半干式厌氧发酵技术调研

一、技术背景
据测算，全国每年产生农作物秸秆 10.4 亿吨，可收集资源量约 9 亿吨，尚有 1.8 亿吨的秸秆未得到有效利用，多数被田间就地焚烧；规模化畜禽养殖场每年产生畜禽粪污 20.5亿吨，仍有 56%未得到有效利用。

沼气发酵技术能够有效处理农业农村废弃物、减少温室气体排放和雾霾产生、改善农村环境“脏、乱、差”状况等，留住绿水青山，是促进生态循环农业发展的重要举措。

传统湿法厌氧制沼气工艺由于产生大量沼液，项目往往需要配套大面积种植园用来消化沼液，随着国家环保政策力度的加大，这也成为现阶段沼气工程发展的瓶颈。

而半干发酵在处理过程中不产生污水或产生污水很少，无沼液或少量沼液消纳，发酵剩余物更利于制成有机肥料，基本上可实现零污染物排放的模式，同时相对干发酵具有一定的流动性，传热传质相对好一些，经济效益较好，能量呈正效应，受到业主的广泛关注。

同时，2017年全国农村沼气“十三五”规划提出“气肥并重，综合利用”统筹考虑农村沼气的能源、生态效益，兼顾沼气沼肥的经济。

半干式厌氧发酵技术沼液回流无排放，沼渣含固率高有利于制成有机肥，能够很好地实现气肥联产，且对于秸秆类原料，在罐内浓度达到12-15%时，基本可以做到无漂浮现象，可以有效解决浮渣结壳等现象，因此对秸秆以及粪污类原料的半干式厌氧发酵技术开发符合国家发展政策和现实市场需要。

综上所述，半干发酵厌氧技术由于沼液产量低在规避沼液处理方面具有得天独厚的优势，对于该技术的开发不仅能够满足沼气厌氧发酵工程的现实需求，同时也符合国家对于沼气工程的战略发展规划。

二、技术发展现状
通过调研，目前国外干发酵技术主要以合能环境代理的奥地利THONI公司、湖北绿鑫使用的德国Biogastechnik SUD公司以及BIOFerm Energy Systems公司两相厌氧为代表的技术，国内济兴JACN的半干发酵技术在嵩明县大型蔬菜废弃物处理案例中实现了落地。

主要的研究机构有清华大学、河南农业大学、辽宁省能源所、沼科所等。

2.1 国内外半干发酵技术现状
1、奥地利TH ÖNI公司——Naturgas半干发酵技术
奥地利TH ÖNI公司半干发酵工程案例国内无，工艺路线如下：
图1工艺流程图
有机废弃物经过预处理后，通过进料箱/物料坑存储，以固态或液态的形式，通过螺旋输送装置或泵不间断地输入发酵罐，进罐后经过专利桨式搅拌机慢速均匀地充分搅拌充分发酵。

目前在欧洲已建有不到100座半干式发酵沼气工程，其中TH ÖNI公司有80余座。

奥地利TH ÖNI公司目前的半干式工艺主要采用中温（42℃）发酵，水力停留时间54天，根据对方提供的实际案例运行情况了解到，一年处理42000吨TS32%，VS90%的秸秆原料，中温发酵，进料秸秆长度10cm以下，可达到560m3/tVS 的产气率，56.2%的甲烷含量；厌氧罐体尺寸为Φ35*H8，总容积7200m3，罐内TS为15%，配套5台15kw的搅拌机。

搅拌机直径7m，搅拌机转速为2-6转/分，可达到节能、物料均一、消除分层的效果，一般采用低速连续搅拌。

进料分2个，每天进料24h连续。

进料系统和搅拌装置如下图：
图2进料系统
图3搅拌机
2、德国Biogastechnik SUD公司
德国Biogastechnik SUD公司半干式厌氧发酵技术在国内有1处，绿鑫工艺路线如下：
图3 工艺流程图
秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪（含固率25%）和秸秆在进料箱直接混合，通过抓料杆和螺旋输送机送入反应器，浓低度的猪粪等物料（含固率7%）直接泵送至反应器。

厌氧为两级发酵，均为25天，温度53.5，一级出料浓度15-18%。

沼气用于发电，沼液沼渣通过固液分离机后液体回流，固体经好氧发酵做有机肥。

进料系统和搅拌装置如下图：
图4 进料系统
图5 搅拌装置
绿鑫项目主要技术细节和关键数据
（1）收储运系统
●原料主要为玉米皮和玉米芯，物料含水率40%（玉米秆留在田地里，腐败还
田）。

