【餐厨垃圾厌氧发酵生物产氢工艺设计16000字（论文）】

餐厨垃圾厌氧发酵生物产氢工艺设计目录TOC\o"1-2"\h\u23149第1章绪论 167121.1设计任务 1300241.2设计目的及意义 1310921.3设计要求 2160761.4设计依据 2862第2章设计方案选择 464742.1餐厨垃圾 421242.2厌氧发酵工艺技术分析 6219872.3工艺方案 1022138第3章设计计算 12115423.1设计要求 1289103.2预处理 1233093.3厌氧产氢发酵反应器参数选择与设计 1312573.4厌氧产甲烷发酵反应器参数选择与设计 17290213.5沼渣和沼液得率计算 2021613.6厌氧反应器温度系统 21247903.7系统所需热量计算 2197213.8出液沼液沼渣利用 22138403.9气体净化方法 22184263.10气体的储存系统 25第1章绪论1.1设计任务设计餐厨垃圾日处理量Q=50t/d厌氧发酵生物产氢工艺。1.2设计目的及意义1.2.1设计目的随着我国科技和经济的发展，人们产生的垃圾越来越多，而餐厨垃圾就是放错位置的资源，如果不能合理的处理会影响城市市容和人居环境，如果作为饲料喂养家畜会对家畜甚至人类的健康造成危害，因此我们需要合理的处理利用餐厨垃圾，通过餐厨垃圾制氢也体现了垃圾的资源化利用。随着现代科技的不断发展，人们对石油，天然气等化石能源的需求越来越高，但燃烧这些化石能源会排放出SO2,NO2CO2等温室气体，造成全球气温升高，也会导致酸雨的加重，对环境造成不良的影响，开发清洁能源也是目前全球面临的问题之一。氢气就是这样的清洁能源，氢气燃烧后产生水蒸气不会对环境造成危害。利用餐厨垃圾制氢不仅可以使垃圾减容，减少垃圾的占地面积，另一方面还能缓解目前我国对于能源需求的压力。1.2.2设计意义通过工艺设计和完成图纸、撰写论文，可以使我对厌氧发酵产氢工艺有更深的了解和掌握，巩固和加深专业知识能力，也能够学会根据设计课题查阅文献资料，完成设计；并且熟悉了CAD绘图技巧，能够编制规范的设计报告。还可以锻炼我查阅文献、收集资料的能力；锻炼分析能力和判断能力以及绘图的能力，总结和撰写设计说明书的能力。1.3设计要求根据餐厨垃圾日处理量Q=50t/d，设计厌氧发酵生物产氢工艺：预处理+厌氧产氢发酵系统+厌氧产甲烷发酵+气体净化系统。1.4设计依据设计依据主要为国家法律法规：1、《生产过程安全卫生要求总则》GB128012、《恶臭污染物排放标准》GB145543、《室外排水设计规范》GB500144、《建筑给排水设计规范》GB500155、《城镇垃圾农用控制标准》GB81726、《污水综合排放标准》GB89787、《城市生活垃圾厌氧发酵处理技术规范》CJ/T528、《农业标准商品有机肥料标准》NY5259、《餐厨垃圾处理技术规范》CJJ184-201210、《升流式厌氧污泥床反应器污水处理工程技术规范》HJ2013-201211、《餐厨垃圾厌氧消化处理技术规程》DB62/T4116-202012、《大中型沼气工程技术规范》GB/T51063-201413、《完全混合式厌氧反应池废水处理工程技术规范》HJ

2024-201214、《厌氧颗粒污泥膨胀床反应器废水处理工程技术规范》HJ

2023-2012

第2章设计方案选择2.1餐厨垃圾2.1.1餐厨垃圾的概念食物垃圾是居民在日常生活和生产活动中产生的一种垃圾。包括由住户、食物业、饮食业、饮食业单位及其他活动产生的食物处理废物(厨余废物)、食物残渣(污泥)及食物脂肪废物。它的组成包括淀粉、膳食纤维、动物脂肪和其他物质，这些物质是生活垃圾中有机相的主要成分。上海将厨房垃圾分为两类:厨房垃圾和食用油垃圾。其中，厨房垃圾是指食物残渣和食物加工垃圾。食用油和脂肪废物是指不可食用的动植物脂肪以及各种油和水的混合物。餐厨废物是食物的可食用和不可食用部分的残余物，其物理和生化特性因不同地点的食物成分和结构而异。2.1.2餐厨垃圾的特性厨房垃圾通常占家庭垃圾的近30%。这些残留物富含水分，很可能会变质。厨余垃圾主要由蔬菜叶片和果皮组成，富含淀粉、纤维素、蛋白质、脂质和无机盐。其有机组分占主导地位，含有大量的淀粉和纤维素。无机盐中含有丰富的氯化钠，同时还含有钙、镁、钾、铁等微量元素。它还具有高盐含量(湿基0.8-1.5%)，脂肪(干基:20%-30%)，易于微生物使用，高湿度(65%-95%)和易腐烂、发酵和发臭特性。产生的液体可进入地下水，造成健康问题或引起疾病传播。（1）盐分含量高餐厨垃圾中含有较髙的盐分，而在餐厨垃圾的厌氧消化的过程中，产甲烷菌对盐类较为敏感，产甲烷菌在一定盐度中可以有效挥发作用，超过范围，产甲烷菌会导致脱水，酶活性下降，盐分过高还可能导致细菌死亡，餐厨垃圾中盐分低一些会对后续的厌氧消化起促进作用。若餐厨垃圾中盐分过高，则要在预处理阶段采取措施，降低盐分含量。（2）有机负荷高有机负荷表征着物料的性质，根据物料的有机负荷，可以确定反应器容积的大小，若物料有机负荷过低，或造成消化菌等微生物的营养物质供给不够，微生物长期处于饥饿的状态，处理效率低下。若物料有机负荷过高，微生物长期饱和，导致细菌繁殖过快，后期污泥量多。在高温条件下，很容易腐烂变质，产生臭味，对收集点附近的居民产生一定影响。含水率高餐厨垃圾含水率过低会导致物料的流动性降低，在处理过程，搅拌、接触传质、进料等都没法达到良好的效果，一般反应器会通过加入新鲜水增加含水率，一般在反应器前设置酸化池，注水预处理。含水率高，水的热容大，则在反应过程需要注入更多热量，造成一部分能量损失。因此在处理过程要根据餐厨垃圾性质，确定含水率，选用合适反应器。2.1.3餐厨垃圾的产生现状近年来，人们吃饭的方式有了改变。中国餐厅厨房垃圾不仅量多而且种类复杂。除食物外，还可与塑料袋、玻璃瓶、筷子、石头等多种杂质混合在一起。中国城市每年产生600万吨食物垃圾，大城市和中小城市也产生惊人数量的食物垃圾。目前，城市中的大部分厨房垃圾和家庭垃圾混合堆放的。主要是以传统的焚烧和填埋方式处理。而焚化和填埋不能实现食堂-厨房垃圾资源利用，是对厨房垃圾的浪费，给地方财政带来很大负担。尽管上海、北京等许多城市连续实施垃圾分类，厨房垃圾的杂质总量仍然很大。从很久以前开始，政府就曾表示，将在很多地方实行垃圾分类，并对厨房垃圾进行分类，使其可以重新利用资源或用于其他用途。2.1.4餐厨垃圾处理现状粉碎直排处理粉碎直排方法是对少量分散的餐厨垃圾的主要处理方法，是在餐厨垃圾产生点直接粉碎。然后经水力侵蚀后注入城市市政污水管道，与城市污水合并进入城市污水处理厂进行深度处理。粉碎法是一种廉价易用的处理餐厨垃圾(生活垃圾)的技术，有利于降低城市垃圾的含水率，减少收集量，增加城市垃圾的热量产生。

