国内外主要沼气生产工艺

二、沼气发展历程与现状
——发展历程
沼气的发展历程大致可分成以下
三个阶段，即： 1.萌芽阶段(18世纪末一19世纪初) 2.起步阶段(19世纪50一70年代)
3.发展阶段(1973年至今) 在开始两个阶段中，沼气只是作为一种新兴事物出 现在，国外（主要是欧洲）的学者对此做了很多尝试 和实验，沼气真正作为一个产业出现还是上世纪源于 六七十年代。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
• 优点：①可以进入高悬浮固体含量的原料；②消化 器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加了底物 和微生物接触的机会；③消化器内温度分布均匀； ④进入消化器的抑制物质能够迅速分散，保持较低 浓度水平；⑤避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出 不畅和短流现象。 • 缺点：①由于该消化器无法做到使SRT和MRT在大于 HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；② 要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；③生产用大 型消化器难以做到完全混合；④底物流出该系统时 未完全消化，微生物随出料而流失。
二、沼气发展历程与现状
2、国内沼气工程发展现状
作为我国农村沼气管理部门，农业 部在我国沼气工程的发展中起了关键作
用。近些年以来，配套党中央和国务院 的各项政策，农业部制定和出台了大量 的政策法规，并发布了《畜禽养殖场沼气工程设计规范》等
多项标准和规范。这些政策法规为沼气工程搭建了的政策框 架，为我国沼气工程的全面发展起到了保驾护航的作用。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
5、升流式固体反应器（USR）
USR 是一种结构简单、适用于 高悬浮固体原料的反应器。原料 从底部进入消化器内，与消化器 里的活性污泥接触，使原料得到 快速消化。未消化的固体颗粒和 沼气发酵微生物靠自然沉降滞留 于消化器内，上清液从消化器上 部溢出，这样可以得到比 HRT 高的 SRT 和 MRT ，从而提高了固体有机 物的分解率和消化器的效率。
国内外大中型沼气工程 主要工艺技术介绍
赵立欣 Zhao Lixin Beijing 14/12/2009
提
• 引言
纲飞
• 沼气发展历程与现状
• 国内外大中型沼气工程主要工艺介绍 • 结语及展望
一、引 言
沼气是一种清洁能源，从发现、发展到开发利用， 经历了比较漫长的过程。同时沼气是一种取之不尽、 用之不竭的可再生能源，具有资源量丰富、燃烧热 效率高、使用清洁卫生等特点，在解决能源危机、 缓解环境压力以及推动社会可持续发展方面将发挥 重要作用。 近几年来，随着能源和环境问题的日益突出，大 中型沼气工程技术作为一种既可以处理废弃物，又 能回收能源的工程技术，在世界上越来越受到广泛 关注。
二、沼气发展历程与现状
（4）美国
美国在沼气方面主要集中在基础研 究上，如产甲烷菌的基因排序、厌氧
消化的生化过程、厌氧消化微生物菌 群结构及沼渣沼液中的特殊生物酶，而应用技术研究相对较少。 美国把沼气作为能源开发利用主要是垃圾填埋气，目前，垃圾
场是美国沼气生产的主要来源，占总数的34％。2007年，美国
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
• 优点：①不需搅拌装臵，结构简单，能耗低；② 适用于高SS废物的处理外，尤其适用于牛粪的消 化；③运转方便，故障少，稳定性高。 • 缺点：① 固体物可能沉淀于底部，影响消化器的 有效体积，使HRT和SRT降低；②需要固体和微生 物的回流作为接种物；③因该消化器面积/体积比 值较大，难以保持一致的温度，效率较低；④易 产生结壳。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
4、升流式厌氧污泥床（UASB）
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
4、升流式厌氧污泥床（UASB）
• 该工艺的优点： ①除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装臵及填料； ②长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率； ③颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳 定性； ④出水SS含量低。 • 该工艺的缺点： ①需要安装三项分离器； ②需要有效的布水器，使进料能均布于消化器底部； ③进水要求低SS含量； ④在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行 技术要求较高。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
