年會專家觀點 | 鄧良偉：沼氣發酵可以用空氣攪拌嗎？

2022-03-01 09:50:32來源：中國沼氣學會羅娟關鍵詞：沼氣設備沼氣發酵閱讀量：28262

導讀：2021年10月20-21日，2021年中國沼氣學會學術年會暨中德沼氣合作論壇在南京舉行。農業農村研究部沼氣科學研究所總工程師鄧良偉應邀與會并進行“沼氣發酵可以用空氣攪拌嗎”的主題分享

　　2021年10月20-21日，2021年中國沼氣學會學術年會暨中德沼氣合作論壇在南京舉行。近500位沼氣領域的專家學者及企業界同仁齊聚一堂，共話新時代沼氣行業新發展。與會代表在研討中一致認為，沼氣技術及其應用將會成為有機廢棄物資源化利用、生態環境保護和可再生能源發展的主戰場，沼氣科研教學和產業隊伍將會成為實現鄉村振興戰略和“雙碳”戰略目標的主力軍。

　　農業農村研究部沼氣科學研究所總工程師鄧良偉應邀與會并進行“沼氣發酵可以用空氣攪拌嗎”的主題分享，包括沼氣發酵攪拌的作用、方式，能否用空氣替代沼氣用作攪拌氣體？氧氣(空氣)對沼氣發酵過程的影響，沼氣發酵過程創造微氧環境(微曝氣)方法，空氣攪拌對產氣性能的影響，以及提高產氣效率的機制等，并通過工程上的應用案例證明：空氣攪拌不僅對沼氣發酵沒有負面的影響，而且可以促進有機物的去除，提高產氣性能，提升沼氣發酵過程的穩定性，同時還能去除硫化氫，在工程上具有可行性。本文根據其發言整理。

　　農業農村研究部沼氣科學研究所鄧良偉總工

　　一、提高沼氣發酵效率的措施

　　我們做研究主要的目的是探索自然的規律，或者是開發技術，提高效率。提高沼氣發酵的效率，總結起來有三個方面：第一，反應器里微生物的數量盡量多，比如開發污泥滯留型反應器、污泥回流、或者加填料、培養顆粒污泥等；第二，在數量多的情況下使微生物的活性盡量高，比如提供合適的底物營養比例、充足的微量元素、合適的pH值、以及適宜的溫度；第三，提高微生物跟底物之間的傳質效果。可以有效的布水，或者合理利用沼氣的擾動、以及有效的攪拌。

　　二、攪拌的作用、方式

　　對于高懸浮固體原料的沼氣發酵，一般都需要攪拌。攪拌是畜禽糞污、秸稈以及污泥沼氣發酵正常運行的技術關鍵，也是沼氣工程主要的能源消耗環節。有調查表明，攪拌的能耗大概占到整個沼氣工程功耗的50%左右，所以攪拌在沼氣工程中有很大的作用。除了提供傳質以外，攪拌還可以防止浮渣、沉渣、結殼，并且具有使溫度均勻，稀釋有毒物質，促進氣液分離等作用。

　　目前，攪拌主要有三種方式：一是機械攪拌，它的攪拌效果比較好，但設備投資比較大，維修比較困難；二是水力攪拌，特點是投資比較省，但攪拌效果不太好，只適合于比較小型的反應器，或者是TS濃度比較低的反應器；三是氣體攪拌，一般采用沼氣攪拌，設備比較少，攪拌效果比較好。有學者認為，氣體攪拌是最具前景的攪拌方式，以前污泥消化都是采用沼氣攪拌。但是沼氣攪拌受沼氣產量的影響，沼氣產量小，攪拌效果不好，攪拌效果不好，沼氣產量低，這樣就容易形成惡性循環。另外，沼氣攪拌還需要防爆電機。

　　針對沼氣攪拌存在的問題，我們提出，可不可以用空氣替代沼氣進行攪拌呢？這就涉及到怎么認識和消除空氣中氧對沼氣發酵影響的問題。

　　三、氧氣(空氣)對沼氣發酵過程的影響

　　以往我們認為氧氣是沼氣發酵的抑制劑和毒害劑，如果有氧存在，反應器啟動比較慢，沼氣產量比較低，運行不穩定，所以沼氣發酵裝置一般需要密封，隔絕空氣(氧氣)。做沼氣發酵實驗前，一般需要用氮氣吹脫氧氣，甚至添加一些化學的除氧劑，比如硫化鈉，還有L-半胱氨酸鹽酸鹽等；在做產甲烷潛力實驗的時候，反應瓶頂空也要充氮氣。在培養厭氧微生物的時候，一般采用Hungate厭氧菌分離操作技術，或者用嚴格厭氧的手套箱。需要嚴格厭氧的原因主要是，厭氧微生物不能合成超氧化物歧化酶，不能中和有毒的氧離子或者自由基。氧氣會導致一些產甲烷過程重要酶不可逆的解離。所以在純培養條件下，如果氧氣進去了，會導致產甲烷菌的細胞快速裂解而死亡。這是我們傳統的關于沼氣發酵的觀點。

