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我國年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈約10.4億噸,20%未有效利用,畜禽糞污約38億噸,40%以上未有效利用,尾菜約2.3億噸,大部分未有效利用,嚴重威脅我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村環(huán)境。沼氣池厭氧發(fā)酵是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的重要技術路徑。農(nóng)業(yè)廢棄物經(jīng)過沼氣池厭氧發(fā)酵處理后產(chǎn)生的發(fā)酵剩余物可用于生產(chǎn)有機肥料,同時產(chǎn)生的沼氣燃燒后生成中性碳,是一種重要的清潔能源。水是沼氣池厭氧發(fā)酵過程的關鍵控制因素,直接影響沼氣池厭氧發(fā)酵微生物的活性和關鍵中間產(chǎn)物的傳質過程。根據(jù)沼氣池厭氧發(fā)酵過程中物料的含固率(TS),可將沼氣池厭氧發(fā)酵分為干法沼氣池厭氧發(fā)酵和濕法沼氣池厭氧發(fā)酵。一般而言,物料IS大于15%可認為沼氣池厭氧發(fā)酵過程為干發(fā)酵,反之則為濕發(fā)酵2。

近年來,隨著我國規(guī)?；B(yǎng)殖水平的提高,以畜禽糞便為主要原料的沼氣工程的建設規(guī)模也隨之增大。當前,全混式的濕法發(fā)酵工藝在我國大中型沼

氣工程中廣泛應用。大量的實踐表明,濕法發(fā)酵產(chǎn)  生大量沼液,施用不當易造成二次污染。同時  使用農(nóng)業(yè)廢棄物為原料時,砂石、地膜、土塊等雜質  很容易對進料裝置、攪拌裝置等設備造成損壞,影響  沼氣工程的穩(wěn)定運行。更關鍵問題是,我國規(guī)?；?nbsp; 養(yǎng)殖場越來越多的采用干清糞工藝,這也導致養(yǎng)殖  場所產(chǎn)生的糞便含固率較高。使用濕法發(fā)酵工藝需  要消耗大量的水資源用于調節(jié)含水率。  近年來的研究與實踐表明,干法沼氣池厭氧發(fā)酵工藝  具有更高的原料利用范圍,發(fā)酵過程有機負荷高,工  程占地少,更為重要的是沼液產(chǎn)生量少4。同時干法沼氣池厭氧發(fā)酵所產(chǎn)生的剩余物含固率較高,經(jīng)過簡單的好氧發(fā)酵即可作為肥料施用于農(nóng)田。YuBHuang g h3和1 ester[6l等人的研究表明,干法沼氣池厭氧發(fā)酵工藝是處理農(nóng)業(yè)廢棄物最好的選擇之一,在世界清潔能源供給中應承擔關鍵角色。

目前,在農(nóng)業(yè)廢棄物的處理領域,干法沼氣池厭氧發(fā)酵  已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的重點方向之一。但是,干法沼氣池厭氧發(fā)酵目前仍存在一些瓶頸問題,尤其是在干發(fā)酵反應器和干發(fā)酵過程控制條件方面,亟待深入研究。文章重點對當前沼氣池厭氧干發(fā)酵設備和應用進展進行綜述,為開發(fā)適用的沼氣池厭氧干發(fā)酵裝備奠定基礎。

1干法沼氣池厭氧發(fā)酵反應器

干法沼氣池厭氧發(fā)酵反應器的類型多樣,根據(jù)反應器進出料是否連續(xù),可將反應器分為序批式反應器和連續(xù)式反應器。不同類型的沼氣池厭氧發(fā)酵反應器的特點見表1。

1.1連續(xù)式反應器 

 干法連續(xù)式反應器一般為單相反應器,即產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷過程在同一個反應器內(nèi)完成,一般物料的含固率可高達20%-40%,沼氣產(chǎn)率可達到0.30.5m3kgs。不同于濕法發(fā)酵反應器,干法連續(xù)反應器對于原料輸送的要求更高,這主要是由于干法發(fā)酵的原料含固率更高、原料的粘度更