目前收购价格为100-150元每吨，委托第三方收运方式。

牛粪TS25%，购入价格为60元/吨。

●堆场共五个储槽，尺寸为50*20*3，每个储存2000吨，共储存10000吨。

●玉米芯和玉米皮粉碎后直接进场黄储，进行铲车压实堆存，然后进料前用旋
切机进行现场粉碎，现场使用的是山东宇龙的设备，每小时处理量为7-8吨；
现场有个打捆机，但反馈不好用，闲置状态。

●秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪TS25%和秸秆在进料箱直接混合，浓度低
猪粪的直接泵送至反应器（现场反馈猪粪含固率为7%）。

（2）进料系统：
●秸秆用铲车输送至进料箱，干牛粪TS25%和秸秆在进料箱直接混合，浓度低
的直接泵送至反应器（含固率为7%的猪粪）。

●进料箱：容积40立方，储料约10吨；一端为2.2千瓦液压站挡板推送，液
压缸为三缸二级推送；另外一端竖向设置三套7.5千瓦喂料机，底部一条15千瓦有轴螺旋进料，深入罐内约一米；进料口距罐顶约2.5米，电机减速机为诺德；进料箱底部六条腿，均设置质量传感器，两端各设置显示屏一个；
现场操作按钮盒均为进口。

●秸秆铲车至进料箱后，全自动进料，不再人为干预，目前每天进料为四箱；
每天进料秸秆28-30吨，进料秸秆含固率60%，沼液回流60吨，含固率5%，折算进料浓度约23%；一天至少48次进料，现场实际看自控，一级罐为进料5分钟，间隔15分钟，折算每天进料72次；
●湿猪粪含固率为7%，利用wangen螺杆泵直接顶部进料，一二级均设置进料
口，猪粪池设置超声波液位计；猪粪池顶部设置黑膜塑料密封。

进料泵后段没有流量计，通过螺杆泵工作时间控制。

图6 左：电机减速机为诺德；右：猪粪池顶部
（3）厌氧系统：
●罐体规格为直径20米，高8米，其中地下5米，壁厚240mm；一期罐体20
米直径，二期罐体直径22米；罐体2400总容器，有效容积2200左右，液位高度7.2米中心设混凝土立柱，用于支撑生物脱硫床，脱硫床为8.5米左右橡木骨架，顶部铺设木板，可以承重人员；保温为挤塑板；
●两级厌氧发酵：一级反应器罐内及出料浓度15-18%，二级反应器出料11-12%，
现场反馈最佳温度为53.5℃，中控显示54℃；产气占总产气量的50-60%；
●总停留时间55天，总产气7000立方，甲烷浓度约50%，硫化氢11-18；
●没有单独的破壳和沉沙排除装置，预计五年清罐一次。

●罐体搅拌机：一级反应器设置15千瓦搅拌机三台，搅拌轴长约6米，直径
4.2米，安装高度两台为
5.05米，运行是可露出液面0.2米；一台为3米；
搅拌机罐内设置机械支撑，罐内轴承（设计寿命20000小时）及罐壁的密封机构进口，搅拌机为工频软启动，转速10r/min，现场表示16年10月开始运行至今无故障。

一级搅拌工作10分钟，间歇8分钟；二级反应器设置搅拌机两台，一高一低，搅拌机搅拌5分钟，间隔15分钟；其余同一级。

●罐体保温：罐体保温挤塑板；加热盘管为预埋PE管道，一级反应器两进两
出，一级反应器一进一出，利用发电机余热产生的热水通过板式换热器换热。

●罐体细节借鉴：视镜为钢化玻璃材质，设有探照灯，设有遮光帘；转刷效果
明显。

●气柜：气柜为单层膜，黑色，厚度约2mm，较我司膜材弹性佳，手感好；气
柜容积600立方米；气柜安装方式类似预埋凹槽，膜材用冲压式密封圈挤压密封。

气柜顶部有一条限位网带，与正压保护器联动；
●其他：两个反应器之间设置两条沼气连通管；沼气管道顶部出气，汇总后地
埋至发电机房，通过杭州力诺精过滤器后进去发电机。

●出料：利用wangen螺杆泵从一级反应器泵送至二级反应器，螺杆泵进出料
口均设置数显压变；泵进口堵塞，产生负压时，螺杆泵反转冲洗。

冲洗三次，三次解决不了，报警！
●空气脱硫，两个反应器均设置空气脱硫；脱离效果很好，后段硫化氢11-18。

（4）固液分离：
●二级反应器利用螺杆泵泵送至固液分离机；
●出料口高度距池底为2米；
●进行固液分离，固液分离机与出料泵联动，出料沼渣25-30%，沼渣露天堆放；
●沼液5%浓度进入沼液储罐，其中回流60吨；
●固液分离机设有缓冲罐，超出负荷部分溢流至沼液管道。

