；有机质中的氮、磷等营养元素又会造成水体富营养化，水体的原有生态系统被破坏后将难以得到恢复。

未经无害化处理的禽兽粪便流入江河、湖泊中，携带的有害病原菌和寄生虫还会对水体造成生物污染，威胁人体健康，危害水产养殖业。

城市固体废物在堆存、处理处置工程中会产生有害气体，对大气产生不同程度的污染。

如有机物分解产生恶臭气体、禽畜粪便中含有硫化氢、氨等有害气体。

固体废物在焚烧处置或其他热处理过程会产生酸性气体，粉尘和二噁英等二次污染物。

垃圾填埋场处置会产生甲烷、硫化氢等有害气体，若不加以有效处理，这些有害气体将排入空气中。

1.3城市生活垃圾的处理及研究现状

垃圾是城市化的伴生产物，垃圾问题是城市发展的主要问题之一。

城市生活垃圾主要来自城市居民家庭、城市商业、餐饮业、旅馆服务行业、市政环卫业、文教卫生和行政事业单位公园等。

它的主要特点是成分复杂、有机物含量高。

2003年全国生活垃圾清运量为14857万吨，比上年增加8.8%。

其中生活垃圾无害化处理量为7550，万吨比上年增加2.0%。

生活垃圾无害化处理率为50.8%[3]。

目前，国内外城市垃圾处理的方法主要有卫生填埋、焚烧、堆肥。

其中，填埋约占垃圾全部处理量的60~70%，堆肥约占10~20%，焚烧约占10%，其他方法占少量[4]。

1.3.1卫生填埋

卫生填埋是“利用工程手段，采取有效技术措施，防止渗滤液及有害气体对水体和大气的污染，并将垃圾压实减容至最小，填埋占地面积也最小。

在每天操作结束或每隔一定时间用土覆盖，使整个过程对公共卫生安全及环境均无危害”的一种土地处理垃圾方法。

卫生填埋被很多国家所采用，在发展中国家，99％以上的生活垃圾采用卫生填埋处理。

卫生填埋场的选址、建设周期较短，总投资和运行费用相对较低。

通过卫生填埋场的建设和运营，可以迅速解决生活垃圾的出路问题，改变城市卫生面貌[5]。

卫生填埋的优点是处理量大，总成本较低；缺点是占用宝贵的城市土地，而且对大多数城市来说可供填埋的土地越来越少。

1.3.2焚烧

焚烧法是一种高温热处理技术，即以一定量的过剩空气与被处理废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中的有害有毒物质在800~1200℃的高温下氧化、热解而被破坏，是一种可同时实现废物无害化、减量化和资源化的处理技术。

垃圾焚烧技术在国外是一种处理生活垃圾的成熟技术，已经成为许多发达国家处理城市生活垃圾的主要方式。

在国土资源相对紧张的瑞士、法国和新加坡等国焚烧的比例也已接近或超过填埋。

我国许多大城市和经济比较发达的沿海城市，随着经济的发展，人们产生的垃圾越来越多，新建垃圾填埋场又受到限制，焚烧法技术已经成为近年来解决城市垃圾的趋势。

目前，北京、上海、广州、深圳等城市已经引进了外国的先进技术建设垃圾焚烧厂。

焚烧的优点是在短时间内减量幅度大（可达80%~90%以上），可以回收能源，能彻底消灭各种病毒细菌，卫生状况好；缺点是初期投资巨大运行成本也高。

我国很多城市难以承担另外还会产生大气污染[6]。

1.3.3好氧堆肥

好氧堆肥是在通气良好、氧气充足的条件下借助好养微生物的生命活动降解有机物，通常好氧堆肥堆温高，一般在55~60℃，极限温度可达80~90℃，所以好氧堆肥也称为高温堆肥。

自1920年英国人埃.霍华德提出后，经过几十年的迅猛发展，到1996年全国堆肥厂已由1991年的26座，发展到32座，2000年又增加了43座垃圾堆肥厂，堆肥处理量约占垃圾总量的5%[5]。