　　最近，有研究表明混合培養系統(如厭氧反應器)對O2有一定的防御機制，主要有四個方面：一是兼性菌對O2的消耗；二是形成了生物膜等對O2的擴散有阻礙作用；三是一些產甲烷菌可能對O2有一定的耐受能力；四是一些還原性的物質，比如H2S的耗氧化學反應可能消耗一部分的O2。

　　另外，最近也發現微氧對沼氣發酵很有好處，主要有四個方面：一是提高水解速度和水解率；二是減少有毒產物的形成，比如乙醇和揮發性脂肪酸積累；三是降低沼氣中的H2S含量，所以最終可能提高沼氣產量。

　　四、沼氣發酵過程創造微氧環境(微曝氣)方法

　　創造微氧環境主要在三個階段：一是沼氣發酵之前，微氧預處理；二是發酵過程中通氧氣，但還需要攪拌輔助；三是在沼氣發酵后，在頂空通氧用于生物脫硫?；谶@些研究，我們提出了一個假設，能不能用空氣來替代沼氣？微氧微曝氣能不能上升為空氣攪拌？

　　五、空氣攪拌對豬場糞污沼氣發酵產氣性能影響試驗

　　我們做了一個沼氣發酵實驗，包括空氣攪拌，不攪拌、機械攪拌，沼氣攪拌三種方式。機械攪拌和空氣攪拌、沼氣攪拌每立方米消耗功耗都是5w，空氣攪拌、沼氣攪拌的通氣時間為每次1.5分鐘，每天3次，通氣量每升每分鐘61.7 mL，機械攪拌強度是每分鐘88轉。

　　5.1 空氣攪拌對豬場廢水沼氣發酵產氣性能的影響

　　結果發現，間歇的空氣攪拌不僅對沼氣發酵沒有負面影響，而且可以提高沼氣產量、甲烷產量。與不攪拌相比，甲烷產量可以提高19%，與沼氣攪拌相比提高6.4%，與機械攪拌相比，大概提高10%左右。

　　通了空氣以后，甲烷含量有所降低，大概降低了6%，但通氣量占總沼氣產量的比例只有10%-15%，一般沼氣脫硫是5%左右。工程上，可以采取措施，通空氣這段時間的沼氣不收集，將這段時間的氣體排掉，這樣就可以減少對甲烷含量降低的影響。空氣攪拌的另外一個好處是，空氣攪拌對硫化氫含量可以降低60%-70%。

　　從有機物的去除來看，空氣攪拌的溶解性COD去除效率提高2.2%-9.5%。從發酵過程穩定性來說，攪拌的反應器比不攪拌反應器的VFA和丙酸都低，空氣攪拌反應器的TVFA和乙酸高于沼氣和機械攪拌反應器，但空氣攪拌反應器的乙酸與丙酸的比例比較高，反映出空氣攪拌反應器更加穩定。

　　5.2 空氣攪拌提高豬場廢水沼氣發酵產氣效率的機制

　　接下來，我們對空氣攪拌提高沼氣發酵效率的機制進行了簡單解析。

　　第一，提高混合傳質效果。到底空氣攪拌能不能達到攪拌的效果？攪拌效果可用反應器里面的TS變異系數(Cav)來表示，如果這個變異系數小于0.02，表示這個反應器的TS含量比較均勻。通過實驗發現，機械攪拌需要10 min才能使反應器TS比較均勻，空氣攪拌和沼氣攪拌1.5 min就達到了，說明試驗所用通氣量能達到良好的傳質效果，起到了攪拌的作用。

　　第二，在反應器里創造短暫的微氧環境，一般說ORP小于-300 mV是厭氧，0到-300 mV是微氧，大于0 mV是好氧。通過空氣攪拌，發現ORP上升到了-250 mV，大概是在微氧的環境，微氧環境會影響微生物的群落結構和物質代謝。

　　第三，空氣攪拌可以促進大分子物質的水解效率。從實驗可以看出，粗蛋白、碳水化合物、粗脂肪等，水解效率提高了大概2%-30%。

　　第四，促進了有機酸的產生與降解。因為這個指標不好測，它邊產邊消耗，空氣攪拌消耗得多?？偟膩碚f，有機酸比沼氣攪拌要高一些，乙酸與丙酸的比例也高一些。

　　第五，對微生物群落做了一些研究，空氣可以提高細菌的多樣性?？諝鈹嚢璧乃饧毦I菌的豐度增加，反應器里的氫營養型產甲烷菌豐度增加，說明空氣攪拌是可以促進互營菌與氫營養型產甲烷菌之間的互營關系。在空氣攪拌條件下，硫化物氧化菌(SOB)和氫氧化菌(AHOB)的豐度增加，所以有利于H2S的去除。AHOB的分布增加有利于降低反應器的氫分壓，有利于反應器的穩定運行。