固液分离管道有超
越管。

●
沼液通过螺杆泵外排或回流。

螺杆泵回流与进料系统联动。

图7 固液分离单元
3.BIOFerm Energy Systems公司
BIOFerm公司采用两相厌氧发酵技术，具体工艺流程图如下：
图8 两相厌氧发酵
（1）预处理及进料系统：
预处理采用锤式粉碎机和割草机，后者可加工长度达60mm的草料，一次可第一相EUCO®
第二相COCCUS®
装载10%的100mm草料。

进料系统的料斗底部为活动地板，由液压驱动刮板组成，用于卸料松散的原料。

为了防止渗漏，减少腐蚀，降低耙子的摩擦阻力，活动地板安装在专利的耐酸、耐磨PE盆中。

图9 左：PASCO进料技术;右：预处理采用锤式粉碎机
（2）厌氧系统：
图10 左：第一相为EUCO发酵技术；右：第二相为COCCUS发酵技术两相厌氧发酵，第一相为EUCO®，第二相为COCCUS®。

EUCO®技术为卧式桨叶搅拌器，可将固体原料与预发酵材料混合在一起，搅拌器由一个3kw行星驱动装置两端驱动，主要起到水解的作用，为第二相提供良好的中间产物，同时产生50%的沼气。

第一相进料TS为15-20%，平均停留时间25-35天。

COCCUS®技术作为第二相，主要作用为产沼气发酵罐，罐体容积可做到
500-4000m³，罐壁加热，采用REMEX桨型搅拌器，缓慢连续运转。

TS＞12%，处理能力15-30t/d。

适用于一相或两相发酵，没有沉淀层和浮渣层。

通过变频控制系统可以设置最佳速度和最小能耗，采用自润滑聚酰胺轴承。

为气柜、生物脱硫一体化罐体。

4.济兴JACN半干发酵大型蔬菜废弃物处理案例
嵩明县是全省24个重点蔬菜基地县之一，据统计，嵩明县每天要产生近1500吨废弃菜叶，高峰期可达3000多吨。

项目占地81.37亩，分为两期建设，总投资3.4亿元，是国内首个全封闭厌氧处理废弃果蔬项目。

已于2017年6月至2018年6月开工竣工。

本项目厌氧设施占地面积约8亩，单个发酵罐3300立方米，共4个，中温发酵35℃。

采用半干式沼气发酵工艺，日处理1200吨废弃果蔬，沼气日产量约24000立方米，年处理39.6万吨废弃果蔬；每年生产约565万立方米生物天然气、17160吨有机肥料、20000吨液体肥料。

整个装置包括进料系统、预处理系统、厌氧发酵系统、脱水系统、沼气净化-储存系统、污水处理系统。

蔬菜废料运抵工厂后，首先进入预处理系统破碎脱水。

蔬菜压榨液进入液IC罐进行发酵处理，沼液经过净化后污水处理后进入嵩明县污水处理厂。

图11 嵩明半干发酵现场5.三种工艺对比分析
序号项
目
奥地利TH ÖNI
公司
德国
Biogastechnik
SUD公司
BIOFerm公
司
对比分
析
可借鉴点
1 进
料
装
备
集揉搓、混料、
进料于一体，三
个接口可选择
性接入其他液
体料或者沼液
回流，自动化程
度高，具备单个
螺旋称重功能，
对秸秆进料尺
寸要求低
（10-20cm均
可），泥土含量
10%以下
40-76m3尺寸，固
体进料，液体需要
另外管道进入，具
备称重功能，对秸
秆尺寸要求10cm
以下
进料系统由
料斗、液压
活动地板、
提升螺旋、
松散螺旋、
喂料螺旋组
成，具备称
重功能
TH ÖNI
公司进
料装备
功能多
样，且
自动化
程度高
适应性
强。

