德国灵活性沼气生产技术及其对中国生物质能利用的启示

刘轶鋆，黄 涛，彭道平

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 611756;2.斯图加特大学卫生工程、水质与固废管理研究所，德国 斯图加特 70569)

引 言

德国是世界能源转型开始最早、力度最大的国家之一[1]。2012年，新修订的德国《可再生能源法》(Erneubare Energien Gesetz, EEG)规定到2050年可再生能源在德国电力总量中占比至少达到80%[2]。为了推动新能源的稳定发展，德国政府提出建立“多元互补的能源供给体系”战略目标，以推动太阳能、风能、生物质能等多种形式绿色能源协同互补，共同供给电力需求[3-4]。新能源体系中，太阳能、风能、水能等都严重依赖外在环境因素(例如天气、气候、地理条件等)；而生物质能作为人为可控的能源，当其他能源无法满足电力需求时，通过一定的技术手段进行合理控制，其可以实现按能源需求供气和产电，以及人为调峰[5-6]。

目前实现沼气按需供能的方法主要有两个：调节沼气储气容量和灵活产沼气[7-8]。按需供能往往要求沼气在需求高峰时段输出数倍的量，因此可以通过扩大储存容量，制定合理的沼气调度方案实现[9]。另一种方法则是灵活性沼气生产，即通过对厌氧发酵反应进程控制实现按需产气[10]。

1 灵活产沼气的概念

Hahn等学者对灵活性沼气生产(以下均称“灵活产气”)的概念归纳如下：灵活产气是一种通过调节厌氧发酵反应过程，在有能源需求时即时定量产沼气的技术[8]。

相对于调节沼气储气容量，灵活产气技术可以将发酵罐产气集中在高需求时段，从而不再需要很高的沼气储存容量，降低沼气厂的投资、运行和管理成本[11]。因此灵活产气被视为一种具有前景的按需供气方法[12]。

国内外学者已就灵活产气开展了一系列研究，但该技术仍处于实验室和中试阶段，目前尚未有投入商业运行的实际工程案例[13]。本文将从灵活产气的具体实现方法和核心环节——厌氧发酵反应的过程控制与模拟方法对现有的理论成果进行综述，由此提出该领域未来的研究方向，以及对中国生物质能利用的启示。

2 灵活产沼气的实现方法

2.1 改变投料基质的投料方式

灵活产气最简单的实现方法是改变底物投料时间间隔、底物类型及其质量流量(或体积流量)，以便在沼气需求高峰时段提高沼气产量[14]。

其中，改变投料的时间间隔是根据用电高峰和低谷出现时刻，灵活调整投料的时刻和时间间隔，使实际产气曲线和用电需求曲线尽量贴合[14]。现阶段厌氧发酵工艺以连续式投料为主，当改变投料方式时，工艺将转换为半连续式投料，其脉冲式投料会增加当次投料的有机负荷，从而增大发酵罐酸化的风险[13]。对此，张念瑞等采取室内实验，对餐厨垃圾和剩余污泥按系统负荷11.36 g COD L-1day-1进行投料时，不同进料频率下产气量、气体组分和挥发性脂肪酸的变化进行了分析，结果表明进料频率越高，系统的稳定性越高，而当进料为每天一次时，系统出现了丙酸的累积[15]。由此可见，通过改变投料时间间隔实现灵活产气时，有机负荷和投料频率的选择是关键性因素。基于此，Mulat和Saracevic分别研究了有机负荷4 kgVS m-3day-1和1.40 kgVS m-3day-1情景下，由低频逐渐增加至高频进料时沼气产量和微生物活性，结果均表明，产甲烷菌群落在所有投料方式下都保持稳定[14,16]。

改变投料底物及投料方式是目前最常用的灵活产气手段[8]。实际操作中，通常根据各投料基质的性质特征和产气潜势，选取降解速率快的作为实现即时产气的调节基质[17]。现有研究选取频率最高的的投料基质为作物秸秆(例如玉米青贮、甜菜青贮和牧草青贮)和畜禽粪便等，它们的相关性质以及沼气产气潜势等见表1。相关研究通过改变底物投料方式实现灵活产气的具体方法见表2。从研究结果来看，富含水溶性碳水化合物的一类易降解基质(例如甜菜青贮等)，在投料之后易于取得较高的甲烷产气速率，适合作为灵活产气的调节型基质。

表1 灵活产气常用投料基质的性质Tab.1 Characteristics of the common used substrates for flexible biogas production