堆肥的资源化程度较高，但由于垃圾成分复杂，其工艺条件难以控制。

即使经过精细分选的肥料，也仍然含有一定的玻璃金属塑料等杂物，会造成田间操作的困难。

此外，在制作过程中容易产生恶臭，且对垃圾的减量化效果较差。

即使在发达国家堆肥也受到严格限制[7]。

1.3.4其他方法

城市垃圾的处理方法还有厌氧发酵、热解方法。

厌氧发酵就是垃圾中的有机成分在厌氧的条件下，被微生物分解，产生甲烷和二氧化碳的过程。

热解是在高温及与空气隔绝的情况下，垃圾进行分解。

当前，垃圾研究的重点在以下几方面[8]：

形成较完善的垃圾卫生填埋技术；进一步完善中小型垃圾焚烧技术、开发大型垃圾焚烧炉；研究、开发高技术层次的垃圾堆肥成套技术与配套设备，以及厌氧堆肥技术鉴定、推广；完成废塑料、废轮胎废纸利用技术，以及无机垃圾制建材等资源利用技术的开发、研究；对“十五”期间开发研究的环卫车和垃圾收运设备定型、生产；进行垃圾热解、气化技术研究、开发；研究垃圾的厌氧消化技术。

1.4厌氧发酵法处理城市生活垃圾有机质的研究及应用现状

很多固体废物，尤其在城市垃圾中，有机成分占了较大的比例，大部分达到50%以上。

从理论上讲，可以用厌氧发酵法处理。

厌氧发酵法不但可以较大幅度地减少垃圾的量，也能消除大部分病毒细菌，同时还能回收能源，是未来垃圾处理的发展方向之一。

在城市，卫生填埋后的垃圾在厌氧条件下将会发生生化反应产生沼气，因而，从某种程度上讲卫生填埋也是一种厌氧处理。

只不过卫生填埋主要的出发点是填埋而不是厌氧降解。

这主要因为填埋后的厌氧降解过程十分缓慢，需要几十年甚至上百年。

很多时候把厌氧降解作为填埋的副作用对待。

城市生活垃圾中有机物多为含水率高、易腐熟的食品垃圾与厨余物。

城市生活垃圾中有机物含量高、含水量大等特点是厌氧微生物发酵的基础。

厌氧发酵法处理城市生活垃圾的方法不但可以回收能源，而且不带来二次污染或二次污染容易控制，发酵产物还可以作为土壤改良剂和化肥。

近年来，城市垃圾厌氧发酵处理越来越受到各国研究人员与工业界的重视[2]。

以桂林为例，桂林生活垃圾中有机质含量占总垃圾量的50%左右，又因为桂林属于亚热带季风气候，全年多雨潮湿，这导致桂林垃圾含水量也在50%左右。

这种垃圾给分选带来了难度，含水量过高的垃圾难以过筛，筛分效果差，而且桂林生活垃圾属于混合收集，这使得填埋、焚烧和堆肥这三种技术都不好处理这类垃圾。

由于桂林生活垃圾属于混合收集，且具有机质含量高和含水量高的特点，这不得不考虑用其它方法处理这类垃圾。

因为垃圾含有较高的有机质和水分，通过球磨机将垃圾碾磨，使其中的有机质液化，再经过高效厌氧发酵技术将液化的有机质转变成有很高利用价值的生物燃气，发酵后的底物可以作为高效肥料使用。

故而，生活垃圾液化处理是一项具有重大意义的工程。

1.5厌氧反应器技术进展

自从1881年法国工程师MouraS[9]采用厌氧方法处理废水中经沉淀的固体物质以来，厌氧消化技术已经有100多年的历史。

上世纪60年代末以来，厌氧消化技术获得了蓬勃发展。

Mccarty和Young于1969年推出了第一个基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器——厌氧滤池[10]，提高了固体停留时间，这是现代厌氧生物处理技术发展的一个里程碑。

而1974年荷兰Lettinga等人[11]研发的UASB反应器内的颗粒污泥保证了高浓度的厌氧污泥，极大提高了反应器的有机负荷，推动了厌氧技术的工程化应用。

由于厌氧消化技术低能耗，且回收沼气作为能源等优点，此项技术成为环境工程界研究的热点。

厌氧反应器按照工艺特点分为三代。

1.5.1第一代厌氧反应器

厌氧消化最早应用于废水处理的初级阶段。

1881年法国Mouras的自动净化器；1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器。

1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）。

随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但另一方面，由于好氧生物处理工艺的广泛应用，产生大量的剩余污泥，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征；1927年，首次在反应器中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的反应器被称为高速反应器。

