厌氧干式发酵技术调研报告

厌氧干式发酵技术与设备开发
立项研究报告
目录
1、干式发酵的基础知识 (2)
1.1厌氧干式发酵的划分 (2)
1.2厌氧干式发酵的技术优势 (2)
1.3厌氧干式发酵技术可应用的范围 (3)
1.4厌氧干式发酵技术的市场前景 (3)
2、国内外干式厌氧发酵技术调研情况 (4)
2.1国内同类技术状况 (4)
2.1.1农业部规划设计研究院 (4)
2.1.2其他单位 (6)
2.2国外同类技术状况 (6)
2.2.1德国的车库型干发酵系统 (6)
2.2.2法国气体搅拌的VALORGA (10)
2.2.3比利时Dranco (12)
2.2.4卧桶式发酵型 (14)
2.3国外干式厌氧发酵技术对比分析及结论 (15)
3、专利查询情况 (17)
4、国内同类技术可考察示范工程 (18)
5、本项目拟采用的工艺路线 (19)
5.1拟处理的物料特点分析 (19)
5.2拟采用工艺路线的比较分析 (19)
5.2.1预处理 (20)
5.2.2进料方式 (20)
5.2.3罐内搅拌 (21)
5.2.3出料 (23)
5.3可能存在的问题及解决措施 (23)
6、本项目实施计划 (24)
7、中试项目投资预算 (24)
1、干式发酵的基础知识
1.1厌氧干式发酵的划分
厌氧干式发酵是有机物发酵技术的细化分支，以发酵物的干物质含量来划分，一般认为：干物质含量10%-15%为湿式发酵，干物质含量24%-40%为干式发酵。

目前普遍应用的技术是湿式发酵，如农业行业标准中《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》中，推荐升流式厌氧固体床（USR）推荐干物含量为3~5%，全混合厌氧消化器（CSTR）推荐干物含量为8~12%（国内主要受泵的限制，在国外推荐的要高），塞流池推荐干物含量为7~10%。

其他技术如UASB则控制在2%以内。

干式发酵有分一段式或多段式，目前最经济、应用广泛的是一段式。

1.2厌氧干式发酵的技术优势
传统有机物发酵均采用湿法技术，由于湿法技术发酵耗能高、处理干物质的成本高等一系列缺点，限制了其适应的更广的范围和地域。

而干式发酵技术具备以下优势：
1.自身耗能低，冬季仅耗用自身产生的能量10-15%。

而湿法要耗用30%左右的能量，在北方寒冷地区冬季会达到45%甚至更多，因而大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。

2.可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物，大大节省了预处理成本。

3.沼气质量高（含硫量远远低于湿法沼气，只有50-300ppm，可以不经洗气直接供沼气发动机使用），发酵物出气率高。

4.建设和运营成本随规模增长很慢，占地省，比较适于建设年处理可发酵物一万吨以上、年产沼气100万立方米以上的大型沼气工程。

5.进料出料可使用通用的装载机等工程机械，设备效率高，通用性强。

6.因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液，所以不用脱水处理，发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料，因而存储和后处理费用低，价值高。

7.耗水量比起湿法大大降低，几乎没有污水排放，大大节省了水费和污水处理费。

由于上述的原因，厌氧干式发酵工艺的初期投资、运营成本和环境成本都远远低于
湿法技术。

1.3厌氧干式发酵技术可应用的范围
1.4厌氧干式发酵技术的市场前景
1.农产品及其加工废物，如中国每年的农作物秸秆产量有6-7亿吨，以前主要作为家庭的生活燃料使用，还有少部分用作牲畜饲料和造纸。

随着农村生活水平的提高，农村家庭的生活燃料也逐步向天然气、液化石油气和煤炭转移，造纸业因采用秸秆环境污染问题严重而转向采用木材纸浆，因而剩余农作物秸秆的数量越来越大，据估计每年已达到4亿吨左右，除了堆肥发酵还田或直接还田一部分外，大部分被焚烧。

