第1卷第4期 河北科技大学学报 Vol.41.No.4 2020年8月 Journal of Hebei University of Science and Technology Aug.2020 文章编号：1008-1542(2020)040365-09 农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展 陈润璐12，李再兴1，冯晶2，姚宗路3，罗娟2，赵立欣 (1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018：2.农业农村部规划设计研究院，北京 100125:3.中国农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所，北京100081) 摘要：中国是农业大国，农业废弃物产生量逐年增加，但资源化利用率较低。厌氧干发酵技术主 要用于处理总国形物质含量在20%一40%（质量分数）之间的国态有机物，是农业废弃物资源化利 用的有效途径，具有用水量少、容积产气率高等优点。由于较高的含固率，厌氧干发酵技术还存在 反应器启动慢，物科搅排困难，传热传质差等问题。厌氧干发酵装置的创新与工艺参数的优化直接 美系到孩技求的讲一步报广与点用消讨比较盘型的序批式和连姓成厌甄千发酵反应器的话行持 点，分析主要工艺参数对厌氧干发酵运行过程的影响，综迷了近年来国内外厌氧干发酵技术的研 和应用现状，提出了当前厌氧千发酵技术存在的不足，并在技术装备和工艺研究方面对该技术未来 的发展趋势进行了展望：开发厌氧千发酵装置中关键环节的设计方法：开展沼渣流变特性、微生物 动杰事化等深层次规理方而的研究 关键词：体污染防治工程：农业废弃物：厌氧干发酵：反应器：工艺参数 中图分类号：X713 文献标识码：A doi:10.7535/hbkd.2020yx040010 Research progress in anaerobic dry fermentation of agricultural waste CHEN Runlu',LI Zaixing',FENG Jing?,YAO Zonglu',LUO Juan,ZHAO Lixin (1.School of Environmental Science and Engineering.Hebei University of Science and Technology.Shijiazhuang Hebei 050018,China:2.Academy of Agricultural Planning and Engineering.MARA.Beijing 100125.China:3.Institute of Environ- ment and Sustainable Development in Agricultural.CAAS.Beijing 100081.China) Abstract:china is a maior agricultural country,and the production of agricultural waste is increasing year by year.however. the utilization rate of resoueis st low.Anaerobie dry fermentation technology is mainly used to treat solid organic matter with a totl solid content of 2040%().It is an effective way to recycle agricultural waste resources,which has the ad- vantages of low water consumption and high volumetrie gas production rate.Due to the high solid content,there are still some 收将日期：2020-03-03：修回日期：2020-07-24：责任编纸：主司 基金项日：河北省重点研发计划项日(18273811D) 技术研究进展门河北科 University of Science and Technology,2020,41(4):365-373
第41卷第4期 河 北 科 技 大 学 学 报 Vol.41,No.4 2020年8月 JournalofHebeiUniversityofScienceandTechnology Aug.2020 文章编号:1008-1542(2020)04-0365-09 农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展 陈润璐1,2,李再兴1,冯 晶2,姚宗路3,罗 娟2,赵立欣3 (1.河北科技大学环境科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.农业农村部规划设计研究院,北京 100125;3.