2.填埋处理

在我国很多地区，厨房垃圾和普通垃圾一起被送到垃圾填埋场。填埋是大部分国家无害处理家庭垃圾的主要方法。厨房垃圾含有大量可分解性成分，安全时间短，有助于填地恢复，易于操作而广泛使用。随着对欧洲、美国、日本、中国等厨房废弃物利用可能性的了解越来越多，厨房废弃物填埋率呈下降趋势，甚至许多国家禁止将厨房废弃物运到填埋地处理。3.肥料化处理

餐厨垃圾堆肥的处理方法主要有两种:好氧堆肥和厌氧消化。好氧堆肥过程是通过微生物的代谢，在好氧条件下，通过微生物分泌的含好氧有机酶的循环，将有机固体分解为可溶解的有机物质，然后通过微生物的新陈代谢渗透到细胞中，实现整个堆肥过程。餐厨垃圾的厌氧消化是微生物在一定的厌氧条件下对有机物的分解，其中碳、氢、氧被转化为甲烷和二氧化碳，而氮、磷、钾仍然存在于残留物中，并被转化为一种便于植物吸收和利用的形式。

4.饲料化处理饲料化的两种方式:(1)饲料的生物处理。原理是将培养出来的菌株放进餐厨垃圾中密封保管，再用菌株杀死病原性细菌制造饲料。(2)饲料的高温消毒。原则上是先把垃圾粉碎，然后利用高温消毒的原理杀毒，再加工成饲料。成熟的饲料处理方法是综合利用颗粒，挤压，干燥技术。被挤出的饲料的细菌浓度远低于其他饲料。由于在挤出过程中温度增加，单螺旋干式挤出工序可以大大减少潜在病原体的浓度。5、能源化处理

