1、第27卷第2期2009年4月可再生能源Renewable Energy ResourcesV0127 N仉2Apr2009厌氧干发酵技 术研究进展朱圣权，张衍林，张文倩。张俊峰(华中农业大学工程技术学院湖北武汉30070)摘 要：厌氧干发酵技术正逐渐成为世界各国处理有机同体废弃物以及生产新能源的重要选择。文章综述了厌氧干发酵机制以及厌氧干发酵工艺在发酵底物的选取、预处理、接种、发酵过程管理等方面的研究进展，总结了该技术在基础研究和实际应用中存在的一些口1题展望了其发展前景。关键词：厌氧干发酵；沼气；有机垃圾处理中图分类号：$2164 文献标志码：A 文章编号：167l一529|2(2009)0
2、2-004俩The prog “dry anaerobic fermentation technologyressOt ary anaero biC entatlOn tecnnologyZHU Sheng-quan，ZHANG Yan-lin，ZHANG Wen-qian，ZHANG Jun-feng(College of Engineering and Technology，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China)Abstract：Dry anaerobic fermentation technology is becomin
3、g the world important option for or-ganic solid waste disposal，as well as the option for the production of new energy，This article summarized the dry anaerobic fermentation mechanisms，and the techniques in the feedstock selection，pretreatment，inoculation，fermentation process management and etc，then
4、listed some problemsof the technology in the basic research process and practical applications，at last，the prospect ofthe technology iS analyzedKey words：dryanaerobic fermentation；biogas；organic waste disposal随着农业废弃物和城市生活垃圾排放量的不 是相同的。主要是厌氧和兼性厌氧微生物在厌氧断增加、环境和能源压力的不断增大，生物质厌氧 环境下分解有机物产生沼气的过程，包括水解、酸发酵技术得
5、到了日益广泛的研究和应用。根据发 化、乙酰化和甲烷化等反应阶段(图1)151。酵底物状态的不同，生物质厌氧发酵技术分为厌 I。碳：物、l氧湿套譬蔫杰二雾善淼固体fTS、含量阶段一：水解也塑溅詈晏厌氧湿发酵反应体系中的总固体( )含量 ” l：军腔竺、笔一般在10以内llJ。厌氧湿发酵具有启动快、建造陌葡聂高r丽管理技术成熟、进出料方便等优点，是当前处理有 l盖!j：茎嚣0甚子l机污染物生产沼气的主流技术，但是该技术也有 阶段二：酸化 I 13-氯化糖醉解，去明显的缺点，如处理单位质量的有机物所需的反 应器容积大，沼液和沼渣分离困难等。 l(主要是乙脯和蚁瞳)l收稿日期：2008一1127。作者
6、简介：朱吊权(1982一)，男，硕士研究生，研究方向为厌氧干发酵技术及生物堆肥技术。E-mail：zsq4342163啪通讯作者：张衍林(1957一)，男，教授，博士生导师，从事可再生能源与环境工程的研究与教学工作。E-mail：zlmgylL巯aii，hzaueduc46万方数据朱圣权等 厌氧干发酵技术研究进展的相似性，并考虑到酸化产物对产甲烷细菌强烈的抑制作用Ghosh于1983年提出两阶段(酸化阶段和产甲烷阶段)厌氧干发酵模式ieI在酸化阶段完成对底物的水解酸化把大分子物质降解成挥发性脂肪酸(VFA)，如乙酸、丙酸、丁酸等，这些酸性物质的积累会抑制产甲烷菌的代谢活性和生长繁殖，因此，当酸
