張洪巖 楊小平 卞琦 何偉男

摘 要：厭氧消化工程作為生物質(zhì)資源綜合開發(fā)利用的手段和方法之一，越來越受到人們的重視。本文分析了我國(guó)厭氧消化工程發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了各種厭氧發(fā)酵方法的技術(shù)特點(diǎn)，并對(duì)國(guó)內(nèi)常用的厭氧發(fā)酵消化器的技術(shù)參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。以某生物質(zhì)項(xiàng)目為例，通過在該生物質(zhì)項(xiàng)目中對(duì)比濕法、干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，以及高溫、中溫及常溫厭氧發(fā)酵的主要特點(diǎn)，確定項(xiàng)目的厭氧發(fā)酵方式，為生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目的推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);厭氧發(fā)酵;濕法厭氧發(fā)酵;干法厭氧發(fā)酵;厭氧發(fā)酵溫度

中圖分類號(hào)：S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）07-0103-03

Study on Selection of Anaerobic Fermentation Process for Biomass Project

ZHANG Hongyan YANG Xiaoping BIAN Qi HE Weinan

（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.，Shenzhen Guangdong 518000）

Abstract： As one of the means and methods for the comprehensive development and utilization of biomass resources， anaerobic digestion engineering has attracted more and more attention. This paper analyzed the development status of anaerobic digestion engineering in China， introduced the technical characteristics of various anaerobic fermentation methods， and compared the technical parameters， advantages and disadvantages of commonly used anaerobic digestion digesters in China. Taking a biomass project as an example， through the comparison of wet and dry anaerobic fermentation technology in the biomass project， and the main characteristics of high temperature， medium temperature and normal temperature anaerobic fermentation， the anaerobic fermentation mode of the project was determined， which provideh experience reference for the promotion and application of biomass anaerobic fermentation project.

Keywords： biomass;anaerobic fermentation;wet anaerobic fermentation;dry anaerobic fermentation;anaerobic fermentation temperature

1 我國(guó)厭氧消化工程發(fā)展現(xiàn)狀

厭氧消化工藝是一項(xiàng)垃圾生物處理技術(shù)[1]。在我國(guó)，該技術(shù)研發(fā)與工程建設(shè)自20世紀(jì)70年代至今已有40多年的歷程。就全球整體發(fā)展水平來看，技術(shù)層面比較成熟，應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。2000年，歐洲固體垃圾厭氧處理已達(dá)100萬t/a，占處理總量的25%，且有逐年上升的趨勢(shì)。我國(guó)是一個(gè)推進(jìn)厭氧消化工程技術(shù)建設(shè)的大國(guó)[2]，但目前，我國(guó)在厭氧消化工程應(yīng)用方面仍處于剛剛起步的階段，在技術(shù)和裝備等方面都急待提升。

2 厭氧發(fā)酵方法的技術(shù)特點(diǎn)

厭氧發(fā)酵根據(jù)厭氧消化液干物質(zhì)的濃度可分為濕式消化和干式消化兩種。

濕式消化是厭氧消化料液的干物質(zhì)濃度控制在10%以下的消化方式，在厭氧消化啟動(dòng)時(shí)，加入大量的水或新鮮糞污調(diào)節(jié)料液濃度。

干式消化，又稱為固體消化，其原料干物質(zhì)含量在15%左右，水分含量占85%。在生產(chǎn)過程中，如果干物質(zhì)含量超過20%，則產(chǎn)氣量會(huì)明顯下降，干厭氧消化用水量少。

國(guó)內(nèi)外常用的厭氧消化器主要有幾下幾種，技術(shù)特點(diǎn)如下。

全混合式消化器，即完全混合厭氧反應(yīng)器（Continual Stir Tank Reactor，CSTR），是在常規(guī)反應(yīng)器內(nèi)安裝攪拌裝置，使厭氧消化料和微生物處于完全混合狀態(tài)。與常規(guī)消化器相比，其活性區(qū)域遍布整個(gè)反應(yīng)器，因此，微生物與原料充分接觸，整個(gè)投料容積都是有效容積。

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB）由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，污泥具有良好的沉淀性能和凝聚性能，在底部反應(yīng)區(qū)形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入，與污泥層中的污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)化成沼氣[3]。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中不斷合并形成較大氣泡。在泥污床上部，由于沼氣的攪動(dòng)，形成一個(gè)較稀薄的污泥，和水一起上升進(jìn)入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí)，折向反射板的四周，然后穿過水層進(jìn)入氣室，集中在氣室的沼氣用導(dǎo)管導(dǎo)出，固液混合液經(jīng)過反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)并積累大量的污泥，與污泥分離后的處理水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

塞流式（High Concentration Plug Flow，HCF）反應(yīng)器也稱推流式反應(yīng)器，是一種長(zhǎng)方形的非完全混合式反應(yīng)器。高濃度懸浮固體消化原料從一端進(jìn)入，從另一端排出，原料在消化器的流動(dòng)呈活塞式推移狀態(tài)。在進(jìn)料端呈現(xiàn)較強(qiáng)的水解酸化作用，甲烷的產(chǎn)生隨著向出料方向的流動(dòng)而增強(qiáng)。由于進(jìn)料端缺乏接種物，所以要進(jìn)行污泥回流[4]。為了減少微生物的沖擊，在消化器內(nèi)應(yīng)設(shè)置擋板，有利于保證運(yùn)行的穩(wěn)定性。

