国内外大中型沼气工程主要工艺技术介绍 · 该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适...

赵立欣

Zhao Lixin

Beijing

14/12/2009

国内外大中型沼气工程主要工艺技术介绍

提纲飞

• 引言

• 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。

——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。

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。


（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。


（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。


（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。


（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。


（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。


（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%）。


（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

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。


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。

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。

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。

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。



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。


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。

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

进料出水

沼气

排泥

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。


2、全混式反应器（CSTR）

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）。


• 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。


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。


3、塞流式反应器（PFR）

• 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。


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。


4、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）


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。


4、升流式厌氧污泥床（UASB）

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。


5、升流式固体反应器（USR）


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。

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。


6、内循环厌氧反应器（IC）

1进水；2第一反应室集气罩；3沼气提升管；4气液分离器；5沼气导管；6回流管；7第二反应室集气罩；8集气管；9沉淀区；10出水管；11气封；

IC厌氧反应器的基本构造如同把两个UASB反应器叠

加在一起，反应器高度可达16～25m，高径比可达4～8。

在其内部增设了沼气提升管和回流管，上部增加了气液

分离器。该反应器启动时，投加了大量颗粒污泥。运行

过程中，用第一反应室所产沼气经集气罩收集并沿提升

管上升做为动力，把第一反应室的发酵液和污泥提升至

反应器顶部的气液分离器，分离出的沼气从导管排走，

泥水混合液沿回流管返回第一反应室内，从而实现了下

部料液的内循环。


循环结果使第一厌氧反应室不仅有很高的生物量，

很长的污泥滞留期，并且有很大的升流速度，使该反应

室的污泥和料液基本处于完全混合状态，从而大大提高

第以一反应室的去除能力。经第一反应室处理过的废水

，自动进入第二厌氧反应室。废水中的剩余有机物可被

第二反应室内的颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好

的净化。经过两级处理的废水在混合液沉淀区进行固液

分离，清液由出水管排出，沉淀的颗粒污泥可自动返回

第二反应室。这样废水完成了全部处理过程。


• 附着膜型消化器的特征是在反应器内安臵有惰性支持物（

又称填料）供微生物附着，并形成生物膜。这就使进料中

的液体和固体在穿流而过的情况下，滞留微生物于生物膜

内，并且在HRT相当短的情况下，可阻止微生物冲出。

• 这类反应器SRT较短，影响固体物的转化，因此只适用于处

理低浓度、低SS有机废水。

• 这类消化器有：厌氧滤器、流化床和膨胀床。后两种反应

器多处于实验室研究阶段。


7、附着膜型消化器

（1）厌氧滤器（AF）

经多年研究，厌氧滤器AF在实用

上多用纤维或硬塑料作为支持物，使

细菌附着于表面形成生物膜。当污水

穿流过生物膜时。有机物被细菌利用

而生成沼气。水流方向可以升流、降

流，使可溶性污水快速转化。可以考

虑用做两阶段厌氧消化的甲烷化阶段

。不适用于高SS含量的进料，因为它

们能很快堵塞该体系，产生上应用较

少。


• AF的优点：

①运行费用低，不需要搅拌；

②因效率较高，可缩小消化器体积；

③微生物固着在惰性介质上，MRT相当长，微生物浓度高，运转

稳定；

④更能承受负荷的变化。

• 其缺点有：

①填料的费用较多（可达总造价的60%）；

②由于微生物的积累，增加了运转期间料液的阻力；

③易生堵塞和短路；

④通常需要较长的启动期。