中国农业科学研究院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081) 摘 要:中国是农业大国,农业废弃物产生量逐年增加,但资源化利用率较低。厌氧干发酵技术主 要用于处理总固形物质含量在20%~40%(质量分数)之间的固态有机物,是农业废弃物资源化利 用的有效途径,具有用水量少、容积产气率高等优点。由于较高的含固率,厌氧干发酵技术还存在 反应器启动慢、物料搅拌困难、传热传质差等问题。厌氧干发酵装置的创新与工艺参数的优化直接 关系到该技术的进一步推广与应用。通过比较典型的序批式和连续式厌氧干发酵反应器的运行特 点,分析主要工艺参数对厌氧干发酵运行过程的影响,综述了近年来国内外厌氧干发酵技术的研究 和应用现状,提出了当前厌氧干发酵技术存在的不足,并在技术装备和工艺研究方面对该技术未来 的发展趋势进行了展望:开发厌氧干发酵装置中关键环节的设计方法;开展沼渣流变特性、微生物 动态变化等深层次机理方面的研究。 关键词:固体污染防治工程;农业废弃物;厌氧干发酵;反应器;工艺参数 中图分类号:X713 文献标识码:A doi:10.7535/hbkd.2020yx040010 收稿日期:2020-03-03;修回日期:2020-07-24;责任编辑:王淑霞 基金项目:河北省重点研发计划项目(18273811D) 第一作者简介:陈润璐(1996—),女,河北衡水人,硕士研究生,主要从事清洁生产与固体废物资源化方面的研究。 通讯作者:冯 晶高级工程师。E-mail:fengjing0204@sina.com 陈润璐,李再兴,冯晶,等.农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展[J].河北科技大学学报,2020,41(4):365-373. CHENRunlu,LIZaixing,FENGJing,etal.Researchprogressinanaerobicdryfermentationofagriculturalwaste[J].JournalofHebei UniversityofScienceandTechnology,2020,41(4):365-373. Researchprogressinanaerobicdryfermentationof agriculturalwaste CHENRunlu1,2,LIZaixing 1,FENGJing 2,YAOZonglu3,LUOJuan2,ZHAOLixin3 (1.SchoolofEnvironmentalScienceand Engineering,HebeiUniversityofScienceand Technology,Shijiazhuang,Hebei 050018,China;2.AcademyofAgriculturalPlanningandEngineering,MARA,Beijing100125,China;3.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgricultural,CAAS,Beijing100081,China) Abstract:Chinaisamajoragriculturalcountry,andtheproductionofagriculturalwasteisincreasingyearbyyear.However, theutilizationrateofresourcesisstilllow.Anaerobicdryfermentationtechnologyismainlyusedtotreatsolidorganicmatter withatotalsolidcontentof20%~40%(wt).Itisaneffectivewaytorecycleagriculturalwasteresources,whichhastheadvantagesoflowwaterconsumptionandhighvolumetricgasproductionrate.Duetothehighsolidcontent,therearestillsome
366 河北科技大学学报 2020年 problems in the anaerobic dry fermentation technology.such as slower reactor start-up.difficulty in mixing materials,and efore.the inno were analyzed.The shortcomings of the curre were prese ed.and the future development trend of the technology was prospected in terms of technical equipment and which is to develop design methods for key links in anaerobie dry fermentation equipment,and to carry out in-depth research or mechanisms,such as biogas residue rheological properties and microbial dynamic changes.etc. Keywords:solid pollution conro project:agricultural wastes anaerobic dry fermentation:reactor:process parameter 近年来，中国农作物秸秆和畜禽粪便等农业废弃物的产量不嘶增加。