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綜合利用 · Comprehensive utilization
各大領(lǐng)域沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣特性及原料產(chǎn)氣率匯總
來源:綠潔興農(nóng)
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作者:xjzqw888
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發(fā)布時(shí)間: 2018-09-10
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理論上，絕大部分有機(jī)物都可以作為沼氣發(fā)酵原料，沼氣發(fā)酵原料一般可分為四大類：農(nóng)業(yè)類發(fā)酵原料、工業(yè)類發(fā)酵原料、市政廢棄物類發(fā)酵原料和水生植物廢棄物發(fā)酵原料。本期對(duì)這四大類沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣特性及原料產(chǎn)氣率進(jìn)行了整表匯總，方便大家隨時(shí)對(duì)照查看，歡迎收藏~
（注：FM：鮮重；TS：總固體；VS：揮發(fā)性固體）
畜禽糞污
表1、畜禽糞污原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
畜禽糞便作為沼氣發(fā)酵的原料有許多優(yōu)勢(shì)：
① 碳氮比一般在15:1~30:1，十分適合厭氧微生物的生長(zhǎng)。
② 具有較高的緩沖能力，能應(yīng)對(duì)不嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象。
③ 一些畜禽糞便(如牛糞、鹿糞)中含有瘤胃微生物，可以為沼氣發(fā)酵體系補(bǔ)充沼氣發(fā)酵菌種。
然而，畜禽糞污作為沼氣發(fā)酵原料也有一些限制因素：
① 畜禽糞污體積大、干物質(zhì)含量比較低，鮮糞一般小于30%，沖洗污水低于3%，所以單位體積原料的沼氣產(chǎn)量比較低，原料或沼液的運(yùn)輸成本較高。
② 飼料中重金屬和抗生素的添加量日趨加大，重金屬和抗生素會(huì)影響沼氣發(fā)酵過程以及沼渣、沼液的處理和還田利用。
③ 畜禽糞污中氮的含量較高，容易造成沼氣發(fā)酵體系氨抑制。
為解決上述問題，通常將畜禽糞污和易降解種植業(yè)廢棄物混合發(fā)酵，畜禽沖洗污水可以用于稀釋其他發(fā)酵原料，相對(duì)于畜禽糞污原料單一發(fā)酵，混合發(fā)酵體系更加穩(wěn)定。
不同種類的畜禽糞便，具有不同的理化特性，會(huì)影響沼氣工程的效率和穩(wěn)定性。在沼氣工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意：
① 牛糞中草較多，沉淀物較少，浮渣量多于沉渣量。奶牛糞含砂量還比較高，要注意除砂。
② 豬糞中草和沉淀物都比較多，沉渣量多于浮渣量，由于沖洗污水量較大，所以豬場(chǎng)糞污水量大，濃度低，升溫困難，冬季產(chǎn)氣少。
③ 雞糞中含有羽毛、砂石，發(fā)酵過程中沉渣較為結(jié)實(shí)。另外，不同于奶牛糞中的砂，雞糞中的砂石包裹于有機(jī)物中，所以對(duì)砂的去除更為困難。
④ 羊糞和兔糞中含草較多，呈顆粒狀，需要在預(yù)處理階段設(shè)置泡糞池，使其中的有機(jī)物盡可能溶于料液中。
農(nóng)作物秸稈
表2、農(nóng)作物秸稈原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相對(duì)于畜禽糞便，農(nóng)作物秸稈干物質(zhì)含量高，單位鮮重的沼氣產(chǎn)氣率高，對(duì)原料和沼渣的運(yùn)輸也較為容易。根據(jù)秸稈的貯藏方式不同，秸稈可分為青貯秸稈和黃貯秸稈。青貯是將收獲的作物秸稈切碎，在無氧條件下，通過微生物的發(fā)酵產(chǎn)酸作用降低pH而使秸稈得以保存的方法。青貯秸稈含水率較高，通常在65%~75%，有機(jī)物損失較小。黃貯是將收獲的作物自然風(fēng)干而貯藏秸稈的方法，黃貯秸稈含水率低，是我國(guó)秸稈主要的貯藏方式。目前我國(guó)大部分秸稈沼氣工程采用黃貯秸稈作為沼氣發(fā)酵的原料，而歐洲的沼氣工程則基本采用青貯秸稈或青貯秸稈與其他原料混合作為沼氣發(fā)酵的原料。