高  [9]  般而言,這些干法連續(xù)式沼氣池厭氧反應器,主要選用輸送帶、螺桿泵或功率更高的泵等,這些設備需要針對原料的性質進行定制,制作的成本更高。同時,由于物料粘度更高,且流動性差,因此干法連續(xù)式反應器一般選擇推流式反應器。 Franco, Kompogas, Valoria是3種典型的連續(xù)式單相干發(fā)酵反應器,并且已經(jīng)得到商業(yè)化推廣,其工作過程如圖1所示。

比利時 Franco工藝m適于處理源頭分類的生  活垃圾和工業(yè)有機垃圾。目前在比利時、德國、奧地  利多個國家有商業(yè)化應用,處理規(guī)模在1200020000t·a  12 Franco工藝主要包括一個混料罐和一個上進料、下出料的推流式反應器。原料與回  流的發(fā)酵剩余物首先在混料罐內(nèi)混合,之后輸送至  反應器頂部進料。一般回流的發(fā)酵剩余物與新鮮原  料的比例為6:113。 Franco工藝的關鍵點在于將  大量的發(fā)酵剩余物重新回流至反應器內(nèi)進行二次發(fā)酵,通過回流為新鮮物料進行接種,延長了物料在發(fā)  酵罐內(nèi)的停留時間。同時,大量發(fā)酵剩余回流進行

二次發(fā)酵,物料混合和傳質過程在發(fā)酵罐外部的混料罐內(nèi)進行,避免在發(fā)酵罐內(nèi)增加攪拌等混料設備。

法國 along工藝14用于處理有機固體廢棄物和適當分離出難降解部分的生活垃圾。其工作過程如下:物料首先經(jīng)過分選、過篩等預處理,之后沼液回流與原料混合,調節(jié)含固率到30%左右,之后物料泵入反應器內(nèi)11。沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)生部分沼氣通過  發(fā)酵罐底部注入,對物料進行氣動攪拌。目前,Va  orga工藝10在歐洲已取得良好的商業(yè)化應用效果,  在法國、荷蘭、波利尼西亞等地都有穩(wěn)定運行的商業(yè)  化案例,處理規(guī)模在16000~92000t·a。

瑞士 Komopogas工藝是處理源頭分類的有機廢物的典型工藝。其特點在于反應器以轉子泵方式進料,水平安裝攪拌軸,通過攪拌軸完成物料的充分混合,并完成物料的推流出料。反應器內(nèi)物料的含固率為23%左右。

Linde-KCA工藝也屬于干法發(fā)酵工藝,但在其

ogas 2018  發(fā)酵過程中,原料首先在預處理罐內(nèi)進行預水解酸  化,處理后的原料通過輸料器泵入橫推流式干發(fā)戇  罐內(nèi)進行產(chǎn)甲烷發(fā)酵,因此屬于兩相發(fā)酵。其工藝  過程如圖2所示。德國 Linde-KCA工藝已在歐洲各  個垃圾處理廠實施,并取得了良好的運行效果。

