干式厭氧發(fā)酵技術現(xiàn)狀與國內應用項目簡介

李冰峰，張大雷

（1.農業(yè)農村部農業(yè)生態(tài)與資源保護總站，北京100125；2.遼寧省能源研究所有限公司，遼寧 營口115003）

0 前言

我國是一個農業(yè)生產大國，擁有豐富的生物質資源[1]，[2]。據估算，我國年均產作物秸稈量為10.4億t，可 收 集 量 約 為9億t，大 約 有1.8億t的秸稈沒有得到有效利用。隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，畜禽糞便量也隨之增加，由此引發(fā)的環(huán)境污染問題日益突出。因此開發(fā)利用可再生的清潔生物質能尤為重要[3]。

厭氧發(fā)酵生產沼氣是目前我國處理農業(yè)廢棄物的重要手段。農作物秸稈和畜禽糞便通過混合厭氧發(fā)酵工藝技術生產沼氣，不僅對有機廢棄物實現(xiàn)無害化、資源化利用，減輕環(huán)境污染，而且對所產生的沼氣凈化提純，可作為天然氣的替代物，對于解決能源短缺問題具有重要意義。厭氧發(fā)酵可分為干法厭氧發(fā)酵和濕法厭氧發(fā)酵兩種。其中，含固率（TS）在20%～40%的稱為干法厭氧發(fā)酵[4]。與濕法厭氧發(fā)酵相比，干法厭氧發(fā)酵的含固率高，可以避免沼液大量積累而無法處理的問題，并且原料適應性廣，保溫能耗低，運行成本低，可廣泛應用于農業(yè)廢棄物、畜禽糞便、生活垃圾等有機廢棄物的處理，是目前厭氧發(fā)酵技術研究 的 熱 點[5]～[9]。

1 厭氧干發(fā)酵的原理

厭氧消化技術在畜禽糞便處理、市政污泥消化和高濃度有機廢水處理等方面已經得到了非常廣泛的應用，有關技術已經比較成熟。然而，城鄉(xiāng)生活垃圾的物料性質與糞便等原料有很大的區(qū)別。生活垃圾的成分復雜、固體含量較高，為區(qū)別于傳統(tǒng)的厭氧消化技術，通常將生活垃圾的厭氧處理稱為“高固體厭氧消化”。常規(guī)厭氧消化技術不能直接用于生活垃圾的厭氧消化，須要進行專門的、具有針對性的研究。

根據技術條件、運行方式等因素的不同，可將厭氧消化技術分為高溫消化與中溫消化、單相消化與兩相消化、序批式消化與連續(xù)式消化等。如果按照反應器中消化物料的固體含量（TS）分，又可分為濕式消化（TS≤12%）和干式消化（TS≥20%）兩種。傳統(tǒng)的濕式厭氧消化主要是針對含水率較高的畜禽糞便和有機廢水等，其典型工藝有全混合工藝（CSTR）、上流式厭氧污泥床工藝（UASB）和推流式厭氧消化工藝（PFR）等。這些工藝的優(yōu)點是技術成熟、產氣效率高，但用于處理高固體生物質垃圾時，須要進行針對性的優(yōu)化。

厭氧干發(fā)酵就是指固體含量較高的厭氧消化反應，一般在無流動水的前提下分解有機廢棄物。厭氧干發(fā)酵的生化反應本質上與厭氧濕發(fā)酵是相同的，都是微生物在厭氧條件下分解有機質產生甲烷和二氧化碳，并且完成能量轉化的過程。與傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵相同，厭氧干發(fā)酵的轉化過程分為水解、酸化、產氫、產乙酸、產甲烷幾個階段，但在實際反應過程中，幾個生化反應階段同時進行，并保持一種動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡受到發(fā)酵底物性質、濃度、pH值和環(huán)境溫度等因素的約束。

2 厭氧干發(fā)酵工藝研究

影響沼氣厭氧發(fā)酵工藝的條件很多，主要包括發(fā)酵溫度、pH值、有機物負荷量、發(fā)酵原料特性、發(fā)酵原料預處理條件、外源添加劑（促進劑和抑制劑）、C/N比、攪拌方式等。