但是，農(nóng)作物秸稈直接作為沼氣發(fā)酵原料也有一些缺點(diǎn)：
① 秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在沼氣發(fā)酵體系中，纖維素和半纖維素的降解需要較長(zhǎng)時(shí)間，木質(zhì)素基本不降解，所以，通常需要對(duì)秸稈發(fā)酵原料采用物理、化學(xué)或生物的方法進(jìn)行預(yù)處理，這樣就會(huì)增加沼氣工程的建設(shè)和運(yùn)行成本。
② 秸稈原料的碳氮比較高，一般在50以上，不適宜沼氣發(fā)酵微生物的正常生長(zhǎng)，所以純秸稈沼氣工程的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。
③ 規(guī)模較大的沼氣工程，需要原料多，秸稈收集半徑大，收貯的成本高。
④ 由于長(zhǎng)纖維和木質(zhì)素的存在，在沼氣發(fā)酵過程中容易產(chǎn)生浮渣，進(jìn)料和出料比較困難。
能源作物
表3、能源作物原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
沼氣工程運(yùn)行實(shí)踐證明，大部分能源作物都適合作為沼氣發(fā)酵原料，能源作物的沼氣利用方式主要是與畜禽糞便混合發(fā)酵，優(yōu)點(diǎn)是混合后原料碳氮比更利于沼氣發(fā)酵微生物的生長(zhǎng)，而且產(chǎn)氣率也有提高。其中包括玉米、青草、谷物、甜菜、馬鈴薯和向日葵等。
將能源作物作為沼氣發(fā)酵原料，也需要其他一些技術(shù)支撐，例如，作物收集技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)和貯藏技術(shù)等。草本能源作物，例如，牧草、向日葵、玉米、甜菜等通常直接切碎或青貯來作為沼氣發(fā)酵原料。能源作物的組分以及作為沼氣發(fā)酵原料的適應(yīng)性與其生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)?？偟膩碚f，纖維素含量隨著作物的成熟越來越高，對(duì)作物的降解和產(chǎn)甲烷過程越不利。但是，不成熟的作物含水率較高，會(huì)使原料的貯藏變得較為困難。
工業(yè)廢棄物
表4、工業(yè)廢水類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
表5、工業(yè)廢渣類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相較于農(nóng)業(yè)廢棄物，工業(yè)廢棄物的產(chǎn)量也比較大，大多數(shù)有機(jī)工業(yè)廢棄物均可作為沼氣發(fā)酵原料。這些廢棄物主要有食品和飲料生產(chǎn)廢棄物、飼料加工廢棄物、制糖廢棄物、淀粉加工廢棄物、造紙廢水、水果加工廢棄物等。
根據(jù)廢棄物的來源不同，其組成成分、干物質(zhì)含量和產(chǎn)沼氣潛力等特性有較大的區(qū)別。一般來說，大部分可作為沼氣發(fā)酵原料的工業(yè)廢棄物的懸浮物都較低、性質(zhì)比較單一，脂類、蛋白質(zhì)和糖的含量都比較高，易于降解。基于這些性質(zhì)，一些工業(yè)廢棄物作為沼氣發(fā)酵原料，在使用高效的厭氧反應(yīng)器(如UASB、IC、EGSB)時(shí)，常能得到相對(duì)于畜禽糞便和能源作物更高的沼氣產(chǎn)量。
但工業(yè)廢棄物的來源十分復(fù)雜，加之水量加大，所以廢水經(jīng)沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液還田利用較為困難。因此，以工業(yè)廢棄物為發(fā)酵原料的沼氣工程都是以廢水達(dá)標(biāo)排放為主要建設(shè)目的，通常在沼氣發(fā)酵單元的后端還需建設(shè)后處理設(shè)施，將厭氧出水進(jìn)一步處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