7、化阶段完成后，需要对发酵体系总酸含量进行调节。并将其转移至产甲烷反应器中完成产甲烷过程。但是Shankaranand在实践中发现干发酵与湿发酵之间存在很大差异。这主要是由底物存在状态的差异引起的问。在干发酵中，底物是以不流动的固态存在，并且存在严重的异质性，尽管在发酵过程中存在渗出液的渗漏，但这种渗漏仅发生在局部各种中间代谢产物和微生物的交流受到严重限制：在湿发酵中，底物在发酵过程中不断地搅拌混合各种中间代谢产物和微生物在底物层中分布均匀。由于厌氧干发酵底物流动性差与厌氧湿发酵相比其传质过程相当缓慢因此传质过程可能是厌氧干发酵的限速步骤这也可能是厌氧干发酵产气率低且产气不稳定的重要原因。大部分
8、厌氧干发酵模型都是基于Monod动力学建立的，近年来Kalyuzhnyi和Vavilin在Monod动力学的基础上加人了对传质过程的考虑这些模型可以很好地模拟他们自己得到的试验数据但是可重复性仍然较差Sl，91。为了简化问题。研究人员先是基于底物同质性进行建模，这些模型模拟的结果与一些典型的垃圾填埋场产甲烷过程的曲线拟合得很好。并且也符合以有机质水解为限速步骤的观点因此得到部分学者的支持。但是把厌氧干发酵的底物同质化显然是过于简单化了为了更好地研究厌氧干发酵过程有人把厌氧干发酵底物分为快腐有机质(RDO)和慢腐有机质(SDO)，但根据这样的划分得到的模型仍然很复杂，并且对试验数据进行模拟的效果
9、还非常不理想l姗。后来，Kalyuzhnyi提出了“两点模型”。该模型假设在固相底物中存在一个“废物点(WasteParticle)”，这个点主要进行酸化反应。产生小分子酸类物质；另一个是“种子点(Seed Particle)”，这个点主要进行甲烷化反应Sl。“废物点”产生的乙酸通过扩散进入邻近的“种子点”完成甲烷化过程。在这两类点的接触面存在一个步骤转化的过程。它们形成一个统一的、静态的反应区域。Martin认为在各个反应区域间存在一个缓冲区并且于2001年提出一个区反应模型，包括酸化区和甲烷化区两类基本的区，而且各个局部反应点都在多个方面模拟了同体厌氧反应的实际情况1【12】。他认为乙酸化
10、和甲烷化过程发生在截然不同的反应区甲烷化区的酸抑制被2个反应区之间缓冲区的传质阻力消减了。反应区之间的传质过程可能成为整个厌氧干发酵过程的限速步骤。Vavilin利用他们自己提出的数学模型预测局部高浓度的接种比均匀地接种更有利于厌氧干发酵底物的降解这对Martin的区反应模型是一个很好的验证191。后来Martin把区反应模型进一步发展成为反应前沿假说该假说认为在厌氧干发酵中，一些较大的种子体将形成反应前沿反应前沿是由以种子体为核心的多层反应区构成，从远离种子体到种子体端依次形成酸化区、乙酰化区、缓冲区、甲烷化区、耗竭区、种子体区(图2)121。图2厌氧干发酵反应前沿机制示意图Fi92The
11、pretreatment for dryanaerobic fermentationA一酸化区(反应停滞因为受到严重的酸抑制，它的厚度没有限制，但是在不断减小)；B一乙酸化(在严重的酸抑制条件下，把RDO分解成乙酸。相对较薄)；C一缓冲区(基本没有反应进行。甲烷化完全被酸抑制)；D一甲烷化区(RDO完全分解，厚度表示发酵温度,z表示发酵原料的C/N比值,z表示有无搅拌操作.最后得出结论,当发酵温度为55、发酵原料C/N比值为12.5(发酵原料为猪粪不加入其它原料)、有搅拌操作时,高温厌氧干发酵的综合效果最佳.这一结论为进行畜禽粪便厌氧干发酵处理提供基础资料和参考数据.该文也对厌氧干发酵产物按1
