【文章內(nèi)容簡介】 我國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題從總體發(fā)展水平來看，我國沼氣產(chǎn)業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，還沒有實現(xiàn)“產(chǎn)業(yè)化”。德國和中國是目前世界上處理農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程數(shù)量最多、發(fā)展最快的國家。但我國沼氣工程的整體技術(shù)水平和運(yùn)行效率與德國還相差甚遠(yuǎn)。本論文將通過對比我國和德國沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)分析我國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的主要問題。（1） 大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)比例小，整體運(yùn)行效率低 目前，我國沼氣建設(shè)主要還是以農(nóng)村戶用沼氣為主，池容通常只有 6~10m3，產(chǎn)生的沼氣主要用于農(nóng)戶炊事。處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程也主要是建在規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場，由于受養(yǎng)殖場數(shù)量、規(guī)模和地域等條件限制，其數(shù)量有限，規(guī)模也以中小型為主。而且，這些農(nóng)村戶用沼氣及農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程的建設(shè)大都是在國家扶持的情況下建設(shè)并推廣的，否則推廣起來是非常困難的。因此，我國沼氣產(chǎn)業(yè)盡管發(fā)展勢頭良好，數(shù)量很大，但規(guī)模小、平均裝置容積小、產(chǎn)氣率低、技術(shù)水平上升緩慢、沼氣的利用更多是采用“自產(chǎn)自消”型的模式，無論是現(xiàn)在還是將來，都無法形成規(guī)?；托纬僧a(chǎn)業(yè)化。[17]。類型戶（或處）產(chǎn)氣量（億m3/方）所占比例（%）工業(yè)沼氣工程700%戶用沼氣池21740000%農(nóng)業(yè)小型沼氣工程181197%農(nóng)業(yè)大中型沼氣工程8576% 2007年我國各類沼氣工程數(shù)量及產(chǎn)氣情況名稱中國德國運(yùn)行數(shù)量（處）33562680平均每處容積（m3/處）2831000年產(chǎn)氣量（萬m3）130280平均每處日產(chǎn)氣量（m3）1771322容積產(chǎn)氣率（m3/m3d）~~沼氣發(fā)電裝機(jī)容量（MW）沼氣發(fā)電量（GWh）發(fā)電沼氣占總沼氣產(chǎn)量的比例（%） 2010中國與德國大中型沼氣工程運(yùn)行情況對比 ， 倍，%，%。這主要是由于我國處理農(nóng)業(yè)廢棄物的沼氣工程平均裝置容積只有 283m3/處，~d，僅為德國沼氣工程平均裝置容積的 %，容積產(chǎn)氣率的 20%~33%。因此，要實現(xiàn)沼氣產(chǎn)業(yè)化，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)是前提，產(chǎn)業(yè)化就意味著先必須實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。只有實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，配套的發(fā)酵工藝、發(fā)酵裝置、輸配氣設(shè)備以及沼氣的燃燒設(shè)備等技術(shù)水平才能得到整體提升，其工程整體運(yùn)行效率也才能得到整體提高，也才有利于實現(xiàn)沼氣集中供氣、沼氣發(fā)電并網(wǎng)、沼氣汽車燃料等產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作模式。（2） 產(chǎn)業(yè)配套法規(guī)、政策不完善，市場機(jī)制不健全 我國沼氣工程建設(shè)主要是以政府補(bǔ)貼拉動及環(huán)保要求引導(dǎo)建設(shè)，市場流程并沒有完全打通。長期以來，沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展沒有明確的市場信號，雖然國家政府對其發(fā)展給予了一定的支持，但由于沒有建立起強(qiáng)制性的市場保障政策，無法形成穩(wěn)定的市場需求，沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展缺乏持續(xù)的市場拉動。