市政及水生植物廢棄物
除以上原料，市政廢棄物以及水生植物廢棄物也是良好的沼氣發(fā)酵原料。如市政廢棄物中的餐廚垃圾、有機(jī)垃圾、市政污泥等；水生植物廢棄物中的水葫蘆、水花生、藻類等。
表6、餐廚垃圾類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相對(duì)于其他沼氣發(fā)膠原料，餐廚垃圾的油脂含量和鹽含量較高，其來源也比較復(fù)雜，不同飲食習(xí)慣地區(qū)的餐廚垃圾的成分也有很大的區(qū)別。針對(duì)餐廚垃圾的特性，在沼氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段還需注意以下幾點(diǎn)：
① 由于餐廚垃圾中含有骨頭、刀叉筷子、碗等堅(jiān)硬的物質(zhì)，這些物質(zhì)易損壞泵、管道等工藝設(shè)施，所以在預(yù)處理階段應(yīng)該設(shè)置分離裝置將這些物質(zhì)去除。
② 餐廚垃圾中蛋白質(zhì)含量較高，所以在發(fā)酵過程中容易造成氨的積累，在沼氣工程的運(yùn)行中應(yīng)注意原料性質(zhì)和進(jìn)料量的監(jiān)測(cè)，防止氨抑制現(xiàn)象的發(fā)生。
③ 餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中硫化氫含量較高，因此硫費(fèi)用較高，制約了能源的有效利用。
④ 餐廚垃圾中易降解有機(jī)物比例高，容易酸化。
有機(jī)垃圾的VS/TS一般在80%以上，碳氮比為12~20，適合作為沼氣發(fā)酵原料，其產(chǎn)沼氣潛力為300~400m3CH4/tVSin。但有機(jī)垃圾通常還含有一些病原菌，在利用前后還需采取一些衛(wèi)生措施使其利用更加安全。
在污水處理過程中，污泥的產(chǎn)量一般為污水處理量的0.23%~0.7%(污泥含水率為96%)平均值為0.359%或者0.14kg干污泥/m3污水。初沉池和二沉池污泥的產(chǎn)沼氣潛力與畜禽糞污的產(chǎn)氣潛力相近，當(dāng)投入的污泥含水率為96%，產(chǎn)生的沼氣量為8~12倍污泥量，相當(dāng)原料產(chǎn)氣率0.20~0.30m3沼氣/kgTS。實(shí)際工程調(diào)查顯示，單位體積的污泥產(chǎn)氣率為4~14m3/m3污泥，平均污泥產(chǎn)氣率為7.54m3/m3污泥。通常還會(huì)采取一些預(yù)處理措施來增加沼氣產(chǎn)量，例如，化學(xué)分解、熱解、酶解等方法。
表7、水生生物沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
（注：FM：鮮重；TS：總固體；VS：揮發(fā)性固體）
畜禽糞污
表1、畜禽糞污原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
畜禽糞便作為沼氣發(fā)酵的原料有許多優(yōu)勢(shì)：
① 碳氮比一般在15:1~30:1，十分適合厭氧微生物的生長(zhǎng)。
② 具有較高的緩沖能力，能應(yīng)對(duì)不嚴(yán)重的酸化現(xiàn)象。
③ 一些畜禽糞便(如牛糞、鹿糞)中含有瘤胃微生物，可以為沼氣發(fā)酵體系補(bǔ)充沼氣發(fā)酵菌種。
然而，畜禽糞污作為沼氣發(fā)酵原料也有一些限制因素：
① 畜禽糞污體積大、干物質(zhì)含量比較低，鮮糞一般小于30%，沖洗污水低于3%，所以單位體積原料的沼氣產(chǎn)量比較低，原料或沼液的運(yùn)輸成本較高。
② 飼料中重金屬和抗生素的添加量日趨加大，重金屬和抗生素會(huì)影響沼氣發(fā)酵過程以及沼渣、沼液的處理和還田利用。
③ 畜禽糞污中氮的含量較高，容易造成沼氣發(fā)酵體系氨抑制。
為解決上述問題，通常將畜禽糞污和易降解種植業(yè)廢棄物混合發(fā)酵，畜禽沖洗污水可以用于稀釋其他發(fā)酵原料，相對(duì)于畜禽糞污原料單一發(fā)酵，混合發(fā)酵體系更加穩(wěn)定。
不同種類的畜禽糞便，具有不同的理化特性，會(huì)影響沼氣工程的效率和穩(wěn)定性。在沼氣工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意：