一些地方的农作物秸秆焚烧问题已经非常严重，不仅污染环境，甚至影响到飞机的降落，高速公路的车辆行驶。

2.畜禽粪便，中国的养殖业每年还产生十多亿吨的畜禽粪便。

由于中国已经由过去的农户分散养殖过渡成为集中养殖并集中在大城市附近，因此畜禽粪便的处理已成为养殖场沉重的环境负担问题，搞不好还会造成污染地下水源的严重后果。

3.城市生活垃圾，中国城镇（厨余、食品加工下脚料和蔬菜运售剩余等）可发酵垃圾的数量逐年增长，在北京、上海、天津、深圳这样的大城市，每年的可发酵垃圾量已
达几十万吨，不仅没有用作肥料，反而占用了宝贵的垃圾填埋场，有些地方还造成了严重的垃圾填埋场爆炸隐患，并产生了严重的污水问题。

4.根据国家建设“新农村”和发展可再生能源等政策看，先进的沼气能源技术必将得到国家的大力扶持和鼓励，可以预见，大力推广应用适用范围广、更经济节省的厌氧干式发酵技术，将会获得更广阔的市场前景。

2、国内外干式厌氧发酵技术调研情况
2.1国内同类技术状况
2.1.1农业部规划设计研究院
农业部规划设计研究院，项目负责人韩捷，该项目获得国家十一五科研项目专项资金的扶持。

现已申报发明专利——一种干式发酵的设备及其方法申请(专利)号：CN200510082723.1
主要技术内容为：建设若干个发酵槽，间歇使用，实现好氧升温——厌氧产气——好氧制肥三段同槽发酵工艺，其中厌氧利用柔性膜密封，好氧升温及制肥时将柔性膜取下。

其实施例如图：
图一未密封的发酵槽图二密封后的发酵槽
图三多个发酵槽体进行等时段顺序发酵操作的工艺布置示意图
1发酵槽 2顶不开口部分 3密封连接装置 4侧面进出料开口部分 5槽体 6接触区域 7柔性密封膜 8翻搅车 9 10轨道 11 12温室 13集气总管 14截止阀 15集气支管 16气柜 17沼气净化器 18空压机 19单向止回阀 20移槽机 21轨道
注：具体的专利技术说明后附。

其示范工程：
北京庞各庄薛营创新奶牛养殖场养殖小区内奶牛存栏400头，是干式发酵的试点项目。

采用厌氧干式发酵技术，其特点是既能生产清洁能源----沼气，又能生产有机肥料，生产过程没有污水等二次污染。

这种技术特别适合固体废弃物量大，污水量少的情况下(如养牛场)的环境治理和废弃物资源化利用。

农业部规划设计研究院研究开发的厌氧干式发酵技术已取得了多项重大技术成果，申报了多项国际、国内专利。

此工程预计在十月份至今年（2006年）底进行系统调试和试运行，明年正式验收。

沼气用来烧水、做饭等日用，也可用来发电照明，预计可供将近百户会员常年使用，节省大量的能源资金，并且干发酵后的肥料经过熟化过程变成了有机肥，比生肥更有价值。

既节省了能源，发展了可再生能源，又减少了环境的污染，具有明显的社会效益、环境效益和经济效益。

2.1.2其他单位
如昆明理工大学，武汉大学，华中农业大学等，均有这方面的研究，但是都属实验室研究阶段。

未见具体示范项目。

2.2国外同类技术状况
从20 世纪40 年代起,德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式沼气干发酵技术。

20 世纪80 年代,德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对沼气干发酵进行了深入的研究。

20 世纪90 年代,德国大量资助新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发,在90 年代末,该项工艺和装备通过了中试,并于2002 年生产出产业化装备,投入实际运行。

目前,国外的沼气干发酵技术已经成熟,如德国Bioferm公司的车库型干发酵系统、法国VALORGA INTERNATIONAL S.A.S公司的仓筒型干发酵系统、德国HAASE公司的干湿联合型发酵系统、比利时OWS公司的渗滤液储存桶型干发酵系统、瑞典的KOMPOGAS等大型沼气干发酵系统,已经投入生产性应用,可进行规模化的沼气生产。

将干式厌氧发酵技术分类，可分为：
2.2.1德国的车库型干发酵系统
该种发酵技术特点是没有搅拌器和管道，发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等的影响，因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出。