國家引導(dǎo)的沼氣發(fā)電上網(wǎng)也因入網(wǎng)困難而難以大面積推廣，致使很多沼氣工程建成之日也是項目停產(chǎn)之日，導(dǎo)致國家及政府大量的資金和資源浪費(fèi)，更談不上經(jīng)濟(jì)效益和社會、生態(tài)效益，與原有意愿相差甚遠(yuǎn)。更有甚者，一些部門及企業(yè)借上沼氣工程之名套取國家補(bǔ)貼，粗制濫造設(shè)備賺錢，嚴(yán)重擾亂了產(chǎn)業(yè)市場的發(fā)展。 相比之下，德國沼氣補(bǔ)貼政策全面，不僅對原料有補(bǔ)貼，對產(chǎn)品如發(fā)電和管道輸運(yùn)天然氣都有補(bǔ)貼，而且對采用新的厭氧發(fā)酵技術(shù)和凈化、純化技術(shù)也有相應(yīng)補(bǔ)貼。以公平、全面的原則對整個沼氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)行審視，關(guān)注到每個發(fā)展節(jié)點，并大力推動項目的進(jìn)行。整套法規(guī)和政策全面而且是閉合的，國家政府對沼氣的補(bǔ)貼資金最終來源于終端用戶，由國家立法，要求用戶必須消費(fèi)一定比例的可再生能源，使政府的法律政策可執(zhí)行可持續(xù)。 由此，我國已經(jīng)規(guī)劃在“十二五”期間，重點探索對沼氣工程發(fā)電上網(wǎng)、熱能回收、提純灌裝、沼肥利用等開展補(bǔ)貼，引入清潔發(fā)展機(jī)制，統(tǒng)籌沼氣工程環(huán)境治理、能源利用、肥料生產(chǎn)等多重目標(biāo)，實現(xiàn)沼氣產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。（3）產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)和裝備水平相對較低 德國沼氣產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵藝術(shù)和裝備的領(lǐng)先是其沼氣產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一個重要因素。德國沼氣工程的產(chǎn)氣率和設(shè)備利用率均較高。例如發(fā)酵罐攪拌電機(jī)，同等規(guī)模的沼氣工程德國只需8KWh，而我國的設(shè)計高達(dá)100KWh，運(yùn)行能耗差距懸殊。再如換熱設(shè)備，德國瑞士廠家能將18℃的余熱回收到16℃，只有2℃的溫差，而我國的設(shè)計一般要達(dá)到 50℃的溫差，設(shè)備制造和設(shè)計理念差距懸殊。此外，沼氣凈化純化生產(chǎn)天然氣工藝，德國可將凈化純化的壓縮機(jī)余熱回收用于發(fā)酵罐的加熱，而我國目前還難以達(dá)到該水平，一般是另設(shè)加熱源加熱。德國的凈化純化技術(shù)已經(jīng)形成水洗、PSA（Pressure Swing Adsorption）和胺洗等三個系列成套技術(shù)，技術(shù)先進(jìn)成熟，而我國才剛剛起步。且由于我國沼氣工程規(guī)模偏小，即使引進(jìn)國外的水洗、PSA 和胺洗也會遇到問題，難以達(dá)到德國本地的技術(shù)指標(biāo)，需要進(jìn)一步的引進(jìn)消化吸收以及改進(jìn)。 綜上所述，我國沼氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必須要從現(xiàn)在的主要局限于農(nóng)村戶用，逐步向工業(yè)化生產(chǎn)和工業(yè)化應(yīng)用的方向轉(zhuǎn)變。通過相關(guān)扶持政策，探索適合我國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈，走市場化的道路，按照市場規(guī)律運(yùn)作，使沼氣的綜合效益得以利潤體現(xiàn)，才能開辟出新的沼氣產(chǎn)業(yè)化途徑。 實驗研究目的，技術(shù)路線 我國目前的農(nóng)作物發(fā)酵制沼氣技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比,起步較晚,大型項目的運(yùn)行經(jīng)驗相對較少。