12、1个因素指标进行模糊聚类,根据其特点分成五类,为进一步的有机肥料生产提供参考数据.6.期刊论文 李东.马隆龙.袁振宏.李连华.孙永明.Li Dong.Ma Longlong.Yuan Zhenhong.Li Lianhua.SunYongming 华南地区稻秸常温干式厌氧发酵试验研究 -农业工程学报2006,22(12)该文将经过预处理后的稻秸,进行厌氧干式发酵,研究了稻秸发酵过程中的生物气产量、pH值、乙酸及甲烷含量的变化.结果表明,稻秸经过调节C/N和白腐菌预处理后,C/N从37.18降低到28.01,前45d的累积产气量约占总产气量的80.4%;发酵原料总固体产气率为0.457 m3/k
13、g,与常规湿式厌氧发酵相比,不仅提高了池容效率,而且缩短了发酵周期,同时提高了单位原料产气率.发酵液的pH值稳定在6.87.5;当发酵前期甲烷含量长期处在较低水平时,可以通过再接种的方法提高甲烷含量.实验结果表明厌氧干发酵产沼气是一种技术上可行的农业废弃物资源化方式,该实验结果为稻秸的大规模生物气化提供重要的工艺设计依据.7.期刊论文 李世密.魏雅洁.张晓健.赵连臣.张大雷.LI Shi-mi.WEI Ya-jie.ZHANG Xiao-jian.ZHAO Lian-chen.ZHANG Da-lei 秸秆类木质纤维素原料厌氧发酵产沼气研究 -可再生能源2008,26(1)介绍了以秸秆为主要原
14、料的好氧预处理过程及厌氧干发酵工艺的试验结果.在预处理过程中,加入好氧降解菌种使木质纤维素降解率提高到50%.当发酵温度为(352),TS含量为20%,秸秆与猪粪配比为7:3时,原料滞留期为40 d,平均容积产气率为0.81 m3/(m3d),甲烷含量为65%以上.8.会议论文 李世密.张晓健.曲静霞.闫昌国.张大雷 秸秆类木质纤维素原料厌氧发酵产沼气的研究 2007介绍了以秸秆为主要原料的好氧预处理过程及厌氧干发酵工艺的试验结果。在预处理过程中，加入好氧降解菌种使木质纤维素降解率提高到50。当发酵温度为(352)，TS含量为20，秸秆与猪粪配比为7：3时，原料滞留期为40d，平均容积产气率为
15、0.81 m3/(m3d)，甲烷气体含量为65以上。9.学位论文 张望 稻草干法厌氧发酵生产生物气的试验研究 2008用厌氧消化技术转化稻草获取清洁能源生物气，是稻草生物质能源产业化的一条有效途径。为了实现稻草的高效能源转化，提高反应器的产气量和产气效率，同时简化发酵出料的处理和处置，本文提出用干法厌氧发酵对稻草进行中温消化生产生物气的研究，并为稻草的大规模生物气化提供指导。 为探明不同干物质含量(即TS)对干法厌氧消化稻草秸秆试验的影响，将未经预处理的稻秸在中温生物反应器内进行厌氧干发酵，考察了TS浓度对稻秸发酵过程中的生物气产量、pH值、渗滤液COD及甲烷含量变化的影响。实验结果表明：TS
16、20固体浓度并加接种泥的反应器(R2)的累积产气量最大，达到2048L，其出料的半纤维素由28.2降至18.3，发酵液的pH值稳定在7.017.5。TS30的干发酵(R3)在反应前期经历了很长的酸化期，产气量在后期才开始升高，生物气甲烷含量也更高，显示了高浓度固体干发酵产沼气的发展潜力。 为探明粉煤灰和氢氧化钠预处理对稻草秸秆干发酵的影响，把经过6氢氧化钠预处理的稻秸在中温生物反应器内进行干法厌氧发酵，研究了稻秸发酵过程中的生物气产量、pH值、渗滤液COD及甲烷含量的变化。结果表明TS20、6NaOH预处理并加粉煤灰的反应器(R2)的累积产气量最大，达到2777.1L，其出料的半纤维素由28.2降至16.5，发酵液的pH值稳定在7.07.5。TS20加粉煤灰、未经预处理的R3在反应前期产气量平稳上升，56d后超过R2的日产气量，最终产气量只比R2低108.8L，但产气高峰晚于R2出现。与不加粉煤灰、不用碱预处理的R1相比，TS20、粉煤灰和6NaOH预处理的方案可以使总产气量提高47.6以上。本研究结果表明：添加粉煤灰和6NaOH预处理都可以明显改善稻草的厌氧消化产气性能，二者方法的耦合可以使总产气量比一般厌氧消化产气提高47.6以上。该结论可为秸秆干法厌氧消化的工程应用提供了重要的设计依据。本文链接：http:/
