干法厌氧发酵反应器及过程控制技术研究进展

胡 鑫， 冯 晶， 赵立欣， 郭占斌， 姚宗路， 罗 娟

( 1.黑龙江八一农垦大学， 黑龙江 大庆 163319; 2.农业部规划设计研究院 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室， 北京 100125)

我国年产农作物秸秆约10.4亿吨，20%未有效利用，畜禽粪污约38亿吨，40%以上未有效利用，尾菜约2.3亿吨，大部分未有效利用，严重威胁我国农业农村环境。厌氧发酵是处理农业废弃物的重要技术路径。农业废弃物经过厌氧发酵处理后产生的发酵剩余物可用于生产有机肥料，同时产生的沼气燃烧后生成中性碳，是一种重要的清洁能源[1]。水是厌氧发酵过程的关键控制因素，直接影响厌氧发酵微生物的活性和关键中间产物的传质过程。根据厌氧发酵过程中物料的含固率(TS)，可将厌氧发酵分为干法厌氧发酵和湿法厌氧发酵。一般而言，物料TS大于15%可认为厌氧发酵过程为干发酵，反之则为湿发酵[2]。

近年来，随着我国规模化养殖水平的提高，以畜禽粪便为主要原料的沼气工程的建设规模也随之增大。当前，全混式的湿法发酵工艺在我国大中型沼气工程中广泛应用。大量的实践表明，湿法发酵产生大量沼液，施用不当易造成二次污染[3]。同时，使用农业废弃物为原料时，砂石、地膜、土块等杂质很容易对进料装置、搅拌装置等设备造成损坏，影响沼气工程的稳定运行。更关键问题是，我国规模化养殖场越来越多的采用干清粪工艺，这也导致养殖场所产生的粪便含固率较高。使用湿法发酵工艺需要消耗大量的水资源用于调节含水率。

近年来的研究与实践表明，干法厌氧发酵工艺具有更高的原料利用范围，发酵过程有机负荷高，工程占地少，更为重要的是沼液产生量少[4]。同时，干法厌氧发酵所产生的剩余物含固率较高，经过简单的好氧发酵即可作为肥料施用于农田。Yu H，Huang G H[5]和 Lesteur[6]等人的研究表明，干法厌氧发酵工艺是处理农业废弃物最好的选择之一，在世界清洁能源供给中应承担关键角色。

目前，在农业废弃物的处理领域，干法厌氧发酵已经成为国内外研究的重点方向之一。但是，干法厌氧发酵目前仍存在一些瓶颈问题，尤其是在干发酵反应器和干发酵过程控制条件方面，亟待深入研究。文章重点对当前厌氧干发酵设备和应用进展进行综述，为开发适用的厌氧干发酵装备奠定基础。

1 干法厌氧发酵反应器

干法厌氧发酵反应器的类型多样，根据反应器进出料是否连续，可将反应器分为序批式反应器和连续式反应器。不同类型的厌氧发酵反应器的特点见表1。

表1 不同类型厌氧发酵反应器的特征

1.1 连续式反应器

干法连续式反应器一般为单相反应器，即产酸和产甲烷过程在同一个反应器内完成，一般物料的含固率可高达20%～40%，沼气产率可达到0.3～0.5 m3·kg-1VS[7-8]。不同于湿法发酵反应器，干法连续反应器对于原料输送的要求更高，这主要是由于干法发酵的原料含固率更高、原料的粘度更高[9]。一般而言，这些干法连续式厌氧反应器，主要选用输送带、螺杆泵或功率更高的泵等，这些设备需要针对原料的性质进行定制，制作的成本更高。同时，由于物料粘度更高，且流动性差，因此干法连续式反应器一般选择推流式反应器。Dranco，Kompogas，Valorga是3种典型的连续式单相干发酵反应器，并且已经得到商业化推广，其工作过程[10]如图1所示。

图1 不同类型单相厌氧干发酵反应器结构

比利时Dranco工艺[11]适于处理源头分类的生活垃圾和工业有机垃圾。目前在比利时、德国、奥地利多个国家有商业化应用，处理规模在12000～20000 t·a-1[12]。Dranco工艺主要包括一个混料罐和一个上进料、下出料的推流式反应器。原料与回流的发酵剩余物首先在混料罐内混合，之后输送至反应器顶部进料。一般回流的发酵剩余物与新鲜原料的比例为6∶1[13]。Dranco工艺的关键点在于将大量的发酵剩余物重新回流至反应器内进行二次发酵，通过回流为新鲜物料进行接种，延长了物料在发酵罐内的停留时间。同时，大量发酵剩余回流进行二次发酵，物料混合和传质过程在发酵罐外部的混料罐内进行，避免在发酵罐内增加搅拌等混料设备。