① 牛糞中草較多，沉淀物較少，浮渣量多于沉渣量。奶牛糞含砂量還比較高，要注意除砂。
② 豬糞中草和沉淀物都比較多，沉渣量多于浮渣量，由于沖洗污水量較大，所以豬場(chǎng)糞污水量大，濃度低，升溫困難，冬季產(chǎn)氣少。
③ 雞糞中含有羽毛、砂石，發(fā)酵過程中沉渣較為結(jié)實(shí)。另外，不同于奶牛糞中的砂，雞糞中的砂石包裹于有機(jī)物中，所以對(duì)砂的去除更為困難。
④ 羊糞和兔糞中含草較多，呈顆粒狀，需要在預(yù)處理階段設(shè)置泡糞池，使其中的有機(jī)物盡可能溶于料液中。
農(nóng)作物秸稈
表2、農(nóng)作物秸稈原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相對(duì)于畜禽糞便，農(nóng)作物秸稈干物質(zhì)含量高，單位鮮重的沼氣產(chǎn)氣率高，對(duì)原料和沼渣的運(yùn)輸也較為容易。根據(jù)秸稈的貯藏方式不同，秸稈可分為青貯秸稈和黃貯秸稈。青貯是將收獲的作物秸稈切碎，在無氧條件下，通過微生物的發(fā)酵產(chǎn)酸作用降低pH而使秸稈得以保存的方法。青貯秸稈含水率較高，通常在65%~75%，有機(jī)物損失較小。黃貯是將收獲的作物自然風(fēng)干而貯藏秸稈的方法，黃貯秸稈含水率低，是我國(guó)秸稈主要的貯藏方式。目前我國(guó)大部分秸稈沼氣工程采用黃貯秸稈作為沼氣發(fā)酵的原料，而歐洲的沼氣工程則基本采用青貯秸稈或青貯秸稈與其他原料混合作為沼氣發(fā)酵的原料。
但是，農(nóng)作物秸稈直接作為沼氣發(fā)酵原料也有一些缺點(diǎn)：
① 秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在沼氣發(fā)酵體系中，纖維素和半纖維素的降解需要較長(zhǎng)時(shí)間，木質(zhì)素基本不降解，所以，通常需要對(duì)秸稈發(fā)酵原料采用物理、化學(xué)或生物的方法進(jìn)行預(yù)處理，這樣就會(huì)增加沼氣工程的建設(shè)和運(yùn)行成本。
② 秸稈原料的碳氮比較高，一般在50以上，不適宜沼氣發(fā)酵微生物的正常生長(zhǎng)，所以純秸稈沼氣工程的啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。
③ 規(guī)模較大的沼氣工程，需要原料多，秸稈收集半徑大，收貯的成本高。
④ 由于長(zhǎng)纖維和木質(zhì)素的存在，在沼氣發(fā)酵過程中容易產(chǎn)生浮渣，進(jìn)料和出料比較困難。
能源作物
表3、能源作物原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
沼氣工程運(yùn)行實(shí)踐證明，大部分能源作物都適合作為沼氣發(fā)酵原料，能源作物的沼氣利用方式主要是與畜禽糞便混合發(fā)酵，優(yōu)點(diǎn)是混合后原料碳氮比更利于沼氣發(fā)酵微生物的生長(zhǎng)，而且產(chǎn)氣率也有提高。其中包括玉米、青草、谷物、甜菜、馬鈴薯和向日葵等。
將能源作物作為沼氣發(fā)酵原料，也需要其他一些技術(shù)支撐，例如，作物收集技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)和貯藏技術(shù)等。草本能源作物，例如，牧草、向日葵、玉米、甜菜等通常直接切碎或青貯來作為沼氣發(fā)酵原料。能源作物的組分以及作為沼氣發(fā)酵原料的適應(yīng)性與其生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān)?？偟膩碚f，纖維素含量隨著作物的成熟越來越高，對(duì)作物的降解和產(chǎn)甲烷過程越不利。但是，不成熟的作物含水率較高，會(huì)使原料的貯藏變得較為困難。
工業(yè)廢棄物
表4、工業(yè)廢水類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
