摘要
概述了固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)尤其是影響因素方面的研究進(jìn)展，論述了固態(tài)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的底物預(yù)處理技術(shù)，介紹了工藝研發(fā)現(xiàn)狀，探討了一些典型工程實(shí)例。結(jié)果顯示，固態(tài)厭氧發(fā)酵效果嚴(yán)重依賴過(guò)程調(diào)控和底物預(yù)處理；盡管高溫、兩段工藝是研發(fā)的熱點(diǎn)，但當(dāng)前工程實(shí)踐的首選是相對(duì)成熟的常溫、單段工藝。開(kāi)發(fā)基于生化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型和培育特種、高效菌種是固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)，而應(yīng)用研發(fā)更注重針對(duì)性的預(yù)處理技術(shù)和發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。研發(fā)適合我國(guó)市政固廢和廣大農(nóng)村地區(qū)廢棄生物質(zhì)原料的固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)及特種小型設(shè)備是我國(guó)追趕國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、推廣技術(shù)應(yīng)用的便捷之路。
本文引用的文章
1、張光義《固態(tài)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣技術(shù)基礎(chǔ)研發(fā)與工程應(yīng)用進(jìn)展》
前言
厭氧發(fā)酵技術(shù)在溫和條件下利用厭氧微生物對(duì)生物質(zhì)有機(jī)組分進(jìn)行分解，產(chǎn)物有較高肥效，尤其是同步產(chǎn)生大量以高熱值甲烷為主要成分的沼氣可燃?xì)獠⒕哂忻黠@降低溫室氣體排放的潛力，被認(rèn)為且由生命周期分析證實(shí)是最適宜、最有前景的生物質(zhì)能源利用技術(shù)之一。
1.與液態(tài)發(fā)酵相比的優(yōu)勢(shì)
相對(duì)液態(tài)厭氧發(fā)酵，固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，處理負(fù)荷大；設(shè)備投資較少、管理方便；過(guò)程能耗較低；產(chǎn)物后處理簡(jiǎn)單且基本無(wú)廢水排放。隨著高效前處理技術(shù)、特效菌種的研發(fā)以及過(guò)程控制技術(shù)的提高，傳統(tǒng)過(guò)程存在的原料利用率不高、固廢排放量大和工業(yè)放大可行性程度不高等問(wèn)題逐步被克服，其優(yōu)勢(shì)和潛能越來(lái)越明顯。迄今在歐洲，固態(tài)厭氧發(fā)酵處理總固廢量的10% ，達(dá)430 萬(wàn)噸，超過(guò)液態(tài)發(fā)酵規(guī)模，產(chǎn)沼氣超過(guò)167 億m3 ?？梢?jiàn)，固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)在發(fā)展中國(guó)家推廣應(yīng)用潛力巨大。
2.技術(shù)原理
基于對(duì)厭氧發(fā)酵中微生物的研究，厭氧發(fā)酵過(guò)程理論認(rèn)知分兩階段理論( 即概括地分為產(chǎn)酸階段和甲烷化階段) 、三階段理論和四類群理論三個(gè)層次
工程上出于成本控制和過(guò)程調(diào)控困難等方面考慮，通常仍簡(jiǎn)單劃分為生化條件差異顯著的水解酸化和甲烷化兩個(gè)階段，至多使用兩個(gè)反應(yīng)器( 水解反應(yīng)器和甲烷化反應(yīng)器) 。發(fā)酵基質(zhì)( 復(fù)雜大分子、不溶性有機(jī)物) 在細(xì)菌胞外酶作用下轉(zhuǎn)化為小分子、溶解性有機(jī)物( 主要是高級(jí)脂肪酸，還包括低糖、氨基酸等)，這一水解過(guò)程通常顯著影響發(fā)酵全過(guò)程，在基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用中都備受關(guān)注。
3.影響因素
3.1基質(zhì)可生化降解性及微生物營(yíng)養(yǎng)
基質(zhì)可生化降解性對(duì)沼氣產(chǎn)量影響很大。數(shù)據(jù)顯示，因廢棄物組分差導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)氣量相差可達(dá)65% ，工業(yè)規(guī)模也達(dá)40%[5] 。總固體含量(TS) 、濕度及營(yíng)養(yǎng)對(duì)發(fā)酵效果的具體影響見(jiàn)表1
3.2溫度、pH 及氧化還原電位
溫度、pH 和氧化還原電位對(duì)氧發(fā)酵過(guò)程的影響見(jiàn)表2
3.3接種
理想的接種物應(yīng)包含大塊的固體物質(zhì)和完成分解的、營(yíng)養(yǎng)貧瘠的厭氧發(fā)酵底物，并且在厭氧發(fā)酵底物中須含有豐富的產(chǎn)甲烷細(xì)菌，且一般菌種添加比例不低于20% ，若能達(dá)到30% 及以上，則有利于發(fā)酵啟動(dòng)、提高產(chǎn)氣速率和發(fā)酵早期沼氣中甲烷含量。
3.4中間物抑制