Schroepfer在20世纪50年代开发了厌氧接触反应器。

这种反应器是在出水沉淀池中增设了污泥回流装置，增大了厌氧反应器中的污泥浓度，处理负荷和效率显著提高。

1.5.2第二代厌氧反应器

为了解决第一代反应器效率低的问题，人们开发了第二代厌氧反应器。

而高效厌氧处理系统必须具备：

体系内能够保持大量的活性厌氧污泥；微生物和有机质良好传质。

20世纪70年代人们成功用生物膜固定化技术确保体系在高有机和水力负荷时仍能保持较高浓度的厌氧污泥。

如厌氧滤池（AnaerobicFilter,AF）、厌氧流化床（AnaerobicFluidizedBed，AFB）反应器、上流式厌氧污泥床（Up-flowAnaerobicSludgeBed，UASB）等。

此阶段共同特点是可实现泥水分离，固体停留时间可以长达上百天，而水力停留时间缩短到几天。

容积负荷可达到8~10kgCOD／（m3·d）。

⑴厌氧滤池

Young和McCarty于1969年开发了厌氧滤器，开创了常温下对中等浓度有机废水的厌氧处理[12]。

AF采用生物固定化技术延长SRT，可实现SRT和HRT的分离。

其结构和原理类似于好氧生物滤床，厌氧菌在填充材料上附着生长形成生物膜。

AF内的污泥浓度可达到10~20gVSS／L，其处理溶解性废水时的容积负荷为10~15kgCOD／（In3·d）。

据报道，以降流式AF处理高蛋白含量的鱼类加工废水负荷为l0kgCOD／（m3·d）时，COD去除率可达90％[13]。

据Lettinga在1993年估计，国外生产规模的AF系统大约有30~40[14]。

但是AF在运行中易堵塞，且需要大量的填料，增加了处理成本。

⑵厌氧流化床

AFB依靠在惰性填料微粒表面形成的生物膜来维持体系污泥浓度。

在较高的上升流速下，填料处于流化状态，可解决AF中堵塞问题，且能实现污泥与有机物充分混合，提高了处理效率。

据报道，用AFB反应器处理酒厂废水，有机负荷可达到38kgCOD／（m3·d）[15]。

AFB对易降解有机毒物的去除有较大潜力，日本学者用AFB处理浓度高达1000~1400mg／L的含酚废水，在负荷4.5~5.9kgCOD／（m3·d）时，出水酚含量不到lmg／L。

但AFB难以维持内部稳定的流化态，且需大量回流水来取得较高的上升流速。

至今厌氧流化床工程化应用少见报道。

⑶上流式厌氧污泥床

20世纪70年代，Lettinga等人开发了上流式厌氧污泥床[15]。

其独特的生物固体颗粒化技术在厌氧生物处理技术具有划时代意义。

在已开发的高效厌氧反应器中，UASB反应器是一种研究最为深入、应用最为广泛的厌氧反应器，已大量成功地应用于各种废水的处理。

据报道，全球至少有400多家生产规模的UASB反应器已投入运行。

Kato使用UASB反应器在30℃的条件下处理COD浓度为422~943mg／L的乙醇废水，COD去除率大于95％[16]。

用UASB反应器处理城市污水研究表明，水温的变化范围为13~25℃，HRT为4.7h，总COD和固体COD的平均去除率分别为70％和80％。

UASB反应器内有机负荷高，水力停留时间短，处理周期大为缩短；反应器无填料，无污泥回流装置，无搅拌装置，成本和运行费用大大降低；初次启动后可直接以污泥颗粒接种，目前已成为应用最广泛的厌氧处理方法[17-20]。

但反应器内可能出现短流现象，影响处理能力；当进水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。

对于这些情况，无疑传统高效UASB系统的设计需要很大的改进，正是对于这些困难问题的研究，致产生了第三代高