调查结果显示，2015年，中国主要 农作物秸秆理论资源量达到1.04×10°1，可收集资源量为9×10t,可利用量为7.2×10°)，禽畜粪污产量 高达3,8×10“：。由于不适当的处理利用方式，不仅浪费农业废弃物资源，还导致了面源污染的问题。利 用农业废弃物厌氧发酵生产沿气具有费用低、技术成熟，能量回收率高等优点，广泛应用于农业废弃物的资 源化利用 根据发膝底物总周形物质(TS)含量的不同，厌氧发酵可分为厌氢湿发酵和厌氧干发酵。厌氧湿发酵中 TS含量一般小于10%，原料呈液态。德国等沼气产业发展较为成熟的国家，沼气工程中大多采用厌氧湿 发酵技术，应用率约为90%司。目前，中国规模化沼气工程中也普遍采用厌氧湿发酵技术，尤其是全混式厌 氧发酵技术回。然而，采用厌氧湿发酵技术处理粪污会产生大量沼液，需要消纳大量耕地，施用不当还会造 成二次污染)。随着工程规模逐渐增大，向题愈发严重，沼液消纳向题已经成为制约湿法厌氧发酵技术进 步推广应用的瓶颈。此外，厌氧湿发酵技术还存在后续处理困难、反应器占地面积大、运行费用高等问题) 厌氧干发酵技术发酵底物的TS含量为20%一40%)，原料呈周态。厌氧干发酵弥补了厌氧湿发酵用水 大、沼液处理困难、后续处理费用高等缺点，具有原料处理量大、容积产气率高等优点。郑盼等四的研究 表明，以猪粪为原料进行厌氧干发酵，其产气率较厌氧湿发酵提升22.10%，且产气时间更长。近年来，欧洲 新建沼气工程的60%采用厌氧干发酵技术，占欧洲沼气工程总数量的9%。日前，中国规模化养殖场广泛应 用干清粪工艺，固体粪便产量增多，为厌氧干发酵技术的应用创造了良好环境。 根据反应器运转方式的不同，厌氧干发酵技术主要分为序批式和连续式2种。序批式是将物料一次性 加入，发酵过程不再添加新物料，待发酵结束后，排出残余物再重新投料发醇。该技术设计简单、易于控制， 对粗大杂质适应能力强。连续式是从反应器启动以后，每天连续定量地向发醇罐内添加新物料并排出沼渣 沼液，实现反应器的连续运行，具有产气连续稳定、容积产气率高、干物质降解率高、处理量大等优势。受 反应器运行方式和地域温差的影响，连续厌氧干发酵技术更适用于中国华北和西北地区，这些地区温度较 高、温差较小，降水量较少，且农作物较多，适合一年四季连续运行，实现稳定生产。 本文通过分析比较近年来国内外利用厌氧干发酵技术处理农业废弃物的研究进展和工程实例，综述了 厌氧干发酵过程中原料预处理、原料性质，接种物、温度、停留时间，搅拌等工艺条件对运行效果的影响，分析 目前厌氧干发酵关键装置设计方法以及深层次机理方面存在的问顺，为讲一步优化厌氧干发整技术提供依 据和支撑。 1厌氧干发酵反应器的研究现状 1,】国外厌氧干发酵反应器的研究现状 目前，国外对于厌氧干发酵技术的研究较为成熟，已有较多商业化应用，并取得了良好的运行效果。比 较成熟的工艺有比利时Dranco工艺、法国Valorga工艺，瑞典Kompogas工艺、德国Bioferm工艺，德国 1 oock TNS工艺等o,典型的厌氧干发酵工艺过程如图1所示，特征参数如表1所示。从表1可以看出，几
河 北 科 技 大 学 学 报 2020年 problemsintheanaerobicdryfermentationtechnology,suchasslowerreactorstart-up,difficultyin mixing materials,and poorheatandmasstransfer.Therefore,theinnovationofanaerobicdryfermentationequipmentandoptimizationofprocessparameterswilldirectlyaffectthefurtherpromotionandapplicationofthistechnology.Theresearchandapplicationstatusofanaerobicdryfermentationtechnologyathomeandabroadinrecentyearsweresummarized,theoperatingcharacteristicsoftypicalbatchandcontinuousanaerobicdryfermentationreactorswerecompared,andtheeffectsofmainprocessparametersonanaerobicdryfermentationwereanalyzed.Theshortcomingsofthecurrentanaerobicdryfermentationtechnologywerepresented,andthefuturedevelopmenttrendofthetechnologywasprospectedintermsoftechnicalequipmentandprocessresearch, whichistodevelopdesignmethodsforkeylinksinanaerobicdryfermentationequipment,andtocarryoutin-depthresearchon