焚烧、热解和发酵氢处理作为食品垃圾的能源化处理是近年来迅速出现的。餐厨垃圾焚烧效率高，只产生5%左右的残留物。这种焚烧实现了蒸汽或电能的回收，燃烧食物垃圾时，由于低热值，需要额外的燃料。同时，尾气净化也是一个难题。热解是将废弃物在高温下进行热解，将废弃物中所含的能量转化为气、油、碳等形式，再加以利用。热解具有良好的应用前景，但尚未达到实际应用阶段，目前相对应用较少。氢是一种高质量的清洁能源，被普遍认为是最具潜力的替代能源，已经被许多学者研究。能量化处理食物垃圾必将受到越来越多的关注。6.焚烧法焚烧处理垃圾是一种将固体废物的可燃性组分与一定比例氧气发生化学反应,将燃烧的固体废物及其组分放入餐厨焚烧炉中焚烧后,固体废物的燃烧体积可以减少约40%-80%,在一定的程度上可以大大缩小餐厨垃圾的堆积体积，同时，餐厨垃圾所含的水分过多在一定的情况下会影响到废物的燃烧并且有可能产生二次燃烧污染物，需要进行前处理且在运行过程严格控制温度。二次污染物较难除去，成本也较高。2.2厌氧发酵工艺技术分析厌氧发酵是一个复杂的处理过程，操作过程中有很多影响因素，包括前处理、温度控制、TS含率，在处理发酵过程，还需设置相当数量的沼气成分监督仪，通过成分分析，判断工艺运行状况，为反应器是否故障和是否调节用量提供参考。在目前资源紧张的情况下，对餐厨垃圾的厌氧消化研究是有重要意义的。针对餐厨垃圾厌氧消化过程的微生物变化，发现其存在易于酸化的特点，所以，厌氧消化过程的酸度和pH控制成为难点。干式厌氧消化还需额外供能，干式消化的产气速率、搅拌方式相较于湿式氧化来说难度更大，额外供能就决定了需考虑餐厨垃圾厌氧消化产沼气产生的能量与厌氧消化反应过程消耗的能量的关系，研究与工程应用需考虑能量关系。处理技术考虑到餐厨垃圾的特性，其存在油脂和其他糖类所含物占比重大,盐分偏高等的主要特点，容易腐烂发臭，油脂的存在就决定了其在预处理阶段要求较高。在工程中，应寻求更加简单适用的处理方式，努力降低餐厨垃圾不利性质对厌氧反应的影响是今后探索的目标。2.2.1厌氧发酵基本原理厌氧性氢气生成细菌是氢气生成的基质，它利用葡萄糖，淀粉，蛋白质，脂肪，纤维素等多种有机基质，进行发酵，生成氢气，挥发性脂肪酸及其他小分子有机体。主要氢的生产机理分别为:丙酮酸脱羧产氢、NADHNAD氧化还原平衡调节产氢、产乙酸菌的产氢以及NADPH作用产氢。第一阶段是水解和发酵阶段。在这个阶段，复杂的有机物会在微生物(发酵菌)的作用下水解并发酵。多糖先水解成单糖，然后用发酵的方法生成乙醇和脂肪酸。蛋白质先水解为氨基酸，氨基酸脱氨基，生成脂肪酸和氨。脂质转换为脂肪酸和甘油，甘油转换为脂肪酸和醇。第二阶段是氢气和乙酸的生产。除了甲酸，乙酸，甲基苯丙胺，甲醇外，脂肪酸(丙烯酸，丁乙酸)，酒精(乙醇)等在第1阶段生成的中间生成物，在产生氢气的乙酸生成菌的作用下，被转化为乙酸，H2,CO2。第三阶段，产甲烷。甲烷菌通过多种途径变换甲酸、乙酸、甲基苯丙胺、甲醇(H2+CO2)等物质为甲烷，乙酸和(H2+CO2)基质占支配地位。厌氧性消化时约70%的甲烷来自乙酸分解，H2和CO2合成少量甲烷。2.2.2生物制氢2.2.2.1氢能氢是宇宙中分布最广泛的物质，是地球上二次能源的主要来源，主要以化合物的形式存在，占宇宙质量的75%。氢的燃烧热很高，是汽油的3倍，是乙醇的3.9倍，是碳的4.5倍。氢燃烧的产物是世界上最清洁的能源，如水。资源丰富，可持续发展。

作为一种能源，它具有以下特点。

(1)在所有的元素中，氢的重量最轻。

(2)在所有气体中，氢气的导热性能最好，导热系数比大多数气体高10倍。因此，氢在能源工业中是一种很好的导热体。

(3)氢是自然界中最普遍存在的元素，占宇宙质量的75%。除了空气中含有氢外，还主要以化合物的形式储存在水中，水是地球上最广泛的物质。

(4)除所有核燃料外，在化石燃料，化学燃料和生物燃料中，氢的热值高达142,351kJ，产生热量的汽油的3倍。(5)氢气燃烧性能好，点火速度快，与空气混合具有大范围的可燃性，着火点高，燃烧速度快;

(6)氢气本身是无毒性的，与其他燃料比，氢气燃烧得最干净，只产生少量的氨和水，不会产生一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及造成环境污染等有害物质，经过适当加工的少量氨对环境不会造成污染，燃烧产生的水仍会产生氢气;继续使用再生能源。

(7)氢能可以有多种形式使用。燃烧不仅可以产生热能，而且可以使热机发生机械工作。另外，它还可以用作燃料电池的能源材料，可以转化成固体氢气，用作结构用材料。代替煤，石油，不需要大力改造原有的技术设备。现有内燃机可经过改造使用。

(8)氢气可以表现为一种气体，液体或固体氢化物，以满足不同的储放，运输和多种应用环境的不同要求。2.2.2.2生物制氢方法传统的氢气生产方法(化石燃料氢气生产，水电解氢生产)，存在高耗能和环境污染问题，生物法氢气生产是新型氢气生产方法，氢气生产细菌在氢气和有机物中能量的传递;在大气压力条件下的轻微反应的同时，以各种工业和农业废弃物和废水为原料，可以实现废弃物利用和能源生产的双重功能。

早在19世纪，科学家们就发现了细菌和藻类可以生产氢气的事实，并以70年代石油危机为契机，研究人员认识到生物学上氢气生产的有用性，开始了大规模的研究。生产氢气的微生物有两大类，它们是非光合作用生物和光合作用生物，如表2-1所示：表2-1产氢生物种类The

species

of

lydrogen

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Metlylomonas

albus瘤胃细菌Ruminococcus

albus好氧菌Bacillus

licheni

formnis嗜热古细菌Pyrococcus

furious光合细菌Rhodospirillum

rbrum纤维素分解菌R.

capsulate(Hup)蓝细菌(蓝藻)Anabaena

cylindrical,

SynechococcusOscillatoria绿藻Chlamudomonas

reinhardri与光合作用制氢相比，厌氧发酵制氢技术具有以下优点。(1)厌氧发酵制氢技术产氢稳定性较高。厌氧发酵产氢的原理是通过发酵产氢细菌进行自身的生理代谢，在产氢的同时消耗有机物，将其分解为挥发性脂肪酸。因此，通过厌氧发酵产氢的菌株可以在不需要光照的情况下昼夜产氢，因此可以保证氢气的连续性和稳定性。(2)厌氧发酵产氢的能力高于光合细菌。研究表明，细菌在光合作用下的产氢能力普遍低于5mmol-H2/(g-干细胞.h)，而厌氧发酵细菌的产氢能力非常高。可达1.9mol-H2/mol-底物。2.2.2.3厌氧发酵生物制氢分类厌氧微生物可以在不透光的空气中发酵碳水化合物产生氢气。这是一种严格厌氧菌和一种兼性厌氧菌，利用碳水化合物、蛋白质等产生H2，生成CO2和有机酸的过程。在厌氧发酵过程中，碳水化合物首先通过EMP途径产生并合成丙酮酸，ATP和还原态的烟酞胺腺嚓吟二核苷酸(NADH+H+)。葡萄糖、六碳糖同聚物、淀粉纤维和纤维的聚合素被用作发酵的基础。发酵后氢气的生成路径决定了H2的产量。当乙酸作为末端产物时，理论上每mol葡萄糖可以产生4mol的分子H2。CHl2O6

