李冰峰，張大雷

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)生態(tài)與資源保護(hù)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，擁有豐富的生物質(zhì)資源[1]，[2]。據(jù)估算，我國年均產(chǎn)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(zhì)能尤為重要[3]。

厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣是目前我國處理農(nóng)業(yè)廢棄物的重要手段。農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便通過混合厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)生產(chǎn)沼氣，不僅對有機(jī)廢棄物實(shí)現(xiàn)無害化、資源化利用，減輕環(huán)境污染，而且對所產(chǎn)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(yīng)性廣，保溫能耗低，運(yùn)行成本低，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物、畜禽糞便、生活垃圾等有機(jī)廢棄物的處理，是目前厭氧發(fā)酵技術(shù)研究 的 熱 點(diǎn)[5]～[9]。

1 厭氧干發(fā)酵的原理

厭氧消化技術(shù)在畜禽糞便處理、市政污泥消化和高濃度有機(jī)廢水處理等方面已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，有關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。然而，城鄉(xiāng)生活垃圾的物料性質(zhì)與糞便等原料有很大的區(qū)別。生活垃圾的成分復(fù)雜、固體含量較高，為區(qū)別于傳統(tǒng)的厭氧消化技術(shù)，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(shù)不能直接用于生活垃圾的厭氧消化，須要進(jìn)行專門的、具有針對性的研究。

根據(jù)技術(shù)條件、運(yùn)行方式等因素的不同，可將厭氧消化技術(shù)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(yīng)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(jī)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(diǎn)是技術(shù)成熟、產(chǎn)氣效率高，但用于處理高固體生物質(zhì)垃圾時，須要進(jìn)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(yīng)，一般在無流動水的前提下分解有機(jī)廢棄物。厭氧干發(fā)酵的生化反應(yīng)本質(zhì)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(jī)質(zhì)產(chǎn)生甲烷和二氧化碳，并且完成能量轉(zhuǎn)化的過程。與傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵相同，厭氧干發(fā)酵的轉(zhuǎn)化過程分為水解、酸化、產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷幾個階段，但在實(shí)際反應(yīng)過程中，幾個生化反應(yīng)階段同時進(jìn)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(zhì)、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(jī)物負(fù)荷量、發(fā)酵原料特性、發(fā)酵原料預(yù)處理?xiàng)l件、外源添加劑（促進(jìn)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?xiàng)l件

沼氣發(fā)酵原料的特性以及預(yù)處理?xiàng)l件對沼氣的產(chǎn)量具有直接影響。用于發(fā)酵的原料既用來產(chǎn)生沼氣，也是微生物賴以生長繁殖的基礎(chǔ)物質(zhì)，農(nóng)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(chǎn)氣潛力不同，預(yù)處理的條件不同，產(chǎn)氣量也不同，最大相差可以達(dá)到40%以上。目前常用的預(yù)處理方式主要有物理處理法、化學(xué)處理法、生物處理法。各種不同發(fā)酵原料應(yīng)選擇適宜的預(yù)處理方法，選擇處理方法的實(shí)質(zhì)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(jié)構(gòu)，促進(jìn)發(fā)酵底物的降解，以提高產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量高很多[11]。低溫條件下微生物活性降低，代謝速率降低，產(chǎn)氣量也隨之降低。如果反應(yīng)溫度過高，則會導(dǎo)致發(fā)酵中間產(chǎn)物氨氮和VFA的過量積累，會對甲烷菌的生長產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量降低。在木質(zhì)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(chǎn)甲烷階段的影響最為明顯。在酸化階段，酸化細(xì)菌可以在pH值為5.5～8.5的環(huán)境內(nèi)良好生長，而產(chǎn)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(dāng)pH值低于5.5時，產(chǎn)甲烷菌幾乎不能生長。pH值也影響著發(fā)酵體系內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)。例如：pH值為6.0時，梭菌屬為優(yōu)勢菌種；當(dāng)pH值為8.0時，桿菌屬是優(yōu)勢菌種。反應(yīng)體系內(nèi)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(guān)。但是，如果水解產(chǎn)酸速度過快，造成中間產(chǎn)物積累，嚴(yán)重時會使發(fā)酵過程中斷。因此，反應(yīng)器的pH值應(yīng)維 持 在6.5～7.8。