目前,國內(nèi)干法連續(xù)式沼氣池厭氧發(fā)酵工藝仍處于實  驗室研究階段。陳闖等人制作了有效容積為  4.5L的上推流沼氣池厭氧反應器連續(xù)干發(fā)酵反應器,采  用在側壁距底部35mm處設置的進料口進料,并開  展了豬糞連續(xù)干發(fā)酵小試實驗,結果表明在溫度  25℃,有機負荷為444gTS的條件下,容積產(chǎn)氣率最高可達到2.40L·Ld-,工藝試驗取得了較好的效果,但該反應器僅用于工藝試驗研究,并未解決干發(fā)酵過程中的連續(xù)進出料問題。于美玲等人設計了有效容積1.5m3的立式連續(xù)干發(fā)酵裝置,進出料系統(tǒng)由螺桿泵和無軸螺旋輸送機實現(xiàn)連續(xù)上進料和下出料,并進行了工藝試驗,結果表明,以市政有機垃圾為原料時,裝置容積產(chǎn)氣率可達到1.0m3.m-3m左右。袁存亮21等人開發(fā)了一種滾筒攪拌砼膜槽沼氣池厭氧發(fā)酵反應器,采用液壓馬達驅動滾筒攪拌裝置實現(xiàn)高含固率物料在砼膜槽的混合以及推流式流動。但該反應器目前仍缺少實驗研究或工程實例報道,缺少對設計可行性的驗證

1.2序批式反應器

干法序批式反應器一般為生物淋濾類型的反應器,典型序批式干發(fā)酵反應器結構如圖3和圖4所示。同時,在生物淋濾過程中,還可以調節(jié)有機負荷、氧氣含量,改變反應器構造等,將產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離構成兩相反應器,并使兩相均處于最優(yōu)的運行條件下,提高發(fā)酵效率。為抑制生物淋濾過程的產(chǎn)甲烷過程,可向產(chǎn)酸相中通入微量氧氣,營造微好氧環(huán)境,加速產(chǎn)酸過程,同時生物淋濾產(chǎn)生的滲濾

液中含有大量有機酸,通過稀釋后可泵入UABb  應器內(nèi)進行高效沼氣池厭氧發(fā)酵(見圖4)2)。

典型的序批式干發(fā)酵反應器有 BEKON,Lok和  BIOferm3種類型,其結構如圖5,圖6和圖7所示。  Lock工藝的工作過程主要包括投料、預好氧  處理階段、啟動階段、沼氣池厭氧發(fā)酵階段和發(fā)酵完成階  段。在第1階段物料首先經(jīng)過好氧堆肥,利用堆肥  熱量提高物料溫度;第2階段開始滲濾液的噴淋;第  3階段為主要的產(chǎn)氣階段,沼氣中甲烷成分最高可  達到80%以上;在第4階段噴淋系統(tǒng)停止循環(huán)并排  空滲濾液,通入空氣后打開倉門。國內(nèi)的賓縣車庫

式干發(fā)酵項目引進該工藝,工程設計日處理市政有機垃圾160t,日產(chǎn)沼氣18000m3,目前運行狀況良好。

BEKON工藝與 BIOFerm工藝沒有攪拌裝置且有自動控制系統(tǒng)試發(fā)酵過程更容易控制2。這兩種與Lok工藝類似,但在運行過程中沒有好氧堆肥的階段。 BIOFerm工藝進料濃度一般為25%35%,平均發(fā)酵時間28天,發(fā)酵滲濾液通過噴灑作

為接種源2。F, Kaiser(31等采用 Bioferm工藝進行中溫發(fā)酵,飼草產(chǎn)氣率為191.38L·kgTs,園林綠化廢物產(chǎn)氣率為188.64L.kgTs,牛糞產(chǎn)氣率為218.48L·kgTS。  我國學者對序批式干法發(fā)酵技術及裝備進行了  長期的研究。在國家“十一五”計劃“沼氣規(guī)?；?nbsp; 法沼氣池厭氧發(fā)酵技術與裝備研究”的支持下,韓捷開  發(fā)了覆膜槽沼氣規(guī)?；墒桨l(fā)酵裝置(MCT),采用

軟管充氣膨脹壓力密封聯(lián)接裝置”,建設了生物反  應器容積為180m3的沼氣于法發(fā)酵中試裝置。朱  德文等設計了柔性膜覆蓋車庫式沼氣池厭氧干法發(fā)酵系  統(tǒng),將國外車庫式干發(fā)酵技術和國內(nèi)柔性膜覆蓋技  卡耦合研制而成,反應器產(chǎn)氣率可達0.81m3·mm

