沼气发酵工艺biogas fermentation technology

在厌氧条件下，通过微生物活动，处理有机废物制取沼气的技术与装备。也可称为厌氧消化工艺。由于被处理原料的性质和微生物生长繁殖所需条件的不同，沼气发酵工艺是各种各样的。随着人们对沼气发酵机理的深入研究，工艺在不断改进发展中。因发酵装置的结构和性能的不同，工艺类型分为：常规消化工艺、全混消化工艺；高效的厌氧接触工艺、厌氧滤器消化工艺、上流式污泥床厌氧消化工艺、厌氧膨胀床消化工艺、流化床厌氧消化工艺；以及两阶段厌氧消化工艺、干发酵工艺、填埋厌氧消化工艺等。
常规消化工艺 原料在加盖密封的消化器内没有搅拌呈自然沉淀状态，一般分为四层，从上到下依次为上渣层、上清液、活性层和沉渣层(图1)。在消化器中各层所占比例大小，因原料种类和浓度的不同而变化。其中微生物活动较为旺盛的场所只局限于活性层；浮渣层因缺乏足够的水分，微生物难以活动；上清液中因营养物质缺少，微生物活动微弱；沉渣层是消化过的残渣。因此，这种消化工艺，只有活性层中具有较多的营养物质和微生物，又处于常温下运转，整个消化过程发酵作用进行缓慢，效率较低。但结构简单，便于建造，投资少，物料适应性强，农户自建的较多。中国水压式沼气池，印度的哥巴沼气池，均采用常规消化工艺。水压式沼气池的夏季池温在20℃以上，负荷为1～2千克有机物/立方米·天时，产气率为0.2～0.5立方米沼气/立方米容积·天。在以禽畜粪便为原料时产气率可高一些。

图1 常规消化器示意

全混消化工艺 在消化器中设有搅拌装置使发酵料液处于完全混合状态，改变了常规消化工艺料液分层现象，使微生物的活动区遍布整个消化器，因而其消化速度比常规消化工艺有明显提高(图2)。采用该工艺常在恒温下连续投料运转，进入消化器的高浓度原料，很快与消化器内全部发酵液混合，原料被稀释，经消化后排出的料液浓度，与消化器内参与反应的料液浓度相等，因而出料过程中，发酵微生物也随之排出，增加了出料浓度，减少了消化器内微生物的数量。为了维持消化能力，微生物的排出速度不得高于微生物生长速度，即发酵原料的滞留期不能低于活性污泥的倍增时间。因此要定出合理的滞留期，并加大进料浓度。一般进料COD（化学需氧量）浓度不应小于5000毫克/升，也就是说，该工艺不适宜低浓度有机污水的处理，而适用于处理高浓度有机污水及高悬浮固体含量的有机废物，如禽畜粪便等的厌氧消化。高速消化工艺在中温情况下一般负荷为COD 2～3千克/立方米·天，高温情况下为COD 5～6千克/立方米·天。

图2全混消化器示意

厌氧接触工艺 在全混消化器的出料处增设一个沉淀槽，用以收集排料中的活性污泥，并将其回流主发酵器内(图3)。该工艺的特点是由于活性污泥的回流既延长了固体的滞留期，又可提高发酵器内活性污泥的浓度，同时还减少了出料中的固体物含量，从而提高了有机负荷和处理效率。由于有了较长的活性污泥滞留期，所以适用于浓度较低的有机废水处理。一般为COD 2000毫克/每升以上。当进料浓度较高时，发酵器也可承受较高负荷。

图3 厌氧接触工艺

厌氧滤器消化工艺 是一种采用截面菌种过滤技术的装置(图4)，消化器内填充有惰性介质，通常采用颗粒直径为25～38毫米的碎石、卵石、焦炭、煤渣、各种形状的塑料制品、陶土制品或软性纤维填料。微生物尤其是产甲烷菌，呈膜状附着于惰性介质的表面，并在介质颗粒之间的空隙里互相粘附成颗粒状或絮状物存留下来。当有机污水向上流动通过生物膜时，微生物获得营养物质和能量而生长，有机物被细菌消化而去除。滤器中填料的空隙率约占总体积的40%，随微生物生长、生物膜增厚，会导致滤器堵塞。这是该工艺存在的主要问题。污水中COD的去除率不仅与水力滞留期(HRT)有关，而且在很大程度上取决于污泥滞留期(SRT)。根据美国科学家麦卡蒂(P. L. Mecarty)等的实验结果(图5)，在一定时间范围内，在HRT不变的情况下，COD的去除率与SRT呈正相关。许多实验表明，在保持同样去除率的情况下，提高SRT可以大大缩短HRT，从而缩小消化器的体积。这种将SRT与HRT分开，使发酵器内积累尽可能多的活性污泥的做法，推动了厌氧消化技术的发展。