升流式固體反應(yīng)器（Upflow Solid Reactor，USR）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原料從底部進(jìn)入消化器，消化器內(nèi)不需要安置三相分離器，不需要污泥回流，也不需要完全混合式消化器里的攪拌裝置。未消化的生物質(zhì)固體顆粒和厭氧消化微生物，依靠被動(dòng)沉降滯留于消化器內(nèi)，上清液從消化器上部排出，這樣就可以得到比水力停留時(shí)間（Hydraulic Retention Time，HRT）高很多的平均細(xì)胞停留時(shí)間（Sludge Retention Time，SRT）和微生物滯留期 （Mean Retention Time，MRT），從而提高固體有機(jī)物的分解率和消化器的效率。

3 某生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

為保證生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目日常生產(chǎn)運(yùn)行，所需要原料為牛糞，其特性如表1所示。

牛糞由運(yùn)輸半徑15 km范圍內(nèi)的規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)或養(yǎng)殖戶供應(yīng)，按照15 km范圍內(nèi)的全年牛的數(shù)量最大存欄量11.64萬頭計(jì)，最小存欄量以40%計(jì)，牛糞含固率以20%計(jì)，全年可產(chǎn)干物質(zhì)5.84萬t，項(xiàng)目牛糞需求量和此種情況下的干物質(zhì)量比值為71%，可滿足項(xiàng)目生產(chǎn)需求的牛糞量。

牛糞經(jīng)過預(yù)處理后與回流沼液混合增溫后由螺桿泵送至糞污厭氧發(fā)酵罐。

3.2 厭氧工藝比選

3.2.1 濕法、干法發(fā)酵工藝比選。濕法厭氧發(fā)酵是以固體有機(jī)廢物（含固率5%～15%）為原料的沼氣發(fā)酵工藝;干法厭氧發(fā)酵是以固體有機(jī)廢物（含固率20%～40%）為原料，幾乎或沒有自由流動(dòng)的條件下進(jìn)行的沼氣發(fā)酵工藝。兩種發(fā)酵工藝的比較如表2所示。

濕法厭氧發(fā)酵工藝在國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟，在厭氧發(fā)酵過程中得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于進(jìn)料濃度相對(duì)較低的物料。干法厭氧發(fā)酵工藝容積產(chǎn)氣率高，運(yùn)行過程穩(wěn)定，但目前在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用過程中仍然出現(xiàn)很多問題，例如，氨毒性問題導(dǎo)致產(chǎn)氣不暢、反應(yīng)罐內(nèi)分層、物料輸送管道堵塞、反應(yīng)罐出料堵塞等各類問題，且投資較高，故生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目應(yīng)用推薦采用濕法厭氧發(fā)酵工藝。

3.2.2 濕法工藝比選。目前，國(guó)內(nèi)外常用的濕法厭氧發(fā)酵工藝主要為CSTR、UASB、HCF 、USR。對(duì)比分析見表3。

經(jīng)過對(duì)比分析可知，USR工藝作為較成熟的工藝，尤其適用于氣溫適中地區(qū)養(yǎng)豬場(chǎng)糞污處理和集中供氣沼氣工程[5]，在高寒地區(qū)冬季運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益不佳;HCF工藝適用于各類小型糞污處理沼氣工程，有較廣闊的應(yīng)用空間;UASB工藝適用于養(yǎng)豬場(chǎng)的污水處理能源環(huán)保型沼氣工程，應(yīng)用范圍較窄;應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)，效益高的工藝是CSTR工藝。因此，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目中厭氧發(fā)酵工藝推薦選擇CSTR濕式發(fā)酵。

3.2.3 厭氧發(fā)酵溫度比選。根據(jù)厭氧菌的生活形態(tài)和溫度適應(yīng)性，目前厭氧消化有常溫（15～25 ℃）、中溫（35～38 ℃）和高溫（55～57 ℃）三種消化形式。常溫、中溫和高溫厭氧消化的比較分析詳見表4。

根據(jù)表4分析結(jié)果，并結(jié)合本項(xiàng)目原料特點(diǎn)，為減少運(yùn)行費(fèi)用，保證運(yùn)行更加穩(wěn)定，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目推薦采用中溫厭氧發(fā)酵。

3.3 結(jié)論

通過上述幾種厭氧工藝比選，篩選，生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目中厭氧發(fā)酵工藝推薦選擇CSTR濕式中溫發(fā)酵。

4 結(jié)語

隨著不可再生資源的日益枯竭，沼氣作為高效清潔的可再生能源越來越受到人們的重視。利用生物質(zhì)固體有機(jī)物作為原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵，可以將廢棄的生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵞茉?，不僅能改善環(huán)境污染問題，同時(shí)還能解決能源匱乏問題。本文通過實(shí)際生物質(zhì)項(xiàng)目，對(duì)厭氧發(fā)酵工藝進(jìn)行比選，最終比選出生物質(zhì)厭氧發(fā)酵項(xiàng)目最適合的工藝方法為CSTR濕式中溫發(fā)酵，為厭氧發(fā)酵技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

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