在发酵室中没有搅拌器等运动部件，因此系统的可靠性很高。

典型代表：德国的Bioferm公司
应用案例：
采用车库型沼气干发酵系统,以牛粪和50 %的接种物进行中温(35 ℃) 发酵,在沼气干发酵开始后的2～5 天后产气趋于稳定,甲烷含量保持在60 %～65 %之间,产气高峰在10～28天内。

F. Kaiser 等采用德国Bioferm 公司的车库型干发酵系统进行中温发酵, 饲草的产气率为191138 L ·kg- 1 干物质, 绿化废弃物的产气率为188164 L·kg - 1干物质,牛粪产气率为218. 48 L·kg - 1干物质,产气高峰都在前30 天内。

T K Bhattacharya等对未稀释的牛粪和稀释后的牛粪(粪水比为1∶1) 在35 ℃进行60 天的厌氧干发酵,实验结果表明未稀释的牛粪的生物可降解性为30. 7 % ,稀释后的牛粪的生物可降解性为32. 5 % ,认为35 ℃时厌氧干发酵的产气效果与传统湿发酵的产气效果基本一样。

曲静霞等[32 ] 的研究结果表明: 当发酵温度为(35 ±1) ℃,TS 含量为20 % ,
原料滞留期为60 天,平均池容产气率为2 L·L - 1 d - 1 ,甲烷含量达65 %以上。

液压驱动的大门
气体贮存和生物过滤装置
机械装载充填发酵仓
充填好的发酵仓
甲烷菌剂贮存罐
发酵舱顶部的安全及控制装置
压力气体贮存装置生物脱硫净化罐
2.2.2法国气体搅拌的VALORGA
该种系统的特点是主要适用于生活垃圾、工业有机废物，采用中温（或高温）发酵；干物质含量最高可达55~58%；发酵时间大约30天；搅拌方式为罐体底部均匀射入沼气来搅拌（是否能促进甲烷菌生长，待落实）；产气量158.5立方米/吨原料；出料螺旋输送，经压缩后的滤液回流稀释物料。

典型代表：法国的VALORGA INTERNATIONAL S.A.S公司
应用案例：
法国干式多级厌氧消化系统（valorga）在荷兰Barcelona一生活垃圾处理厂的应用：
先经过分筛、分选后的可发酵有机物发酵温度中温37℃，消化器也可不需要很大改造的运行在高温消化下（54℃），共有3座消化器，每座大约直径16米，高22米，一天一次进料，进料时间需要几个小时，停留时间大20- 30天，从厌氧罐底部射入5个大气压的沼气流混合搅拌，厌氧罐底部大约有200个气流射入点。

在厌氧罐内的固体，湿度调节非常重要，在本案例，从反应器中出来的污物是经一
组平行螺旋挤压脱水的，挤压的滤液连续两次离心分离处理，用于稀释进料。

反应器进料干物质含量约55~58%，经循环液稀释后为40%，采用射入蒸汽加温。

产气量大约每吨原料产生158.5立方米，气体甲烷含量65%，二氧化碳35%，2000~3000ppm的硫化氢，经生化脱硫后为200ppm，处理后的气体供锅炉或发电机，另一边的气流是通过压缩机脉冲注射的是循环的。

2.2.3比利时Dranco
该技术特点是厌氧负荷：10 to 20 kg COD/m³容积·天；温度范围：高温50 to 58°C （或中温35°C）；停留时间：15到30天；沼气产率：100 -- 200 m³ 沼气/吨废物；发电率：170 to 350 kWh/吨废物。

典型代表：比利时的OWS公司
应用案例：
工艺流程如上图所示
Valves for Digester Gas Storage
DRANCO Plant
2.2.4卧桶式发酵型
1、瑞典的Kompogas工艺
瑞典的Kompogas工艺是典型的卧桶式搅拌工艺，进料处是转子泵方式的进料，罐内搅拌通过强大的搅拌装置，感觉与HCF相似，一根长搅拌轴，搅拌并推动物料进出，出料为搅拌轴推到出料口，跌落入出料槽，无轴螺杆提升输出。