图4 厌氧滤器装置结构

图5 COD去除率与污泥滞留期的关系曲线

上流式污泥床厌氧消化工艺 简称UASB，是荷兰兰庭格(G. Let-tinga) 于1977年研究成功的一种厌氧消化工艺。该工艺装置结构比较简单(图6)，效率高，运转费用较低。消化器底部由浓度很高，并且具有良好沉降性能的絮状或颗粒状活性污泥形成污泥床。有机污水从反应器的下部进入污泥床并与活性污泥接触。污泥中的微生物分解有机物生成沼气，由于气泡上升的搅动作用，使发酵器上部的污泥处于悬浮状态，形成逐步稀薄的污泥悬浮层。消化器顶部安装有气、液、固三相分离器。在分离器下，首先将沼气收集经管道输走，固体与液体进入沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐步增大，在重力作用下沉降。分离器的倾角，各为50°左右， 沉淀在斜壁上的污泥， 沿着斜壁滑回发酵器内，使发酵器内积累起大量活性污泥，分离出的废水从上部溢流排出。此类发酵器的高度一般为3～6.5米。

图6 上流式厌氧污泥床

在上流式厌氧污泥床内，颗粒污泥的形成和增多对提高消化器负荷及运转稳定性均有明显作用。采用经厌氧消化后的猪粪、牛粪、污泥等残余料做接种物，均可在运转过程中形成颗粒污泥。据观察，起动运转50天后，颗粒污泥即开始形成，但颗粒直径较小，一般为400～700微米。运转100～200天后，大多数颗粒污泥的直径在1～2毫米之间，最大可达6毫米。形成颗粒污泥的条件是： ❶应供给细菌生长所需要的足够营养物质。
❷去除进料中非絮凝性或絮凝性差的悬浮固体；
❸创造有利于加速颗粒絮凝的条件，如保持一定量的钙离子浓度等。上流式厌氧污泥床与厌氧滤器，都是微生物滞留型厌氧消化工艺装置，温度和底物浓度的变化对底物消化速度的影响，不像完全混合式细菌呈分散状态影响那样大。生物膜和颗粒污泥，对温度及底物浓度的变化有较强的缓冲能力，因而使该工艺具有更大的稳定性。
膨胀床和流动床厌氧消化工艺 两者同属于附着生长型生物膜消化技术，20世纪70年代中期，美国学者朱厄尔(W.J.Jewell)等人将它们各用于污水处理。这一工艺是在消化器内填有一层像沙粒一样大小的惰性介质， 一般为焦炭、硅藻土、粉煤灰或合成材料等物料，介质颗粒直径约为0.2毫米左右。有机污水在介质空隙中自下而上穿流而过，污水上升的速度加上所产气体上升速度，足以使介质呈膨胀状态或流态化。每个介质颗粒都被生物膜所覆盖，这样使每单位体积消化器可以比悬浮生长或厌氧滤器工艺具有更大的有效表面积，能够支持更多的生物量，从而提高厌氧生物降解能力。为使消化器内的颗粒膨胀呈流态化，反应器需装循环泵提高消化液的上流速度(图7)。消化器中的载体颗粒在流体不流动时，颗粒相互接触形成“固体床”。当流体的流速很小时，流体从固定床的缝隙中穿过而床层静止不动。当流体流速加大，床层下部压力随流体速度的加快而增大。在此压力相等于单位面积床层上载体的重量时，固体颗粒的位置开始松动，空隙增加，但颗粒之间依然保持接触，床层略有膨胀， 一般为10%～20%，这时的床位便谓之膨胀床。随着流体流速的进一步加快，压力超过载体的重量，载体便完全呈悬浮状态，彼此分离并可往各个方面自由运动，即称之为流化床。流化床的体积的膨胀为30%～50%，甚至可超过100%。

图7 膨胀床和流化床工艺装置

两阶段厌氧消化工艺 这是按沼气发酵过程中水解酸化阶段和甲烷化阶段，分别于两个发酵器内进行的一种工艺。在物料产沼气的过程中，存在着水解酸化及甲烷两个阶段，这两个阶段分别由水解发酵菌群和产甲烷菌群所完成，并且两个菌群无论在营养要求、生理代谢、繁殖速度和最适环境条件等方面都有较大差异，把两个阶段分开进行将能提高厌氧消化的效率。近30年来，美国的高斯(G.Ghosh)等人一直在进行这方面的研究，并建立了若干生产装置。他所采用的处理果酒废水的两个阶段厌氧消化装置(图8)，由于水解酸化菌群繁殖较快，所以酸化发酵器体积较小，采用高速消化器适用于处理含有大量水果渣的污水。由于产甲烷菌繁殖速度较慢，甲烷化发酵器体积较大。进料为可溶性有机酸溶液，所以甲烷化发酵器采用了上流式厌氧污泥床。两阶段厌氧消化的运转数据列于下表。

