生物質制沼氣的相關技術參數分析

馬德金1，孔憲迪2，唐根生1

（1.安徽豐原化工裝備有限公司，安徽蚌埠 233010；2.中礦國際淮南機械有限公司，安徽淮南 232052）

　　摘要：本文重點分析了生物質的范疇和能夠生產沼氣的生物質特性，運用工程經驗和國內外文獻資料，介紹與生物質制沼氣相關的關鍵工程設施和工藝參數，對于水解酸化罐和沼氣發(fā)酵罐的設計提出了基本思路，為充分利用秸稈等典型生物質，確保可持續(xù)發(fā)展指出目前存在的難點。

　　生物質（Biomass）是與生物有關的物質的總稱，它包括所有動物、植物和微生物以及由這些有生命物質派生、排泄和代謝的許多有機質。可以作為能源利用的生物質主要有木材殘余物、農業(yè)廢棄物、動物糞便和城市固體垃圾等，開發(fā)生物質能（Biomass energy）意義深遠并成為當今世界范圍內最為廣泛關注的課題之一[1]。利用廢棄有機質進行厭氧發(fā)酵制備沼氣，雖然是歷史悠久的傳統(tǒng)技術，但如何解決好工藝技術與工程設備的規(guī)范化、標準化和提高資源綜合利用率，仍然有諸多問題需要認識和解決。

　　1用于沼氣發(fā)酵的生物質種類及固有特性

　　標準沼氣(biogas)含有60%甲烷和40%二氧化碳，其混合氣體的熱值為21.52MJ/m3，甲烷(methane)的熱值為35.82MJ/m3。隨著制備沼氣所使用的原料不同，沼氣的組分在一定范圍內變動，通常的組分為：主要成分是甲烷，約占總體積的50%~80%，其次是20%~40%的二氧化碳和少量的其他氣體，如0~5%的氮氣、1%~3%的硫化氫和低于1%的氫氣及0.4%的氧氣。甲烷的爆炸下限（V/V）為5.3%，在沼氣的混合氣體中，即使甲烷的體積含量大于53%，其混合氣體的理論爆炸極限低于10%，仍然屬于易爆介質，同時沼氣中可能含有的少量二氧化硫對人體、設備和環(huán)境有相應的危害，這是沼氣發(fā)酵系統(tǒng)設計中應引起關注的安全參數。

　　1.1沼氣工程常用的生物質種類

　　基于沼氣發(fā)酵原理，把含有碳水化合物、蛋白質、脂肪等生物質作為營養(yǎng)源，可以利用厭氧菌（或稱為甲烷菌）將具備此類特性的有機物轉化為沼氣、沼渣和沼液的物質，均可以作為沼氣發(fā)酵原料。根據生化反應機理，在甲烷菌的作用下，含有二氧化碳與氫氣的混合氣體、甲酸、乙酸、甲醇、一氧化碳等物質可以產生甲烷，那么生物質中的秸稈、谷殼、樹葉、雜草、零散木材、樹皮、木屑、造紙殘渣、畜禽排泄物、食品廢棄物、海洋植物、下水道污泥、生活污水、工業(yè)廢水等可以作為沼氣工程的可再生資源。

　　1.2有機質原料之間配比關系

　　根據沼氣發(fā)酵工程經驗，適當控制有機物的碳氮比和碳磷比是甲烷菌產生甲烷的重要物質基礎。國外資料介紹[2]：作為發(fā)酵原料的有機質中C：N：P：S的比例范圍最好控制在500~1000：15~20：5：3或COD：N：P：S的比例為800：5：1：0.5，歐洲不少著名工程公司的經驗資料推薦其對應比例為500：15：5：3。國內資料[3]表明：為了使甲烷發(fā)酵順利進行，一般要保持微生物活性的碳氮比為25：1左右，產生甲烷的最佳碳氮比是12：16。為此，沼氣工程設計時，應密切關注工程建設區(qū)域可用原料的營養(yǎng)源成分，基于Karki and Dixit(1984)和國內外文獻資料分析整理，表1數據可供參考，當然在具體配料時盡可能采用實測數據，畢竟隨著氣候和生長環(huán)境等因素的變化，有機質含有的化學組分也是變化的。

　　1.3沼氣發(fā)酵原料的常用評估指標

　　在沼氣工程設計中，對于沼氣原料的正確利用和最大化發(fā)揮固有的生物質特性，是一項重要工作，雖然原料中的有機物組分復雜和變動因素較多，而設計時能夠利用的基礎數據匱乏，往往通過工程運行進行事后評估，這是目前沼氣工程設計的普遍存在的缺陷。