H1體積分數(shù)為6  葉森等從2006年開

始研究自動排料沼氣干法發(fā)醇裝置,利用罐內(nèi)沼氣

壓力排出發(fā)酵舊料實現(xiàn)半連續(xù)干法發(fā)酵。

序批式沼氣池厭氧干發(fā)酵物料TS一般在25%以上  單個反應器沼氣發(fā)酵周期為20~30d,但由于單個

反應器內(nèi)沿氣發(fā)酵過程發(fā)酵存在發(fā)酵峰值,沼氣輸

出曲線呈拋物線形,實際應用中多采用多個反應器

并行,以避免沼氣發(fā)酵的不穩(wěn)定輸出

2干法沼氣池厭氧發(fā)酵過程控制條件

2.1溫度

溫度對沼氣池厭氧微生物生長,反應過程動力學和穩(wěn)

定性、沼氣的產(chǎn)量等都有顯著的影響。 Alastair

J等研究表明沼氣池厭氧發(fā)酵的適宜溫度為35℃(中

)和55℃(高溫)。 Mashad3等人研究了溫度變

化對牛糞沼氣池厭氧消化的影響,發(fā)現(xiàn)沼氣產(chǎn)量在沼氣池厭氧高

溫條件下比中溫條件下高很多。溫度過低會抑制微

生物增長,降低反應物利用率和生物產(chǎn)氣量。而溫  度過高,易導致氨氮積累抑制甲烷菌增長,甲烷產(chǎn)量  降低。 Shu guang等進行有機固體廢棄物中溫及  高溫沼氣池厭氧干發(fā)酵6周,研究表明,高溫比中溫條件下  發(fā)酵速度更快。 TenBrummelerl13等人研究表明中  溫沼氣池厭氧反應所需能量較少且更加穩(wěn)定,利用較為普  遍,35℃-37℃是反應最佳范圍。 Fatma A對雞  糞在37℃,5℃及65℃條件下進行干法發(fā)酵試驗  僅在中溫37℃的試驗組中檢測到甲烷,且有較好的  產(chǎn)氣效果31mL·g-Vs

2.2物料類型

目前,國內(nèi)外和研究和應用實例主要針對農(nóng)作  物秸稈、畜禽糞便、生活垃圾等有機廢棄物  物料類型主要由糞便、秸稈等,其中有機碳素和  氮素含量的比例關系在發(fā)酵過程中起到重要的作  用。原料C/N太高,微生物所需氮量不足,C/N太  低,含氮過多的話高濃度的氨態(tài)氮(NH13N)將一直  沼氣池厭氧發(fā)酵。目前,一般認為沼氣干法發(fā)酵的C/N為  25~3035

城市生活垃圾,工業(yè)垃圾和農(nóng)業(yè)垃圾中的大部  分有機部分都可作為干法沼氣池厭氧發(fā)酵的原料。而各種

來源的原料特性變化很大,也顯著地影響干法厭  發(fā)酵的過程,如起始狀態(tài),停留時間,沼氣產(chǎn)量和  轉化率等。楚麗麗在25℃的恒溫沼氣池厭氧發(fā)條件  下,豬類和秸秤混合原料的沼氣池厭氧發(fā)酵啟動快,均能在  較短的時間內(nèi)開始正常產(chǎn)氣。 JC Motte等對  甲烷過程的動態(tài)分析表明T含量成為控制甲烷產(chǎn)  生的主要參數(shù)。邢杰對糞便與秸稈的混合原料  進行了研究,研究表明適當?shù)脑龃蠹S便在混合料  中的比例,有利于產(chǎn)氣量的提高。隨糞便比重的  大,相同的糞便與秸稈混合沼氣池厭氧發(fā)酵,各指標的總體  變化如下:VFA濃度降低,堿度、pH值以及氨態(tài)  濃度有所升高。其中,15℃下糞便秸稈混合發(fā)酵的  VFA濃度隨糞便比重的增大而升高,pH值則隨糞  便比重的增大而降低  閏志英等研究表明以秸秤為沼氣發(fā)酵原料  發(fā)現(xiàn)秸稈經(jīng)復合菌劑預處理后的產(chǎn)氣量比未加復合  菌劑預處理的對照組有所提高。在干法發(fā)酵過程中  纖維素、半纖維素一般難于被微生物分解,這是干法  發(fā)酵的一個難點。Rm0等指出在沼氣發(fā)酵過  程中,纖維素和半纖維素的降解是沼氣池厭氧發(fā)酵速度慢  的原因之一,提高水解速率是沼氣池厭氧發(fā)酵過程中提高  生物量轉率的關鍵。 Yue Z B等指出纖維索、半纖維素水解易引起酸積累,影響發(fā)酵的正常運行