平均停留时间15-18天，如图：
2、德国林德公司的BRV工艺
德国林德公司的BRV工艺与Kompogas相近，不同之处在于分段搅拌。

搅拌浆叶不同，分液体型和固体型。

液体型处理含固率20%，固体型处理含固率45%，林德公司业绩更多的是用于湿式发酵，这种技术用于固体发酵一般是二段发酵工艺。

BRV工艺的设备分散，比Kompogas设备更多。

如图：
2.3国外干式厌氧发酵技术对比分析及结论
序号国籍技术名称技术特点分析结论
1 法国V ALORGA
（瓦洛嘎）1、主要适用于生活垃圾、工业有机废物；
2、采用中温（或高温）发酵；
3、干物质含量可达55~58%；
4、发酵时间大约30天；
5、搅拌方式为罐体底部均匀射入沼气来搅
拌（是否能促进甲烷菌生长？）；
6、产气量158.5立方米/吨原料；
7、出料螺旋输送，经压缩后的滤液回流稀
释物料。

1、企业规模大，工程经验悠久，拥有大
量用户和企业知名度，获得政府支持，技
术实力不同质疑。

2、所能处理的含固率最高，投资大，设
备的机械化要求高，因此该技术更加适合
含水率低、处理规模大的城市垃圾处理工
程中。

3、这是很不错的方案，5-8个大气压足以
搅动物料。

2 比利DRANCO 1、厌氧负荷：10 to 20 kg COD/m³容积·天
2、温度范围：高温50 to 58°C（或中温35°C）1、进料与混合，接种；
2、发酵罐内无机械搅动部件，相对投资
DRY-TYPE BIOGAS PROCESS
活塞泵打入反应器，进料含固率15 -
40%；
7、反应器塞流式，水平放置的圆柱形罐体，
内设搅拌器，形成塞流；
8、保持55°C的高温厌氧。

3、专利查询情况
1、生活垃圾厌氧干发酵处理装置
专利权人：江苏省南京李声寿，该专利已终止于2006年。

摘要：本生活垃圾厌氧干发酵处理装置，包括温控装置，滚筒，滚筒滚动机构，滚筒支撑机构，滚筒内具有成对螺带叶片，滚筒两端具有密封盖，滚筒尾部装有由导管、集气管、网罩组成的集气装置，滚筒置于由保温层、盘管组成的加热保温室中，滚筒内和保温室内设置有测温探头。

本装置能使原料得到充分混合及均匀、精确加热，进行充分有效的厌氧干发酵反应，处理量大、周期短，池容产沼气率达６－１２ｍ３／ｍ３·ｄ，资金利润率达３５－４５％
评述：该专利存在的问题是设备投资较大，能耗高，不宜大规模工程化的应用。

2、双循环气体搅拌厌氧发酵罐
专利权人：郑州凯乐生物能有限公司，是河南一家工业生物发酵设备公司，
摘要：本实用新型涉及生物和环境工程领域所使用的厌氧发酵罐。

由圆柱形罐体、圆柱形内筒、罐底、罐顶、气体循环管、液体循环管、分离器、气体引射器、两个换热器、循环泵及喷嘴等组成，其特征是：液体循环管由罐底引出，管路上有循环泵、换热器，气体循环管由罐顶引出，管路上有换热器、分离器，两管汇合于气体引射器，引射器出口与喷嘴相连。