由于我國幅員遼闊,不同地域的農(nóng)作物資源種類不同,其物理和化學(xué)性質(zhì)也有較大的差別,加之我國不同地區(qū)年平均氣溫差別較大,使我國農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的大型項目難有統(tǒng)一的設(shè)計參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對于不同的大型沼氣項目,必須結(jié)合項目實際的農(nóng)作物種類和物性、氣候條件、供熱條件、沼液和沼漁的消納和后續(xù)處理工藝、農(nóng)作物的價格和最大運(yùn)輸半徑、原料的儲存和供料方式、發(fā)電機(jī)組的選型等因素進(jìn)行綜合考慮,才能使項目實施后獲得最佳的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 根據(jù)我國農(nóng)作物制備沼氣技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀,結(jié)合本文研究的農(nóng)作物制備沼氣項目實際案例,本文的研究目的為:。研究發(fā)酵原料的物理化學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)氣率,提出合理估算農(nóng)作物（主要是黃瓜藤）和粒徑的方法,為項目實例提供工藝選擇、系統(tǒng)設(shè)計和經(jīng)濟(jì)性計算提供可靠依據(jù)。 為了實現(xiàn)上述目的,本文研究內(nèi)容主要集中如下幾個方面:（1）研究農(nóng)作物破碎預(yù)處理的特點,為合理計算破碎預(yù)處理能耗提供計算方法。（2）研究了黃瓜藤的鮮活度對發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響。（3）不同投配率對發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響；為了厭氧發(fā)酵反應(yīng)的持續(xù)反應(yīng)，同時還研究不同投配率對于pH值的影響。 論文章節(jié)安排本論文共包括六章內(nèi)容。第一章介紹課題的研究背景，國內(nèi)能源消費(fèi)和可再生能源利用現(xiàn)狀，以及課題的主要研究內(nèi)容和意義。第二章厭氧發(fā)酵反應(yīng)制備沼氣的基本原理和影響參數(shù)。第三章闡述農(nóng)作物的破碎原理，從中說明粒度與能耗間的關(guān)系，并且從能耗的角度分析不同粒度的顆粒的耗能情況。第四章針對需要采用實驗方法對各個因素進(jìn)行研究，確定實驗的數(shù)據(jù)測量的方法以及實驗進(jìn)行過程中需要的注意事項，防止實驗失敗。第五章實驗采用定制CSTR厭氧反應(yīng)器對黃瓜藤在中溫條件下進(jìn)行厭氧消化反應(yīng)實驗，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和產(chǎn)氣性能。第六章作出對課題的總結(jié)和展望，總結(jié)本課題的研究成果，并提出不足之處和以后還需進(jìn)一步研究的方向。第2章 厭氧發(fā)酵原理及其工藝 農(nóng)作物作為發(fā)酵原料，用來制備沼氣是生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的一種。如本文第一章所述,生物質(zhì)發(fā)酵根據(jù)發(fā)酵過程中是否存在氧氣,可分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵。好氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是有機(jī)肥,厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品可以是有機(jī)肥或沼氣。如果生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是沼氣,則稱為生物質(zhì)發(fā)酵制備沼氣。 有機(jī)物厭氧降解基本過程 厭氧處理過程是由多種微生物共同作用完成的,微生物將有機(jī)大分子化合物通過轉(zhuǎn)化成了CHC0H2O、H2S和氨等物質(zhì)。在厭氧發(fā)酵過程中,微生物相互間影響、相互間約束，微生物之間共同組成一個生態(tài)系統(tǒng)。從上世紀(jì)70年代中起,研究者們就對厭氧消化技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研宄并取得了很多成果。厭氧生物降解基本過程如圖21所示[18]。 ；；； ； 圖21 大分子有機(jī)物的厭氧降解過程 一、水解階段 水解階段是非溶性的大分子化合物被轉(zhuǎn)化為簡單的小分子化合物或單體的過程。大分子有機(jī)化合物相對分子質(zhì)量都比較大,不能被微生物直接吸收利用。這些大分子的有機(jī)化合物首先在被轉(zhuǎn)化為小分子化合物,這些小分子化合物就很容易被微生物利用。通常水解反應(yīng)過程可用下式表示。RX + H2O—ROH + X+H+式中:R有機(jī)物分子的碳鏈主體 X分子中的極性基團(tuán) 發(fā)酵階段 在發(fā)酵過程中,發(fā)酵微生物首先將小分子化合物轉(zhuǎn)化為簡單的物質(zhì),分泌到細(xì)胞外。