　　為了便于評價發(fā)酵原料的質量，通常按照生物質的特性將其分成兩大類：固體性發(fā)酵原料和液體性發(fā)酵原料。

　　對于固體性原料，主要確定可以產生沼氣的有效成分，1kg可降解的有機物一般可以產生約0.63-1.0m3的沼氣，文獻3中介紹沼氣原料的理論產量計算：

　　E=0.37A+0.49B+1.04C

　　式中，A為每克原料中碳水化合物的數量；B為每克原料中蛋白質的數量；C為每克原料中脂肪類化合物的數量。通過對有機組分進行分析并統(tǒng)計分析國內外工程資料，常用生物質的沼氣產量可以參考表2。

　　當然對于固體廢棄有機質的質量指標評定時，還要核定有機原料中總固體含量（TS）（從原料總重量中去除水分后的重量）和揮發(fā)性固體量（VS）（從總固體含量中去除灰分的數量），如不同種類畜禽糞便的含有每千克揮發(fā)性固體量的產沼氣0.25~0.5m3，也即每千克干物質的產氣量約0.3m3左右。

　　對于秸稈類中纖維素、半纖維素、木質素、果膠質和少量的蛋白質的具體運用，應該分析通過對秸稈纖維素或半纖維素的水解后可能產生的有機質數量，如秸稈中通常含有約50%的纖維素，而纖維素及少量蛋白質能轉化為甲烷菌所吸收消化的營養(yǎng)成分含量也應該有實際的標定值，雖然學術界有很多的理論研究，但可以借鑒運用的工程數據仍有待進一步實踐和總結，表3中的數據表明部分秸稈的營養(yǎng)組分[4]。

　　對于液體原料，通常要明確水質的物理特性、有機化合物特性和生物特性等指標，確定可以利用厭氧發(fā)酵產生甲烷的方式，其評價指標諸如：總固體（TS）、總揮發(fā)固體（TVS）、總懸浮物（TSS）、揮發(fā)性懸浮固體（VSS）、BOD5、COD等，通常BOD5/COD之間比值低于0.4時，認為可生物降解性較差。

　　基于上述可以用于沼氣發(fā)酵的生物質種類及其特性，工程設計時應考慮一種物質及多種物質組合后的綜合特性，充分利用建設區(qū)域的生物質資源條件。

　　2沼氣發(fā)酵消化器的設計

　　沼氣發(fā)酵的任務主要應該解決兩大類問題：其一是充分利用廢棄固液有機質，提升其使用價值；其二是避免廢棄生物質對環(huán)境造成污染和降低沼氣生產過程可能引起的二次污染。

　　沼氣工程設計時，應根據生物質的固有特性、可用生物質數量和沼氣的使用途徑等因素，選擇適宜的沼氣工藝路線和工程系統(tǒng)，而厭氧消化器（Anaerobic Digester，AD）也稱為甲烷發(fā)酵罐(Methane Fermentation Tank)是沼氣工程系統(tǒng)中的核心設備，通常對于酒精、淀粉、有機酸發(fā)酵行業(yè)所產生的工業(yè)廢水或城市生活污水，可以采用厭氧過濾器(Anaerobic filter，AF)、上流式厭氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Bed，UASB）、UBF型消化器等比較成熟工藝；對于農業(yè)固體廢棄物并結合禽畜糞便的處理工藝，大多處于家用沼氣范圍，對于生物質的前期預處理和后期的沼渣、沼液的進一步處理和有效使用，仍然面臨規(guī)?；?、節(jié)約型、環(huán)保型和可再生循環(huán)利用問題，本文仍就農村或農業(yè)方面的固廢有機質生產沼氣以及其消化器的設計進行初步探討。

　　2.1計算投料配比和確定發(fā)酵工藝參數

　　農村廢棄生物質中可以分為兩大類：秸稈和糞便。一般而言，秸稈和糞便中的干物質可以分別按照85%和20%估算，其C/N比分別按照70%和15%計算，按照發(fā)酵原料的C/N比值為25%，發(fā)酵料液中固體干物質含量為8%，可以粗略確定秸稈、糞便與添加水的重量配比約1：4：15，從這組數據可以看出，如果想消耗更多的秸稈或其他類農業(yè)廢棄物，必須補充相應的氮源，如尿素或碳酸氫銨等。

