年会专家观点 | 王凯军：沼气新技术发展及产品高值化利用

作者：中国沼气学会 发布时间：03/29/2023 来源：

编者按：2022年12月15日，由中国沼气学会、哈尔滨工业大学共同主办的2022中国沼气学会学术年会暨第十二届中德沼气合作论坛开幕，并于12月15、16、20、21、22日5天举办了主旨论坛、农业农村沼气工程技术创新论坛、城市有机固废降碳减污厌氧创新技术论坛、青年论坛、德国沼气技术专场以及“博能杯”2022沼气+创新科技挑战赛总决赛等系列主题论坛。年会以“减污降碳，清洁生产”为主题，邀请关部委领导、权威专家、优秀企业家和学者通过腾讯会议和视频直播的方式齐聚，共同探讨沼气产业发展。中国沼气学会理事长、清华大学环境学院王凯军教授以“沼气新技术发展及产品高值化利用”为主题进行了分享，主要介绍了厌氧发酵主体工艺的发展、产品高值化利用等内容，并给出了沼气利用的一些新方向。

（本文根据其发言整理。）

01# 厌氧发酵主体工艺的发展

沼气全流程可分为三个部分：厌氧发酵系统、沼气提纯系统、养分利用系统，另外还有一部分是原料的收储运系统。我曾在中国沼气学会学术年会《促进生物燃气产业发展，构建产业生态》的报告中介绍过三级网络平台。通过互联网平台，实现农业废弃物收储运、资源化生产、产品销售利用产业链全生命周期跟踪管控，构建以“农业废弃物收储运-资源化处理-产品销售与利用”三级网络为核心的良性产业生态圈，最终以生物燃气产业发展带动区域养殖、种植、肥料、燃气等行业的优化与升级，实现环境效益与经济效益、社会效益的共赢。这部分内容不在这里赘述。

当前，厌氧技术面临着诸多挑战。厌氧技术在工业废水处理领域取得了重大进展。从CSTR反应器、UASB反应器、EGSB反应器都有新的发展。但是各种处理固体物料的反应器仍然停留在几十年前的传统反应器。虽然二三十年来在材料、设备等方面取得了很多进展，但在工艺原理方面并没有取得实质性的突破。所以针对半流态性的原料，如秸秆、餐厨垃圾、污泥、厨余垃圾等等，就面临着氨氮抑制、负荷低、停留时间长等一系列的问题。反应器的落后也成为了制约行业发展的重大问题。

我曾在2013年中国沼气学会学术年会报告上分享过一种仿生反应器，其仿生模拟的是消化系统，从食肉到食草动物，肠胃由简单到复杂，包括CSTR反应、推流、CSTR多级的串联等不同的内容，但我们对其生理生态特性研究还不太多。

研究时大家更多的是把物料放进瘤胃来观察它的变化。从仿生的实质上来讲，是要看反应的过程和物料之间的反应关系。从反应器的角度来说，完全模仿反应器的条件，就有可能取得系统的高效。这里条件有些差别：比如对于瘤胃系统，仿生的对象是以稻草纤维素为主的原料。

厌氧反应器系统pH是恒定的，而瘤胃系统的pH在一个范围内波动，温度基本上恒定；从厌氧的条件来讲，厌氧反应器是绝对厌氧条件，瘤胃系统由于需要反刍夹带氧气，是一个交替的厌氧和微氧环境。所以，我们要模仿反应器仿生，应该使得环境与之相近。

我认为沿着这个方向对仿生反应器的研究仍然是一个非常重要的内容。因为CSTR反应器是三公斤的负荷，而瘤胃的转化是100公斤到150公斤的负荷，二者差了两个数量级，所以反应器具备很大的潜力，对其进行研究仍然是非常必要的。

DVO公司采用推流式消化池

另外跟大家分享一个观点：高精尖的反应器不一定都是最好的。前几年我到美国去和当地的养牛协会交流，遇到了美国养牛行业里面最大的厌氧公司DVO。他们技术非常简单，仅利用一个推流的反应器，比我们的消化池建造和运行都要简单得多。其与完全混合的反应器相比有很多好处：因为推流的水力停留时间比较理想，而完全混合的水力时间是不均匀的；而从动力学上来讲，理论上推流反应器要优于完全混合反应器。

所以，这家公司利用这样一个简单的系统，在运行过程中与美国的情况相结合：由于在厌氧过程中实际停留时间比较长，厌氧消化的比较彻底，对沼液进行利用，对沼渣用非常简单的方式干化，再收集起来作为牛场的垫料，节省了费用。从而使整体的造价低、运行简单，养牛和种植也进行了非常好的结合，产生了良好的效益，所以整个系统非常优化。这个例子说明，不一定是高科技才能实现最优化的效果，一个简单的技术在系统上安排的非常好也是非常有竞争力的。