法国Valorga工艺[14]用于处理有机固体废弃物和适当分离出难降解部分的生活垃圾。其工作过程如下：物料首先经过分选、过筛等预处理，之后沼液回流与原料混合，调节含固率到30%左右，之后物料泵入反应器内[15]。厌氧发酵产生部分沼气通过发酵罐底部注入，对物料进行气动搅拌。目前，Valorga工艺[16]在欧洲已取得良好的商业化应用效果，在法国、荷兰、波利尼西亚等地都有稳定运行的商业化案例，处理规模在16000～92000 t·a-1。

瑞士Komopogas[17]工艺是处理源头分类的有机废物的典型工艺。其特点在于反应器以转子泵方式进料，水平安装搅拌轴，通过搅拌轴完成物料的充分混合，并完成物料的推流出料。反应器内物料的含固率为23%左右。

Linde-KCA工艺也属于干法发酵工艺，但在其发酵过程中，原料首先在预处理罐内进行预水解酸化，处理后的原料通过输料器泵入横推流式干发酵罐内进行产甲烷发酵，因此属于两相发酵。其工艺过程如图2所示。德国Linde-KCA工艺已在欧洲各个垃圾处理厂实施，并取得了良好的运行效果[18]。

图2 Linde-KCA两相干发酵反应器

目前，国内干法连续式厌氧发酵工艺仍处于实验室研究阶段。陈闯[19]等人制作了有效容积为4.5 L的上推流厌氧反应器连续干发酵反应器，采用在侧壁距底部35 mm处设置的进料口进料，并开展了猪粪连续干发酵小试实验，结果表明在温度25℃，有机负荷为4.44 gTS-1的条件下，容积产气率最高可达到2.40L·L-1d-1，工艺试验取得了较好的效果，但该反应器仅用于工艺试验研究，并未解决干发酵过程中的连续进出料问题。于美玲[20]等人设计了有效容积1.5 m3的立式连续干发酵装置，进出料系统由螺杆泵和无轴螺旋输送机实现连续上进料和下出料，并进行了工艺试验，结果表明，以市政有机垃圾为原料时，装置容积产气率可达到1.0 m3·m-3m-1左右。袁存亮[21]等人开发了一种滚筒搅拌砼膜槽厌氧发酵反应器，采用液压马达驱动滚筒搅拌装置实现高含固率物料在砼膜槽的混合以及推流式流动。但该反应器目前仍缺少实验研究或工程实例报道，缺少对设计可行性的验证。

1.2 序批式反应器

干法序批式反应器一般为生物淋滤类型的反应器，典型序批式干发酵反应器结构如图3和图4所示。同时，在生物淋滤过程中，还可以调节有机负荷、氧气含量，改变反应器构造等，将产酸相和产甲烷相分离构成两相反应器，并使两相均处于最优的运行条件下，提高发酵效率。为抑制生物淋滤过程的产甲烷过程，可向产酸相中通入微量氧气，营造微好氧环境，加速产酸过程，同时生物淋滤产生的渗滤液中含有大量有机酸，通过稀释后可泵入UASB反应器内进行高效厌氧发酵(见图4)[22]。

图3 典型序批式干发酵反应器结构(单相反应器)

图4 典型序批式干发酵两相反应器结构

典型的序批式干发酵反应器有BEKON，Loock和BIOferm 3种类型，其结构如图5，图6和图7所示。

Loock工艺的工作过程主要包括投料、预好氧处理阶段、启动阶段、厌氧发酵阶段和发酵完成阶段。在第1阶段物料首先经过好氧堆肥，利用堆肥热量提高物料温度；第2阶段开始渗滤液的喷淋；第3阶段为主要的产气阶段，沼气中甲烷成分最高可达到80%以上；在第4阶段喷淋系统停止循环并排空渗滤液，通入空气后打开仓门。国内的宾县车库式干发酵项目引进该工艺，工程设计日处理市政有机垃圾160 t，日产沼气18 000 m3，目前运行状况良好[23]。

图5 典型的序批式干发酵BEKON工艺反应器

图6 典型的序批式干发酵Loock工艺反应器

图7 典型的序批式干发酵BIOFerm工艺反应器

BEKON工艺与BIOFerm工艺没有搅拌装置且有自动控制系统试发酵过程更容易控制[12]。这两种与Loock工艺类似，但在运行过程中没有好氧堆肥的阶段。BIOFerm工艺进料浓度一般为25%～35%，平均发酵时间28天，发酵渗滤液通过喷洒作为接种源[24]。F.Kaiser[25]等采用Bioferm工艺进行中温发酵，饲草产气率为191.38 L·kg-1TS，园林绿化废物产气率为188.64 L·kg-1TS，牛粪产气率为218 .48 L·kg-1TS。