mechanisms,suchasbiogasresiduerheologicalpropertiesandmicrobialdynamicchanges,etc. Keywords:solidpollutioncontrolproject;agriculturalwastes;anaerobicdryfermentation;reactor;processparameter 近年来,中国农作物秸秆和畜禽粪便等农业废弃物的产量不断增加。调查结果显示,2015年,中国主要 农作物秸秆理论资源量达到1.04×109t,可收集资源量为9×109t,可利用量为7.2×109t [1],禽畜粪污产量 高达3.8×1010t [2]。由于不适当的处理利用方式,不仅浪费农业废弃物资源,还导致了面源污染的问题。利 用农业废弃物厌氧发酵生产沼气具有费用低、技术成熟、能量回收率高等优点,广泛应用于农业废弃物的资 源化利用[3]。 根据发酵底物总固形物质(TS)含量的不同,厌氧发酵可分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵。厌氧湿发酵中 TS含量一般小于10% [4],原料呈液态。德国等沼气产业发展较为成熟的国家,沼气工程中大多采用厌氧湿 发酵技术,应用率约为90% [5]。目前,中国规模化沼气工程中也普遍采用厌氧湿发酵技术,尤其是全混式厌 氧发酵技术[6]。然而,采用厌氧湿发酵技术处理粪污会产生大量沼液,需要消纳大量耕地,施用不当还会造 成二次污染[7]。随着工程规模逐渐增大,问题愈发严重,沼液消纳问题已经成为制约湿法厌氧发酵技术进一 步推广应用的瓶颈。此外,厌氧湿发酵技术还存在后续处理困难、反应器占地面积大、运行费用高等问题[8]。 厌氧干发酵技术发酵底物的 TS含量为20%~40% [9],原料呈固态。厌氧干发酵弥补了厌氧湿发酵用水量 大、沼液处理困难、后续处理费用高等缺点,具有原料处理量大、容积产气率高等优点[10]。郑盼等[11]的研究 表明,以猪粪为原料进行厌氧干发酵,其产气率较厌氧湿发酵提升22.10%,且产气时间更长。近年来,欧洲 新建沼气工程的60%采用厌氧干发酵技术,占欧洲沼气工程总数量的9%。目前,中国规模化养殖场广泛应 用干清粪工艺,固体粪便产量增多,为厌氧干发酵技术的应用创造了良好环境。 根据反应器运转方式的不同,厌氧干发酵技术主要分为序批式和连续式2种。序批式是将物料一次性 加入,发酵过程不再添加新物料,待发酵结束后,排出残余物再重新投料发酵。该技术设计简单、易于控制, 对粗大杂质适应能力强。连续式是从反应器启动以后,每天连续定量地向发酵罐内添加新物料并排出沼渣 沼液,实现反应器的连续运行,具有产气连续稳定、容积产气率高、干物质降解率高、处理量大等优势[12]。受 反应器运行方式和地域温差的影响,连续厌氧干发酵技术更适用于中国华北和西北地区,这些地区温度较 高、温差较小,降水量较少,且农作物较多,适合一年四季连续运行,实现稳定生产。 本文通过分析比较近年来国内外利用厌氧干发酵技术处理农业废弃物的研究进展和工程实例,综述了 厌氧干发酵过程中原料预处理、原料性质、接种物、温度、停留时间、搅拌等工艺条件对运行效果的影响,分析 目前厌氧干发酵关键装置设计方法以及深层次机理方面存在的问题,为进一步优化厌氧干发酵技术提供依 据和支撑。 1 厌氧干发酵反应器的研究现状 1.1 国外厌氧干发酵反应器的研究现状 目前,国外对于厌氧干发酵技术的研究较为成熟,已有较多商业化应用,并取得了良好的运行效果。比 较成熟的工艺有比利时 Dranco工艺、法国 Valorga工艺、瑞典 Kompogas工艺、德国 Bioferm 工艺、德国 LoockTNS工艺等[6],典型的厌氧干发酵工艺过程如图1所示,特征参数如表1所示。从表1可以看出,几 366
第4期 陈润，等：农业废弃物厌氧干发醇技术研究进展 367 种工艺都适用于较高含周末物料在较高温度下的发酵，且部分发酵剩余物可作为接种物回流到反应器进行 次发酵。但国外开发的厌氧干发酵工艺多用于城市生活垃圾的处理，用于处理桔杆畜禽粪便等农业废弃 物的报道较少四。 气 接种物环 发利会物一 )Dranco工艺 e）Kompogas T.艺 图1国外典型厌氧千发酵工艺回 Fig.Typical anaerobic dry fermentation process at abo 表1国外典型厌氧千发酵工艺特征参数比较问 Tab.I Compriso of characteristic parameters of typical anerobie dry fermentation procebro 工艺话用下)/德醒时招气产量处理想 工 优点 块点 发形利拿物占用反应器比利时Bel 12000 的体，限制人到反应 Dranco高15-4020 100-200 2000 留时间：不产生浮和沉 降：产生的废水量少：工 器的原料数量限制系统Villeneuve处 艺灵活 厂等 用水量少，产气中甲烷 Valorga中.