2.3固體停留時間

固體停留時間( Solid retention time)是影響干法發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素之一。最佳停留時間取決于發(fā)酵原料的性質、種類及反應器的結構、環(huán)境穩(wěn)定性和其過程中微生物的種類。固態(tài)干法發(fā)酵往往需要大量的接種物,故要求較長的停留時間4。中溫條件下生物質發(fā)酵的停留時間從10d到40d不等。然而,停留時間在高溫條件下是較低的。

J Fernandez Rodriguez等研究減小固體停留時間對沼氣池厭氧發(fā)酵的影響,表明固體停留時間小于4d不適合于沼氣池厭氧發(fā)酵。 Wellinger A)等研究表明,豬糞比牛糞干發(fā)酵的停留時間較短。中溫發(fā)酵條件下牛糞平均停留時間被認為是12~8d,牛糞與秸稈混合為18-36d,豬糞為10d

橫推流式干法發(fā)酵過程中攪拌有利于均勻分布  有機質和傳遞熱量,此外,在發(fā)酵過程中進行攪拌有  利于降低反應物料尺寸和排出氣體。由于發(fā)酵底  的組成、顆粒大小不均一,使其具有一定的粘絲,E  法進行完全攪拌。通過攪拌,可以形成一個均質的

環(huán)境防止成層和表而形成殼層,并且可以促進熱轉  移,同時釋放間隙氣體。 Prasad“等研究發(fā)現(xiàn)過  度攪拌會減少酒氣產(chǎn)量;并且指出,與連續(xù)性攪拌相  比,間歇式攪拌(加料前攪拌2b)攪拌有利于均勻的  分布有機質和傳遞熱量,此外,在發(fā)酵過程中進行攪現(xiàn)  拌有助于降低反應顆粒尺寸和排出氣體。攪拌方式  包括機械攪拌、消化液循環(huán)攪拌和沼氣循環(huán)攪拌。  攪拌最重要的兩個因素是攪拌強度和攪拌時間  Kmim”等研究了不同攪拌模式(沼氣循環(huán)攪拌、機械攪拌和漿液回流)對沼氣產(chǎn)量的影響,結果表明  進行沼液回流、機械攪拌和沼氣循環(huán)攪拌的情況相  比于未攪拌時分別多產(chǎn)生29%,2%和15%的沼氣,輕度攪拌(加料前攪拌10min)在甲烷產(chǎn)率方面  分別提高了1.3%和12.5%

2.5物料接種

干法沼氣池厭氧發(fā)酵主要的菌種包括沼渣以及污泥等,接種物的重量一般不低于發(fā)酵物料的30%,且  要有良好的活性“。我國20世紀80年代就開始

對干法發(fā)酵菌種的研究,羅德明等人研究了菌種對不同干物質產(chǎn)氣的影響,發(fā)現(xiàn)糞草比在3~4:1時可以得到較高的產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣效果

