生物质项目厌氧发酵工艺选型研究

张洪岩 杨小平 卞琦 何伟男

摘 要：厌氧消化工程作为生物质资源综合开发利用的手段和方法之一，越来越受到人们的重视。本文分析了我国厌氧消化工程发展现状，介绍了各种厌氧发酵方法的技术特点，并对国内常用的厌氧发酵消化器的技术参数及优缺点进行对比。以某生物质项目为例，通过在该生物质项目中对比湿法、干法厌氧发酵技术，以及高温、中温及常温厌氧发酵的主要特点，确定项目的厌氧发酵方式，为生物质厌氧发酵项目的推广应用提供经验参考。

关键词：生物质;厌氧发酵;湿法厌氧发酵;干法厌氧发酵;厌氧发酵温度

中图分类号：S216.4文献标识码：A文章编号：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 我国厌氧消化工程发展现状

厌氧消化工艺是一项垃圾生物处理技术[1]。在我国，该技术研发与工程建设自20世纪70年代至今已有40多年的历程。就全球整体发展水平来看，技术层面比较成熟，应用已相当广泛。2000年，欧洲固体垃圾厌氧处理已达100万t/a，占处理总量的25%，且有逐年上升的趋势。我国是一个推进厌氧消化工程技术建设的大国[2]，但目前，我国在厌氧消化工程应用方面仍处于刚刚起步的阶段，在技术和装备等方面都急待提升。

2 厌氧发酵方法的技术特点

厌氧发酵根据厌氧消化液干物质的浓度可分为湿式消化和干式消化两种。

湿式消化是厌氧消化料液的干物质浓度控制在10%以下的消化方式，在厌氧消化启动时，加入大量的水或新鲜粪污调节料液浓度。

干式消化，又称为固体消化，其原料干物质含量在15%左右，水分含量占85%。在生产过程中，如果干物质含量超过20%，则产气量会明显下降，干厌氧消化用水量少。

國内外常用的厌氧消化器主要有几下几种，技术特点如下。

全混合式消化器，即完全混合厌氧反应器（Continual Stir Tank Reactor，CSTR），是在常规反应器内安装搅拌装置，使厌氧消化料和微生物处于完全混合状态。与常规消化器相比，其活性区域遍布整个反应器，因此，微生物与原料充分接触，整个投料容积都是有效容积。

上流式厌氧污泥床反应器（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，UASB）由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，污泥具有良好的沉淀性能和凝聚性能，在底部反应区形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入，与污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化成沼气[3]。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中不断合并形成较大气泡。在泥污床上部，由于沼气的搅动，形成一个较稀薄的污泥，和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室的沼气用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内并积累大量的污泥，与污泥分离后的处理水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

塞流式（High Concentration Plug Flow，HCF）反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体消化原料从一端进入，从另一端排出，原料在消化器的流动呈活塞式推移状态。在进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。由于进料端缺乏接种物，所以要进行污泥回流[4]。为了减少微生物的冲击，在消化器内应设置挡板，有利于保证运行的稳定性。

升流式固体反应器（Upflow Solid Reactor，USR）结构简单，原料从底部进入消化器，消化器内不需要安置三相分离器，不需要污泥回流，也不需要完全混合式消化器里的搅拌装置。未消化的生物质固体颗粒和厌氧消化微生物，依靠被动沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部排出，这样就可以得到比水力停留时间（Hydraulic Retention Time，HRT）高很多的平均细胞停留时间（Sludge Retention Time，SRT）和微生物滞留期 （Mean Retention Time，MRT），从而提高固体有机物的分解率和消化器的效率。

3 某生物质厌氧发酵项目应用

3.1 项目简介

为保证生物质厌氧发酵项目日常生产运行，所需要原料为牛粪，其特性如表1所示。

牛粪由运输半径15 km范围内的规模化养殖场或养殖户供应，按照15 km范围内的全年牛的数量最大存栏量11.64万头计，最小存栏量以40%计，牛粪含固率以20%计，全年可产干物质5.84万t，项目牛粪需求量和此种情况下的干物质量比值为71%，可满足项目生产需求的牛粪量。

牛粪经过预处理后与回流沼液混合增温后由螺杆泵送至粪污厌氧发酵罐。

3.2 厌氧工艺比选

3.2.1 湿法、干法发酵工艺比选。湿法厌氧发酵是以固体有机废物（含固率5%～15%）为原料的沼气发酵工艺;干法厌氧发酵是以固体有机废物（含固率20%～40%）为原料，几乎或没有自由流动的条件下进行的沼气发酵工艺。两种发酵工艺的比较如表2所示。

湿法厌氧发酵工艺在国内技术成熟，在厌氧发酵过程中得到广泛应用，尤其适用于进料浓度相对较低的物料。干法厌氧发酵工艺容积产气率高，运行过程稳定，但目前在国内的推广和应用过程中仍然出现很多问题，例如，氨毒性问题导致产气不畅、反应罐内分层、物料输送管道堵塞、反应罐出料堵塞等各类问题，且投资较高，故生物质厌氧发酵项目应用推荐采用湿法厌氧发酵工艺。

3.2.2 湿法工艺比选。目前，国内外常用的湿法厌氧发酵工艺主要为CSTR、UASB、HCF 、USR。对比分析见表3。

经过对比分析可知，USR工艺作为较成熟的工艺，尤其适用于气温适中地区养猪场粪污处理和集中供气沼气工程[5]，在高寒地区冬季运行经济效益不佳;HCF工艺适用于各类小型粪污处理沼气工程，有较广阔的应用空间;UASB工艺适用于养猪场的污水处理能源环保型沼气工程，应用范围较窄;应用范围广、适应性强，效益高的工艺是CSTR工艺。因此，生物质厌氧发酵项目中厌氧发酵工艺推荐选择CSTR湿式发酵。

3.2.3 厌氧发酵温度比选。根据厌氧菌的生活形态和温度适应性，目前厌氧消化有常温（15～25 ℃）、中温（35～38 ℃）和高温（55～57 ℃）三种消化形式。常温、中温和高温厌氧消化的比较分析详见表4。

根据表4分析结果，并结合本项目原料特点，为减少运行费用，保证运行更加稳定，生物质厌氧发酵项目推荐采用中温厌氧发酵。

3.3 结论

通过上述几种厌氧工艺比选，筛选，生物质厌氧发酵项目中厌氧发酵工艺推荐选择CSTR湿式中温发酵。

4 结语

随着不可再生资源的日益枯竭，沼氣作为高效清洁的可再生能源越来越受到人们的重视。利用生物质固体有机物作为原料进行厌氧发酵，可以将废弃的生物质资源转变为清洁能源，不仅能改善环境污染问题，同时还能解决能源匮乏问题。本文通过实际生物质项目，对厌氧发酵工艺进行比选，最终比选出生物质厌氧发酵项目最适合的工艺方法为CSTR湿式中温发酵，为厌氧发酵技术的进一步推广应用提供技术参考。

参考文献：

[1]袁振宏.生物质能高效利用技术[M].北京：化学工业出版社，2015：23.

[2]刘荣厚.生物质能工程[M].北京：化学工业出版社，2009：48.

[3]孙金世，李世峰，白顺果，等.生物质资源厌氧消化系统工程规划设计与厌氧消化物综合利用[M].北京：中国农业出版社，2016：75.

[4]杜婷婷，云斯宁，朱江，等.生物质废弃物厌氧发酵的研究进展[J].中国沼气，2016（2）：48-54.

[5]管志云，邵敏，刘玉坤，等.畜禽粪便厌氧发酵技术分析[J].今日畜牧兽医，2018（11）：60，59.