高温25-3518-2580-160 16000 能量清花多：产生浮酒 留气的第 che 92000 趾理 操作简单：用水量少， 苏黎世O1elin K0 npogas高232815-20100-180 5000- 气率高，产气过程稳定 产物合水率高，需设计 10000 物可用作有机，用 处r等 有机废弃物的处 12国内厌氧干发酵反应器的研究现状 目前，中国设计的反应器类型主要有推流式、立式，卧式、车库式、覆膜槽式等。这几种反应器的运行特 点及存在问题如表2所示。在研究方面，农业农村部规划设计研究院设计了横推流式连续厌氧干发酵装置， 初步建立了横推流式连续厌氧干发酵装备设计选型方法，并试制了中试装置。利用上述装置，冯品等四采 用秸秆和牛粪混合原料启动反应器，连续调试运行结果表明，中温条件下混合原料降解率可达40%以上 在工程应用方面，中国硅设的厌氧干发酵工程主要应用于农作物秸秆和畜禽粪便处理，以引进整套国外技术 装备，建设大规模的集中处理工程为主，如表3所示。中国对厌氧干发酵技术的研究起步较晚，技术水平与 国外有较大差距，国内自主知识产权成套技术装各的应用案例较少
第4期 陈润璐,等:农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展 种工艺都适用于较高含固率物料在较高温度下的发酵,且部分发酵剩余物可作为接种物回流到反应器进行 二次发酵。但国外开发的厌氧干发酵工艺多用于城市生活垃圾的处理,用于处理桔杆畜禽粪便等农业废弃 物的报道较少[12]。 发酵剩余物 接种物循环 沼气 进料 进 入 沼 气 发酵剩余物 进料 沼气 发酵剩余物 进料 混合 发酵 沼气 a） Dranco 工艺 b） Valorga 工艺 c） Kompogas 工艺 图1 国外典型厌氧干发酵工艺[2] Fig.1 Typicalanaerobicdryfermentationprocessatabroad [2] 表1 国外典型厌氧干发酵工艺特征参数比较[13-15] Tab.1 Comparisonofcharacteristicparametersoftypicalanaerobicdryfermentationprocessesatabroad [13-15] 工艺 类型 适用 温度 w(TS)/ % 停留时 间/d 沼气产量/ (m3·t-1) 处理规模/ (t·a-1) 优点 缺点 工程 案例 Dranco 高温 15~40 20 100~200 12000~ 20000 不需要搅拌装置;剩余物 可作为接种物,延长了停 留时间;不产生浮渣和沉 降;产 生 的 废 水 量 少;工 艺灵活 发酵剩 余 物 占 用 反 应 器 的体积,限制进入到反应 器的原料数量、限制系统 效率 比 利 时 Brecht、 瑞 士 Aerberg, Villeneuve 处 理 厂等 Valorga 中、高温25~35 18~25 80~160 16000~ 92000 用水量少,产气中甲烷含 量高;可应用于各种类型 生活垃圾的处理,工艺灵 活 能量 消 耗 多;产 生 浮 渣, 罐底喷 射 沼 气 的 喷 嘴 容 易被堵塞 法国 Amiens、德 国 Engelskirchen 处理厂等 Kompogas 高温 23~28 15~20 100~180 5000~ 10000 操作 简 单;用 水 量 少,产 气率 高,产 气 过 程 稳 定; 产物可用作有机肥,用于 有机废弃物的处理 产物含水率高,需设计脱 水系统;建造费用高 苏 黎 世 Otelfingen, Kompogas 处理厂等 1.2 国内厌氧干发酵反应器的研究现状 目前,中国设计的反应器类型主要有推流式、立式、卧式、车库式、覆膜槽式等。这几种反应器的运行特 点及存在问题如表2所示。在研究方面,农业农村部规划设计研究院设计了横推流式连续厌氧干发酵装置, 初步建立了横推流式连续厌氧干发酵装备设计选型方法,并试制了中试装置。利用上述装置,冯晶等[12]采 用秸秆和牛粪混合原料启动反应器,连续调试运行结果表明,中温条件下混合原料降解率可达40%以上。 在工程应用方面,中国建设的厌氧干发酵工程主要应用于农作物秸秆和畜禽粪便处理,以引进整套国外技术 装备、建设大规模的集中处理工程为主,如表3所示。中国对厌氧干发酵技术的研究起步较晚,技术水平与 国外有较大差距,国内自主知识产权成套技术装备的应用案例较少。 367
