12干法沼气工程发酵技术现状及发展趋势_卜明

0引言

随着能源和环境问题的日益突出，沼气发酵技术作为一种不仅能处理有机废弃物同时可以得到沼气燃料的清洁可再生能源发展技术，在世界上受到了越来越重要的关注。

沼气技术按发酵原料干物质含量（TS）的不同，可分为湿法发酵和干法发酵两类。现有沼气工程采用湿法发酵技术，发酵原料呈液态，干物质含量一般在10%以下。湿法沼气发酵由于需添加新鲜水调浆，发酵结束后剩余物沼液若没有足够的土地消纳，极易造成二次污染等问题；沼气干法发酵技术正逐渐成为世界各国处理有机固体废弃物以及生产新能源的重要选择。沼气干法发酵［1，2］是指干物质含量（TS）在20%～40%，呈固态，无沼液消纳问题。干法发酵具有需水量低、或不需水，产生沼液少，基本上实现污染物零排放，容积产气率高，物料适应范围广，运行过程稳定，无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题。本文着重介绍国内外主要干法沼气发酵技术现状、干法沼气发酵技术关键点及攻关方向，为我国固体有机废气物沼气发酵技术研究提供参考。

1国外干法沼气技术主要工艺及应用情况国外对干法沼气发酵技术的研究始于20世纪80年代有关的污泥卫生填埋，20世纪90年代起，以德国为代表的发达国家开始进行沼气间歇干法发酵技术及工业级装备研发。干法沼气发酵技术已在世界多个国家垃圾处理中广泛应用，现已扩展到能源作物、畜禽粪便和农业固体废弃物等的连续干发酵技术。

国外沼气干法发酵技术已趋于成熟，主要有Dranco工艺、Kompogas工艺、Valorga工艺、Biopercolat工艺、Linder BRV工艺、APS工艺和Benkon公司的车库型工艺等，其中Benkon公司的车库型沼气干法发酵工艺和装备已进入生产

性验证，在控制、安全等方面较完备［3-10］。

1.1Dranco工艺

Dranco干法沼气发酵技术是一种独特的立式设计、高固含量、无内部搅拌的连续干法沼气发酵技术。经过筛选、预处理的有机固体废弃物与发酵后的物料（接种物）按一定比例（1∶6～1∶8）混合后，经蒸汽加热后，由进料泵泵入发酵罐内，发酵罐内没有混合搅拌系统或气动系统，物料在发酵过程中仅靠重力沉降，产生的沼气从发酵罐的顶部逸出至沼气储存系统，发酵后的沼渣通过底部设置的螺杆出料（图2）。出料大部分用作接种物与新鲜进料混合，其余出料进入后续堆肥处理。Dranco工艺能够处理固体含量在40%～50%的固体有机废弃物。

基金项目：国际科技合作项目——

—农畜废弃物资源化能源利用技术装备合作研发（2010DFB60680）

干法沼气工程发酵技术现状及发展趋势

卜明吴丽丽

（中国农业机械化科学研究院）

［摘要］干法沼气发酵技术作为有机固体废弃物能源化处置与利用的有效途径，发酵过程无沼液消纳问题，反应器容积小，容积产气率高，近年来已逐渐成为世界各国固体有机废弃物资源化技术研究的热点。本文综述了国内外干法沼气工程发酵技术现状和主要发展工艺，分析了沼气干法发酵关键技术设备，并展望了我国有机固体废弃物干法沼气发酵技术的发展趋势。

［关键词］沼气；干法发酵；有机废弃物

图1Dranco发酵工艺流程图

图2Dranco工艺出料

欧洲现在已有24个工厂采用Dranco工艺建成生产线并运行稳定，物料的范围包括：分选的城市垃圾、混合有机废弃物、餐厨垃圾、污水污泥和能源作物等。

Dranco工艺如图1所示，其技术关键点在其进料装置、布料系统及出料设计。

1.2Kompoags工艺

与上述单相干法工艺不同，如图3所示，Kompogas工艺采用卧式活塞流发酵罐，内置搅拌子使传质均匀。Kompogas 采用两种标准规格16500和27600t/年。大规模的干发酵工程可以采用两个发酵罐并联。发酵罐有效容积为72%～77%。搅拌作用有助于新鲜物料的接种和消除发酵罐前端的有机酸积累。高温发酵条件下，Kompogas系统水力停留时间为15～20天。全球大约有30多工厂采用Kompogas工艺。