　　第六，我們考察了空氣攪拌種混合液中溶解氧增加了多少，氧怎么增加的？怎么消耗的？通過ORP與DO的關系外推，空氣攪拌的混合液中溶解氧大概在0.0018mg/L以下，但是停止攪拌以后，溶解氧迅速下降，1h后基本穩定，不再變化。

　　另外，從動力學來看，VFAs異氧氧化和H2的好氧氧化有相似的變化。VFAs異氧氧化和H2的好氧氧化的吉布斯自由能稍微高于H2S氧化，三個基本差不多。再從反應動力學的參數如吉布斯自由能、比增長速率、細菌相對豐度看，都說明溶解在混合液中的O2大部分被兼性細菌消耗，所以空氣攪拌對沼氣發酵，對沼氣生產厭氧環境沒有產生實質性的影響。

　　攪拌和微氧到底對提高沼氣發酵的效率貢獻有多少呢？我們做了一個分析，總貢獻等于空氣攪拌減去不攪拌的貢獻，微氧的貢獻就是空氣攪拌減去沼氣攪拌的貢獻，傳質的貢獻就是總的貢獻減微氧的貢獻。從物質的水解來看，粗蛋白、碳水化合物，粗纖維的水解看，主要提高傳質的貢獻，但對脂肪來說，傳質和微氧的作用各占一半左右，一個48.9%，一個51.1%。

　　從提高沼氣發酵效率、產甲烷的效率來看，也是通過上面兩個相減，可以算出它們的貢獻率。空氣攪拌提高傳質的貢獻率大概是62.9%，創造微氧環境大概是37.1%，所以主要的貢獻還是提高了傳質，同時也創造了微氧環境，貢獻了30%多。

　　5.3攪拌參數的優化

　　接下來對攪拌的參數進行了優化。一直通空氣，到底通到多少沼氣發酵反應器就不行呢？我們一直通，從1.5min到120min，通氣120min以后仍然能恢復正常產沼氣。綜合來看，通空氣1.5min，全天累計起來的甲烷產量是最高的。通空氣120min，停止通氣的時候，ORP上升到-170mV，但200min以后回到了厭氧條件，即-300mV以下。如果通120min，甲烷含量會降至2%左右，但是240min以后又可以恢復到40%以上，基本上可以算是正常產沼氣了。

　　到底通多長時間的空氣？也許，一天、兩天、三天可能不行了。但至少通到2h沒有大的問題，可以恢復。盡管連續2h空氣攪拌不會導致沼氣發酵系統不可逆的影響，但會影響有效產甲烷時間，將甲烷的時間耽誤了。因此，我們提出非有效甲烷生成時間，也就是，空氣攪拌停止后，甲烷含量降到規定的閾值，比如40%以下，我們將這個時間稱為非有效產甲烷時間。在一天中有效產甲烷時間就是24小時減掉非有效產甲烷時間。經計算，根據不同通空氣時間的沼氣產量，最后還是1.5min、3min的甲烷產量最高，而且甲烷含量也最高。

　　接下來做了攪拌強度、頻率、時間的交互作用實驗。最后發現，攪拌強度是影響空氣攪拌最重要的影響因素，但是攪拌強度、攪拌頻率、攪拌時間存在明顯的交互作用。最適合的攪拌強度是每分鐘每升6.7mL，攪拌時間1.5 min，每天攪拌3次。

　　5.4 空氣攪拌工程應用的可行性

　　空氣攪拌在實驗室是可行的，申請基金的時候，有的專家說空氣攪拌在工程上能不能成功，值得懷疑。他們提出，攪拌強度和氧的抑制兩者存在矛盾，如果控制曝氣強度，可能不能滿足混合傳質，如果滿足曝氣強度可能存在氧的抑制風險。我們做設計的時候，查了給排水手冊，污泥消化中沼氣攪拌的通氣量是5 –7 L/m3池容·min，我們試驗采用的的是66.7 L/m3池容·min，完全能滿足攪拌所需要的通氣量，而且是十倍的通氣量都沒有發生抑制作用，所以在工程上應該是沒有多大問題的。

　　在工程上也進行了應用，河北石家莊有幾個沼氣工程都采用了空氣攪拌。每分鐘通氣量3.0-4.5L/m3池容，每次攪拌1.5-2min，每天攪拌2-3次。

　　這個工程也采用我們研發的濃稀分流-沼氣發酵技術。外面冰天雪地，用沼氣發電升溫，發酵溫度可以升到29℃，如果不用濃稀分流，就達不到這個溫度。通過一年的監測，COD去除率為63.5%，BOD去除率達76.3%。沼氣產量大概是700——900m3/d，平均產量是705 m3/d。總的說來，沒有發生結殼，沒有沉渣，取得很好的效果，所以說空氣攪拌在工程上是可行的。