干式厌氧发酵技术现状与国内应用项目简介

李冰峰，张大雷

（1.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京100125；2.辽宁省能源研究所有限公司，辽宁 营口115003）

0 前言

我国是一个农业生产大国，拥有丰富的生物质资源[1]，[2]。据估算，我国年均产作物秸秆量为10.4亿t，可 收 集 量 约 为9亿t，大 约 有1.8亿t的秸秆没有得到有效利用。随着我国畜牧业的快速发展，畜禽粪便量也随之增加，由此引发的环境污染问题日益突出。因此开发利用可再生的清洁生物质能尤为重要[3]。

厌氧发酵生产沼气是目前我国处理农业废弃物的重要手段。农作物秸秆和畜禽粪便通过混合厌氧发酵工艺技术生产沼气，不仅对有机废弃物实现无害化、资源化利用，减轻环境污染，而且对所产生的沼气净化提纯，可作为天然气的替代物，对于解决能源短缺问题具有重要意义。厌氧发酵可分为干法厌氧发酵和湿法厌氧发酵两种。其中，含固率（TS）在20%～40%的称为干法厌氧发酵[4]。与湿法厌氧发酵相比，干法厌氧发酵的含固率高，可以避免沼液大量积累而无法处理的问题，并且原料适应性广，保温能耗低，运行成本低，可广泛应用于农业废弃物、畜禽粪便、生活垃圾等有机废弃物的处理，是目前厌氧发酵技术研究 的 热 点[5]～[9]。

1 厌氧干发酵的原理

厌氧消化技术在畜禽粪便处理、市政污泥消化和高浓度有机废水处理等方面已经得到了非常广泛的应用，有关技术已经比较成熟。然而，城乡生活垃圾的物料性质与粪便等原料有很大的区别。生活垃圾的成分复杂、固体含量较高，为区别于传统的厌氧消化技术，通常将生活垃圾的厌氧处理称为“高固体厌氧消化”。常规厌氧消化技术不能直接用于生活垃圾的厌氧消化，须要进行专门的、具有针对性的研究。

根据技术条件、运行方式等因素的不同，可将厌氧消化技术分为高温消化与中温消化、单相消化与两相消化、序批式消化与连续式消化等。如果按照反应器中消化物料的固体含量（TS）分，又可分为湿式消化（TS≤12%）和干式消化（TS≥20%）两种。传统的湿式厌氧消化主要是针对含水率较高的畜禽粪便和有机废水等，其典型工艺有全混合工艺（CSTR）、上流式厌氧污泥床工艺（UASB）和推流式厌氧消化工艺（PFR）等。这些工艺的优点是技术成熟、产气效率高，但用于处理高固体生物质垃圾时，须要进行针对性的优化。

厌氧干发酵就是指固体含量较高的厌氧消化反应，一般在无流动水的前提下分解有机废弃物。厌氧干发酵的生化反应本质上与厌氧湿发酵是相同的，都是微生物在厌氧条件下分解有机质产生甲烷和二氧化碳，并且完成能量转化的过程。与传统的厌氧发酵相同，厌氧干发酵的转化过程分为水解、酸化、产氢、产乙酸、产甲烷几个阶段，但在实际反应过程中，几个生化反应阶段同时进行，并保持一种动态平衡。这种动态平衡受到发酵底物性质、浓度、pH值和环境温度等因素的约束。

2 厌氧干发酵工艺研究

影响沼气厌氧发酵工艺的条件很多，主要包括发酵温度、pH值、有机物负荷量、发酵原料特性、发酵原料预处理条件、外源添加剂（促进剂和抑制剂）、C/N比、搅拌方式等。

2.1 厌氧干发酵原料特性及处理条件

沼气发酵原料的特性以及预处理条件对沼气的产量具有直接影响。用于发酵的原料既用来产生沼气，也是微生物赖以生长繁殖的基础物质，农业废弃物、生活垃圾、禽畜粪污、来自污水处理厂的污泥都可以作为发酵原料。来源不同的原料的特性差异较大，对发酵过程影响也不相同。不同的原料产气潜力不同，预处理的条件不同，产气量也不同，最大相差可以达到40%以上。目前常用的预处理方式主要有物理处理法、化学处理法、生物处理法。各种不同发酵原料应选择适宜的预处理方法，选择处理方法的实质是为了增加微生物与发酵底物的接触面积，破坏大分子结构，促进发酵底物的降解，以提高产气量。

2.2 发酵温度

发酵微生物对温度极其敏感，温度的变化直接影响沼气的产量[10]。研究表明，适合厌氧微生物生长发酵的较为适宜的温度约为35℃（中温发酵）和55℃右（高温发酵）。Mashad研究温度对牛粪厌氧发酵过程影响时发现，高温发酵比中温发酵的沼气产量高很多[11]。低温条件下微生物活性降低，代谢速率降低，产气量也随之降低。如果反应温度过高，则会导致发酵中间产物氨氮和VFA的过量积累，会对甲烷菌的生长产生抑制作用，导致甲烷产量降低。在木质纤维素类与禽畜粪污的混合发酵中，大部分采用中温发酵工艺。中温发酵工艺具有良好的系统稳定性，厌氧发酵过程中所需热量少，便于管理，适合干式厌氧发酵工艺。