（2）厌氧流化床和膨胀床反应器（AFBR）

流化床和膨胀床都属于附着生长型生物膜

反应器，在其内部填有象沙粒一样大小的（

0.2～0.5mm）惰性颗粒供微生物附着，如焦碳

粉、硅藻土、粉碳灰或合成材料等，当有机污

水自下而上穿流过细小的颗粒层时，污水和所

产气体的升流速度足以使介质颗粒呈膨胀或流

动状态。每一个颗粒表面都被生物膜所复盖，

其比表面积可达300m3/m3，能支持更多的微生

物附着，造了比HRT更长的MRT，因而使消化器

具有更高的效率。


厌氧流化床和膨胀床反应器的优点是：

①有大的比表面积供微生物附着；

②可以达到更高的负荷；

③因为有高浓度的微生物使运行更稳定；

④能承受负荷的变化；

⑤在长时间停运后可更快地启动；

⑥消化器内混合状态较好。

• 其缺点：

①使颗粒膨胀或流态化需要高的能耗和维持费；

②支持介质可能被冲出，损坏泵或其他设备；

③在出水中回收介质颗粒势必要花更多的经费；

④不能接受高固体含量的原料；

⑤需要长的启动期；

⑥可能需要脱气装臵从出水中有效地分开介质颗粒和悬浮固体。


• EGSB实际上是改进的UASB。该工艺为了获得较高的上升流速，采用

高达20~30m的反应器或出水回流，使厌氧颗粒污泥在反应器内呈膨

胀状态。

• EGSB的优点主要有：（1）上升流速高达6-12m/h，高的上升流速使

颗粒污泥在反应器内处于悬浮状态，从而保证了进水与颗粒污泥的

充分接触，使容积负荷COD可高达20~30kg/(m3 d)。

• （2）EGSB工艺在低温条件下处理低浓度污水时，可以得到比其他

工艺更好的效果。

• 但EGSB的不足有：（1）由于采用高的升流速度运行，运行条件和

控制技术要求较高。

• （2）不适用于处理固体物含量高的废水，因悬浮固体通过颗粒污

泥床时会随出水而很快被冲出，难以得到降解。


8、膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）

——国外

• 20世纪90年代起，以德国为代表的发达国家开始进行

沼气间歇固态发酵（干法发酵）技术及工业级装备研

发。

• 目前欧洲干法发酵的工程设施主要有以下五种类型：

车库型、气袋型、渗出液存贮桶型、干湿结合型和贮

罐型。2002年，德国BIOFERM公司、BEKON公司等厂家

生产的车库型工业级装备已进入生产性验证，在控制

、安全等方面较完备，但投资较高。


9、固态发酵（干发酵）技术

——国内

覆膜干式厌氧发酵槽反应器（MCT）

该技术是以粪便、秸秆、有机垃圾等为原料，通过堆沤或好氧升温后，批量投入厌氧消化器进行发酵生产沼气的厌氧消化技术。该技术是在没有或几乎没有自由流动水的状态下进行的沼气发酵过程，适合处理固体浓度在20%以上的发酵物料，可同时生产沼气及固体有机肥料。


• 技术特点：

固态物料在反应器中经过“好氧升温－厌氧消化－好氧堆肥”三个阶段，生产出沼气和有机肥料两种产品，且没有沼液和其它废物排放。其突出的特点是：利用好氧发酵的生物能使固体原料升温（同时实施秸秆生物预处理），辅以高效的保温措施，不用外加热源，可使物料在厌氧产气期内保持“中温”（35～42℃）状态，且每天的温降小于0.15℃，有效地提高了沼气产气率，减少了系统的能耗，降低了运行成本。


• 技术特点：

覆膜干式厌氧发酵槽反应器一般需要设计多个发酵槽。本示意图是采用8个发酵槽的情况，其中4个处于厌氧产气阶段，1个处于好氧预处理升温阶段，3个处于脱水制肥阶段。



批次固态发酵（干发酵）工程实例：北京大兴庞各庄创新奶牛场干法沼气工程

MCT反应器搅拌专用设备

反应器全景沼气工程建设

——国外

• 2006年美国加州大学DAVIS分校成功研制了APS技术,可

以用于含有干物质成分高的废弃物的处理。由于此技

术可以实现高速发酵，因此所需要占地面积小。经发

酵后的物料可以用作于高效的有机肥。


10、固态物料两相沼气发酵技术

——国内

—固相产酸、液相产甲烷串联沼气发酵工艺（SAPS）


CH4

出水回流喷淋

进水

畜禽粪便

秸秆等辅助原料

混合SAPS

反应器

沼渣制取有机肥

渗滤液调节池

高效厌氧产甲烷反应器

渗滤液

SAPS—高效厌氧产甲烷两相沼气发酵工艺流程

• 技术特点：

该技术采取固态产酸与液态产甲烷相结合工艺，该系统由多个固体床（水解酸化反应器）串联一个产甲烷反应器组成。固态有机物首先在固体床中进行水解和酸化反应，渗滤液通过底部筛板进入渗滤液收集箱，该中间产物作为底物进入高效液相湿式厌氧反应器中进行甲烷化处理，出水回流到固体床中加速对底物的水解酸化。

整个工艺过程中，系统没有液体排出，产生的固体残渣可以通过后续处理生产有机肥。通过渗滤液集中收集、沼液喷淋和搅拌等方式，提高系统的消化速率和稳定性，解决传统固体废弃物厌氧发酵中出现的易酸化、难搅拌、产气不稳定等难题。


——一体化两相（循环接种式）厌氧消化技术

• 技术特点：

两相（循环接种式）厌氧消化技术是在中温条件下，以秸秆为原料，从消化器顶部投料，依靠秸秆和沼液的比重差异形成固液两相分离；同时，通过进料时携带的沼液循环，达到物料循环接种效果的秸秆厌氧消化技术。该技术适合处理干秸秆、青贮秸秆等秸秆类物料或秸秆与粪便等的混合性物料。


11、秸秆沼气技术

• 发酵过程中不加水或加少量水，产生沼液循环用于接种和

调节原料特性，基本不产生沼液，有效解决了大量消化产

物如何有效处理的难题。

• 该技术为连续发酵技术范畴，24小时内可多次连续进料，

保证了产气和供气的均衡稳定。该技术不产生结壳，不需

大换料，克服了批次沼气发酵产气不均衡的问题。同时，

可根据沼肥施用季节需要，3~6个月出料一次，不仅增加

了菌种的滞留期，提高了产气效率，而且避免了因经常排

液或排渣造成的系统能量耗散，降低了运行能耗。但目前

该技术运行时间较短。



两相（循环接种式）厌氧消化技术工程实例：天津静海四党口秸秆沼气工程

青贮池高压贮气柜


发酵罐与操作间秸秆沼气控制台


.

近年来，大中型沼气工程技

术的开发应用越来越受到重视，

新技术、新方法和新工艺不断

涌现，整体呈跨越式发展。

大中型沼气领域内多种类、

高浓度原料的高效厌氧发酵

装臵工艺技术研究、大型沼

气工程成套设备研发也将迎

来发展高速期!

四、结语及展望

中国具有大规模发展大中型沼气工程的资

源条件和技术潜力，可为未来社会和经济发展

提供一定的能源保障。

随着我国大中型沼气工程的发展，将提供

越来越多的就业机会，改善农村生产、生活环

境，促进农村经济又好又快发展！

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国内外大中型沼气工程 主要工艺技术介绍 · 该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适...

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