干式發(fā)酵是指以有機(jī)廢棄物為原料（干物質(zhì)濃度在25%以上），利用水解產(chǎn)酸菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌將其分解為CH₄、CO₂、H₂S等氣體的發(fā)酵工藝。由于固體濃度太高難以采用連續(xù)投料或半投料的投料方式，絕大數(shù)均采用批量投料。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200系列。

一、干式厭氧發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用范圍

1.城市生活垃圾

組成：食物殘?jiān)?，廢紙，玻璃、陶瓷、塑料、金屬制品等廢物，煤灰渣及糞便等。

特性：組分復(fù)雜且隨季節(jié)、場(chǎng)合而異；食品殘?jiān)谋壤柽_(dá)到60%以上，尚未實(shí)現(xiàn)分類(lèi)收集，用于堆肥時(shí)需經(jīng)分選。

2.禽畜糞便

組成：雞、鵪鶉、鴨、鵝等禽糞尿；豬、羊、牛等畜糞尿；兔、蠶、蚯蚓等其他動(dòng)物糞尿及沖刷廢水。

特性：有惡臭，孽生蚊蠅且攜帶大量病菌及蟲(chóng)卵，但有機(jī)質(zhì)、N、P、K及微量元素豐富，C/N比較低，適合用作堆肥、飼料和產(chǎn)沼的原料?？芍苯佑米魍寥栏牧紕?，促進(jìn)作物增產(chǎn)。

3.污泥

組成：沉砂池沉渣、浮渣、初沉污泥、二沉池污泥、活性污泥、消化污泥以及造紙污泥、煉油污泥等。

特性：易于腐化發(fā)臭、含水率高且不易脫水；有機(jī)物含量約50%，植物營(yíng)養(yǎng)素豐富，可用作土壤改良劑和堆肥原料，但需除去其中重金屬、有機(jī)污染物、病原菌、寄生蟲(chóng)等有害成分。

4.農(nóng)產(chǎn)品及其加工廢物

組成：麥秸、稻草、玉米稈、樹(shù)葉、雜草、木屑、玉米芯、豆莢、花生殼、棉籽殼、谷殼、棉稈、鋸末等。

特性：以碳水化合物為主，種類(lèi)多、數(shù)量大、廉價(jià)易得，是微生物良好的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和堆肥理想原料；物化性質(zhì)良好，適宜用作工業(yè)原料，干燥后熱值高，燃燒清潔，灰分用途廣泛。

5.廚余和泔腳

組成：米和面粉類(lèi)食品殘余，蔬菜、肉骨、魚(yú)刺、瓜皮、果皮果殼、菜葉、剩飯、剩菜及廢餐具、餐巾紙等。

特性：有機(jī)物含量高、熱值低、易腐；含水率在80%左右；組成簡(jiǎn)單，毒害物質(zhì)含量較少；營(yíng)養(yǎng)成分豐富；來(lái)源復(fù)雜，需適當(dāng)處理以截?cái)嗖≡?，適用于堆肥產(chǎn)沼。

6.食品工業(yè)廢渣

組成：麥麩、糟渣、蔗渣、骨粉、濾泥、糠醛渣、劍麻渣、食用菌渣等。

特性：產(chǎn)量大，可集中處理；營(yíng)養(yǎng)元素全面，雜質(zhì)少，適于用作飼料，堆肥原料和厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼。

7.高濃度有機(jī)廢水

組成：酒精、味精、發(fā)酵、屠宰、制糖、養(yǎng)殖、化工、食品行業(yè)的有機(jī)廢水。

特性：COD含量高；廢水中含有豐富的微生物菌群，其成分類(lèi)似于生物有機(jī)肥菌種，可與秸稈、糞便一起生產(chǎn)有機(jī)生態(tài)肥。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200系列。