　　對于秸稈的有效利用須經過預處理，將秸稈進行粉碎至2~3mm用水或尿液浸泡（如果有條件利用工廠排放的含有NaOH、Ca(OH)2、KOH、NH3·H2O等料液，也是更好的辦法），控制浸泡溫度在35℃~55℃，判斷纖維素或半纖維素的水解狀況，對秸稈通常肉眼可以觀察出秸稈已經發(fā)褐色或有白色菌絲出現，然后將水解后的秸稈連同一定比例的糞便、活性污泥、沼渣或沼液、水或尿液等依次投入厭氧發(fā)酵池中。

　　2.2消化器的結構

　　消化器的結構設計通常用取決于工程經驗、工藝路線、產沼氣規(guī)模和資源綜合利用等因素，使生物質中的有機質充分轉化為甲烷為設計根本目的。

　　盡管將生物質投入到一個獨立消化器中，可以完成水解、產酸、產甲烷等全過程，該單相發(fā)酵系統(tǒng)也被認為成熟工藝并且投資低，但這個過程由于會對菌群產生酸抑制或因發(fā)酵液中PH值及相關化學成分的作用，引起甲烷菌中毒，導致產氣率低，同時也不適宜建立中型以上發(fā)酵系統(tǒng)。為了盡可能多利用秸稈等生物質，強化秸稈等水解作用和實現不間斷產氣功能，筆者傾向于推廣兩相發(fā)酵工藝，即在甲烷發(fā)酵罐之前設立原料預處理罐，即單獨設立產酸反應器，這對秸稈類生物質的預處理是非常必要的。

　　為了保證持續(xù)產氣和供氣，一個甲烷發(fā)酵罐可以配置兩個產酸反應器，產酸反應器的池底面最好略高于甲烷發(fā)酵罐的發(fā)酵反應室的上口水平面，在此水平面上安裝沼氣集氣室，集氣室最好設計成標準化部件，按照水解周期依次調整產酸反應器的進料和出料，讓難以水解的秸稈或其他有機質在產酸反應器中完全水解，讓好氧與厭氧過程分開處理，保持甲烷發(fā)酵罐中濃度、PH值、均衡產氣率及沼液的有序排出，根據季節(jié)和運行條件變化，適當增加消化器中有機質固體濃度，提高消化器的利用率，這是消化器設計的主體思路，有關自動排料裝置可以借鑒[5]。

　　2.3消化器的主要設計參數

　　按照標準[6]要求，提出了13項消化器的主要設計指標，并給出了處理不同原料所對應的結構尺寸，這是非常有實用價值的工具，為了能夠更多的利用秸稈類生物質，仍有一些要素需要補充和完善。

　　第一，在消化器內增加加溫裝置，按照原料特性不同，對裝置適當補充熱能，事實上增加發(fā)酵液溫度會引起成本上升，設計時應根據工程經驗和各種要素予以綜合測算。如利用酒精糟發(fā)酵制造沼氣，其發(fā)酵溫度一般控制在53℃~56℃；秸稈經過水解后，其發(fā)酵溫度控制在35℃~42℃，即使加入適當配比的畜禽糞便，其混合液的發(fā)酵溫度最好控制在35℃以上，這樣會加快發(fā)酵速度和提高產氣率。

　　第二，對于廣泛使用秸稈等難以水解的生物質，或者單個沼氣池容積大于30m3，除在水解池中考慮使用攪拌系統(tǒng)外，在發(fā)酵池中也可設置機械攪拌裝置或沼氣回流設施。

　　第三，配置在線PH計，給定某一操作條件下PH值的控制范圍和工藝調整方法。

　　3結論

　　盡管利用秸稈制酒精已經取得明顯的工業(yè)化成效，但能夠更多地利用秸稈等農業(yè)廢棄物制造沼氣，因地制宜建立中等以上規(guī)模的沼氣設施，深化沼氣運用領域和沼渣沼液的充分利用，仍然是良好的發(fā)展前景。問題在于如何加快對農業(yè)廢棄有機質的組分和水解過程與效果的研究，選擇更適宜的發(fā)酵菌群和工藝，尚屬于科研人員和工程人員研究的課題。

　　參考文獻

　　[1]高虹，張愛黎.新型能源技術與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007：116-118.

　　[2]Dieter Deublein,Angelika Steinhauser.Biogas from waste and renewable resources[M].Weinheim:Wiley-VCH Press, 2008:116.

　　[3]楊建設.固體廢物處理處置與資源化工程[M].北京：清華大學出版社，2007：112-130.

　　[4]石磊，趙由才，柴曉利.我國農作物秸稈的綜合利用技術進展[J].中國沼氣，2005，23(2)：12.

　　[5]葉森，魏吉山，等.自動排料沼氣干發(fā)酵裝置[J].中國沼氣，1989，7(4)：19-21.

　　[6]GB/T4750-2002戶用沼氣池標準圖集[S].