1、功能多
样化
2、设备布
置紧凑
3、智能化
程度高
2 搅
拌
机
四台搅拌机同
一水平面布置，
功率11kW/h，15
年寿命，适应浓
度15%以下，转
速2-6r/min，齿
轮驱动，一台
120万
三台搅拌机在不
同水平面布置，功
率15kW/h，10年
寿命，适应浓度
15%以下，转速
10r/min，间歇搅
拌，齿轮驱动，一
台50万
第一相采用
卧式搅拌，
第二相采用
桨式搅拌，
连续缓慢搅
拌，转速
6r/min，行
星驱动
TH ÖNI
公司搅
拌机刚
性强，
功率
低，造
价高；
SUD公
司搅拌
机相对
1、可在不
同水平面
上布置
2、间歇搅
拌
3、转速低
功率小
2.2 搅拌方式
1．STEVERDINGRÜHRWERKSTECHNIK公司搅拌机类型
Spiralo®Schwanko Hydromixer垂直搅拌机塞流搅拌机
+++：非常适合
2．其他搅拌方式及对比
除了上面提及到的各种水平桨式搅拌外，还有如下几种搅拌方式：
图12 多种搅拌器简图
A:卧式桨式搅拌器；B:立式桨式搅拌器；C: 可调螺旋桨搅拌器；D:旋转臂螺旋桨搅拌机；E:立式液力混合器
F:立式气体扰动搅拌
表多种搅拌方式对比
搅拌方
式
代表公司优点缺点
桨式搅拌SUMA（旋转臂螺旋桨搅拌机）；
STEVERDINGRÜHRWERKSTECHNIK；
biogas-hochreiter（立式桨式搅拌器）；
Eisenmann（T型卧式搅拌器）
采用合理的低
功耗电机;电机
安装在外部，使
用方便;无需定
期维修(只需涂
油等)；搅动速
度慢，大型叶片
装置最大限度
地降低了机械
故障的风险
某些物料可能发
生分层；安装成本
高，因为必须保持
气/液密封；如果
故障，则需要停止
发酵，以便拆卸或
进行维修
泵式搅拌Vaughan公司的Rotamix
没有移动、转动
部件密封良好；
泵装置安装在
外部，便于正常
使用
喷嘴可能会随着
时间推移而堵塞，
这将降低混合性
能并增加电力成
本；在没有清空反
应器的情况下，不得清洗内部喷嘴
长矛气体搅拌Siemens 公司的Pearth™压缩机像大多
数管道一样安
装在外部，降低
了维护要求；在
一些系统中，还
提供了一个单
独的混合室，可
以从罐外进入
进行维护
成本比其他系统
稍贵一些；
气泡枪
搅拌
Cannon公司的Gas Bubble
气/液搅
拌
Landia 公司的GasMix TM
图13 Eisenmann公司高含固T型卧式搅拌机
3.专利检索
欧洲专利（EP2659959B1），一种可升降的轮式搅拌器，见下图：
图14 可升降的轮式搅拌器
一种用于秸秆厌氧发酵的系统搅拌装置（CN 205088241 U）：发酵罐体上设
置多个立搅拌器及多个侧搅拌器，能形成优化的轴向和周向流场，使整个发酵罐内介质混合均匀，并且无死角出现。

图15立搅拌器及侧搅拌器组合
三、半干发酵基础研究
1.印度尼西亚Bogor农业大学
印度尼西亚和马来西亚等热带地区盛产棕榈，棕榈经过提油后被用作菌基，蘑菇栽培后的固体废物有机物含量达25.56%，农业资源管理学院的Purnomo博士利用这些废物进行干式厌氧发酵（体系TS24%）和半干式厌氧发酵（体系TS 17%）的产沼气试验，经过65天的试验探究，得出以下结果：干式发酵和半干式发酵降解后的C/N比分别下降5.27%和19.31%，半干发酵的沼气产量为18.6L/kg原/kgVS，气体组成为甲烷40.69%，二氧化碳49.96%，氮气7.58%；料，131.85 LCH
4
干式发酵的沼气产量为5.98L/kg原料，38.71 LCH
/kgVS，气体组成为甲烷35.58%，
4
二氧化碳46.12%，氮气17.31%。

菌菇渣经过半干发酵和干发酵过程后，C含量分别降低了26.88%和23.44%。

纤维素分析结果显示干发酵后物料的半纤维素、纤维素和木质素分别降低6.00%、10.60%和6.74%；经过半干发酵，物料的半纤维素、纤维素和木质素分别降低9.26%、13.02%和9.28%。

说明半干式发酵相对于干式发酵有更好的发展前景。

2.意大利半干式厌氧发酵工程
1991年，意大利学者取得了半干式发酵工艺的专利；自1990年至1999年，威尼斯大学和维罗纳大学的研究小组通过批式和中试实验针对过程优化、运行条
件和获得效果进行了长达十年的研究，其中使用半干式发酵工艺处理市政有机固废，进料TS为20%，产气量达到230m3/tVS，容积产气率为2.1m3/m3d，有机负荷OLR为9.2kgVS/m3d；1999-2000年期间，在意大利的维罗纳开始了高温半干式发酵的工程实践，工程包含4个2000m3连续搅拌的CSTR，用于处理市政固体有机废弃物，进料TS在10%-20%之间，目前稳定运行，可实现500t/d的产能。