Kompogas工艺难点：发酵罐内搅拌装置的设计，进出料方式的设计。

1.3Valorga工艺

Valorga工艺（图4）的研究始于1981年，主要用于有机固体废弃物的处理。Valorga工艺为单相活塞流发酵罐，但是需采用压缩沼气搅拌。发酵罐内设隔墙。有机固体废弃物经调质（TS含量25%～30%）、蒸汽加热后泵入发酵罐隔墙内侧，经由隔墙流于另一侧出料。压缩沼气注入主发酵罐底部，沼气气泡使得搅拌均匀保持固体原料处于悬浮状态。发酵后原料经由脱水后堆肥使用。固体原料在发酵罐内停留时间为18～23天，发酵后堆肥大约需要14天。Valorga产气率在0.22～0.27m3/kgVS。

Valorga工艺在西班牙、德国、意大利及瑞士应用较多，建成的有12座沼气工程正在使用中，年处理104.7万t废弃物。

1.4Biopercolat工艺

Biopercolat工艺是一种典型的干-湿两级两相系统。如图5所示，工艺可分为两阶段，即一级水解酸化阶段（渗滤阶段）和二级发酵阶段。一级水解酸化阶段是高浓度固体有机物微好氧水解的过程。渗滤液是经由水解酸化罐—卧式低速搅拌发酵罐渗滤得到的含水解酸化产物的渗滤液。该水解酸化过程为微好氧过程，可以大大提高有机物的分解速率。固体有机废弃物在水解酸化系统中的停留时间一般为2～3天。物料经过水解酸化系统处理后，通过螺旋固液分离机进行固液分离，固体相进入堆肥系统，液相与渗滤液合并，进入二级发酵系统。二级发酵系统采用带填料的活塞流中温厌氧发酵罐，发酵后部分沼液回流入渗滤系统回用，其余进入后处理。

Biopercolat工艺难点是，水解酸化罐渗滤系统防堵塞技术。

1.5Linde-KCA工艺

Linde-KCA湿-干两级干法沼气发酵工艺从1985年开始研究，现在主要在德国、葡萄牙及卢森堡等国家应用。如图6所示，第一阶段为好氧水解酸化阶段，水解产物经输送机输送至卧式活塞流发酵罐，发酵罐内设搅拌，起到混合和输送物料的作用。发酵结束后物料由搅拌器输送至出料装置，出料后进行固液分离机分离，固体堆肥，液体回流至一级好氧水解阶段调质。Lind-KCA可以处理干物质含量在15%～45%的有机废弃物。

图3Kompogas工艺流程

图5Biopercolat工艺流程图

图6Linder-KCA两级干式发酵工艺流程图4Valorga工艺流程

Linde工艺在2005年有4个新工厂试运行：一个在葡萄牙，处理4万t湿有机废弃物；一个在意大利，处理餐厨垃圾；一个在Burgos（40000t）；一个在Salto del Negro（75000 t）。2006年，有6个正在施工中（德国、法国、英国），处理能力253500t废弃物。截至2006年底，Linde已经建有40座沼气工厂。

1.6APS工艺

APS工艺技术是美国加州大学UC DVIS分校张瑞红教授研制的两相沼气干法发酵技术（图7）。该技术采取固态水解产酸与液态产甲烷相结合工艺，系统由多个固体床（水解酸化反应器）串联一个产甲烷反应器组成。固态有机物首先在固体床中进行水解和酸化反应，渗滤液通过底部筛板进入渗滤液收集箱，该中间产物作为底物进入高效液相湿法厌氧反应器中进行甲烷化处理，出水回流到固体床中加速对底物的水解酸化。

整个工艺过程中，系统没有液体排出，产生的固体残渣可以通过后续处理生产有机肥。

据实验室研究报道，APS系统处理餐厨垃圾，水力停留时间12天，沼气产率为0.6m3/kg VS。

APS工艺技术可用于处理餐厨垃圾、食品生产废水、畜禽粪便、庭院垃圾及混合固体有机废弃物。

1.7Bekon车库型工艺

Benkon车库型干法沼气发酵工艺是欧洲最成熟的单相、间歇干法沼气发酵工艺（图8）。有机固体废弃物与发酵后的底物接种后由装载机或铲车送入密闭的发酵室中发酵。发酵室中通过渗滤液循环喷淋进行连续接种。发酵室内物料加热和渗滤液加热是通过发酵室侧壁加热和渗滤液储槽热交换加热。发酵室内没有搅拌器等运动部件，系统可靠性高。系统没有搅拌器和管道，发酵不受干扰物质如塑料、木块和沙石等的影响，因而可直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体有机废弃物，大大节省了预处理成本。进出料均可采用通用的装载机等工程机械，通用性强。发酵结束后无沼液产生，经过简单的处理即可作园林肥料或农作物肥料使用，后处理费用低，肥效价值高。Bekon车库型工艺最高能处理固体干物质含量50%的固体有机废弃物。