我国学者对序批式干法发酵技术及装备进行了长期的研究。在国家“十一五”计划“沼气规模化干法厌氧发酵技术与装备研究”的支持下，韩捷[26]开发了覆膜槽沼气规模化干式发酵装置(MCT)，采用“软管充气膨胀压力密封联接装置”，建设了生物反应器容积为180 m3的沼气干法发酵中试装置。朱德文等设计了柔性膜覆盖车库式厌氧干法发酵系统，将国外车库式干发酵技术和国内柔性膜覆盖技术耦合研制而成，反应器产气率可达0.81 m3·m-3m-1，CH4体积分数为67%[27]。叶森[28]等从2006年开始研究自动排料沼气干法发酵装置，利用罐内沼气压力排出发酵旧料实现半连续干法发酵。

序批式厌氧干发酵物料TS一般在25%以上，单个反应器沼气发酵周期为20～30 d，但由于单个反应器内沼气发酵过程发酵存在发酵峰值，沼气输出曲线呈抛物线形，实际应用中多采用多个反应器并行，以避免沼气发酵的不稳定输出。

2 干法厌氧发酵过程控制条件

2.1 温度

温度对厌氧微生物生长，反应过程动力学和稳定性、沼气的产量等都有显著的影响[29]。Alastair J[30]等研究表明厌氧发酵的适宜温度为35℃(中温)和55℃(高温)。Mashad[31]等人研究了温度变化对牛粪厌氧消化的影响，发现沼气产量在厌氧高温条件下比中温条件下高很多。温度过低会抑制微生物增长，降低反应物利用率和生物产气量。而温度过高，易导致氨氮积累抑制甲烷菌增长，甲烷产量降低。Shu guang[32]等进行有机固体废弃物中温及高温厌氧干发酵6周，研究表明，高温比中温条件下发酵速度更快。TenBrummeler[33]等人研究表明中温厌氧反应所需能量较少且更加稳定，利用较为普遍，35℃～37℃是反应最佳范围。Fatma A[34]对鸡粪在37℃，55℃及65℃条件下进行干法发酵试验，仅在中温37℃的试验组中检测到甲烷，且有较好的产气效果31 mL·g-1VS。

2.2 物料类型

目前，国内外和研究和应用实例主要针对农作物秸秆、畜禽粪便、生活垃圾等有机废弃物。

物料类型主要由粪便、秸秆等，其中有机碳素和氮素含量的比例关系在发酵过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，含氮过多的话高浓度的氨态氮(NH3-N)将一直厌氧发酵。目前，一般认为沼气干法发酵的C/N为25～30[35]。

城市生活垃圾，工业垃圾和农业垃圾中的大部分有机部分都可作为干法厌氧发酵的原料。而各种来源的原料特性变化很大，也显著地影响干法厌氧发酵的过程，如起始状态，停留时间，沼气产量和TS转化率等。楚丽丽[36]在25℃的恒温厌氧发酵条件下，猪粪和秸秆混合原料的厌氧发酵启动快，均能在较短的时间内开始正常产气。J C Motte[37]等对产甲烷过程的动态分析表明TS含量成为控制甲烷产生的主要参数。邢杰[38]对粪便与秸秆的混合原料进行了研究，研究表明适当的增大粪便在混合原料中的比例，有利于产气量的提高。随粪便比重的增大，相同的粪便与秸秆混合厌氧发酵，各指标的总体变化如下：VFA浓度降低，碱度、pH值以及氨态氮浓度有所升高。其中，15℃下粪便秸秆混合发酵的VFA浓度随粪便比重的增大而升高，pH值则随粪便比重的增大而降低。

闫志英[39]等研究表明以秸秆为沼气发酵原料，发现秸秆经复合菌剂预处理后的产气量比未加复合菌剂预处理的对照组有所提高。在干法发酵过程中纤维素、半纤维素一般难于被微生物分解,这是干法发酵的一个难点。Romano[40]等指出在沼气发酵过程中,纤维素和半纤维素的降解是厌氧发酵速度慢的原因之一,提高水解速率是厌氧发酵过程中提高生物量转率的关键。Yue Z B[41]等指出纤维素、半纤维素水解易引起酸积累，影响发酵的正常运行。

2.3 固体停留时间

固体停留时间(Solid retention time)是影响干法发酵系统稳定性的主要因素之一。最佳停留时间取决于发酵原料的性质、种类及反应器的结构、环境稳定性和其过程中微生物的种类。固态干法发酵往往需要大量的接种物，故要求较长的停留时间[42]。中温条件下生物质发酵的停留时间从10 d到40 d不等。然而，停留时间在高温条件下是较低的。

J Fernandez Rodriguez[43]等研究减小固体停留时间对厌氧发酵的影响，表明固体停留时间小于4 d不适合于厌氧发酵。Wellinger A[44]等研究表明,猪粪比牛粪干发酵的停留时间较短。中温发酵条件下牛粪平均停留时间被认为是12～8 d，牛粪与秸秆混合为18～36 d，猪粪为10 d。