+

2H2O2CHzCOOH

+

4H2

+

2CO2当丁酸作为末端产物时，理论上每mol葡萄糖可以产生2mol的分子H2。CH2O6→CH;CH2CH2COOH

+

2H2

+

2CO2较高的H产量与末端产物为乙酸相联系，任南琪认为高的H产量与末端产物为乙酸和丁酸代谢联系在一起,较低的H2产量与末端产物为丙酸和还原形式的乙醇和乳酸的代谢相联系。2.2.2.4厌氧发酵影响因素影响厌氧消化的主要因素有以下几个方面。(1)大量关于原料配比的报道和实验表明，厌氧消化时反应物的碳氮比相对适宜于(20~30)：1。一般情况下，通过合理混合缺氮有机质(农作物等)和缺氮有机质(人畜粪便、土壤等)获得合适的碳氮比例。

(2)发酵过程按温度分为中温发酵(30-36℃)和高温发酵(50-55℃)。一般厌氧消化控制在这两个温度范围内，分解速率较高。

(3)酸碱水解液、发酵菌和产氢产乙酸上清液的pH值适应范围约为5~6.5，而甲烷菌的pH值适应范围为6.6~7.5。必须保持一定的碱度(pH)，以增加pH的缓冲能力。在一般情况下还可添加石灰或含氮物质使碱度在2000-5000mgCaCO3/L。(4)对于Eh，一般情况下，厌氧微生物只能在低于100mV的Eh值或负值时生长。适合产甲烷菌的氧化还原电位(Eh)在-330mV以下。(5)促进厌氧消化离不开搅拌。有效的搅拌可以增加材料与微生物的接触机会。均衡分配系统中的物资和温度;防止区域性酸积累;快速排出有害于厌氧菌活动的硫化氢，甲烷和其他气体。(6)有毒物质可以阻碍发酵微生物的生命活力，发酵菌对有毒物质有一定的耐性，超过允许浓度时，甲烷发酵受阻。

(7)在添加剂发酵液中加入少量有益的化学物质，有助于促进厌氧性发酵，提高气体生产和原料利用率。在发酵液中加入少量硫酸锌，磷酸盐粉末，碳酸钙，高炉灰，能使气体生成，甲烷含量及有机物的分解速度增加到不同程度，最好添加磷酸盐粉末。

(8)接种厌氧性消化时，细菌的量和质直接影响沼气的产生。根据厌氧性发酵接种剂的供给源，对气体的产生及形成的影响是不同的。加入硫，可以促进早期气体生产，提高气体生产率。2.2.3产氢-产甲烷多级发酵工艺单级发酵产甲烷氢气过程中产生的大量挥发性脂肪酸无法重复利用，氢气转化率相对较低。有机废物发酵产生氢气，由于废物本身的原因，发酵速度较慢，严重影响了发酵氢气的经济成本。

两相厌氧消化法将酸性细菌和甲烷细菌放入两个系列反应器中，为每个反应器创造所需的最佳条件，避免了不同物种之间的相互作用和抑制作用。通过两级发酵，初级阶段生成酸性H2和CO2，次级阶段生成CH4和CO2，通过分离产酸和产甲烷段，易于控制。在两个隔离反应器中，每一个比较优势菌株都能保持一个合适的环境来促进生长，并确保最大产量。

产氢能够显著去除废水中的悬浮性和大分子物质，因此产甲烷特性相对稳定，保证了第二阶段产甲烷细菌具有较高的活性。氢渣中含有大量挥发性脂肪酸和未降解有机物，经二次发酵处理后得到甲烷。由于第一国家产氢发酵时间相对较短，可以适度减少第一相反应器的体积。2.3工艺方案厌氧发酵产氢流程图餐厨垃圾工艺设计如下：(1)经过分选破碎等预处理后，进入厌氧产氢发酵罐发酵产氢，在发酵初期加入餐厨垃圾上清液，使接种菌群适应底物，成为优势菌种。先将发酵罐内的空气替换为氮气，再将污泥和上清液加入发酵罐，再次供氮。(2)产氢阶段工艺参数：采用CSTR反应器，停留时间取用21h，温度控制在55℃，pH控制在4.5-6.5。OLR=24gCOD/L/h。产氢剩余物进入厌氧产甲烷发酵罐中发酵产甲烷。(3)产甲烷阶段工艺参数：产甲烷发酵反应器选用UASB，停留时间取用19d，温度控制在55℃，pH控制在6.5-7.8。OLR=6-10(kgCOD/m³/d)。剩余沼液回流进入产氢发酵罐。(4)氢气和甲烷气体的利用：氢气和甲烷气体分开收集后混合，可用作燃料或发电。(5)消化残留物的利用：两个发酵罐产生的沼渣最后进行好氧堆肥处理，沼液经过除去氮磷等物质后可灌溉农田。