368 河北科技大学学报 2020年 表2国内典型厌氧干发酵装置的比较 Tab.2 Comparison of anaerobic dry fermentation plants in China 反应器类型有效容积/m 特点 存在问题 参考文献编号 上推流式 原料由底部进人，部侧面出料，解决了发过程中复制和 反应器不能 料雄等问题 顺利出料 横推流式 180 用铲式搅拌叶片，达到了均匀拌和有序输的日的，实观 反应器内 [12 了莲候进出料和色定莲续产气 传热传质 15 只用于工艺试验研究 有市场应用 和输 卧式 7.96 [18 了原钩处理与厌氧罗一体化作业短式：用大德 车库式 210 锅护偶合加热据合增围系统，使肉温度保特在30一38℃之 只用于工艺试验研究 覆右市多应用 [19 间：溜液喷淋系绕增加了传质传热效果。 采用“软管充气膨底压力帝封联接装置“，解决了大规模快速进 覆酸精式 180 出料的问要，利用好氧发醒产生的生物能，可表得中湿发降所 缺乏工程应用案例 害翟度：采用单元化设计，可调足不问用气量的要求， 表3典型工案倒的对比分析 Tab.3 Comparative analysis of typical engincering case 废弃物类型 工程、项日名称 工艺类型 处理规模/八t·d) 效益 北临精秆招气工程 芬兰的BioGTS 处理秸100一150 生物天然气产量为1.5×10m/d,有 机肥年产量1.7×10， 河北沧县农业发东物综合利用芬兰的oGTS 生物天然气年产量8.5X10m3,优厨 农作物精秆 处理秸秆约137 生产天然气项目 技术 固，液有机肥料年产量3.5×1031， 黑龙江甘南大型精 统卧式干法因 处理秸130，牛粪生物天然气2×10m/,沼160 蹈气工程 氧发酵沿气池 0-20 L,风干后作为有机里基料 南高套便。 山东肥城高高污染物治理与综DANAS干式 处理高高英污、枯轩溜气产量1.1×10+m/d.沼液产量80 秸杆 合利用项日 厌氧发酵系统 100-150 m3/d,有机肥产量20t/d. 2厌氧干发酵工艺条件对运行的影响 2.1原料预处理 秸秆的主要成分为难降解的纤维素、半纤维素和木质素等，对其进行预处理可以破坏精秆内部的组织结 构，提高秸秆的降解性能和产气性能。原料预处理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理等。CHU 等[]，MULLER等分别应用超声波和机械破碎的物理方法对发酵原料进行预处理：LOPEZ等四、崔凤 杰等四、罗立娜等[分别应用Ca(OH)2,NaOH和尿素氨化的化学方法对原料进行预处理：黄开明等 李伟)分别应用复合微生物菌系HK-4和沼液堆沤的生物方法对原料进行预处理。ESPOSITO等[]对发 酵原料粒径进行了研究，得出结论：粒径越大，甲烷的产率越低。KIM等对颗粒大小的研究也表明，颗粒 尺寸与厌氧微生物的最大底物利用率成反比。由此看出，研、粉碎等预处理可减小原料粒径，更有利于发 酵原料混合均匀，提高产气率。 2.2原料性质 调节原料混配比例可以显著改善原料理化特性和营养成分，进而对厌氧发酵过程产生影响。目前已有 大量关于原料配比对厌氧发酵产气效果影响的研究报道 般认为，碳氨比调节在25%一30%的范围内最
河 北 科 技 大 学 学 报 2020年 表2 国内典型厌氧干发酵装置的比较 Tab.2 ComparisonofcontinuousanaerobicdryfermentationplantsinChina 反应器类型 有效容积/m3 特点 存在问题 参考文献编号 上推流式 4.5 原料由底部进入、顶部侧面出料,解决了发酵过程中氨抑制和 出料难等问题。 反应器不能 顺利出料 [16] 横推流式 180 采用铲式搅拌叶片,达到了均匀搅拌和有序输送的目的,实现 了连续进出料和稳定连续产气。 反应器内部 传热传质差 [12] 立式 1.5 减少了沼液的产生和热量损失;多点进料方式使布料更均匀; 熟料回流量大,减轻了局部物料堆积。 只用于工艺试验研究, 没有市场应用 [17] 卧式 7.96 对原料进行预热和搅拌处理,有利于物料的升温和输送;螺旋 桨叶轴机械搅拌装置,解决了出料难和沼气释放受抑制等难 题,实现了连续产气。 缺乏对反应器工艺 调控的研究 [18] 车库式 210 实现了原料预处理与厌氧发酵一体化作业模式;采用太阳能与 锅炉耦合加热耦合增温系统,使库内温度保持在30~38 ℃之 间;沼液喷淋系统增加了传质传热效果。 只用于工艺试验研究, 没有市场应用 [19] 覆膜槽式 180 采用“软管充气膨胀压力密封联接装置”,解决了大规模快速进 出料的问题;利用好氧发酵产生的生物能,可获得中温发酵所 需温度;采用单元化设计,可满足不同用气量的要求。 缺乏工程应用案例 [7] 表3 典型工程案例的对比分析 Tab.3 Comparativeanalysisoftypicalengineeringcases 废弃物类型 工程、项目名称 工艺类型 处理规模/(t·d-1) 效益 河北临漳秸秆沼气工程 芬兰的 BioGTS 技术 处理秸秆100~150 生物天然气产量为1.5×104 m3/d,有 机肥年产量1.7×106t。 农作物秸秆 河北沧县农 业 废 弃 物 综 合 利 用 生产天然气项目 芬兰的 BioGTS 技术 处理秸秆约137 生物天然气年产量8.5×106 m3,优质 固、液有机肥料年产量3.5×105t。 黑龙江甘南大型秸秆 沼气工程 连续卧式干法厌 氧发酵沼气池 处理 秸 秆 130,牛 粪 10~20 生物天然气2×104 m3/d,沼渣160t/ d,风干后作为有机肥基料。 畜禽粪便、 秸秆 山东肥城畜 禽 污 染 物 治 理 与 综 合利用项目 DANAS干式 厌氧发酵系统 处理畜禽粪污、秸秆 100~150 沼气产量1.1×104 m3/d,沼液产量80 m3/d,有机肥产量20t/d。 