2.4 搅拌

横推流式干法发酵过程中搅拌有利于均匀分布有机质和传递热量，此外，在发酵过程中进行搅拌有利于降低反应物料尺寸和排出气体。由于发酵底物的组成、颗粒大小不均一，使其具有一定的粘性，无法进行完全搅拌。通过搅拌，可以形成一个均质的环境防止成层和表面形成壳层，并且可以促进热转移，同时释放间隙气体[45]。Prasad[46]等研究发现过度搅拌会减少沼气产量；并且指出，与连续性搅拌相比，间歇式搅拌(加料前搅拌2 h)搅拌有利于均匀分布有机质和传递热量，此外，在发酵过程中进行搅拌有助于降低反应颗粒尺寸和排出气体。搅拌方式包括机械搅拌、消化液循环搅拌和沼气循环搅拌。搅拌最重要的两个因素是搅拌强度和搅拌时间。Karim[47]等研究了不同搅拌模式(沼气循环搅拌、机械搅拌和浆液回流)对沼气产量的影响，结果表明：进行沼液回流、机械搅拌和沼气循环搅拌的情况相比于未搅拌时分别多产生29%,22%和15%的沼气，轻度搅拌(加料前搅拌10 min)在甲烷产率方面分别提高了1.3%和12.5%。

2.5 物料接种

干法厌氧发酵主要的菌种包括沼渣以及污泥等，接种物的重量一般不低于发酵物料的30%，且要有良好的活性[48]。我国20世纪80年代就开始了对干法发酵菌种的研究，罗德明[49]等人研究了菌种对不同干物质产气的影响，发现粪草比在3～4∶1时可以得到较高的产气速度和产气效果。

接种物的数量和浓度对于厌氧发酵中甲烷的产量和稳定性是非常重要的。在厌氧发酵工艺中，通常使用厌氧污泥作为接种物，也有工艺利用反应后的物料进行接种。Forster Carneiro T[50]等在接种物浓度为20%和30%时进行餐厨垃圾厌氧消化，COD去除率分别为36.6%和44.8%。为防止因接种量少而造成酸积累导致厌氧发酵失败，应加大接种量以保证发酵正常进行。也可以通过渗滤液回流技术，其优势在于通过渗滤液的喷淋促进养分分布均匀，使微生物与底物接触更充分，加快对底物的充分降解，提高沼气产量和速率；同时水的使用量和消化液的排放量大大减少，降低消化液后续处理的成本。Delia Teresa Sponza[51]发现回流量为9 L·d-1的反应器比无回流量和回流量为21 L·d-1的反应器在pH值，COD，VFA浓度变化以及甲烷含量等方面状态稳定，产气率高，甲烷含量分别提高了10%和20%。Hamed M El Mashad[52]等研究了渗滤液回流以及添加不同接种物对发酵的影响，表明将温度从40℃提高到50℃可提高渗滤液的回流量和甲烷产量。

2.6 C/N

碳氮比代表有机材料中碳氮含量的关系。C/N适合厌氧消化率应该不高也不低[53]。在高C/N下产甲烷菌快速消耗氮，造成较低的天然气产量。另一方面较低的C/N会导致氨的积累且pH值大于8.5。Weiland等人研究表明[54]，C/N在20～30内的产气量高。Parkin，Owen[55]和 Pang[56]等人还发现厌氧发酵最佳的C/N值在20～30之间，且25为最佳。保持物料最佳的C/N可通过混合物料C/N的高低来调节，如有机固体废弃物可与污水或畜禽粪便混合。然而，C/N在22～25最适合水果和蔬菜废物厌氧发酵[57]。另一方面，Romano和Zhang[58]认为，洋葱汁和消化污泥最佳碳氮比应保持在15。Zhu and Li[59]研究了C/N在15～18之间的有机废物厌氧发酵，用玉米秸秆接种消化污泥，在37℃条件下，前7 d由于pH值减小，C/N增加至21或更高，发酵速率下降。

3 展望

干法厌氧发酵作为一个环境友好型的技术，在能源匮乏的今天具有显著的优势。目前，国外已经有一些商业化应用的案例，但在国内使用干发酵技术的沼气工程不多。干法厌氧发酵装置是目前限制干法厌氧发酵技术推广的重要因素。相比于序批式干发酵装置，连续厌氧干发酵技术具有产气稳定、有机负荷高、容积产气率高、处理量大等特点，是未来厌氧发酵技术的重要研究方向。但目前，我国连续厌氧发酵技术装备方面，仍没有解决连续进出料问题，缺少关键装备。同时在连续厌氧干发酵工艺研究方面，我国相关研究较少，对于发酵过程中原料传质差、物料接种量高、纤维素和半纤维素难于分解等技术难点，还需进行进一步的研究，并提出解决方案。

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