第3章设计计算3.1设计要求根据餐厨垃圾日处理量Q=50t/d，设计工艺：预处理+厌氧产氢发酵系统+厌氧产甲烷发酵+气体净化系统。3.2预处理3.2.1分选分选是通过物料物理性质的不同，利用物理性质将垃圾分离的技术。可分为机械分选和人工分选，机械分选速度较快，但准确率不如人工分选，故可以先将餐厨垃圾通过分选机器，再通过人工分选，以保证餐厨垃圾中没有混入小块玻璃块，塑料块，碎木屑等，以免影响餐厨垃圾的物理性质，对后续厌氧发酵产生影响。餐厨垃圾统一收集到集中点后，倒入进料池，对垃圾进行破袋处理，进入分选机器，本设计采用重力分选机（滚筒筛,型号为JS-GTS1804/1806，处理能力为10-30t/h,功率为15Kw），而后随着传送带传送给到操作间，由人工进行分选。3.2.2破碎破碎是固体废物厌氧消化过程必不可少的操作，通过破碎，可以减小餐厨垃圾颗粒尺寸，使粒度更加均匀，增大餐厨垃圾表面积，微生物更利于附着。空隙也可以使得餐厨垃圾密度增加，有效减小反应器容积，也防止了大块餐厨垃圾对机器造成损坏。一般固体废物处理过程对原料的粒径有一定要求，厌氧消化前破碎粒度应小于5mm，根据要求，可以选用PE-200×350颚式破碎机，该破碎机最大的进料粒径为180mm,处理能力为3-10t/h,符合本设计50t/d=2.08t/h的要求。PE、PEX系列颚式破碎机是出现比较早的破碎设备，也是非常常见的设备，它的结构比较简单，工作稳定并且可靠。3.2.3油脂分离与高温灭菌餐厨垃圾中的油脂可以被厌氧微生物发酵分解，但油脂的性质大大减缓微生物降解速率，油脂的粘性决定了其容易与其他物质粘结成块的结果，互相连接形成大块物质，影响反应器的通透性。油脂在温度不同的情况下呈现不同流态，高温度下呈现液态，低温下呈现半固态。餐厨垃圾有机含量高，可作为病原微生物和携带病原微生物的蝇虫生长代谢的原料，加速繁殖，处置不当会造成疾病的传播。据有关研究表明，餐厨垃圾在露天条件下放置24h,每克垃圾中就上亿个细菌，餐厨垃圾从产生到收集处理时间间隔约为24h,餐厨垃圾中的细菌繁殖量达到峰值，实验结果表明，餐厨垃圾中的细菌活菌数和酵母活菌数含量极高，每克餐厨垃圾中的细菌和酵母菌如果这些餐厨垃圾数以亿计，如果得不到合理的处置，细菌和酵母菌会利用餐厨垃圾的有机物质进行增长繁殖，发出难闻气味，影响环境卫生。故将餐厨垃圾通过加热系统，在120℃下湿热处理80min，并加入破乳剂将乳化油，胶体絮凝分离沉淀，从而实现油脂分离，由于温度为120℃，达到了灭菌的温度，可在油脂分离的同时达到灭菌的效果，除掉餐厨垃圾可能存在的各种不利因素，确保不会危及人体健康。3.3厌氧产氢发酵反应器参数选择与设计3.3.1pH选择以厨余废弃物为原料,使污水处理厂的厌氧活性污泥在100℃，30分钟处理得到了氢生产接种物。在破碎后，将去掉骨头的厨房废弃物与种接种物一起投入到厌氧生产反应器中，厌氧生产反应器的pH控制在4.5-6.5，必要时使用氢氧化钠调节。3.3.2温度选择温度影响微生物的活性和发酵产物的转化率,并与经济效益密切相关。混合菌对温度的敏感性显著较高,最适温度在35℃左右。通过将温度变化来检验温度的影响,发现H产量和微生物生长速率随温度升高而增加，同时代谢产物分布发生变化。尽管造成了经济负担，H发酵罐通常在嗜热(50-60℃)或超嗜热(70-80℃)范围内操作,因为它被认为是在高温度下操作。本设计选择H发酵罐的温度为55℃。3.3.3反应器选择根据理论对反应器进行分类，在实际工程操作中，单相消化和两相消化各有优缺点，单相消化操作条件和要求相对来说简单一些，便于管理运行，但因为不同阶段微生物最适温度不同，产甲烷效率较低。两相厌氧发酵工艺将产氢气相和产甲烷相分开置于两个反应器内，两个反应器环境不同，不会相互造成干扰而阻碍系统正常运行。因此本设计采用两相厌氧发酵反应器。最简单的H生产悬浮生物反应器是CSTR，因此本设计产氢发酵反应器选用CSTR。Continuus

Stirred

Tank

Reactor又称全混合物反应器，是一种带搅拌叶的槽式反应器。搅拌的目的是使物质系统达到均匀状态，有助于均匀反应和热量传递。反应过程中包含系统内物质的物理、化学变化，决定系统特性的变量有温度、压力、液态等级、系统成分等。