2.1 厭氧干發(fā)酵原料特性及處理條件

沼氣發(fā)酵原料的特性以及預處理條件對沼氣的產量具有直接影響。用于發(fā)酵的原料既用來產生沼氣，也是微生物賴以生長繁殖的基礎物質，農業(yè)廢棄物、生活垃圾、禽畜糞污、來自污水處理廠的污泥都可以作為發(fā)酵原料。來源不同的原料的特性差異較大，對發(fā)酵過程影響也不相同。不同的原料產氣潛力不同，預處理的條件不同，產氣量也不同，最大相差可以達到40%以上。目前常用的預處理方式主要有物理處理法、化學處理法、生物處理法。各種不同發(fā)酵原料應選擇適宜的預處理方法，選擇處理方法的實質是為了增加微生物與發(fā)酵底物的接觸面積，破壞大分子結構，促進發(fā)酵底物的降解，以提高產氣量。

2.2 發(fā)酵溫度

發(fā)酵微生物對溫度極其敏感，溫度的變化直接影響沼氣的產量[10]。研究表明，適合厭氧微生物生長發(fā)酵的較為適宜的溫度約為35℃（中溫發(fā)酵）和55℃右（高溫發(fā)酵）。Mashad研究溫度對牛糞厭氧發(fā)酵過程影響時發(fā)現(xiàn)，高溫發(fā)酵比中溫發(fā)酵的沼氣產量高很多[11]。低溫條件下微生物活性降低，代謝速率降低，產氣量也隨之降低。如果反應溫度過高，則會導致發(fā)酵中間產物氨氮和VFA的過量積累，會對甲烷菌的生長產生抑制作用，導致甲烷產量降低。在木質纖維素類與禽畜糞污的混合發(fā)酵中，大部分采用中溫發(fā)酵工藝。中溫發(fā)酵工藝具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性，厭氧發(fā)酵過程中所需熱量少，便于管理，適合干式厭氧發(fā)酵工藝。

2.3 pH值的影響

物料的pH值對厭氧發(fā)酵過程也有明顯影響，其中對產甲烷階段的影響最為明顯。在酸化階段，酸化細菌可以在pH值為5.5～8.5的環(huán)境內良好生長，而產甲烷菌對pH值的變化非常敏感，適宜發(fā)酵的pH值一般為6.8～7.4，以7.0為最優(yōu)。當pH值低于5.5時，產甲烷菌幾乎不能生長。pH值也影響著發(fā)酵體系內微生物的群落結構。例如：pH值為6.0時，梭菌屬為優(yōu)勢菌種；當pH值為8.0時，桿菌屬是優(yōu)勢菌種。反應體系內的pH值變化速度直接影響發(fā)酵速度，發(fā)酵速度與pH值變化速度成正相關。但是，如果水解產酸速度過快，造成中間產物積累，嚴重時會使發(fā)酵過程中斷。因此，反應器的pH值應維 持 在6.5～7.8。

2.4 外源促進劑

在沼氣發(fā)酵過程中，添加促進劑有助于提高發(fā)酵效率，常用的促進劑為生物促進劑和無機化學促進劑[12]。生物促進劑主要用于纖維素含量較高的底物預處理工藝中，包括各種菌劑以及一些關鍵的功能酶類。酶制劑成本較高，添加酶制劑會增加發(fā)酵成本。無機化學促進劑主要有酸、堿、氧化劑、無機鹽等化學制劑。添加化學試劑要根據底物特性選擇其品類，還要考慮是否存在對環(huán)境有二次污染問題。

2.5 攪拌方式

干發(fā)酵的攪拌有利于有機質的均勻分布，促進微生物的傳質傳熱，防止局部酸化，提高原料利用率，加快分解速度，提高產氣量，但過度的攪拌會降低沼氣產生量。與連續(xù)性攪拌相比，間歇性攪拌（加料前攪拌2 h）對傳質傳熱更加有利。目前，常見的攪拌方式有機械攪拌、沼液回流攪拌和沼氣循環(huán)攪拌。發(fā)酵過程中攪拌的強度和時間對沼氣產量影響非常大。Karim研究不同攪拌方式對沼氣產量影響的結果表明，進行不同方式攪拌比未攪拌的對照組分別多產生29%，15%和22%的沼氣[13]。間歇式攪拌與連續(xù)輕度攪拌（加料前攪拌10 mim）分別比未攪拌的對照組提高1.3%和12.5%的沼氣產量。