2 厌氧干发酵工艺条件对运行的影响 2.1 原料预处理 秸秆的主要成分为难降解的纤维素、半纤维素和木质素等,对其进行预处理可以破坏秸秆内部的组织结 构,提高秸秆的降解性能和产气性能。原料预处理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理等。CHU 等[20],MULLER等[21]分别应用超声波和机械破碎的物理方法对发酵原料进行预处理;LPEZ等[22]、崔凤 杰等[23]、罗立娜等[24]分别应用 Ca(OH)2,NaOH 和尿素氨化的化学方法对原料进行预处理;黄开明等[25]、 李伟[26]分别应用复合微生物菌系 HK-4和沼液堆沤的生物方法对原料进行预处理。ESPOSITO 等[27]对发 酵原料粒径进行了研究,得出结论:粒径越大,甲烷的产率越低。KIM 等[28]对颗粒大小的研究也表明,颗粒 尺寸与厌氧微生物的最大底物利用率成反比。由此看出,研磨、粉碎等预处理可减小原料粒径,更有利于发 酵原料混合均匀,提高产气率。 2.2 原料性质 调节原料混配比例可以显著改善原料理化特性和营养成分,进而对厌氧发酵过程产生影响。目前已有 大量关于原料配比对厌氧发酵产气效果影响的研究报道。一般认为,碳氮比调节在25%~30%的范围内最 368
第4期 陈润路，等：农业废弃物厌氧干发醇技术研究进展 369 优[】。不同类型原料粒径、黏度等物理特性差异较大，原料混配将显著改变原料的流变特性，影响物料连续 厌氧干发酵密封进出料，物料搅拌，传质、传热等过程。尹伟齐等[认为进行物料流变特性的研究可以为研 究物料在发酵过程中的流动行为奠定基础，同时也可以为反应器的设计和优化提供依据和支撑。刘刈等 研究了6种厌氧发醉原料的流变特性，研究结果表明，随着厌氧发酵的进行，鸭粪的黏度下降，而猪粪、羊粪 和牛卷的黏度上升，鸡粪与兔卷的黏度变化不明显。刘刚金[可的研究结果表明，猪粪干发酵物料的流动性 与物料的周体浓度、有机物比例以及物料种类、配比有关 2.3接种物 接种物的来源和接种量（接种物占发酵总原料的比例）对厌氧发酵的启动周期、物料停留时间产气 性能以及发酵过程中pH值、V℉A和COD等均具有显著影响[。厌氧发酵接种物可选用厌氧污泥、新 鲜沼渣等，接种物添加量为发酵料液的10%~15%)。而厌氧干发酵过程中发酵物料含固率较高，对接 种量具有更高的要求[四，需要加大接种量实现快速启动，增加了运行成本。不同原料的最适接种量不 同，李金平等的研究表明，当接种污泥与牛粪玉米秸秆混合时，接种量为40%时，整个厌氧发酵阶段 (38d)累计产气量最高，为207.46L,甲烷平均含量52.2%：与牛卷甘蓝叶混合时，接种量为30%时，整个 厌氧发酵阶段(38d)累计产气量最高，为159.96L,甲烷平均含量47.8%。目前对于接种物的研究主要 集中在对接种物种类和接种量的优化方面，且研究较为成熟。但对接种方式以及接种物活性方面的研究 较少，而这些方面都可能会影响接种质量，从而影响系统的产气性能。 2.4温度 温度会显若影响产甲烷菌的生长与动力学速率，进而影响产气效果。厌氧干发酵可以在一个较广泛的 温度范国(4一65℃)内运行，但大量研究数据表明，中温和高温条件都更有利于厌氧发酵的进行。中温下运 行是指反应器内的温度在25~40℃之间，优化值为35℃。MASSE等[)认为在20一35℃范围内，产甲烷 活性随温度升高而增加。相比于高温运行，中温条件下运行的热需求较低，且由于种群的多样性，使得运行 更稳定。高温下运行是指反应器内温度高于50℃，典型的高温运行温度为55℃。高温下运行促使微生物 群落具有对底物较高的利用率，相比于中温运行，底物的降解速度更快。如HEGDE等 报道，以蔬菜废料 和木屑为原料，在55℃时脂肪酸的降解速度比在38℃时要快，到达甲烷产率最高值的时间短。但高温运行 的热需求较大，而快速增加的V下A以及相对单一的菌群种类，使得运行稳定性降低，运行成本也会随之提 高。中温和高温厌氧消化各自具有其优缺点，但由于中温厌氧消化具有操作简便，运行稳定、对反应器系统 的运行压力及风险较小等原因，多数工程选择中温作为运行条件。 2.5停留时间(HRT) HRT是影响底物利用率的重要因素之一。研究表明，厌氧干发醇往往需要大量的接种物，因此需要 的停留时间较长(，但不同发醇原料及温度条件下的最适停留时间不同。典型中温厌氧发酵的停留时间为 2025d,高温厌氧发酵的停留时间为10一15d。WELLINGER[a发现，在中温条件下，以牛粪为原料进 行厌氧干发酵需要停留时间为12~18d,牛粪与秸秆混合为18~36d,猪粪为10~15d。受物料性质和接种 物的影响，厌氧干发酵达到稳定运行的周期很长，面大型沼气工程可能需要长达几年的时间，这会增加厌氧 干发酵的设备投人，增加运行成本。可通过培育高效厌氧干发酵菌种，缩短到达稳定的时间，从而降低运行 成本 2.6搅拌 搅拌可以使厌氧干发酵的物料混合均匀，保证较好的传热、传质效果，增强产气效果[)。由于厌氧微生 物代谢较慢，发酵过程中也会有沼气逸出起到轻微的搅拌作用，故在干发酵过程中只要求间歇或轻微搅 ,KAPARAJU等也认为，搅拌速度要适中，过快或过慢都会影响厌氧发酵效果 齐利格娃还报 道，搅拌在一定程度上影响了古菌群落的生长与代谢，搅拌周期对产甲烷速奉的影响大于搅拌强度。相比湿 法发酵，干法发酵搅拌阻力大，发酵原料混合困难，混合搅拌的性能成为影响厌氧干发酵传热传质性能的主 要因素。因此，选用的搅拌装置不仅要克服畜禽粪便等原料产生的黏性等阻力，还要达到迅速传热的目的 可以结合发酵原料流变特性和搅拌装置材质研制出适用干法发酵的搅拌装置 表4综述了近年国内外关于厌氧干发酵过程中原料混配比例，接种物、温度，停留时间和搅拌的研究 情况