利用CSTR原理在密封的储油罐进行饲料液的发酵及产生气体是可能的。安装搅拌装置，使发酵原料和微生物完全混合。供应模式采用连续供应一定温度或半连续供应的启动模式。由于搅拌效果，新加入的原料与发酵期的所有发酵液均快速混合，使发酵基质的浓度总是比较低。在CSTR的严格定义下，进出料是连续的。在大多数情况下,H生产悬浮生物反应器具有圆柱形,并使用机械涡轮进行混合。由于CSTR的HRT较常规沼气池短,因此CSTR的体积要比常规沼气池小得多,上述形状和混合方式可以达到一定的商业化水平。然而,可能有必要应用增强形状和混合方法,以实现理想的CSTR条件在更大的尺寸。3.3.4接种污泥本设计采用厌氧活性污泥作为厌氧发酵混合菌种，污泥取自上海市某污水处理厂的厌氧消化池。取回污泥后，在80℃预处理20min后，用该污泥接种，以消除H消费者。污泥的特性如表3-1所示:表3-1厌氧活性污泥性质pH碱度污泥悬浮物浓度VSS7.23.4gCaCO3/L6.3g/L3.3.5反应参数厌氧产氢发酵反应器操作参数如下表3-2表3-2厌氧产氢发酵反应器操作参数HRT21hOLR12.3-71.3(gCOD/L/h)ORP-303±85mVpH5.3±0.2温度55℃3.3.6产气量计算餐厨垃圾经过氢发酵罐，进水中的95%以上的碳水化合物被氢发酵罐消耗.1kg厨余垃圾碳水化合物百分比为46.27%-68.28%，本文取55%。在氢发酵罐中氢气的产率为1.82（H2-mol/glucose-mol）=1.82*22.4m3/kgglucose根据本设计餐厨垃圾日处理量Q=50t/d垃圾中碳水化合物的量为Q=50×55%×23.63%=6.5t/dn(葡萄糖）=6500000÷180=36111mol因此在氢发酵罐发酵后理论可产生氢气量为n（H2）=36111×1.82=65722molV（H2）=65722×22.4×10-3=1472.2m³3.3.7厌氧反应器容积计算CSTR反应器发酵罐结构图如下图所示：（1）每日有机物进料量：Q(3.1)故Q有（2）厌氧反应器的有效容积可通过下式（式3-2）来计算确定：HRT=(3.2)每日垃圾进料量Q=47.6m3/d餐厨垃圾本身TS=23.63%,设计CSTR反应器含固率TS=5%因此需加水稀释，进料Qvol=47.6×4.762=226.67m³/dHRT=21h=0.875dV=0.875×226.67=198.34m33.3.8反应器尺寸计算厨余垃圾进料的含固率TS为23.63%，需要向反应器中添加新鲜水稀释物料，使含固率达到5%。本设计选用厌氧发酵罐温度为55℃，每天进料50t/d,物料停留时间选用21h。在厌氧发酵罐的外壁上安装加热设备。从反应器的设计和建造方面的角度考虑,圆形结构相对于矩形反应器受力情况稳定性较好,具有池子结构较稳定的优点,且从建造费用来说，圆状反应器能节约更多成本且运行效果好，故本文反应器设计采用了圆形反应器。反应堆材料应当兼顾多个因素。如果腐蚀抵抗性优秀，可以延长核反应堆的运行时间，还可以采取一般的防止腐蚀对策。从生产设备的角度看，大部分工程核反应堆都可以选择使用钢铁、塑料、金属、玻璃纤维增强塑料和罐结构的其他材料，而厌氧核反应堆结构则可以转化为一种产业设备，生产技术产品。本设计主要选用厌氧反应器的主体和罐体的基材为搪瓷拼装罐。常见的机械搅拌厌氧发酵罐的几何尺寸比例如下：L/D=1.7-3.5d/D=1/2-1/3S/d=2-5故发酵罐的全体积为：

V=Π4D2H+0.15D³(V=(3.4)（1）D，L的确定发酵罐是圆柱形状的，反应器的总有效容积V=198.34m3，选取厌氧发酵罐的体积为200m3,需要1个.取H/D=2代入公式求得筒内径D=4.88m.根据公式，V=（Π/4）D2L则L=10.7m,L/D=2.19符合要求（2）搅拌器餐厨垃圾在反应过程中应该处于浆液易流动状态，这样就能使厌氧消化微生物有效的利用有机质，从而提高厌氧消化的成效。因此，搅拌器的设计是不可缺少的。搅拌操作可以使得餐厨垃圾与调节液进行充分混合，能够快速的完成厌氧消化过程，生成特定物质，搅拌器工作可以使系统反应温度不会过高，热量可以及时散发。搅拌叶直径取d=2m，其中d/D=2/4.88=0.4,符合d/D=1/2-1/3的要求，搅拌叶间距S=2d=2×2=4m3.3.9罐体主要参数设计计算(1)罐体罐体的设计要考虑材料、受力、经济、性能等因素，封头设计成平面圆形，因D＞500，所以与罐体连接的方式采用双面缝焊接。(2)罐体壁厚δ式中D-罐体直径(mm)p-耐受压强（取0.3MPa）φ−焊缝系数，双面焊取0.8σ-设计温度下的许用应力（kgf/cm2）(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa)表3-4一级发酵罐尺寸表总体积V/m3罐内径D/m罐体总长L/m罐压/MPa罐体壁厚/mm材料2004.8810.70.38.4不锈钢3.4厌氧产甲烷发酵反应器参数选择与设计3.4.1pH选择从厌氧性氢气生产反应器排出的氢气生产残留物与污水处理场的厌氧性活性污泥混合后进入厌氧性甲烷生产反应器。使厌氧性甲烷生产反应器的pH控制在6.5~7.8之间。3.4.2温度选择厌氧产甲烷反应器采用UASB，温度控制在55℃左右，使用与产氢发酵罐相同的水套和温度传感器。3.4.3反应器选择厌氧产甲烷反应器采用UASB，在反应器中发酵后产生的气体从反应器上部气体出口排放，液体从反应器上部的液体出口排除回流进入产氢反应器中。UASB

(Upflow

anaerobic

sludge

blanket

bioreactor),即上流式厌氧发酵生物制氢反应器是20世纪70年代由Lingal61等人开发的，其主要特点如下:(a)反应器的结构分为底部的反应区和上面的气、液、固体三相分离区，其中颗粒状或絮状的污泥在下面的反应区有良好的沉淀，原料气体通过发酵代谢产氢气，产生的气体向上运动。也使一部分污泥同时进入上层气、液、高三相分离区，最后需要进行气体分离收集和分离沉淀。(b)