2.4 外源促進(jìn)劑

在沼氣發(fā)酵過程中，添加促進(jìn)劑有助于提高發(fā)酵效率，常用的促進(jìn)劑為生物促進(jìn)劑和無機(jī)化學(xué)促進(jìn)劑[12]。生物促進(jìn)劑主要用于纖維素含量較高的底物預(yù)處理工藝中，包括各種菌劑以及一些關(guān)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(jī)化學(xué)促進(jìn)劑主要有酸、堿、氧化劑、無機(jī)鹽等化學(xué)制劑。添加化學(xué)試劑要根據(jù)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(jī)質(zhì)的均勻分布，促進(jìn)微生物的傳質(zhì)傳熱，防止局部酸化，提高原料利用率，加快分解速度，提高產(chǎn)氣量，但過度的攪拌會降低沼氣產(chǎn)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(zhì)傳熱更加有利。目前，常見的攪拌方式有機(jī)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(qiáng)度和時間對沼氣產(chǎn)量影響非常大。Karim研究不同攪拌方式對沼氣產(chǎn)量影響的結(jié)果表明，進(jìn)行不同方式攪拌比未攪拌的對照組分別多產(chǎn)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(chǎn)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(yùn)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(diǎn)的研究已經(jīng)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(chǎn) 沼 氣 的 影 響 發(fā) 現(xiàn)[15]，糞 草 比 在4∶1～3∶1時 的產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣效果最好。Forster-Carneiro T以餐廚垃圾為底物進(jìn)行不同接種量的試驗(yàn)，在接種物濃度分別為20%和30%時，反應(yīng)底物的COD去除率達(dá)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(jìn)行。為使發(fā)酵順利啟動、平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)加大接種量。

2.7 物料碳氮比

碳氮比即有機(jī)物中碳氮含量的關(guān)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(yīng)該適度。碳氮比較高會導(dǎo)致產(chǎn)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(dǎo)致沼氣的產(chǎn)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(jī)固體廢棄物與畜禽糞便混合，可調(diào)節(jié)混合物料的比例，保持物料最佳的碳氮比。

3 國內(nèi)外干式厭氧發(fā)酵技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 干法發(fā)酵典型反應(yīng)器介紹

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

（1）序批式干發(fā)酵反應(yīng)器

序批式干發(fā)酵反應(yīng)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(yīng)器中的氧氣含量、有機(jī)負(fù)荷等進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以是將產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分開的兩相反應(yīng)器。兩相反應(yīng)器可以使水解酸化和產(chǎn)甲烷化在各自的最優(yōu)條件下運(yùn)行，從而提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率。

典型的序批式干發(fā)酵反應(yīng)器有Bekon序批式反應(yīng)器、Loock序批式反應(yīng)器和Bioferm序批式反應(yīng)器3類，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 序批式反應(yīng)器Fig.1 Sequencing batch reactor

（2）連續(xù)式干發(fā)酵反應(yīng)器

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

圖2 不同類型單相厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)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(shè)備現(xiàn)狀

國外對沼氣干發(fā)酵的研究起步較早，整體技術(shù)水平較高，應(yīng)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(shè)備主要有比利時的Dranco發(fā)酵設(shè)備、法國的Valorga發(fā)酵設(shè)備、瑞士的Komogas發(fā)酵設(shè)備和德國的Linde-KCA發(fā)酵設(shè)備等[22]～[25]。這些設(shè)備已在歐洲多個國家達(dá)到商業(yè)化生產(chǎn)程度。

Dranco工藝的優(yōu)勢是利用發(fā)酵底物回流對底物進(jìn)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(nèi)的停留時間，使物料充分發(fā)酵。