该发酵罐具有内、外循环结构，外部冷却。

在外循环过程中吸入气体，利用气体和液体的密度差及在外循环过程中加入的能量，形成内部循环。

换热器的面积不受发酵罐大小和结构的限制，而且制造、安装、维修方便。

采用气体搅拌，省去机械搅拌装置，使结构简单。

循环过程利用了气体的浮力，具有节能的效果。

评述：该专利与法国瓦洛嘎的工艺相似。

是不错的选择。

又由于行业不同，因此不存在侵权行为。

3、畜禽粪便厌氧发酵工艺及其装置
专利权人：李长生，即HCF的专利，已终止于2002年。

摘要：专利称处理干物质浓度可在10~13%
评述：该专利投资大，且处理的含固率受限制。

4、一种干式发酵的设备及其方法
专利权人：农业部规划设计研究院，韩捷张玉华陈通向欣，2006年专利批复。

内容已如前文所述，
评述：该专利特点在于是序批式，含固率不限。

存在问题是操作复杂，防爆控制复杂，占地面积大。

5、有机垃圾仓式厌氧发酵工艺及其装置
专利权人：上海神工环保股份有限公司徐天恩，特点是
摘要：本发明为一种用于有机垃圾厌氧发酵处理的工艺及其装置。

它采用一个厌氧发酵装置，新鲜的有机垃圾和发酵过的物料按一定比例混合后，进入密闭的发酵仓进行厌氧发酵，在发酵过程中生物菌液不断的在发酵仓内循环收集和喷洒，同时由自动控制系统控制发酵仓内的温度，保证发酵物料在稳定良好的生物环境下进行厌氧发酵。

产生的沼气从发酵仓内抽出作为再生能源使用，发酵后的物料作为制造有机肥的原料或其他用途。

本发明的特点是工艺设计简单，控制条件容易，对有机物料中的杂质有较强的适应性，没有废水排放，发酵仓内没有活动的机械设备，发酵过程完全自动化控制，工艺可靠度高，可较好地适应垃圾处理量的波动。

评述：该专利适用有机肥厌氧发酵，在罐内不动，发酵周期长，效率较低，专利没有说明进出料方式。

4、国内同类技术可考察示范工程
1、畜禽废物：目前只有一处，即农业部规划研究院在北京庞各庄的示范工程，国外
技术缺。

2、城市垃圾：近年来，欧洲各国如德国的林德公司、法国的瓦洛嘎公司都是采用厌氧消化技术处理生活垃圾。

2004年8月至10月，上海市先后在上海宝山区和普陀区正式动工两座日处理量600吨和800吨的生活垃圾处理厂，都是采用国际先进的干式或湿式厌氧生化技术，经分拣后的有机垃圾经过厌氧罐内20～25天的厌氧消化工艺，可将有机垃圾进行资源化、能源化处理，转化为生活燃气（沼气）和有机肥（沼液和沼渣经过生物菌的再次生化反应，可以产生肥效较高的复合有机肥或活性有机肥）。

垃圾中有机物经过微生物厌氧菌分解发酵过程分为液化、酸化、产甲烷三个阶段。

①在液化阶段，厌氧菌种利用胞外酶对垃圾有机物进行酶解，使固态物变成可溶于水的物质；②在产酸阶段，则依靠产酸菌将上述可溶物生成酸性中间物；③产甲烷阶段，最后由甲烷菌利用酸性中间物、以及物料中的其他碳类化合物转化为甲烷，即我们经常所说的沼气。

其固态物--沼渣经过再次微生物发酵后，便是价值较高的有机肥。

垃圾处理采用这种工艺路线的有利之处，有以下几个方面：
其经济价值较为可观：产出物有沼气——每吨有机垃圾经过发酵后，产沼气50～80M3(其中甲烷CH4含量≥50%) ，可供生活用燃气，或用此燃气发电上网。

每吨有机垃圾经过发酵后，又同时能产生0.6吨沼肥——它符合国家有机肥和绿色食品用肥标准：GB8172-87。

其中：有机质≥30%；全氮≥1.0%；其它肥效均超过标准1倍以上。

并有杀菌杀虫和刺激动植物生长和发育的“生物活性物质”、“土壤营养液”等特殊功能。

无害化：生产过程中不产生二次污染。

无灰渣生成，不需要填埋。

采用本工艺时，其系统设备投资仅为同样规模（指同样的垃圾日处理量）的热解工艺设备投资50％左右，故经济效果显著，其投资利润率约为10～15%，投资回收期约为8～10年。

5、本项目拟采用的工艺路线
5.1拟处理的物料特点分析
猪粪——一般采用规模化养殖，粪污分离，可获得的是鲜猪粪，含固率在20%左右，比较粘稠，进料
牛粪——养殖过程用水量较少，且收集时间较长，所以不会是鲜牛粪，即含固率在18%左右，一般收集周期在7天左右，其含水率随季节变化大，具体数值待落实。