3.印度Cochin科技大学
2014年，Cochin大学学者以市政有机废弃物为原料，通过批式试验进行高温半干式厌氧发酵工艺的运行效果及产气动力学研究，结果表明经过45天的发酵，底物的VS被降解了66.7%，产气量达到52.9m3/tVS。

其他条件一致的情况下，半干发酵最大产气高峰出现的时间比干发酵产气高峰早1周，同时发现TS 含量增大，产甲烷量反而降低，因为低含水量和高TS会抑制产甲烷菌的活性，TS 18％时获得最高甲烷产量。

同时研究表明半干式发酵之后原料的纤维降解率高于干发酵，分别高出15.6%、8.43%、13.87%。

4.发酵温度
有证据表明，高温发酵可以提高发酵效率(del Real Olvera and lopez, 2012)，近年来，高温HS-AD在许多全尺寸系统中被证明是可靠的，与中温发酵相比，其沼气产生率提高了30-50%(De Baere and Mattheeuws, 2014)。

据文献报道，在美国的城市有机固体废弃物的高温厌氧发酵占现有处理能力的绝大多数(>95%) ，由于高温厌氧发酵可提高的效率且有证明显示具有良好的稳定性，因此其预计仍将是主导的发酵类型（University of South FloridaScholar Commons, High-Solids Anaerobic Digestion of the OrganicFraction of Municipal Solid Waste State of the Art,Outlook in Florida, and Enhancing Methane Yieldsfrom Lignocellulosic Wastes）。

对于氮含量高（C/N低）的原料，由于在高温条件下，游离氨的浓度比在中温条件下高，抑制作用更强，发酵不稳定。

四、应用前景
根据十三五规划，目前，全国可用于沼气的农业废弃物资源潜力巨大。

农村沼气原料主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工剩余物、蔬菜剩余物、农村有机生活垃圾等。

据测算，可用于沼气生产的废弃物资源总量约 14.04 亿吨，其中，秸秆可利用资源量超过 1 亿吨、畜禽粪便可利用资源量超过 10 亿吨、
其他有机废弃物可利用量超过 1 亿吨，沼气生产潜力约为 1227 亿立方米。

随着经济社会发展、生态文明建设和农业现代化推进，沼气生产潜力还将进一步增大。

其中：
农作物秸秆。

主要包括玉米、水稻、小麦、豆类、薯类等作物秸秆，2015 年作物秸秆的理论资源量为 10.4 亿吨，可收集资源量约 9 亿吨，主要分布在华北平原、长江中下游平原、东北平原等 13 个粮食主产省（自治区）。

作为肥料、饲料、食用菌基料以及造纸等用途共计约 7.2 亿吨，可供沼气生产利用的秸秆资源量约 1.8 亿吨，沼气生产潜力约为 500 亿立方米。

畜禽粪便。

主要包括奶牛、肉牛、生猪、肉鸡、蛋鸡等畜禽的粪便。

2015 年，全国现有猪、牛、鸡三大类畜禽粪便资源量为 19 亿吨。

目前，粪便堆肥化处理量约为 8.4 亿吨，可供沼气生产利用的畜禽粪便资源量约 10.6 亿吨，沼气生产潜力约为 640亿立方米。

其他有机废弃物。

主要包括农产品加工副产物、蔬菜尾菜、农村有机生活垃圾等。

2015 年，全国粮食加工副产物（米糠、稻壳、玉米芯、糟类）总量约 2.1 亿吨，可供沼气生产利用的资源量约 0.2 亿吨；全国果蔬加工废弃物总量约 2.6 亿吨，可供沼气生产利用的资源量约 1.14 亿吨；全国农村有机生活垃圾总量约0.8 亿吨，可供沼气生产利用的资源量为 0.3 亿吨。

其他有机废弃物可利用量共 1.64 亿吨，沼气生产潜力约为 87 亿立方米。

半干式厌氧发酵技术适用于秸秆、畜禽粪便等多种原料，根据以上数据该技术将出现巨大的市场需求。

按照每100吨有机废弃物1000万元的设备投资额、市场占有率1%的保守估计，农作物秸秆1.8亿吨，畜禽粪便10.6亿吨，仅这两种原料即可达1.24亿元的市场规模。