2.6 接種物的影響

接種物的數(shù)量、濃度、活性對厭氧發(fā)酵啟動及運行效果有極大的影響。干法厭氧發(fā)酵接種物的主要來源是沼渣和污泥等，接種物的菌種量一般比發(fā)酵底物至少多30%，且具有良好的活性[14]。對干法厭氧發(fā)酵菌種特點的研究已經取得了一些成果。羅德明研究了相同接種物針對不同物料厭氧發(fā) 酵 產 沼 氣 的 影 響 發(fā) 現(xiàn)[15]，糞 草 比 在4∶1～3∶1時 的產氣速度和產氣效果最好。Forster-Carneiro T以餐廚垃圾為底物進行不同接種量的試驗，在接種物濃度分別為20%和30%時，反應底物的COD去除率達到36%和44.8%[16]。如果接種物的量過少，發(fā)酵難以啟動，且會造成酸的積累，使得厭氧發(fā)酵無法順利進行。為使發(fā)酵順利啟動、平穩(wěn)運行，應適當加大接種量。

2.7 物料碳氮比

碳氮比即有機物中碳氮含量的關系。微生物生長繁殖所需要的營養(yǎng)成分主要是碳、氮、磷及一些微量元素，各元素既要保持足夠的量，又要保持一定的比例平衡，厭氧發(fā)酵中的碳氮比應該適度。碳氮比較高會導致產甲烷菌快速消耗氮，碳氮比較低會使得氨積累，而且pH值大于8.5，使發(fā)酵環(huán)境顯堿性，導致沼氣的產量降低[17]。研究發(fā)現(xiàn)，適宜厭氧發(fā)酵的碳氮比為20～30，以25為 最 佳[18]，[19]。將有機固體廢棄物與畜禽糞便混合，可調節(jié)混合物料的比例，保持物料最佳的碳氮比。

3 國內外干式厭氧發(fā)酵技術現(xiàn)狀

3.1 干法發(fā)酵典型反應器介紹

干法厭氧發(fā)酵反應器的類型多種多樣。根據反應器進出料方式的不同，可分為序批式反應器和連續(xù)式反應器。

（1）序批式干發(fā)酵反應器

序批式干發(fā)酵反應器通過泵將滲濾液噴淋到發(fā)酵罐上部，在噴淋過程中可對反應器中的氧氣含量、有機負荷等進行調節(jié)，也可以是將產酸相和產甲烷相分開的兩相反應器。兩相反應器可以使水解酸化和產甲烷化在各自的最優(yōu)條件下運行，從而提高厭氧發(fā)酵的產氣速率。

典型的序批式干發(fā)酵反應器有Bekon序批式反應器、Loock序批式反應器和Bioferm序批式反應器3類，其結構如圖1所示。

圖1 序批式反應器Fig.1 Sequencing batch reactor

（2）連續(xù)式干發(fā)酵反應器

連續(xù)式干發(fā)酵反應器為單相反應器，發(fā)酵底物中的固體含量可達到20%～40%，沼氣產量（VS）高 達0.3～0.5 m3/kg[20]。與 濕 法 發(fā) 酵 反 應 器 相比，連續(xù)式干發(fā)酵反應器所處理的發(fā)酵原料的固體含量高、粘度高，因此反應器對于原料的輸送要求更高。物料的進出采取機械移動的方式，一般采用推流式反應器。Dranco，Kompogas，Valorga是3種已經商業(yè)化推廣的、典型的連續(xù)式單相干發(fā)酵反應器，其反應器結構如圖2所示[21]。

圖2 不同類型單相厭氧干發(fā)酵反應器結構Fig.2 Structures of different types of single-phase anaerobic dry fermentation reactors

3.2 國外沼氣干發(fā)酵工藝與設備現(xiàn)狀

國外對沼氣干發(fā)酵的研究起步較早，整體技術水平較高，應用范圍較廣泛。對干式厭氧發(fā)酵研究較為深入的國家有瑞士、法國、比利時、德國等，目前，國外比較主流的發(fā)酵設備主要有比利時的Dranco發(fā)酵設備、法國的Valorga發(fā)酵設備、瑞士的Komogas發(fā)酵設備和德國的Linde-KCA發(fā)酵設備等[22]～[25]。這些設備已在歐洲多個國家達到商業(yè)化生產程度。

Dranco工藝的優(yōu)勢是利用發(fā)酵底物回流對底物進行二次發(fā)酵。通過回流可以減少新鮮接種物的用量，還可以延長物料在發(fā)酵罐內的停留時間，使物料充分發(fā)酵。