表2 灵活产沼气的实现途径Tab.2 Pathways for realizing the flexible biogas production

续表2

投料基质文献来源灵活产气的途径牛粪和玉米青贮[20]每次基质的投料量依据预先设定好的沼气利用方案,根据ADM1模型计算出相应的投料量。玉米青贮动态投料实现灵活产气,牛粪每次按固定量投料,投料时间间隔2h。牧草青贮和甜菜青贮[21]使用甜菜青贮作为易降解物质,对产气进行即时性调节。实验分别设置了两组有机负荷———1.5 kgVS m-3 day-1和2.5 kgVS m-3 day-1。每组牧草与甜菜青贮分别按进料比(基于挥发性固体) 1∶0,3∶1和1∶3间歇进料,每8h进料一次。胡萝卜、玉米青贮和甘油[22]三种基质分别作为增加负荷调节产气的基质,使有机负荷提高至基准投料负荷的2～4倍。污水厂污泥和粗甘油[23]将粗甘油间歇式注入污水污泥中实现灵活产气。粗甘油每小时以离散注射的方式添加,设置高负荷和低负荷两个情景,分别以6h内甘油基准负荷的0.63% 和 3%进行添加。牛粪、玉米青贮和压实牧草[24]牛粪作为维持基底负荷的投料基质按2.60 kgVS m-3 day-1进行投料,分别使用玉米青贮和压实牧草进行脉冲式投料使有机负荷倍增至5.2 kgVS m-3 day-1实现灵活产气。

2.2 改变发酵系统的设备和配置

改变厌氧发酵工艺亦可实现灵活产气，例如采用两相厌氧发酵，产生一种易消化的液态基质，向固定床消化反应器中动态投料实现短时间内迅速增加沼气产量[8]。

该方法最典型的例子是可调式沼气厂(德语译作“Regelbare Biogasanlage”，简称ReBi沼气生产工艺)，工艺流程见图1。厌氧发酵反应第一步输出的水解反应产物，通过螺旋压力机分离成液体和固体部分，固体部分投料至连续搅拌槽反应器(CSTR)中，以连续产气方式输出沼气；而富含易消化有机质的液态部分则被输送到储罐，在有沼气需求时，即时向固定床反应器进行投料；反之则减少投料[11]。ReBi沼气生产工艺利用固定床反应器，使用填料将微生物停留在反应器中，因此可以承受较大的有机负荷。

图1 ReBi沼气厂工艺流程图[8]Fig.1 Process flow diagram of ReBi biogas plant[8]

类似的厌氧反应配置改进还有两相浸出床/固定床反应器(见图2)，使水解和酸化反应发生在浸出床反应器中，在固定床反应器中发生产甲烷反应产沼气[25]。浸出床反应器以序批式投料，浸出液通过回流循环使基质和微生物充分混合[26]。最终在浸出床底部富含高有机质成分的水解酸化浸出液，向固定床反应器即时投料以实现灵活产气[27]。

图2 两相浸出床/固定床反应器工艺流程图[8]Fig.2 Process flow diagram of double stage leach bed/fixed bed biogas plant[8]

对于改变厌氧反应设备配置实现灵活产气，Linke等人使用玉米青贮为投料基质，利用连接厌氧滤床的两相浸出床反应器实现灵活产气，结果表明与传统的连续式进料相比，该工艺可使每天甲烷产量增加50%～60%[28]。同样采用厌氧滤床的两相浸出床反应器，Lemmer等人实验结果表明1h内沼气产量相对提高了300%～400%，有机负荷骤增至20 g COD L-1day-1时系统依然具有稳定性[29]。

3 灵活产沼气的控制与过程模拟方法

灵活产气技术的核心是对厌氧发酵的反应进程的控制[30]。现有研究利用了神经网络控制、PID控制、模糊控制以及其他控制手段保证灵活产气过程消化系统的稳定性，例如Holubar等利用前向多层神经网络，根据厌氧消化器中的甲烷产量控制进料，通过开发分级系统嵌入决策支持系统中，以提前确定下一个进料时刻的最佳进料量等[31]。Haugen等结合修正Hill模型，通过构建开关控制器和PI控制器，基于目标甲烷产量和实际甲烷产量之差对基质投料量进行反馈控制[32]。类似的，Löffler的研究也使用PID控制器，并基于ADM1模型建立了按需产甲烷的自动控制模型[33]。Carla构建了非线性自适应控制算法用于控制基质投料，在提高甲烷产量的同时，监控厌氧消化罐内的VFA浓度[34]。Mauky基于MATLAB/Simulink平台，采用模型预测控制(MPC)程序，设计了一套可以确定按需产气情景下沼气利用和投料的时间表[30]。

灵活产气控制一般需要基于厌氧发酵理论模型确定机制投料和沼气产量之间的定量关系[35]。ADM1模型是目前最常用的厌氧发酵理论模型，但是其涉及大量速率方程和中间参数，在现实工程中很难测定，因此限制了其应用[36]。目前国内外部分学者专门针对灵活产气过程中沼气的预测模型进行了研究，例如Ahmed利用Gaussian方程构建了基质添加后沼气产生量与甜菜青贮秸秆投料之间的响应关系[21]；Rieke通过拉普拉斯域中的传递函数构建了预测模型，并实现了灵活产气过程中的实时参数优化[37]；Hien设计了基于R语言的BioTool，利用经过预训练的人工网络系统实现了沼气产量的灵活性预测[38]。