果酒废水中温(35℃)两阶段处理运转数据

项目 阶段	酸 化	甲烷化	总 计
污水滞留期（天）	2.2	5.2	7.4
负荷(千克COD/米3·天)	20.5	—	6.1
出水(COD毫克/升) 总挥发酸(毫克/升) 乙醇(毫克/升) 出水pH 产气率(米3/米3·天) CH4含量(%) H2含量(%)	31 800 7 880 3 540 4.7 1.03 0.2 27.2	1 900 450 33 7.5 3.68 70.5 0.0	1 900 450 33 7.5 2.90 63.10 2.9

图8 两阶段沼气发酵工艺

干发酵工艺 以固体有机废物为原料，在少水条件下进行厌氧消化的一种工艺。1980年康奈尔大学根据美国能源部的要求首先进行了干发酵研究，用来处理农业废弃物或城市挥发性固体有机物。干发酵的干物质含量在20%左右较为适宜，干物质含量超过30%则产气量明显下降(图9)。由于干发酵时水分少，所生成的挥发酸得不到稀释，挥发酸的积累常引起pH值的严重下降，导致发酵原料酸化，沼气发酵停止。为了克服pH值的下降，常用方法有：❶加大接种物用量，使酸化和甲烷化速度能尽快达到平衡，一般接种物用量应为原料的30%;
❷增加高含氮原料用量，如人畜粪便等，以降低C:N比值，使原料在分解时所产生的挥发酸能被其所产生的氮中和；
❸将原料进行堆沤，使易于产酸的有机物质被氧化分解掉一部分。由于堆沤会造成料的浪费，所以在生产上应首先考虑采用前两种措施，中国山东省能源研究所的应用研究表明，采用批量投料发酵进行120天后，纤维素降解了53.5%，脂肪降解了45.9%，总碳消耗为34.68%，平均每千克干物质产气量为216.7升；在平均温度为26.7℃条件下，产气率平均为0.298立方米/立方米·天。干发酵要求便于进出原料，半塑式沼气池适用于干发酵工艺(图10)。

图9 不同干物质含量沼气发酵产气曲线

图10 半塑式沼气池示意

填埋厌氧消化工艺 利用自然沟壑大规模埋放城市有机垃圾并从中抽取沼气的一种厌氧处理工艺，填埋技术无论是从环境或是能源两方面来看，对今天的社会都具有非常重要的意义。方法是对填埋场地基进行处理，多采用铺设粘土，以防止渗出液渗入地下，将填埋场表面用粘土覆盖并种植花卉，以防止气味扩散。在填埋场垃圾内埋设带有滤孔的管道，用泵将沼气抽出，经净化处理后送给工厂或并入天然气管网，便能防止所产沼气四处横溢引起的爆炸(图11)。为了加速沼气的生成，在堆积垃圾时加入5%的清化污泥接种物和营养物质。加入污泥的填埋后第二年产气最多。三年累计产气量为0.095立方米/千克干物质，甲烷产量为0.051立方米/千克干物质。

图11填埋示意图

沼气发酵工艺都是为了满足不同原料在较短时间内使用机质得以更快地降解。产甲烷菌的生长和繁殖速度以及较快地从物料取得营养物和能量是完成上述要求的关键。工艺的选择决定于物料和具体条件。除上述工艺外，还有生物转盘工艺，折流沉淀工艺，以及连续发酵塞流工艺等。
为了提高消化率和去除率，各类工艺可相互串联使用，如上流式污泥床和滤器相结合，厌氧发酵和好氧发酵相结合等。可采用单级发酵工艺或两级和多级发酵工艺。后者有机物滞留期长，分解较彻底，但投资较高。
沼气发酵过程中，有机物的分解和产气温度有密切关系，温度高时，微生物活跃，分解消化快，产气高。因此通常也以不同发酵温度区分为高温发酵(50～60℃)，中温发酵(30～35℃)和常温（环境温度）发酵工艺。
不同原料由投入经发酵至最后排出沼渣的整个过程中所采用的不同技术和方法的措施，组成了某一特定的流程，称之为工艺流程，通常以框图表示。此流程图表示了应采用的各类设备，是设计沼气工程的技术依据，也是经济评价的根据。下面是一个酒厂处理酒糟的工艺流程图：

沼气发酵工艺

从发酵原料准备开始到产出沼气的整个过程采用的技术路线和方法。主要有原料的收集和预处理，接种物的选择和富集，沼气发酵装置的启动，日常管理及其他技术措施。工艺类型按投料连续性分为批量投料、半连续投料和连续投料；按温度不同分为中温发酵、高温发酵和常温发酵；按发酵器的阶段性分为一步发酵和两步发酵；按发酵液流经发酵器的多少分为单级发酵和多级发酵；按发酵原料含水量的不同，分为液体发酵和干发酵；按发酵器类型不同分为常规消化器（沼气池）、高速消化器、厌氧接触工艺、厌氧滤器、上流式厌氧污泥床等。