Valorga發(fā)酵設備大多用于處理有機固廢和一些難以降解的生活垃圾，其主要工藝流程是對物料進行分類、篩選后與回流的沼液混合，調節(jié)反應物固體含量后輸送至反應器內。發(fā)酵過程中將產物沼氣進行部分回流，對反應器內物料進行氣動攪拌，加強物料流動性。

Komogas發(fā)酵設備采用一種典型的源頭分類處理的有機廢棄物發(fā)酵工藝。反應器采用轉子泵進料，用水平攪拌軸對物料混合，并完成對物料的推流出料。

Linde-KCA發(fā)酵設備用于處理已分類的生活垃圾。工作時，原料要進行酸化預處理，處理后的原料再輸入厭氧發(fā)酵罐，是一種兩相發(fā)酵的方式。

3.3 國內沼氣干發(fā)酵研究與應用案例

我國厭氧干發(fā)酵的研究起始于20世紀80年代，雖然已經取得一定的成果，但與歐洲國家相比還有一定的差距。目前，國內連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵工藝已從實驗室研究及中試研究逐漸發(fā)展到項目的實際應用。甘如海設計了臥式螺帶式攪拌發(fā)酵罐進行厭氧干發(fā)酵[26]。陳闖制作的上推流連續(xù)干發(fā)酵反應器，容積產氣率最高達到2.4 L/（L·d），目前反應器的有效容積僅為4.5 L，只能用于實驗室研究[27]。目前國內的大中型干法厭氧發(fā)酵的成功案例較少。

（1）案例1：聊城市畜禽污染物治理與綜合利用項目

聊城市畜禽污染物治理與綜合利用工程項目采用覆膜槽干式發(fā)酵沼氣系統(tǒng)（圖3）。該工程采用長軸、大槳葉攪拌器，變頻控制，低轉速運行，物料完全混合，傳質傳熱效果好。反應器單體容積為國內最大。該項目的日處理廢棄物量為150 t，日產 沼 氣11 000 m3、沼 液80 m3、有 機 肥20 t。

圖3 聊城市畜禽污染物治理與綜合利用項目Fig.3 Livestock pollitants treatment and comprehensive utilization project of Liaocheng city

（2）案例2：廈門生活垃圾分類處理廠項目

廈門生活垃圾分類處理廠所有結構都在地面上，24 h運行、全自動化遠程控制（圖4）。項目靈活的發(fā)酵基質選擇配比使干物質含量可達50%以上，產氣率高，節(jié)水達90%。

圖4 廈門生活垃圾分類處理廠臥式發(fā)酵反應器Fig.4 Horizontal fermentation reactor of municipal solid waste sorting plant in Xiamen city

（3）案例3：哈爾濱生活垃圾處理工程

該項目引進德國車庫式厭氧發(fā)酵技術，對生活垃圾進行厭氧干發(fā)酵，參考并應用青儲秸稈車庫式發(fā)酵工藝和噴淋技術，具有處理發(fā)酵原料干物質含量達50%以上的厭氧發(fā)酵條件。

圖5 哈爾濱車庫式生活垃圾處理項目Fig.5 Garage type of domestic waste treatment project in Harbin city

4 結論

近年來，全球變暖趨勢日益嚴重，溫室氣體減排越來越受到世界各國的重視。若有機廢棄物得不到有效利用，其產生沼氣中的主要成分甲烷將危害氣候環(huán)境，甲烷的溫室效應是CO2氣體的21倍，全球溫室效應的20%源自甲烷，60%源自CO2。以生物質生活垃圾為原料制備生物燃氣，既能減少自然界中甲烷氣體的排放，還能產生清潔的燃氣來替代化石能源，實現(xiàn)進一步減排，具有雙向清潔功能，是應對氣候變化的重大舉措。

干式厭氧發(fā)酵工藝技術具有諸多優(yōu)勢，但也存在一些要解決的問題。①干發(fā)酵物料含水量低，攪拌困難，造成微生物分布不均勻，影響微生物傳質傳熱，極易出現(xiàn)局部酸積累的現(xiàn)象，甚至使發(fā)酵失敗。②厭氧干發(fā)酵過程比較復雜，各種參數(shù)難以控制，對發(fā)酵設備的技術要求較高，須要對厭氧干發(fā)酵工藝過程進行深入研究，力求得到簡單合適的控制參數(shù)。③對厭氧干發(fā)酵工藝與設備要進行統(tǒng)一的研究，更要考慮實際應用情況，使厭氧干發(fā)酵工藝技術得到快速發(fā)展。