二、影響干式厭氧發(fā)酵工藝的主要因素

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的多少、運(yùn)行的穩(wěn)定性以及CH₄含量的高低與發(fā)酵過(guò)程中工藝條件的控制密切相關(guān)。由于發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度高導(dǎo)致進(jìn)料難、傳熱傳質(zhì)不均勻、酸中毒等問(wèn)題成為干式厭氧發(fā)酵工藝的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)此國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了深入的研究，其中有研究表明影響干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素包括：底物組成、底物預(yù)處理、接種物、有機(jī)負(fù)荷、pH值和溫度以及攪拌等。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200系列。

1.底物組成

由于底物本身特性的不同，發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)量相差較大，眾多研究表明：厭氧發(fā)酵底物的C/N比值以20~30為宜，過(guò)高與過(guò)低均會(huì)影響底物產(chǎn)氣量或產(chǎn)氣速率。C/N比過(guò)高，發(fā)酵過(guò)程有機(jī)酸會(huì)大量累積；C/N比過(guò)低，有機(jī)物的分解會(huì)受到抑制，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的NH₃抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。

2.底物預(yù)處理

對(duì)于固體含量高的有機(jī)廢棄物的厭氧發(fā)酵，底物的水解階段是在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程的限速階段。底物的水解速率除了和自身特性有關(guān)外，還與其物理結(jié)構(gòu)、性狀以及底物與水解酶接觸難易程度有關(guān)。通過(guò)一定的預(yù)處理技術(shù)減少底物的顆粒直徑、改善底物與酶的親和能力等，不僅可以促進(jìn)有機(jī)物的分解，而且還可以為微生物生長(zhǎng)繁殖創(chuàng)造適宜的環(huán)境，增大微生物與發(fā)酵底物的接觸面積，同時(shí)可以顯著地提高底物水解速率和產(chǎn)氣量。

目前比較常見(jiàn)的預(yù)處理方法有物理預(yù)處理法、化學(xué)預(yù)處理法和生物預(yù)處理法。

1）物理預(yù)處理法

物理預(yù)處理法是通過(guò)改變底物物理特性促進(jìn)厭氧發(fā)酵，主要方法有切碎、研磨、浸泡、冷凍、微波、超聲波、蒸汽爆破、脈沖等。

2）化學(xué)預(yù)處理法

化學(xué)預(yù)處理法可以促進(jìn)復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)降解轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谏锝到獾男》肿游镔|(zhì)，如葡萄糖、乙酸等，從而提高產(chǎn)氣效率，通常是酸、堿法。

酸水解法可以破壞秸稈中纖維素的晶體結(jié)構(gòu)，使秸稈變得疏松，但高濃度的酸會(huì)產(chǎn)生對(duì)沼氣發(fā)酵有抑制作用的副產(chǎn)品，如糠醛等。堿水解法的機(jī)理是利用堿破壞木質(zhì)素的醚鍵、皂化半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵，從而削弱纖維素、半纖維素內(nèi)部氫鍵的結(jié)合，使纖維素水解膨脹，結(jié)晶度降低，并且半纖維素在堿的作用下溶解，有利于生物質(zhì)秸稈的酶解。

3）生物預(yù)處理方法

生物預(yù)處理法主要是利用微生物產(chǎn)生胞外酶等物質(zhì)預(yù)先水解底物，具體反應(yīng)體系條件溫和、對(duì)木質(zhì)素的降解具有專(zhuān)一性、反應(yīng)過(guò)程能耗較低、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染較少等優(yōu)點(diǎn)。

3.接種物

在干式厭氧發(fā)酵過(guò)程中，由于固體濃度高，加入足夠所需的微生物作為接種物是極其重要的，甚至關(guān)系到干發(fā)酵的成敗。接種物的來(lái)源、富集培養(yǎng)方式及添加比例對(duì)厭氧發(fā)酵影響很大。一般情況下，厭氧干法發(fā)酵時(shí)菌種與發(fā)酵原料的比例為1:5左右，若能達(dá)到3:10以上，可以提高產(chǎn)氣率和沼氣中CH₄的百分比。