Valorga發(fā)酵設(shè)備大多用于處理有機(jī)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(jìn)行分類、篩選后與回流的沼液混合，調(diào)節(jié)反應(yīng)物固體含量后輸送至反應(yīng)器內(nèi)。發(fā)酵過程中將產(chǎn)物沼氣進(jìn)行部分回流，對反應(yīng)器內(nèi)物料進(jìn)行氣動攪拌，加強(qiáng)物料流動性。

Komogas發(fā)酵設(shè)備采用一種典型的源頭分類處理的有機(jī)廢棄物發(fā)酵工藝。反應(yīng)器采用轉(zhuǎn)子泵進(jìn)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(shè)備用于處理已分類的生活垃圾。工作時，原料要進(jìn)行酸化預(yù)處理，處理后的原料再輸入?yún)捬醢l(fā)酵罐，是一種兩相發(fā)酵的方式。

3.3 國內(nèi)沼氣干發(fā)酵研究與應(yīng)用案例

我國厭氧干發(fā)酵的研究起始于20世紀(jì)80年代，雖然已經(jīng)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(nèi)連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵工藝已從實(shí)驗(yàn)室研究及中試研究逐漸發(fā)展到項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用。甘如海設(shè)計(jì)了臥式螺帶式攪拌發(fā)酵罐進(jìn)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(yīng)器，容積產(chǎn)氣率最高達(dá)到2.4 L/（L·d），目前反應(yīng)器的有效容積僅為4.5 L，只能用于實(shí)驗(yàn)室研究[27]。目前國內(nèi)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(xiàng)目

聊城市畜禽污染物治理與綜合利用工程項(xiàng)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(zhuǎn)速運(yùn)行，物料完全混合，傳質(zhì)傳熱效果好。反應(yīng)器單體容積為國內(nèi)最大。該項(xiàng)目的日處理廢棄物量為150 t，日產(chǎn) 沼 氣11 000 m3、沼 液80 m3、有 機(jī) 肥20 t。

圖3 聊城市畜禽污染物治理與綜合利用項(xiàng)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(xiàng)目

廈門生活垃圾分類處理廠所有結(jié)構(gòu)都在地面上，24 h運(yùn)行、全自動化遠(yuǎn)程控制（圖4）。項(xiàng)目靈活的發(fā)酵基質(zhì)選擇配比使干物質(zhì)含量可達(dá)50%以上，產(chǎn)氣率高，節(jié)水達(dá)90%。

圖4 廈門生活垃圾分類處理廠臥式發(fā)酵反應(yīng)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(xiàng)目引進(jìn)德國車庫式厭氧發(fā)酵技術(shù)，對生活垃圾進(jìn)行厭氧干發(fā)酵，參考并應(yīng)用青儲秸稈車庫式發(fā)酵工藝和噴淋技術(shù)，具有處理發(fā)酵原料干物質(zhì)含量達(dá)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(xiàng)目Fig.5 Garage type of domestic waste treatment project in Harbin city

4 結(jié)論

近年來，全球變暖趨勢日益嚴(yán)重，溫室氣體減排越來越受到世界各國的重視。若有機(jī)廢棄物得不到有效利用，其產(chǎn)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(yīng)是CO2氣體的21倍，全球溫室效應(yīng)的20%源自甲烷，60%源自CO2。以生物質(zhì)生活垃圾為原料制備生物燃?xì)猓饶軠p少自然界中甲烷氣體的排放，還能產(chǎn)生清潔的燃?xì)鈦硖娲茉矗瑢?shí)現(xiàn)進(jìn)一步減排，具有雙向清潔功能，是應(yīng)對氣候變化的重大舉措。

干式厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)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(zhì)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(fù)雜，各種參數(shù)難以控制，對發(fā)酵設(shè)備的技術(shù)要求較高，須要對厭氧干發(fā)酵工藝過程進(jìn)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(shè)備要進(jìn)行統(tǒng)一的研究，更要考慮實(shí)際應(yīng)用情況，使厭氧干發(fā)酵工藝技術(shù)得到快速發(fā)展。