固態(tài)發(fā)酵過(guò)程涉及多種微生物群落，需嚴(yán)格控制其生長(zhǎng)環(huán)境特別是具有抑制和毒害作用的成分。氨的各種形態(tài)對(duì)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程的影響一直是研究的重點(diǎn)之一；水解酸化產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFA) 是評(píng)價(jià)水解酸化和產(chǎn)甲烷是否平衡的重要指標(biāo)；適量的無(wú)機(jī)鹽是微生物生長(zhǎng)所必須的且一定程度緩解銨離子的抑制作用。
3.5傳質(zhì)傳熱與過(guò)程強(qiáng)化
固態(tài)發(fā)酵過(guò)程中，待傳遞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、酶、微生物和產(chǎn)物等之間相對(duì)不動(dòng)，存在溫度梯度和物質(zhì)濃度梯度，不僅會(huì)影響到菌體的生長(zhǎng)和代謝，也影響反應(yīng)器的性能以及設(shè)計(jì)要求。
4.預(yù)處理技術(shù)
預(yù)處理基質(zhì)能顯著提高發(fā)酵速率及產(chǎn)氣量，對(duì)大規(guī)?；瘜W(xué)工業(yè)過(guò)程尤其重要。常見(jiàn)預(yù)處理方法的分類及效果總結(jié)在表3 中，其作用主要是改變基質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)、形狀，改善其可生化性和營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)而全面改善發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)。
5.工藝研發(fā)與工程應(yīng)用現(xiàn)狀
工藝分類及典型工藝比較
相對(duì)較成熟、在國(guó)外工程上應(yīng)用相對(duì)廣泛的固態(tài)厭氧發(fā)酵工藝特征及工程應(yīng)用狀況見(jiàn)表4 。
Kompogas 工藝
仍處于發(fā)展階段的Kompogas 工藝由瑞士Kompogas AG 公司開(kāi)發(fā)，在瑞士、日本很常受重視，多應(yīng)用到較大規(guī)模的工程
Valorga 工藝
Valorga 工藝由法國(guó)公司開(kāi)發(fā)，是動(dòng)態(tài)過(guò)程中已經(jīng)規(guī)?；畲蟮囊环N工藝，目前已相對(duì)成熟
Dranco(Dry Anaerobic Composting)工藝
由比利時(shí)公司開(kāi)發(fā)的Dranco 工藝也被認(rèn)為是一項(xiàng)較成熟的工藝
Linde-KCA / BRV 工藝
BRV 工藝最早由瑞士一家環(huán)保公司研發(fā)并成功應(yīng)用，由于該工藝技術(shù)先進(jìn)、生態(tài)環(huán)保，具有較大的市場(chǎng)潛力，符合歐洲對(duì)有機(jī)垃圾處理日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，后由德國(guó) Linde 公司收購(gòu)、整合，并經(jīng)小試和中試研究加以完善從而確保其技術(shù)適用性。
序批式厭氧堆肥(SEBAC)
SEBAC 工藝 (見(jiàn)圖 2(b))發(fā)展于上世紀(jì) 90 年代，是一種針對(duì)市政固廢有機(jī)組分 (OFMSW)和其它高含固生物質(zhì)廢棄物甲烷化和堆肥處理的新穎工藝，其目的是在維持高轉(zhuǎn)化率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)無(wú)需高含固基質(zhì)混合和簡(jiǎn)化前處理。該工藝目前處于發(fā)展和商業(yè)化推進(jìn)階段。
6.結(jié)論與展望
固態(tài)厭氧發(fā)酵在生物質(zhì)及其廢棄物處理和能源化方面優(yōu)勢(shì)顯著，是一項(xiàng)有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。發(fā)酵過(guò)程受包括基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)、溫度、pH 、氧化還原電位、接種、抑制物等諸多因素的影響。過(guò)程強(qiáng)化和原料預(yù)處理嚴(yán)重影響發(fā)酵效率。盡管一些固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)工藝被認(rèn)為已逐漸成熟并得到成功應(yīng)用，但都缺少基于生化反應(yīng)的高效模型支撐，這一定程度制約了新高效工藝的開(kāi)發(fā)。當(dāng)前成熟的工藝以常溫、單段過(guò)程為主，且常作為大型工程的優(yōu)選項(xiàng)，但高溫、兩段發(fā)酵過(guò)程的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，業(yè)已成為研究的熱點(diǎn)。我國(guó)固態(tài)厭氧發(fā)酵技術(shù)研發(fā)成果有限，工程建設(shè)和運(yùn)行以對(duì)國(guó)外公司招標(biāo)和委托管理方式為主，加之缺乏管理經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致該技術(shù)難以在我國(guó)廣泛實(shí)施。未來(lái)研發(fā)工作重點(diǎn)不限于但包括：1) 大力推進(jìn)固態(tài)發(fā)酵過(guò)程動(dòng)力學(xué)及模擬研發(fā)工作，尤其是研發(fā)適用于復(fù)雜組分和混合發(fā)酵基質(zhì)的高效模型；2) 形成固態(tài)厭氧發(fā)酵過(guò)程主要參數(shù)檢測(cè)、優(yōu)化并自動(dòng)化控制技術(shù)，從而全面提高發(fā)酵效率；3) 積極開(kāi)展特種、高效工程菌的培育。
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