UASB反应器是将反应和沉降集于一体，利用气泡和上流进料的自然搅拌作用，因此除去了连续搅拌装置和回流装置，达到了简化工艺流程、降低生产投资和运行成本。(c)反应器下部的污泥床可以较稳定的存在，延长了污泥停留时间，在低水力停留时间、高容积负荷率的操作条件下也可以稳定运行。3.4.4接种污泥本论文采用厌氧活性污泥作为混合菌种，污泥取自上海市某污水处理厂UASB反应器中。取回污泥后，在36℃的UASB反应器中驯化，用该污泥接种。污泥特性如表3-4所示:表3-5厌氧活性污泥性质OLR温度11kgCOD/m³d32℃3.4.5反应参数厌氧产甲烷发酵反应器操作参数如下表3-5表3-6厌氧产甲烷发酵反应器（UASB）操作参数HRT19dOLR5-15(kgCOD/m³/d)ORP-383±54mVpH7.4±0.3温度35℃3.4.6产气量计算由于氢发酵罐出水的总COD浓度比进水的总COD浓度低约18%，这种减少是因为进水一部分有机化合物转化为无机化合物。有机负荷为480kgCOD/m3d根据餐厨垃圾日处理量Q=50t/d餐厨垃圾的平均密度为1.05kg/dm3，餐厨垃圾体积V=50000÷1.05=47619dm3=47.6m³因此进料餐厨垃圾COD=47.6×480×23.63%=5399kg经过产氢发酵罐发酵后，餐厨垃圾COD=5399×82%=4427kg在标准状况下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，因此还原1gCOD就相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。则在产甲烷发酵罐发酵后理论可产生甲烷的量为V（甲烷）=4427000×0.35=1549450L=1549.45m³3.4.7反应器容积计算UASB反应器发酵罐结构图如下图所示（1）每日有机物进料量：Q(3.1)故Q有由于经过产氢发酵罐发酵后，有机物量减少18%，因此Q有=10987.95×82%=9010.2（2）反应器的有机负荷率及有效容积;表3-3固体废物厌氧消化工艺适宜操作条件工艺操作条件处理对象中温/干式HRT:17-30d;OLR:6-9kgVS/(m3.d)机械分选后的城市生活垃圾（比如餐厨垃圾）高温/干式HRT:12-20d;OLR:9-15kgVS/(m3.d)机械分选后的城市生活垃圾（比如餐厨垃圾）根据表3-3选定适宜的有机负荷率，则厌氧反应器的有效容积可通过下式（式3.2）来计算确定：HRT=(3.2)Q=226.67m3/d,VS=5%,OLR取10kgVS/(m3.d),故有效容积V=Q有/OLR=9010.2/10=901m3,校核HRT=VQ=901m3/47.6m³3.4.8反应器尺寸计算设计垃圾进料的含固率TS为5%，因此无需添加新鲜水。本设计选用厌氧主发酵罐为55℃，每日进料为50t/d,物料停留时间为19d。并且可以在厌氧发酵罐的外壁上安装加热设备。圆形结构相对于矩形反应器受力情况稳定性较好,具有池子结构较稳定的优点且圆状反应器能节约更多成本且运行效果好，故本文反应器设计采用了圆形反应器。反应堆材料应当兼顾多个因素。如果腐蚀抵抗性优秀，可以延长核反应堆的运行时间，还可以采取一般的防止腐蚀对策。从生产设备的角度看，大部分工程核反应堆都可以选择使用钢铁、塑料、金属、玻璃纤维增强塑料和罐结构的其他材料，而厌氧核反应堆结构则可以转化为一种产业设备，生产技术产品。本设计主要选用厌氧反应器的主体和罐体的基材为搪瓷拼装罐。常见的机械搅拌厌氧发酵罐的几何尺寸比例如下：L/D=1.7-3.5d/D=1/2-1/3S/d=2-5故发酵罐的全体积为：

V=Π4D2H+0.15D³(V=(3.4)D，L的确定发酵罐是圆柱形状的，反应器的总有效容积V=901m3，选取厌氧发酵罐的体积为901m3,需要1个.取H/D=2代入公式求得筒内径D=8.06m.根据公式V=（Π/4）D2L，则L=17.67m,L/D=2.19符合要求（2）搅拌器餐厨垃圾在反应过程中应该处于浆液易流动状态，这样就能使厌氧消化微生物有效的利用有机质，从而提高厌氧消化的成效。因此，搅拌器的设计是不可缺少的。搅拌操作可以使得餐厨垃圾与调节液进行充分混合，能够快速的完成厌氧消化过程，生成特定物质，搅拌器工作可以使系统反应温度不会过高，热量可以及时散发。搅拌叶直径取d=3m，其中d/D=3/8.06=0.37,符合d/D=1/2-1/3的要求，搅拌叶间距S=2d=2×3=6m3.4.9罐体主要参数设计计算(1)罐体罐体的设计要考虑材料、受力、经济、性能等因素，封头设计为平面圆形，因D＞500，所以与罐体连接的方式采用双面缝焊接。(2)罐体壁厚δ式中，D-罐体直径(mm)p-耐受压强（取0.3MPa）φ−焊缝系数，双面焊取0.8σ-设计温度下的许用应力（kgf/cm2）(16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa)表3-7一级发酵罐尺寸表总体积V/m3罐内径D/m罐体总长L/m罐压/MPa罐体壁厚/mm材料9018.0617.670.312不锈钢3.5沼渣和沼液得率计算沼渣产量可按下式计算：Q(3.5)沼液产量可按下式计算：Q(3.6)故沼渣产量为:Q沼液产量为:Q3.6厌氧反应器温度系统餐厨垃圾在整个厌氧发酵过程，温度对发酵效率影响较大，不同反应阶段，微生物对原料的分解反应，酶的最适温度不同，应该根据该阶段生物特点，严格控制温度变化。在冬天，如果环境温度较低，在加热处理之后再加上保温处理，使得该阶段在任何时间段温度都保持一致，以保障反应正常进行。在整个反应器系统，也应采取保温措施，使得整个系统温度保持恒定。本设计对厌氧消化罐采用200mm厚聚苯乙烯材料进行保温措施。对反应器以及产生和输送阶段的附属构筑物、零部件采取保温措施，确保气体的正常输送，减少因运输造成的损失。若在反应器内加装加热管，餐厨垃圾杂质会在管道表面附着粘连，形成较大块状物体，影响后续传热，如果因为堵塞造成局部过热，会导致管道爆炸。如果管道发生粘结，则需要定期清理管道表面，不可避免就要造成反应器的停产，无法实现餐厨垃圾连续处理。3.7系统所需热量计算（1）系统总热损失系统总热损失按系统所需总热量的20%计算。（2）物料加热所需热量公式物料加热所需热量公式：Q2=cm△t(3.7)式中：c=4.187kJ/（kg·℃）；m为加热的物料量；△t为物料升高温度。则Q2=cm△t=[4.187×50×（55-0）]=11515MJ（3）系统所需热量系统所需热量Q=Q1+Q2+Q3-Q4式中：Q1代表系统总热损失；Q2代表物料加热所需热量；Q3代表系统产生气体带走的热量；Q4代表厌氧反应放出的热量。Q3和Q4数值都比较小，对最终计算结果影响不大，故这两项可以忽略不计，系统所需的热量为Q=Q2÷（1-23.63%）=15077MJ。3.8出液沼液沼渣利用厌氧反应器完成反应后所产生的沼渣和很少量沼液通过泵进入固液分离器，分离出的沼渣可以进行稳定化利用，少量沼液中分离出一部分沼液作为调节剂进行回流，其余沼液进入UASB反应器进行余下的少量发酵，通过设计计算和设备选型可知，该反应器进料口低于出料口，为防止出料时压力降低，反应罐中的物料向进料口发生滑动，影响进料和出料正常进行，应该利用螺旋搅拌器把出料口的沼渣沼液排出，物料进入固液分离器，分离好的沼渣可以进行稳定化利用。