Bekon车库型工艺技术关键点：高精度的液压驱动密封门和高灵敏度的自动监控装置，混凝土车库型发酵室的防渗、防漏和侧壁加热设计。

上述Dranco竖式推流发酵工艺、Kompogas卧式推流发酵工艺、Valorga竖式气搅拌工艺、Biopercolat卧式推流两相工艺和Linde-KCA卧式推流发酵工艺为连续式沼气干法发酵技术。其中Dranco工艺、Kompogas工艺和Valorga工艺为单相干式发酵技术，Biopercolat工艺、Linder-KCA工艺为两相干法发酵技术。两相厌氧干法发酵技术是使水解产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个反应器中进行，这样就可以对各个反应器的运行参数进行调控，使其分别满足产酸菌和产甲烷菌的最适宜生长环境，使反应器能够发挥最大的效能，提高沼气产率和挥发性固体的转化率，并增加整个系统的运行稳定性。但在实际市场运行中，两相发酵工艺并没有表现出优越性，两相发酵系统需要更多投资，且运转维护也更为复杂。

APS工艺和Bekon型车库发酵工艺为间歇式（批次）发酵工艺。间歇发酵工艺具有操作方便、对粗糙底物沙砾与重金属等耐受性强等特点。

2国内干法沼气发酵技术现状

我国对干法沼气发酵技术研究较少，至今仅有几种干法发酵工艺，主要设备有覆膜干式厌氧发酵槽反应器（MCT）［11］。

干法沼气发酵技术是以粪便、秸秆、有机垃圾等为原料，通过堆沤或好氧升温后，批量投入厌氧发酵槽进行发酵生产沼气。该技术是在没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的沼气发酵过程，适合处理固体浓度在20%以上的发酵物料。

该工艺的突出特点是，不需要向原料中添加稀释水，通过应用新型反应器和与之配套的厌氧发酵工艺即可实现；利用好氧发酵的生物能使固体原料升温（同时实施秸秆生物预处

图7APS系统工艺流程

图8Bekon车库型工艺流程

图9覆膜槽干发酵工艺图

图10沼气发酵罐固体原料进料系统理），辅以高效的保温措施，不用外加热源，可使物料在厌氧产气期内保持

“中温”（35～42℃）状态，且每天的温降小于0.15℃，有效地提高了沼气产率，减少了系统能耗，降低了运行成本。

3干法沼气发酵关键技术设备

有机废弃物干法厌氧发酵技术虽然具有众多优势与益处，

但推广应用仍然存在众多困难。一是反应基质浓度高，进出料困难；二是物料粘度大，搅拌困难，使得基质搅拌混合困难，传质、

传热不均。为提高干法发酵技术的水平，结合欧洲沼气干法工程装备技术，对干法沼气发酵技术关键设备作一介绍。3.1

预处理技术设备

发酵底物比表面积大、底物与酶接触容易等均会提高水解酸化速率，加速产气速率。因此采取减少底物颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等预处理技术，可以提高底物水解速率与产气量。

干法发酵采用的预处理方式主要为筛选和切碎。欧洲沼气工程常用的切碎机主要有刀片－孔盘组合式切碎机和对滚剪切式切碎机。刀片－孔盘组合式切碎机主要有德国的耐驰、福格申、西派克和丹麦的汉斯·布赫。3.2

进料技术设备

有机固体废弃物干法发酵原料的多样性、高浓度对原料输送泵提出了更高要求。螺杆泵是目前国内外沼气工程中应用最广泛的输送泵，但是螺杆泵存在维修费用高、能耗高的缺点，对于TS%浓度超过25%的原料无法输送。针对干法高浓度物料，欧洲的进料泵现在主要采用了三级螺旋进料、凸轮转子泵和高密度固体液压泵等。图10为沼气发酵罐固体原料进料系统示意。

3.3搅拌技术设备

搅拌可使新鲜物料与发酵底物充分接触，强化传质、传热，使物料混合均匀，避免局部酸化，并有利于沼气逸出。但由于厌氧微生物代谢较慢，搅拌过于强烈反而会影响微生物的絮凝作用，降低消化能力。目前，欧洲干法沼气工程采用的搅拌器主要有低速浆式搅拌器和长轴式横轴搅拌器。

4结论

我国每年都要产生大量的固体有机废弃物，其中秸秆

年产量在6亿～7亿t ，养殖业畜禽粪便每年可产生10多亿t ，

城市垃圾每年有几十万t ，这些废弃物都是很好的厌氧发酵原料，不仅可以解决环境污染问题，而且可以产生清洁能源。

沼气干法发酵处理过程中不产生污水或仅产生少量沼液，无沼液消纳问题，发酵剩余物可制成有机肥料，基本上实现污染物零排放，同时物料适应性广，反应器占地面积小。可以预见，大力发展有机固体废弃物的沼气干法发酵技术，对推动我国环境保护和新能源的发展具有重要意义。

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