4.有機(jī)負(fù)荷

有機(jī)負(fù)荷時(shí)厭氧消化系統(tǒng)中生物轉(zhuǎn)化能力的度量。如果有機(jī)負(fù)荷過(guò)大，會(huì)造成揮發(fā)性有機(jī)酸的積累，形成“酸中毒”現(xiàn)象，不利于產(chǎn)生CH₄微生物的生長(zhǎng)繁殖；但如果過(guò)小，處理效率將大大降低，造成資源量費(fèi)。研究表明：在TS濃度為20%~50%的情況下，能正常產(chǎn)出CH₄。隨著TS濃度的增高，產(chǎn)CH₄量逐漸降低：在TS濃度為20%~40%范圍內(nèi)降低幅度不大；在TS濃度為50%時(shí)，產(chǎn)CH₄量大大降低。

5.pH值及溫度

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)酸菌可以在pH為5.5~8.5范圍內(nèi)良好生長(zhǎng)，而產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH變化非常敏感，低于5.5就會(huì)*受到抑制。干式厭氧發(fā)酵的適宜pH范圍為6.8~7.4，低于6.4或者高于7.6都會(huì)對(duì)產(chǎn)氣有抑制作用。因此，發(fā)酵體系的pH值應(yīng)維持在6.5~7.8范圍內(nèi)。

發(fā)酵溫度也是影響沼氣干發(fā)酵的重要因素，溫度與有機(jī)物分解過(guò)程有密切，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，原料有機(jī)物分解越快。30~35℃（中溫）與50~55℃（高溫）是厭氧發(fā)酵的2個(gè)適宜溫度段。研究表明：中溫厭氧發(fā)酵工藝所需熱量少，運(yùn)行穩(wěn)定，便于管理，較適宜干式厭氧發(fā)酵工藝。

6.攪拌

在配料不當(dāng)或者原料濃度較高的情況下，常會(huì)在啟動(dòng)階段發(fā)生pH劇烈下降的現(xiàn)象，即“酸中毒”。攪拌能夠避免裝置中原料局部酸積累，使發(fā)酵原料分布均勻，增加微生物與原料的接觸和反應(yīng)，擴(kuò)大活性層，同時(shí)防止大量原料浮面結(jié)殼、原料利用率降低、產(chǎn)生的沼氣釋放不出來(lái)等問(wèn)題。

三、干式厭氧發(fā)酵的主要工藝

國(guó)外對(duì)沼氣干發(fā)酵技術(shù)的研究比我國(guó)早，整體技術(shù)水平較我國(guó)。從20世紀(jì)40年代起，德國(guó)、法國(guó)和阿爾及利亞就開(kāi)始運(yùn)用批量式沼氣干發(fā)酵技術(shù)。20世紀(jì)80年代，德國(guó)、荷蘭、瑞士、布基納法索、尼日爾等國(guó)家對(duì)沼氣干發(fā)酵進(jìn)行了深入的研究。20世紀(jì)90年代，德國(guó)大量資助新型的間歇式干式發(fā)酵技術(shù)研究，在90年代末，該項(xiàng)工藝和裝備通過(guò)了中試，并于2002年生產(chǎn)出產(chǎn)業(yè)化裝備，投入實(shí)際運(yùn)行。目前國(guó)外的沼氣干式發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)成熟，如車(chē)庫(kù)型干發(fā)酵系統(tǒng)、氣袋型干發(fā)酵系統(tǒng)、干濕聯(lián)合型發(fā)酵系統(tǒng)、滲濾液儲(chǔ)存桶型干發(fā)酵系統(tǒng)等大型沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)，已投入生產(chǎn)性應(yīng)用以及規(guī)模化的沼氣生產(chǎn)。紅外沼氣分析儀Gasboard-3200系列。

國(guó)外部分干式厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)對(duì)比

（來(lái)源：公眾號(hào)@沼氣圈）