虽然在厌氧发酵制品中还含有一些有机物，但也含有大量的氮，磷，钾和微量元素。这些元素是植物生长的必要因素，随意放弃这些元素是极大的资源浪费。

欧洲直接把发酵产物作为农业肥料。生活在食品垃圾处理场附近的农民们可以利用车辆将其运到地里，以此节省化肥费用。减少了废弃物的处理。

在中国，由于有限的条件，目前产品在发酵后的使用方法不可能广泛使用。发酵后可以通过产品脱水过程解决发酵后产品的问题。脱水后，制备了水分含量很高的沼液(99%)和相对含水量较低的沼渣(65%)。沼液在脱氮处理和其他处理达标后可直接排放，沼渣可继续制成固体肥料或营养土，广泛利用于农业，林业，果树，蔬菜种植，沙化土壤的改良，市政资源和重金属污染土壤处理修复及其他领域。由于国外已经成熟的沼液肥料化处理技术经过实际应用是有效的，沼液肥料化处理后符合相关标准的要求，可以用液体肥料直接喷洒在农田上。沼泽水经发酵后，经脱氮、脱盐、脱硫后可制成液肥，用于农田或原生林栽培。

脱水后的甲烷渣可以通过良好的氧气堆肥作为成品粪肥出售。在制作堆肥时，通常会出现与秸秆混合的材料，以降低含水率，补充营养。堆肥费可在15-25天的堆肥期后销售。3.9气体净化方法3.9.1气体净化机理目前气体净化有以下几种净化方式：化学吸收、物理提纯、生物脱除。

(1)化学吸收化学吸收是利用溶剂对甲烷和水分、二氧化碳等选择性吸收能力不同，可分为物理性吸收和化学性吸收物理性吸收是利用溶剂对甲烷溶解性小，对硫化氢溶解性大，从气体混合物中吸收硫化氢，甲烷留在气相中，而被吸收的硫化氢性质没有发生改变。化学吸收是溶剂与需去除的物质发生化学反应留在液相中，被吸收物质化学性质发生改变，生成其他物质，从而达到从混合气体中取出杂质的目的。(2)物理提纯物理提纯方法可分为变压吸附法PSA和变温吸附法TSA，他们都是通过吸附剂对不同物质的吸附能力的差异来对物质进行提纯，吸附剂的吸附容量会随着温度或者压力的变化而变化，达到实现吸附和解吸的目的。在沼气提纯过程，较为常用的是PSA法，因为压力变化较为易于控制，更加方便快捷，节约能耗，比较常见的吸附剂有活性炭、沸石和分子筛等，在实际操作中，随着压力增大，有一定量的甲烷也可能会被吸附剂吸附，造成甲烷含量减少。(3)生物脱除某种微生物可以讲需要除去的气体作为生长繁殖的需求物质发生生化反应，利用吸收杂质气体组成自身，生物脱除方法较少应用，但是物理化学处理法需要消耗额外的能量或者药剂，从环保角度来说，生物脱除是最适合的，实现低能耗、低污染等特点，是以后沼气净化的重点方向。3.9.2气体净化方法(1)脱水厌氧消化产生的气体中水分含量较大，湿度高，当管道中水分含量达到一定程度，会对输送管道及设备造成不利影响，输送管道和设备大多是钢铁制成，遇酸会造成管道设备腐蚀损坏，缩短使用周期。在沼气运输过程如果混合有水分，会导致管道气流阻力增大，损失也会增大。含水沼气在经过检查阀等部件时，在观察玻璃片上形成水雾，影响相关人员观察记录。反应器出来的气体中含有饱和的水蒸气，可以通过冷却法去除，可以在有水蒸汽的沼气在设备中调整压力，使得水分由气态转化为液态，实现分离水分的目的。通过调整压力脱除水分的方法简单易于操作，是目前沼气脱水中工程应用最多的方