4、升流式厌氧污泥床反应器（UASB） UASB是目前发展最快的消化器，其特征是自下 而上流动的污水流过膨胀的颗粒状的污泥床。消化 器分为三个区，即污泥床、污泥层和三项分离器， 分离器将气体分流并阻止固体漂浮和冲出，使MRT 比HRT大大增长，产甲烷效率明显提高。污泥床区 平均只占消化器体积的30%，但80～90%的有机物在 这里被降解。该工艺将污泥的沉降和回流臵于一个 装臵内，降低了造价。在国内外已被大量用于低SS 废水的处理，如废酒醪滤液、啤酒废水、豆制品废 水等。
二、沼气发展历程与现状
——发展现状
整体而言，经过几十年的发展， 世界各国的沼气事业都取得了长
足进步，但由于发展年限和方式不同，各国的发展呈现 不同态势。 1、国外沼气工程发展现状 据世界银行统计数据显示： 截止2007年年底，欧洲沼 气产量达到590万吨油当量（相当于70亿Nm3天燃气）。 其中德国为191万吨油当量/年，英国为170万吨油 当量/ 年。德国、瑞典、英国、美国等欧美发达国家在沼气工 程发展现状也代表了国际沼气工程产业的现状。
该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适 用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理，例如污水 处理厂好氧活性污泥的厌氧消化过去多采用该工艺。在 该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵器 内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较 低状态。而其排出的料液又与发酵液的底物浓度相等， 并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一 般较高。该消化器是典型的 HRT 、SRT和 MRT完全相等 的消化器，为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速 度保持平衡，要求HRT较长，一般要 10 ～15天或更长的 时间。中温发酵时负荷为 3 ～ 4 kgCOD/ （ m3· d ），高温 发酵为5～6kg COD/（m3· d）。
据农业部统计数据显示：截至2008年年底，我国 畜禽养殖场沼气工程达39510处，总池容451.476万立 方米，年产沼气约5.2亿立方米。其中：大型沼气工 程2761处，年产沼气约2.7亿立方米；中型沼气工程 12864处，年产沼气约1.8亿立方米；小型沼气工程 23885处，年产沼气7096万立方米。
二、沼气发展历程与现状
（1）德国
据统计： 1992年德国沼气发电工程的数量为139 家，2000年1050家， 2003年底迅速发展到3000家， 到2006年，基本上每个月新建50座沼气工程， 2006 年底沼气工程的数量达到3500座。沼气发电的装机总 量由1999年的50兆瓦猛增到2002年的250兆瓦、2008 年的1300兆瓦。德国沼气协会估计,到2020年,总装机 将达到9500MW。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
1、常规厌氧反应器
是一种结构简单、应用广泛的 工艺类型。该消化器无搅拌装臵， 原料在消化器内呈自然沉淀状态。 一般分为4层，从上到下依次为浮渣 层、上清液层、活性层和沉渣层， 其中厌氧消化活动旺盛的场所只限 于活性层内，因而效率较低。多于 常温条件下运行。我国农村最常用 的水压式沼气池属常规消化器。
Байду номын сангаас
二、沼气发展历程与现状
（1）德国
2000年德国政府公布的《可再生能源 优先法》等国家鼓励沼气发电上网的一 系列优惠政策的出台，为广大农场主建 设沼气工程并通过发电上网增加收入创 造了极好的法律环境。2004年，德国国 会对该法案进行了重新修订，使小型农 场的沼气发电上网更有吸引力，“发电 盈利”成为许多农场主纷纷建沼气工程 的主要动力。
沼气
进料
出水
排泥
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
2、全混式反应器（CSTR）