2.3 pH值的影响

物料的pH值对厌氧发酵过程也有明显影响，其中对产甲烷阶段的影响最为明显。在酸化阶段，酸化细菌可以在pH值为5.5～8.5的环境内良好生长，而产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，适宜发酵的pH值一般为6.8～7.4，以7.0为最优。当pH值低于5.5时，产甲烷菌几乎不能生长。pH值也影响着发酵体系内微生物的群落结构。例如：pH值为6.0时，梭菌属为优势菌种；当pH值为8.0时，杆菌属是优势菌种。反应体系内的pH值变化速度直接影响发酵速度，发酵速度与pH值变化速度成正相关。但是，如果水解产酸速度过快，造成中间产物积累，严重时会使发酵过程中断。因此，反应器的pH值应维 持 在6.5～7.8。

2.4 外源促进剂

在沼气发酵过程中，添加促进剂有助于提高发酵效率，常用的促进剂为生物促进剂和无机化学促进剂[12]。生物促进剂主要用于纤维素含量较高的底物预处理工艺中，包括各种菌剂以及一些关键的功能酶类。酶制剂成本较高，添加酶制剂会增加发酵成本。无机化学促进剂主要有酸、碱、氧化剂、无机盐等化学制剂。添加化学试剂要根据底物特性选择其品类，还要考虑是否存在对环境有二次污染问题。

2.5 搅拌方式

干发酵的搅拌有利于有机质的均匀分布，促进微生物的传质传热，防止局部酸化，提高原料利用率，加快分解速度，提高产气量，但过度的搅拌会降低沼气产生量。与连续性搅拌相比，间歇性搅拌（加料前搅拌2 h）对传质传热更加有利。目前，常见的搅拌方式有机械搅拌、沼液回流搅拌和沼气循环搅拌。发酵过程中搅拌的强度和时间对沼气产量影响非常大。Karim研究不同搅拌方式对沼气产量影响的结果表明，进行不同方式搅拌比未搅拌的对照组分别多产生29%，15%和22%的沼气[13]。间歇式搅拌与连续轻度搅拌（加料前搅拌10 mim）分别比未搅拌的对照组提高1.3%和12.5%的沼气产量。

2.6 接种物的影响

接种物的数量、浓度、活性对厌氧发酵启动及运行效果有极大的影响。干法厌氧发酵接种物的主要来源是沼渣和污泥等，接种物的菌种量一般比发酵底物至少多30%，且具有良好的活性[14]。对干法厌氧发酵菌种特点的研究已经取得了一些成果。罗德明研究了相同接种物针对不同物料厌氧发 酵 产 沼 气 的 影 响 发 现[15]，粪 草 比 在4∶1～3∶1时 的产气速度和产气效果最好。Forster-Carneiro T以餐厨垃圾为底物进行不同接种量的试验，在接种物浓度分别为20%和30%时，反应底物的COD去除率达到36%和44.8%[16]。如果接种物的量过少，发酵难以启动，且会造成酸的积累，使得厌氧发酵无法顺利进行。为使发酵顺利启动、平稳运行，应适当加大接种量。

2.7 物料碳氮比

碳氮比即有机物中碳氮含量的关系。微生物生长繁殖所需要的营养成分主要是碳、氮、磷及一些微量元素，各元素既要保持足够的量，又要保持一定的比例平衡，厌氧发酵中的碳氮比应该适度。碳氮比较高会导致产甲烷菌快速消耗氮，碳氮比较低会使得氨积累，而且pH值大于8.5，使发酵环境显碱性，导致沼气的产量降低[17]。研究发现，适宜厌氧发酵的碳氮比为20～30，以25为 最 佳[18]，[19]。将有机固体废弃物与畜禽粪便混合，可调节混合物料的比例，保持物料最佳的碳氮比。

3 国内外干式厌氧发酵技术现状

3.1 干法发酵典型反应器介绍

干法厌氧发酵反应器的类型多种多样。根据反应器进出料方式的不同，可分为序批式反应器和连续式反应器。

（1）序批式干发酵反应器

序批式干发酵反应器通过泵将渗滤液喷淋到发酵罐上部，在喷淋过程中可对反应器中的氧气含量、有机负荷等进行调节，也可以是将产酸相和产甲烷相分开的两相反应器。两相反应器可以使水解酸化和产甲烷化在各自的最优条件下运行，从而提高厌氧发酵的产气速率。

典型的序批式干发酵反应器有Bekon序批式反应器、Loock序批式反应器和Bioferm序批式反应器3类，其结构如图1所示。

图1 序批式反应器Fig.1 Sequencing batch reactor

（2）连续式干发酵反应器

连续式干发酵反应器为单相反应器，发酵底物中的固体含量可达到20%～40%，沼气产量（VS）高 达0.3～0.5 m3/kg[20]。与 湿 法 发 酵 反 应 器 相比，连续式干发酵反应器所处理的发酵原料的固体含量高、粘度高，因此反应器对于原料的输送要求更高。物料的进出采取机械移动的方式，一般采用推流式反应器。Dranco，Kompogas，Valorga是3种已经商业化推广的、典型的连续式单相干发酵反应器，其反应器结构如图2所示[21]。

