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2021年10月20-21日，2021年中國沼氣學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨中德沼氣合作論壇在南京舉行。近500位沼氣領(lǐng)域的專家學(xué)者及企業(yè)界同仁齊聚一堂，共話新時代沼氣行業(yè)新發(fā)展。與會代表在研討中一致認(rèn)為，沼氣技術(shù)及其應(yīng)用將會成為有機(jī)廢棄物資源化利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可再生能源發(fā)展的主戰(zhàn)場，沼氣科研教學(xué)和產(chǎn)業(yè)隊伍將會成為實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的主力軍。
農(nóng)業(yè)農(nóng)村研究部沼氣科學(xué)研究所總工程師鄧良偉應(yīng)邀與會并進(jìn)行“沼氣發(fā)酵可以用空氣攪拌嗎”的主題分享，包括沼氣發(fā)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(fā)酵過程的影響，沼氣發(fā)酵過程創(chuàng)造微氧環(huán)境(微曝氣)方法，空氣攪拌對產(chǎn)氣性能的影響，以及提高產(chǎn)氣效率的機(jī)制等，并通過工程上的應(yīng)用案例證明：空氣攪拌不僅對沼氣發(fā)酵沒有負(fù)面的影響，而且可以促進(jìn)有機(jī)物的去除，提高產(chǎn)氣性能，提升沼氣發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，同時還能去除硫化氫，在工程上具有可行性。本文根據(jù)其發(fā)言整理。
農(nóng)業(yè)農(nóng)村研究部沼氣科學(xué)研究所 鄧良偉 總工
一、提高沼氣發(fā)酵效率的措施
我們做研究主要的目的是探索自然的規(guī)律，或者是開發(fā)技術(shù)，提高效率。提高沼氣發(fā)酵的效率，總結(jié)起來有三個方面：第一，反應(yīng)器里微生物的數(shù)量盡量多，比如開發(fā)污泥滯留型反應(yīng)器、污泥回流、或者加填料、培養(yǎng)顆粒污泥等；第二，在數(shù)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(yǎng)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(zhì)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(fā)酵，一般都需要攪拌。攪拌是畜禽糞污、秸稈以及污泥沼氣發(fā)酵正常運(yùn)行的技術(shù)關(guān)鍵，也是沼氣工程主要的能源消耗環(huán)節(jié)。有調(diào)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(zhì)以外，攪拌還可以防止浮渣、沉渣、結(jié)殼，并且具有使溫度均勻，稀釋有毒物質(zhì)，促進(jìn)氣液分離等作用。
目前，攪拌主要有三種方式：一是機(jī)械攪拌，它的攪拌效果比較好，但設(shè)備投資比較大，維修比較困難；二是水力攪拌，特點(diǎn)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(yīng)器，或者是TS濃度比較低的反應(yīng)器；三是氣體攪拌，一般采用沼氣攪拌，設(shè)備比較少，攪拌效果比較好。有學(xué)者認(rèn)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(chǎn)量的影響，沼氣產(chǎn)量小，攪拌效果不好，攪拌效果不好，沼氣產(chǎn)量低，這樣就容易形成惡性循環(huán)。另外，沼氣攪拌還需要防爆電機(jī)。
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(jìn)行攪拌呢？這就涉及到怎么認(rèn)識和消除空氣中氧對沼氣發(fā)酵影響的問題。
三、氧氣(空氣)對沼氣發(fā)酵過程的影響
以往我們認(rèn)為氧氣是沼氣發(fā)酵的抑制劑和毒害劑，如果有氧存在，反應(yīng)器啟動比較慢，沼氣產(chǎn)量比較低，運(yùn)行不穩(wěn)定，所以沼氣發(fā)酵裝置一般需要密封，隔絕空氣(氧氣)。做沼氣發(fā)酵實驗前，一般需要用氮?dú)獯得撗鯕猓踔撂砑右恍┗瘜W(xué)的除氧劑，比如硫化鈉，還有L-半胱氨酸鹽酸鹽等；在做產(chǎn)甲烷潛力實驗的時候，反應(yīng)瓶頂空也要充氮?dú)?。在培養(yǎng)厭氧微生物的時候，一般采用Hungate厭氧菌分離操作技術(shù)，或者用嚴(yán)格厭氧的手套箱。需要嚴(yán)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(dǎo)致一些產(chǎn)甲烷過程重要酶不可逆的解離。所以在純培養(yǎng)條件下，如果氧氣進(jìn)去了，會導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的細(xì)胞快速裂解而死亡。這是我們傳統(tǒng)的關(guān)于沼氣發(fā)酵的觀點(diǎn)。