全混式反应器是在常规 消化 器内安装了搅拌 装臵 ，使 发酵原料和微生 物处 于完 全混合状态，与 常规 消化 器相比，活性区 遍布 整个 消化器，其效率 比常 规消化器有明显提高。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
二、沼气发展历程与现状
（3）英国
2002年英国开始实行绿 色证书系统—《可再生能源义
务证书系统》，该系统要求电 力供应商每年增加可再生能源发电的份额，2005~2006年 度为5. 7%，2015年将达到15. 4%。该系统中，沼气是最 具代表性的可再生能源，沼气份额的增加主要是填埋气 发电市场的增加，填埋气是绿色证书系统的受益者。 2004～2005年度，沼气占可再生能源发电的35.9%（填埋 气占33.6%，污水处理沼气占2.3%）。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
6、内循环厌氧反应器（IC）
1986年由荷兰派克公司研究成功 并用于生产内循环厌氧反应器，是目 前世界上效能最高的厌氧反应器。该 反应器是集 UASB反应器和流化床反应 器的优点于一身，利用反应器内所产 沼气的提升力实现发酵料液内循环的 一种新型反应器。
垃圾管理公司已在北美运行281个垃圾场，其中100个已经具有 某些沼气转换能源的能力。美国更注重新技术研发，已开始试
验沼气燃料电池替代传统的内燃机发电。
二、沼气发展历程与现状
2、国内沼气工程发展现状
八十年代以来，规模化养殖场的 逐年增加，畜禽粪便污染日趋严重；与
此同时，我国农村用能短缺，大中型沼气工程迎来了第一个快速 发展期。
二、沼气发展历程与现状
（2）瑞典 2004年开始，哥德堡（Gothenborg）等城市把沼 气与天然气管网连接，输送到用户。沼气厂的选址一 般都建设在天然气管网旁，以便将沼气净化后输入天 然气管网系统，用沼气替代天然气。斯德哥尔摩市居 民使用的燃气，就是厌氧消化处理有机废弃物后得到 并净化后的沼气。 瑞典沼气协会估算，若以10%农地和林业废弃物生 产沼气，沼气生产能力将达到853万吨油当量/年，而 目前的瑞典全国能耗仅为768万吨油当量，到2020年 瑞典成为世界上第一个不依赖石油的国家。
二、沼气发展历程与现状
（2）瑞典
瑞典是使用沼气作汽车燃料 最先进的国家。1996年，瑞典开 始把沼气提纯至甲烷含量95%以上， 作为汽车燃料使用，并制定了相关标准。 目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、 沼气与天然气混合燃料的小汽车。2004年开始，也有 火车以这种方式运行。在瑞典，交通工具所使用的气 体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。
同时，中央投资不断增加，2003—2008年，中央累计投资国 债资金105亿元，2008年底和2009年初，国家又紧急下拨拉动内需
资金30亿元和50亿元，大大加快了沼气工程的建设步伐。中央不
但在资金给予大力支持，在政策也给予了大力倾斜。
二、沼气发展历程与现状
2、国内沼气工程发展现状 与欧美国家相比，中国的农村沼气起步较晚，但 由于政策和资金的倾斜使其发展速度较快。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
美国人R.F.Fannion等曾用于海藻的中温厌氧消化。
其 TS 浓度平均为 12% 负荷为 1.6 ～ 1.9%Kgvs/m3.d ，甲烷 产率为0.6～3.2m3.d。
首都师范大学周孟津等用于鸡粪废水的中温厌氧消 化，负荷达10.5KgCOD/m3.d ，产气率达 4.9Kgm3/m3.d， 在 HRT 为 5 天的情况下 SRT 可达 24.5 天。该反应器适用于 高SS原料，应用前景广阔。我国已经用来处理酒精废液 、畜禽粪便等，并取得较好效果。
二、沼气发展历程与现状
（1）德国
在欧洲国家中，德国是发展中 小型农场沼气工程的典型代表，主 要动力来自于一些优惠鼓励政策的出台。 1990年实施的《电力并网法》规定：电力运营商 有义务有偿接纳在其供电范围内生产出来的可再生能 源电力。对于地理位臵不在电网运营商供电范围的可 再生能源发电厂，距离该发电厂最近的电网运营商有 接纳的义务，电网运营商由此产生的额外成本按照该 法的规定在账目结算中分摊。
三、国内外大中型沼气工程主要工艺介绍
3、塞流式反应器（PFR）
塞流式也称推流式消化器， 是一种长方形的非完全混合消化 器。高浓度悬浮固体原料从一端 进入，从另一端流出，原料在消 化器的流动呈活塞式推移状态。 在进料端呈现较强的水解酸化作 用，甲烷的产生随着向出料方向 的流动而增强。由于进料端缺乏 接种物，所以要进行污泥回流。 在消化器内应设臵挡板，有利于 运行的稳定 。