图2 不同类型单相厌氧干发酵反应器结构Fig.2 Structures of different types of single-phase anaerobic dry fermentation reactors

3.2 国外沼气干发酵工艺与设备现状

国外对沼气干发酵的研究起步较早，整体技术水平较高，应用范围较广泛。对干式厌氧发酵研究较为深入的国家有瑞士、法国、比利时、德国等，目前，国外比较主流的发酵设备主要有比利时的Dranco发酵设备、法国的Valorga发酵设备、瑞士的Komogas发酵设备和德国的Linde-KCA发酵设备等[22]～[25]。这些设备已在欧洲多个国家达到商业化生产程度。

Dranco工艺的优势是利用发酵底物回流对底物进行二次发酵。通过回流可以减少新鲜接种物的用量，还可以延长物料在发酵罐内的停留时间，使物料充分发酵。

Valorga发酵设备大多用于处理有机固废和一些难以降解的生活垃圾，其主要工艺流程是对物料进行分类、筛选后与回流的沼液混合，调节反应物固体含量后输送至反应器内。发酵过程中将产物沼气进行部分回流，对反应器内物料进行气动搅拌，加强物料流动性。

Komogas发酵设备采用一种典型的源头分类处理的有机废弃物发酵工艺。反应器采用转子泵进料，用水平搅拌轴对物料混合，并完成对物料的推流出料。

Linde-KCA发酵设备用于处理已分类的生活垃圾。工作时，原料要进行酸化预处理，处理后的原料再输入厌氧发酵罐，是一种两相发酵的方式。

3.3 国内沼气干发酵研究与应用案例

我国厌氧干发酵的研究起始于20世纪80年代，虽然已经取得一定的成果，但与欧洲国家相比还有一定的差距。目前，国内连续式干法厌氧发酵工艺已从实验室研究及中试研究逐渐发展到项目的实际应用。甘如海设计了卧式螺带式搅拌发酵罐进行厌氧干发酵[26]。陈闯制作的上推流连续干发酵反应器，容积产气率最高达到2.4 L/（L·d），目前反应器的有效容积仅为4.5 L，只能用于实验室研究[27]。目前国内的大中型干法厌氧发酵的成功案例较少。

（1）案例1：聊城市畜禽污染物治理与综合利用项目

聊城市畜禽污染物治理与综合利用工程项目采用覆膜槽干式发酵沼气系统（图3）。该工程采用长轴、大桨叶搅拌器，变频控制，低转速运行，物料完全混合，传质传热效果好。反应器单体容积为国内最大。该项目的日处理废弃物量为150 t，日产 沼 气11 000 m3、沼 液80 m3、有 机 肥20 t。

图3 聊城市畜禽污染物治理与综合利用项目Fig.3 Livestock pollitants treatment and comprehensive utilization project of Liaocheng city

（2）案例2：厦门生活垃圾分类处理厂项目

厦门生活垃圾分类处理厂所有结构都在地面上，24 h运行、全自动化远程控制（图4）。项目灵活的发酵基质选择配比使干物质含量可达50%以上，产气率高，节水达90%。

图4 厦门生活垃圾分类处理厂卧式发酵反应器Fig.4 Horizontal fermentation reactor of municipal solid waste sorting plant in Xiamen city

（3）案例3：哈尔滨生活垃圾处理工程

该项目引进德国车库式厌氧发酵技术，对生活垃圾进行厌氧干发酵，参考并应用青储秸秆车库式发酵工艺和喷淋技术，具有处理发酵原料干物质含量达50%以上的厌氧发酵条件。

图5 哈尔滨车库式生活垃圾处理项目Fig.5 Garage type of domestic waste treatment project in Harbin city

4 结论

近年来，全球变暖趋势日益严重，温室气体减排越来越受到世界各国的重视。若有机废弃物得不到有效利用，其产生沼气中的主要成分甲烷将危害气候环境，甲烷的温室效应是CO2气体的21倍，全球温室效应的20%源自甲烷，60%源自CO2。以生物质生活垃圾为原料制备生物燃气，既能减少自然界中甲烷气体的排放，还能产生清洁的燃气来替代化石能源，实现进一步减排，具有双向清洁功能，是应对气候变化的重大举措。

干式厌氧发酵工艺技术具有诸多优势，但也存在一些要解决的问题。①干发酵物料含水量低，搅拌困难，造成微生物分布不均匀，影响微生物传质传热，极易出现局部酸积累的现象，甚至使发酵失败。②厌氧干发酵过程比较复杂，各种参数难以控制，对发酵设备的技术要求较高，须要对厌氧干发酵工艺过程进行深入研究，力求得到简单合适的控制参数。③对厌氧干发酵工艺与设备要进行统一的研究，更要考虑实际应用情况，使厌氧干发酵工艺技术得到快速发展。