最近，有研究表明混合培養(yǎng)系統(tǒng)(如厭氧反應(yīng)器)對O2有一定的防御機(jī)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(kuò)散有阻礙作用；三是一些產(chǎn)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(zhì)，比如H2S的耗氧化學(xué)反應(yīng)可能消耗一部分的O2。
另外，最近也發(fā)現(xiàn)微氧對沼氣發(fā)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(chǎn)物的形成，比如乙醇和揮發(fā)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(chǎn)量。
四、沼氣發(fā)酵過程創(chuàng)造微氧環(huán)境(微曝氣)方法
創(chuàng)造微氧環(huán)境主要在三個階段：一是沼氣發(fā)酵之前，微氧預(yù)處理；二是發(fā)酵過程中通氧氣，但還需要攪拌輔助；三是在沼氣發(fā)酵后，在頂空通氧用于生物脫硫。基于這些研究，我們提出了一個假設(shè)，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(fā)酵產(chǎn)氣性能影響試驗
我們做了一個沼氣發(fā)酵實驗，包括空氣攪拌，不攪拌、機(jī)械攪拌，沼氣攪拌三種方式。機(jī)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(jī)械攪拌強(qiáng)度是每分鐘88轉(zhuǎn)。
5.1 空氣攪拌對豬場廢水沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇的空氣攪拌不僅對沼氣發(fā)酵沒有負(fù)面影響，而且可以提高沼氣產(chǎn)量、甲烷產(chǎn)量。與不攪拌相比，甲烷產(chǎn)量可以提高19%，與沼氣攪拌相比提高6.4%，與機(jī)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(chǎn)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?？諝鈹嚢璧牧硗庖粋€好處是，空氣攪拌對硫化氫含量可以降低60%-70%。
從有機(jī)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(fā)酵過程穩(wěn)定性來說，攪拌的反應(yīng)器比不攪拌反應(yīng)器的VFA和丙酸都低，空氣攪拌反應(yīng)器的TVFA和乙酸高于沼氣和機(jī)械攪拌反應(yīng)器，但空氣攪拌反應(yīng)器的乙酸與丙酸的比例比較高，反映出空氣攪拌反應(yīng)器更加穩(wěn)定。
5.2 空氣攪拌提高豬場廢水沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣效率的機(jī)制
接下來，我們對空氣攪拌提高沼氣發(fā)酵效率的機(jī)制進(jìn)行了簡單解析。
第一，提高混合傳質(zhì)效果。到底空氣攪拌能不能達(dá)到攪拌的效果？攪拌效果可用反應(yīng)器里面的TS變異系數(shù)(Cav)來表示，如果這個變異系數(shù)小于0.02，表示這個反應(yīng)器的TS含量比較均勻。通過實驗發(fā)現(xiàn)，機(jī)械攪拌需要10 min才能使反應(yīng)器TS比較均勻，空氣攪拌和沼氣攪拌1.5 min就達(dá)到了，說明試驗所用通氣量能達(dá)到良好的傳質(zhì)效果，起到了攪拌的作用。
第二，在反應(yīng)器里創(chuàng)造短暫的微氧環(huán)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(fā)現(xiàn)ORP上升到了-250 mV，大概是在微氧的環(huán)境，微氧環(huán)境會影響微生物的群落結(jié)構(gòu)和物質(zhì)代謝。
第三，空氣攪拌可以促進(jìn)大分子物質(zhì)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(jìn)了有機(jī)酸的產(chǎn)生與降解。因為這個指標(biāo)不好測，它邊產(chǎn)邊消耗，空氣攪拌消耗得多?？偟膩碚f，有機(jī)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(xì)菌的多樣性?？諝鈹嚢璧乃饧?xì)菌互營菌的豐度增加，反應(yīng)器里的氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌豐度增加，說明空氣攪拌是可以促進(jìn)互營菌與氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌之間的互營關(guān)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(yīng)器的氫分壓，有利于反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)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(guān)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(wěn)定，不再變化。