发展干发酵技术要看到其与传统湿式厌氧技术相比的优势。

传统湿式厌氧存在以下缺陷：

1、预处理要求高：秸秆破碎、餐厨打浆设备要求高；

2、负荷低、停留时间长：投资居高不下、特别是畜禽粪便、秸秆项目经济效益差；

3、沼液出路困难：污泥、畜禽粪便沼渣沼液出路困难。

干发酵技术具有以下优点：

1、预处理要求低：原料适应性较广、农业秸秆、畜禽粪便、餐厨垃圾以及其它农产品废弃物处理发酵；

2、发酵体积小投资低：是湿发酵体积三至五分之一；

3、没有沼液消纳问题：发酵过程中没有沼液外排。

所以，干发酵技术优势很明显，特别是有些物料要加水搞湿了以后就存在技术不合理：比如秸秆、餐厨（厨余）垃圾和部分畜禽粪便需要加水稀释后才能湿发酵；餐厨垃圾需要三相分离出油、液体和固体后，液体和固体再混合发酵。这些环节都是不必要的。

在产业应用中，干式厌氧发酵技术装备已经有了应用实例。前两年水专项支持过一个产业化项目，最大的成果是当时中持开发出3000m3单体的干式发酵装备。从单体来看，有很大的进展。原本的干式发酵体积都不太大，一般是500-1000m3，主要问题是搅拌轴如果是纵向的，体积越大轴越长，可达三十多米，就会面临下垂的问题，刚度受到影响，所以很多工艺是横向搅拌。而中持的技术在纵向搅拌上解决了问题。3000m3的体积应该是目前所知世界上最大的。

同时，这项技术还要解决反应的问题。在干式物料里面基质和代谢产物的浓度非常高，一般在湿式的氨氮浓度1000~1500mg/l已经非常高了，在这里氨氮浓度达到5000mg/l以上，就有抑制问题。通过与我们团队合作很好的解决了这个问题。

通过应用干式厌氧发酵技术，扩大了应用场景，也提高了经济效益。

02# 沼渣、沼液产品高值化利用技术

沼液具有做肥料、浸种、防治病虫害、用作畜禽饲料等神奇作用。已经证明沼渣沼液中含有对动、植物生长有调控和对某些病虫害具有杀灭作用的微量物质，这也是一个非常值得研究的问题。虽然理论上目前尚不清楚，但在实践中不影响它应用。我分享几个在肥料上应用的案例。

第一个例子是嘉博文公司。过去堆肥都是在长期堆放中把有机质转变成水和二氧化碳，但是嘉博文公司以餐厨垃圾及秸秆为原料，经过60～80℃、8～10h快速高温好氧发酵，形成腐植酸含量≥50%、有机质含量≥80%的生物腐殖酸产品，之后可作为土壤调节剂。该有机废物生物强化腐殖化技术于2014年获国家技术发明二等奖。生物腐植酸肥料应用到农业上有很多场景，比如四川丑橘等，产品品质得到了很大提高。

第二个例子是民和牧业对沼液采用双膜法提纯，做成“新壮态”肥料，具有很多功效。其2014年的年报显示，生物肥的利润率非常高，达到百分之七十多。

第三个例子是污泥植物微生激励素，通过植物激励素、多肽水溶肥和沼渣混合施用，在盐碱地上种水稻的效果会相差很大，也为我们沼渣沼液的高值利用提供了一些思路和线索。

总结来看，我们通过产品的高质化与商业模式相结合，可以在农业上发挥很大的作用。

03# 沼气利用新技术

沼气发电和热电联产技术已经非常成熟。沼气提纯技术发展经历了三个阶段，第一阶段是与国内相关行业设备的自主创新，第二阶段是借鉴空分行业技术移植，第三阶段是进口关键膜元件设备集成。这三个阶段已经变成了成熟技术，下一步我们要考虑生物原位提纯技术，价格更低的同时也可以实现增效提纯。

沼气利用新技术---原位提纯技术

第一步是把二氧化碳去掉，可以溶解到水里或用于藻类固定，以及用电的方法利用二氧化碳和氢的途径转变成甲烷。其中，也涉及电的直接利用和间接利用的科学问题。再就是用藻类来纯化二氧化碳，可以将藻类固定做成流化床通沼气，最终浓度可以达到90%的甲烷含量。在此过程中，沼液里的氨氮也得到了去除。

生物天然气制氢技术

还有两大利用方向。第一是沼气直接发电用作燃料电池，这是比较传统的技术，下一步还会有不断的研究出来。第二是沼气的CH4裂解以后，可以用沼气来制氢，这也是非常成熟的方向。

2008年奥运会北京有一个氢燃料电池，就是用天然气重整制氢，今年冬奥会已经采用电解水制氢了。

2008年奥运会开发50Nm3/h天然气水蒸气重整制氢的首座车用加氢站系统

所以，利用沼气来产生氢也是一个高值利用的途径。甲烷的价值在各种化学品中是属于比较低的，氢至少提高了5倍的价值，而且在各种制氢的方式里，天然气重整制氢的成本是相对是最低的。所以，我们将甲烷当原料用其作制备氢也是选择之一。

国内现在有两三个地方正在做这样的尝试。例如佛山市南海固废处理环保产业园正在推进全球首个“垃圾制氢+碳资源化”项目，产生甲烷后来制备氢。成都市青白江区餐厨废弃物处理工程也正在策划氢能综合利用项目。通过这些方式，为提高效率以及提高产品附加值给出了一些应用前景。