接種物的數(shù)量和濃度對于沼氣池厭氧發(fā)酵中甲烷的產(chǎn)量和穩(wěn)定性是非常重要的。在沼氣池厭氧發(fā)酵工藝中,通常使用沼氣池厭氧污泥作為接種物,也有工藝利用反應后的物料進行接種。 Forster Carneiro T”等在接種物去除率分別為36.6%和4.8%。為防止因接種量少而造成酸積累導致沼氣池厭氧發(fā)酵失敗,應加大接種量以保證發(fā)酵正常進行。也可以通過滲濾液回流技  術,其優(yōu)勢在于通過滲濾液的噴淋促進養(yǎng)分分布均勻,使微生物與底物接觸更充分,加快對底物的究分  降解,提高沼氣產(chǎn)量和速率;同時水的使用量和消化  液的排放量大大減少,降低消化液后續(xù)處理的成本。  Delia Teresa Sponza3)發(fā)現(xiàn)回流量為9L·d的反  應器比無回流量和回流量為21L·d的反應器在  H值,COD,VFA濃度變化以及甲烷含量等方面狀  穩(wěn)定,產(chǎn)氣率高,甲烷含量分別提高了10%和  20%。1 Hamed M El Mashad)等研究了滲濾液回流  以及添加不同接種物對發(fā)酵的影響表明將溫度從  40℃提高到50℃可提高滲濾液的回流量和甲烷產(chǎn)量

2.6C/N  碳氮比代表有機材料中碳氮含量的關系。CN  適合沼氣池厭氧消化率應該不高也不低。在高C/N下

產(chǎn)甲烷菌快速消耗氮,造成較低的天然氣產(chǎn)量。另

面較低的C/N會導致氨的積累且pH值大于8.5。 Weiland等人研究表明),C/N在20~30內(nèi)的產(chǎn)氣量高。 Parkin,Owen和Pang等人還發(fā)現(xiàn)沼氣池厭氧發(fā)酵最佳的CN值在20~30之間,且25為最佳。保持物料最佳的CN可通過混合物料C/N的高低來調節(jié),如有機固體廢棄物可與污水或畜禽  糞便混合。然而,C/N在22~25最適合水果和蔬菜  廢物沼氣池厭氧發(fā)酵”。另一方面, Romano和 Zhang3  認為,洋蔥汁和消化污泥最佳碳氮比應保持在15  Zhu and Li研究了C/N在15~18之間的有機廢物沼氣池厭氧發(fā)酵,用玉米秸稈接種消化污泥,在37℃條  件下,前7d由于pH值減小,C/N增加至21或更高,發(fā)酵速率下降。

3展望

干法沼氣池厭氧發(fā)酵作為一個環(huán)境友好型的技術,在  能源匱乏的今天具有顯著的優(yōu)勢。目前,國外已經(jīng)  有一些商業(yè)化應用的案例,但在國內(nèi)使用干發(fā)酵技  術的沼氣工程不多。干法沼氣池厭氧發(fā)酵裝置是目前限制  干法沼氣池厭氧發(fā)酵技術推廣的重要因素。相比于序批式  干發(fā)酵裝置,連續(xù)沼氣池厭氧干發(fā)酵技術具有產(chǎn)氣穩(wěn)定、有  機負荷高、容積產(chǎn)氣率高、處理量大等特點,是未來  沼氣池厭氧發(fā)酵技術的重要研究方向。但目前,我國連續(xù)  沼氣池厭氧發(fā)酵技術裝備方面,仍沒有解決連續(xù)進出料問  題,缺少關鍵裝備。同時在連續(xù)沼氣池厭氧干發(fā)酵工藝研  究方面,我國相關研究較少,對于發(fā)酵過程中原料傳  質差、物料接種量高、纖維素和半纖維素難于分解等  技術難點,還需進行進一步的研究,并提出解決方案

摘中《中國沼氣》第二期 胡鑫 馮晶 趙立欣 郭占斌 姚宗路 羅娟

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