4 灵活产气未来的研究方向

4.1 完善可供选择的投料基质体系

灵活产气领域目前研究的投料基质种类尚不多，主要为农业底物等，例如畜禽粪便、能源作物秸秆等[10]。未来研究应进一步选取更多可能的投料底物，特别是富含有机质的城市固体废弃物，如餐厨垃圾、城市园林垃圾等，探索它们单独以及可能的共发酵情景下甲烷产气潜力、对于甲烷产气率提升的贡献程度等重要参数。基于此，建立适用于灵活产气的投料基质性质体系和数据库。

4.2 规范化的投料模式

未来研究应引入更多厌氧发酵的理论模型，根据实际运行情况验证它们的有效性，最终归纳出具有普适性且易于实际工程操作的投料模式(例如不同类型基质的混合比、投料时间等)制定机制。

4.3 厌氧反应过程控制技术及参数在线监测手段

目前，灵活产气机制下反应过程控制方面的研究仍然较少，且现阶段研究多基于诸多简化和假设，控制变量的设置与控制手段较为单一，与实际工况之间存在误差。

因此，现阶段研究应探索更多可行的控制手段在灵活产气中的应用，设计具有鲁棒性的控制模型。其次，应进一步完善在线监测系统，能对更多厌氧反应中间产物及参数进行实时监测和在线数据采集。

4.4 灵活产气的综合评价指标体系构建

灵活产气模式可能造成的沼气中甲烷含量下降，以及更多的设备投资、过程监控成本导致其是否能够提高系统的存在不确定性[39]。在此方面，Hahn，Lauer，Grim，Skovsgaard等基于各自国家情况，从成本收益的角度对各种按需供气的方法进行了比较分析，都证明了灵活产气相较于其他方法的经济性[40～43]。在此基础上，Hahn，Lauer，Ertem又从生命周期的角度，进一步分析比较了其碳减排及环境效益[44～46]。未来研究应引入更多灵活产气情景，分析其投料基质的获取与收集便利性、建设与投资成本、产电效率、污染物与废气排放、风险与安全等，构建综合评价指标体系并实现各指标的定量化，以综合评价灵活产气系统的可持续性。

5 对中国生物质能利用的启示

灵活产气工艺的提出，最初是为了辅助德国政府提出的互补型新能源系统[4]。现阶段的中国，能源结构中化石能源仍然占据主要地位，新能源体系更是仍在建设与发展之中，因此目前我国仍然缺乏推广灵活产气技术的动力[47-48]。但是随着中国深化改革的深入和经济提质增效的推进，新能源的普及势在必行[49]。在此背景之下，作为一项具有潜力的新技术，灵活产气可以增强生物质能在新能源体系中的优势，提升发电企业的能源利用效率，同时实现废弃物的资源化利用，因此有必要对灵活产气技术未来在中国的推行进行前瞻性规划。基于中国沼气厂的实际情况，拟提出以下灵活产气技术未来在中国推行的相关建议。

5.1 完善灵活产气的激励机制

由于当前新能源体系的不完备，以及现行的中国新能源电价的固定电价补贴制度，导致无法形成沼气的高峰负荷需求[50]。但是随着政府财政补贴缺口的扩大，我国政府近年来正在逐步实施补贴退坡与新能源市场化改革，这给灵活产气技术的推广提供了一定的机遇[51]。未来推行时，政府应完善生物质能发电交易与上网竞价规则，并且对于高峰负荷时刻沼气厂额外输出的电能给予一定的经济激励措施，以引导沼气厂进行灵活产气工艺改造。

5.2 针对不同沼气厂情况制定最优灵活产气策略

对于已经建成的沼气站，建议实施灵活产气技术时在现场测试的基础上，通过改变基质投料方式实现灵活产气；而对于规划中的新建沼气站，在设计相关发酵设备时可以考虑引入两相发酵工艺和固定床反应器等。但是由于中国幅员辽阔，不同沼气站由于所处地域的自然条件和经济发展情况导致技术水平差异较大，实施灵活产气时采取的具体手段应根据各厂的运行参数进行计算及调整[52]。

5.3 供应链角度的全过程优化

厌氧发酵沼气生产系统是一个涉及基质原料收集、运输、发酵、发电和沼渣沼液处理的全过程系统，灵活产气技术需要改变系统内某几个环节的运行状况，进而影响各个环节直至整个系统[53]。因而在规划设计灵活产气系统时，应从整个供应链的角度对系统进行全局优化，协调主体之间的利益分配，以使整体效益最优。

5.4 灵活产气控制技术研发和投入

灵活产气系统的关键在于厌氧反应过程的控制技术和过程参数的实时在线监测[30]。我国应加大该技术的研发投入，早日实现该技术在实际工程领域的应用，并取得生物质能应用领域的技术优势。