另外，從動力學(xué)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(yīng)動力學(xué)的參數(shù)如吉布斯自由能、比增長速率、細(xì)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(xì)菌消耗，所以空氣攪拌對沼氣發(fā)酵，對沼氣生產(chǎn)厭氧環(huán)境沒有產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。
攪拌和微氧到底對提高沼氣發(fā)酵的效率貢獻(xiàn)有多少呢？我們做了一個分析，總貢獻(xiàn)等于空氣攪拌減去不攪拌的貢獻(xiàn)，微氧的貢獻(xiàn)就是空氣攪拌減去沼氣攪拌的貢獻(xiàn)，傳質(zhì)的貢獻(xiàn)就是總的貢獻(xiàn)減微氧的貢獻(xiàn)。從物質(zhì)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(zhì)的貢獻(xiàn)，但對脂肪來說，傳質(zhì)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(fā)酵效率、產(chǎn)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(xiàn)率?？諝鈹嚢杼岣邆髻|(zhì)的貢獻(xiàn)率大概是62.9%，創(chuàng)造微氧環(huán)境大概是37.1%，所以主要的貢獻(xiàn)還是提高了傳質(zhì)，同時也創(chuàng)造了微氧環(huán)境，貢獻(xiàn)了30%多。
5.3攪拌參數(shù)的優(yōu)化
接下來對攪拌的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。一直通空氣，到底通到多少沼氣發(fā)酵反應(yīng)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(fù)正常產(chǎn)沼氣。綜合來看，通空氣1.5min，全天累計起來的甲烷產(chǎn)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(fù)到40%以上，基本上可以算是正常產(chǎn)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(fù)。盡管連續(xù)2h空氣攪拌不會導(dǎo)致沼氣發(fā)酵系統(tǒng)不可逆的影響，但會影響有效產(chǎn)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(guī)定的閾值，比如40%以下，我們將這個時間稱為非有效產(chǎn)甲烷時間。在一天中有效產(chǎn)甲烷時間就是24小時減掉非有效產(chǎn)甲烷時間。經(jīng)計算，根據(jù)不同通空氣時間的沼氣產(chǎn)量，最后還是1.5min、3min的甲烷產(chǎn)量最高，而且甲烷含量也最高。
接下來做了攪拌強(qiáng)度、頻率、時間的交互作用實驗。最后發(fā)現(xiàn)，攪拌強(qiáng)度是影響空氣攪拌最重要的影響因素，但是攪拌強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度和氧的抑制兩者存在矛盾，如果控制曝氣強(qiáng)度，可能不能滿足混合傳質(zhì)，如果滿足曝氣強(qiáng)度可能存在氧的抑制風(fēng)險。我們做設(shè)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(fā)生抑制作用，所以在工程上應(yīng)該是沒有多大問題的。
在工程上也進(jìn)行了應(yīng)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(fā)的濃稀分流-沼氣發(fā)酵技術(shù)。外面冰天雪地，用沼氣發(fā)電升溫，發(fā)酵溫度可以升到29℃，如果不用濃稀分流，就達(dá)不到這個溫度。通過一年的監(jiān)測，COD去除率為63.5%，BOD去除率達(dá)76.3%。沼氣產(chǎn)量大概是700——900m3/d，平均產(chǎn)量是705 m3/d?？偟恼f來，沒有發(fā)生結(jié)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。
總結(jié)
空氣攪拌不僅對沼氣發(fā)酵沒有負(fù)面的影響，而且可以促進(jìn)有機(jī)物的去除，提高產(chǎn)氣性能，提升沼氣發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，還具有硫化氫的去除作用。在工程上具有可行性。
原標(biāo)題：年會專家觀點(diǎn) | 鄧良偉：沼氣發(fā)酵可以用空氣攪拌嗎？