表5、工業(yè)廢渣類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相較于農(nóng)業(yè)廢棄物，工業(yè)廢棄物的產(chǎn)量也比較大，大多數(shù)有機(jī)工業(yè)廢棄物均可作為沼氣發(fā)酵原料。這些廢棄物主要有食品和飲料生產(chǎn)廢棄物、飼料加工廢棄物、制糖廢棄物、淀粉加工廢棄物、造紙廢水、水果加工廢棄物等。
根據(jù)廢棄物的來源不同，其組成成分、干物質(zhì)含量和產(chǎn)沼氣潛力等特性有較大的區(qū)別。一般來說，大部分可作為沼氣發(fā)酵原料的工業(yè)廢棄物的懸浮物都較低、性質(zhì)比較單一，脂類、蛋白質(zhì)和糖的含量都比較高，易于降解。基于這些性質(zhì)，一些工業(yè)廢棄物作為沼氣發(fā)酵原料，在使用高效的厭氧反應(yīng)器(如UASB、IC、EGSB)時(shí)，常能得到相對(duì)于畜禽糞便和能源作物更高的沼氣產(chǎn)量。
但工業(yè)廢棄物的來源十分復(fù)雜，加之水量加大，所以廢水經(jīng)沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液還田利用較為困難。因此，以工業(yè)廢棄物為發(fā)酵原料的沼氣工程都是以廢水達(dá)標(biāo)排放為主要建設(shè)目的，通常在沼氣發(fā)酵單元的后端還需建設(shè)后處理設(shè)施，將厭氧出水進(jìn)一步處理，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
市政及水生植物廢棄物
除以上原料，市政廢棄物以及水生植物廢棄物也是良好的沼氣發(fā)酵原料。如市政廢棄物中的餐廚垃圾、有機(jī)垃圾、市政污泥等；水生植物廢棄物中的水葫蘆、水花生、藻類等。
表6、餐廚垃圾類沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
相對(duì)于其他沼氣發(fā)膠原料，餐廚垃圾的油脂含量和鹽含量較高，其來源也比較復(fù)雜，不同飲食習(xí)慣地區(qū)的餐廚垃圾的成分也有很大的區(qū)別。針對(duì)餐廚垃圾的特性，在沼氣工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行階段還需注意以下幾點(diǎn)：
① 由于餐廚垃圾中含有骨頭、刀叉筷子、碗等堅(jiān)硬的物質(zhì)，這些物質(zhì)易損壞泵、管道等工藝設(shè)施，所以在預(yù)處理階段應(yīng)該設(shè)置分離裝置將這些物質(zhì)去除。
② 餐廚垃圾中蛋白質(zhì)含量較高，所以在發(fā)酵過程中容易造成氨的積累，在沼氣工程的運(yùn)行中應(yīng)注意原料性質(zhì)和進(jìn)料量的監(jiān)測(cè)，防止氨抑制現(xiàn)象的發(fā)生。
③ 餐廚垃圾發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣中硫化氫含量較高，因此硫費(fèi)用較高，制約了能源的有效利用。
④ 餐廚垃圾中易降解有機(jī)物比例高，容易酸化。
有機(jī)垃圾的VS/TS一般在80%以上，碳氮比為12~20，適合作為沼氣發(fā)酵原料，其產(chǎn)沼氣潛力為300~400m3CH4/tVSin。但有機(jī)垃圾通常還含有一些病原菌，在利用前后還需采取一些衛(wèi)生措施使其利用更加安全。
在污水處理過程中，污泥的產(chǎn)量一般為污水處理量的0.23%~0.7%(污泥含水率為96%)平均值為0.359%或者0.14kg干污泥/m3污水。初沉池和二沉池污泥的產(chǎn)沼氣潛力與畜禽糞污的產(chǎn)氣潛力相近，當(dāng)投入的污泥含水率為96%，產(chǎn)生的沼氣量為8~12倍污泥量，相當(dāng)原料產(chǎn)氣率0.20~0.30m3沼氣/kgTS。實(shí)際工程調(diào)查顯示，單位體積的污泥產(chǎn)氣率為4~14m3/m3污泥，平均污泥產(chǎn)氣率為7.54m3/m3污泥。通常還會(huì)采取一些預(yù)處理措施來增加沼氣產(chǎn)量，例如，化學(xué)分解、熱解、酶解等方法。
表7、水生生物沼氣發(fā)酵原料特性及原料產(chǎn)氣率
數(shù)據(jù)來源：《沼氣工程》
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