第4期 陈润璐,等:农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展 优[29]。不同类型原料粒径、黏度等物理特性差异较大,原料混配将显著改变原料的流变特性,影响物料连续 厌氧干发酵密封进出料、物料搅拌、传质、传热等过程。尹伟齐等[30]认为进行物料流变特性的研究可以为研 究物料在发酵过程中的流动行为奠定基础,同时也可以为反应器的设计和优化提供依据和支撑。刘刈等[31] 研究了6 种厌氧发酵原料的流变特性,研究结果表明,随着厌氧发酵的进行,鸭粪的黏度下降,而猪粪、羊粪 和牛粪的黏度上升,鸡粪与兔粪的黏度变化不明显。刘刚金[32]的研究结果表明,猪粪干发酵物料的流动性 与物料的固体浓度、有机物比例以及物料种类、配比有关。 2.3 接种物 接种物的来源和接种量(接种物占发酵总原料的比例)对厌氧发酵的启动周期、物料停留时间、产气 性能以及发酵过程中pH 值、VFA 和 COD 等均具有显著影响[33]。厌氧发酵接种物可选用厌氧污泥、新 鲜沼渣等,接种物添加量为发酵料液的10%~15% [34]。而厌氧干发酵过程中发酵物料含固率较高,对接 种量具有更高的要求[35],需要加大接种量实现快速启动,增加了运行成本。不同原料的 最 适 接 种 量 不 同,李金平等[36]的研究表明,当接种污泥与牛粪玉米秸秆混合时,接种量为40%时,整个厌氧发酵阶段 (38d)累计产气量最高,为207.46L,甲烷平均含量52.2%;与牛粪甘蓝叶混合时,接种量为30%时,整个 厌氧发酵阶段(38d)累计产气量最高,为159.96L,甲烷平均含量47.8%。目前对于接种物的研究主要 集中在对接种物种类和接种量的优化方面,且研究较为成熟。但对接种方式以及接种物活性方面的研究 较少,而这些方面都可能会影响接种质量,从而影响系统的产气性能。 2.4 温度 温度会显著影响产甲烷菌的生长与动力学速率,进而影响产气效果。厌氧干发酵可以在一个较广泛的 温度范围(4~65 ℃)内运行,但大量研究数据表明,中温和高温条件都更有利于厌氧发酵的进行。中温下运 行是指反应器内的温度在25~40 ℃之间,优化值为35 ℃。MASSE等[37]认为在20~35 ℃范围内,产甲烷 活性随温度升高而增加。相比于高温运行,中温条件下运行的热需求较低,且由于种群的多样性,使得运行 更稳定。高温下运行是指反应器内温度高于50 ℃,典型的高温运行温度为55 ℃。高温下运行促使微生物 群落具有对底物较高的利用率,相比于中温运行,底物的降解速度更快。如 HEGDE等[38]报道,以蔬菜废料 和木屑为原料,在55℃时脂肪酸的降解速度比在38℃时要快,到达甲烷产率最高值的时间短。但高温运行 的热需求较大,而快速增加的 VFA 以及相对单一的菌群种类,使得运行稳定性降低,运行成本也会随之提 高。中温和高温厌氧消化各自具有其优缺点,但由于中温厌氧消化具有操作简便、运行稳定、对反应器系统 的运行压力及风险较小等原因,多数工程选择中温作为运行条件。 2.5 停留时间(HRT) HRT是影响底物利用率的重要因素之一[39]。研究表明,厌氧干发酵往往需要大量的接种物,因此需要 的停留时间较长[40],但不同发酵原料及温度条件下的最适停留时间不同。典型中温厌氧发酵的停留时间为 20~25d,高温厌氧发酵的停留时间为10~15d [41]。WELLINGER [42]发现,在中温条件下,以牛粪为原料进 行厌氧干发酵需要停留时间为12~18d,牛粪与秸秆混合为18~36d,猪粪为10~15d。受物料性质和接种 物的影响,厌氧干发酵达到稳定运行的周期很长,而大型沼气工程可能需要长达几年的时间,这会增加厌氧 干发酵的设备投入,增加运行成本。可通过培育高效厌氧干发酵菌种,缩短到达稳定的时间,从而降低运行 成本。 2.6 搅拌 搅拌可以使厌氧干发酵的物料混合均匀,保证较好的传热、传质效果,增强产气效果[43]。由于厌氧微生 物代谢较慢,发酵过程中也会有沼气逸出起到轻微的搅拌作用,故在干发酵过程中只要求间歇或轻微搅 拌[44]。KAPARAJU 等[45]也认为,搅拌速度要适中,过快或过慢都会影响厌氧发酵效果。齐利格娃[46]还报 道,搅拌在一定程度上影响了古菌群落的生长与代谢,搅拌周期对产甲烷速率的影响大于搅拌强度。相比湿 法发酵,干法发酵搅拌阻力大,发酵原料混合困难,混合搅拌的性能成为影响厌氧干发酵传热传质性能的主 要因素。因此,选用的搅拌装置不仅要克服畜禽粪便等原料产生的黏性等阻力,还要达到迅速传热的目的, 可以结合发酵原料流变特性和搅拌装置材质研制出适用干法发酵的搅拌装置。 表4综述了近年国内外关于厌氧干发酵过程中原料混配比例、接种物、温度、停留时间和搅拌的研究 情况。 369