拟处理的目标原料：宁夏吴忠市养殖区、吉林五棵树市养殖区的牛粪，具体物料的含固率、C/N比、可挥发成分、黏度等状况需要落实。

在此先设定含固率在30%左右。

5.2拟采用工艺路线的比较分析
通过对国内外同类技术调研情况，以法国的Valorga和比利时Dranco技术工程化应用最广泛、应用时间最悠久，且该两种工艺有较高的相似度，即：立式罐体，罐内为无机械搅拌的搅拌方式，一段式发酵，进料需要混料（新旧料配合），连续进料运行方式。

为减少工程化应用风险，本项目拟采用接近该两类共同特点的工艺。

5.2.1预处理
预处理目标：
1、剔除不能进入发酵处理的物质、如大块的木头、砖头、塑料等。

在此考虑通过人
工挑选的方式。

2、将拟处理的物料破碎到一定的粒径，初步考虑为3~5cm，并考虑物料的C/N比，
是否需要破碎秸秆等物料混合，以符合进料装置、罐内搅拌及发酵工艺的要求。

参考国内外技术，可考虑螺杆挤压破碎方式。

3、视物料情况需要,是否需要除砂，这需要落实吴忠、五棵树等地牛粪情况，由于含
固率不同，也许与蒙牛的有较大差异，将在方案中拿出相应办法。

5.2.2进料方式
进料要考虑因素：
●高含固率物料的输送
●与反应罐的密封
●每日的进料数量
1、泵送
由于物料的含固率高，一般的泵不能满足进料要求，据目前所调研的进料泵，可输送干物质含量30%的泵包括：螺杆泵55%，转子泵、隔膜泵、渣浆泵等。

但是以上所述泵可输送的含固率有一定使用的条件，如物料含有草是否会缠堵、含有固体颗粒是否可以、腐蚀性如何，吸程、扬程怎样等，目前应用较多的螺杆泵、转子泵在我国工程应用及丹麦公司应用，也仅输送含固率12%物料；但在Dranco工艺中是采泵输送方使，因此泵送是否可行，或怎样的泵符合要求，需要在方案阶段进一步落实。

2、螺杆压入
采用螺杆压入方式进料，可适应高含固率的物料，但也存在无管道密封，只能顶部进料，入罐需要液封等问题。

5.2.3罐内搅拌
1、沼气搅拌
技术思路来源于Valorga，在罐底设200-300个喷气口，将罐顶部收集的沼气一部分分流，进入脉冲喷射器，输送到喷气口，以5-8个大气压的压力喷入罐内。

2、物料泵送跌落
技术思路来源于Dranco，将锥形罐底部的发酵后物料抽出部分，与新物料在进料口混合，利用高压强力泵再打入发酵罐内。

3、立式罐内搅拌
由于卧式罐单位容积造价高，因此在此考虑以立式罐为主。

立式罐内搅拌与目前所用CSTR搅拌相近，目前CSTR处理含固率一般不超过12%是由于输送泵的限制，因此在解决了进出料问题后，立式罐搅拌是否可用，可搅拌到多高含固率浓度的物料，需要进一步落实。

5.2.3出料
由于物料含固率高，因此出料与进料需要周详考虑，
1、螺杆提升出料
参照Kompogas工艺，出料口设于罐底部，设出料口，通过罐内搅拌，将物料赶到出料槽，再通过螺杆提升到一定高度出料。

2、锥形罐底阀门出料
参照Dranco工艺，反应罐设为锥形底结构，物料自重跌落入锥底，通过板式盖阀排除物料，并通过螺杆输送到指定位置。

5.3可能存在的问题及解决措施
以上思路是居于30%含固率物料提出，可能会投资较大。

目前因对目标物料不够深入了解，因此还无法提出最合理的方案，需要进一步落实物料特征，再提交设计方案。

6、本项目实施计划
见立项表。

7、中试项目投资预算
从设备采购、以后便于搬入公司基地实验室、拟处理原料可获得程度等因素考虑，中试的处理能力不宜过大或过小，初步设定发酵罐体容积15米3。