因此，這一過程也稱為酸化階段。這一階段的最終產(chǎn)物主要有揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧氣、氨、硫化氫等氣體物質(zhì)。同時,厭氧發(fā)酵過程中，微生物也會合成新細(xì)胞進(jìn)行自身的增殖,所以系統(tǒng)會產(chǎn)生剩余污泥。一般的底物在進(jìn)行酸化反應(yīng)時,部分氨基酸的分解是通過所謂的史提克蘭德反應(yīng)進(jìn)行的,該反應(yīng)需要兩種氨基酸的參與,或者說它需要和其他分子同時進(jìn)行反應(yīng),其中一個氨基酸分子進(jìn)行氧化脫氮,同時產(chǎn)生H+使另外一種氨基酸的兩個分子還原,兩個過程都有脫氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解為例來說明它們就需要這種偶聯(lián)反應(yīng)。CH3CHNH2C00H+2H20—CH3COOH+CO2+NH3+4H+2CH2NH2COOH+4H+—2CH3COOH+2NH4即為: CH3CHNH2COOH+2CH2NH2COOH+2H2O—3CH3COOH+3NH4+CO2這里丙氨酸作為電子的供體,甘氨酸作為電子的受體。而丙氨酸和甘氨酸都是有機(jī)物,卻一個作為電子供體,另一個作為電子受體。這一特點說明,酸化反應(yīng)過程是一個不穩(wěn)定并且沒有進(jìn)行到底的過程。 產(chǎn)乙酸階段 發(fā)酵階段的最終產(chǎn)物在產(chǎn)乙酸菌的作用下被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CH3COOH、H碳酸和新的細(xì)胞物質(zhì)。這些微生物能把各種VFA降解為乙酸和氫氣。其反應(yīng)如下[16]:CH3CH2OH+H2O—CH3COOH+2H2CH3CH2COOH+2H20—CH3COOH+3H2+C02CH3CH2COOH+2H2O—2CH3COOH+2H2四、產(chǎn)甲烷階段 在這一階段過程中,產(chǎn)甲烷微生物將CH3COOH、H碳酸、甲酸和甲醇等轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。有些細(xì)菌能夠直接利用乙酸產(chǎn)生甲烷,在一般的厭氧反應(yīng)器中,由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷和由氫氣分解產(chǎn)生的甲烷的比例為7:3。利用乙酸: CH3COOH4—CH4+CO2利用 H2 和 C02 : H2+C02—CH4+H20上述4個階段還包含以下過程:(a)蛋白質(zhì)、碳水化合物的和脂類發(fā)生變化是在水解階段發(fā)生的。(b)氨基酸和糖類的氧化、高級脂肪酸和醇類的氧化發(fā)生在厭氧發(fā)酵階段。(C)產(chǎn)乙酸階段包含從中間產(chǎn)物中形成CH3COOH和H2,由H2和C02形成CH3COOH。 (d)產(chǎn)甲烷階段包括由CH3COOH形成甲烷和從H2和C02形成甲烷。 厭氧發(fā)酵過程的特點(1) 厭氧生物處理能夠減少環(huán)境污染。能夠大幅度降低廢水中的COD、BOD的含量,減少水體富營養(yǎng)化；厭氧消化可以殺滅病原菌、微生物蟲卵；減少蚊繩的繁殖效率,避免了疾病的傳播。(2) 厭氧生物處理產(chǎn)生的污泥量較少、剩余污泥脫水性能好、濃縮時可以不使用脫水劑等優(yōu)點,因此,厭氧生物處理工藝受到廣泛應(yīng)用。(3) 厭氧處理工藝可產(chǎn)生無污染的能源沼氣作為燃料使用。沼氣燃燒后的產(chǎn)物是水,因此對環(huán)境無污染。(4)厭氧生物處理可以把難被微生物吸收的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨或確酸鹽,從而提高營養(yǎng)成分的利用率。(5)厭氧生物處理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。(6)高濃度的有機(jī)廢水也可以用厭氧生物技術(shù)來處理。且不需要大量水稀釋。(7)厭氧生物處理可以節(jié)省費(fèi)用。(1) 厭氧生物處理啟動周期較長。厭氧微生物的世代期長,微生物增長速率低,污泥增長緩慢,一般厭氧啟動期需要幾個月甚至更長的時間。如果增加接種污泥量來達(dá)到快速啟動,就會增加經(jīng)濟(jì)投入。(2)管理較復(fù)雜。由于微生物種類、性質(zhì)各不相同,對運(yùn)行管理較為嚴(yán)格。(3)厭氧生物處理后的廢水不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。厭氧生物處理對氮和 等營養(yǎng)元素的去除率不高,厭氧消化只是把含氧和磷的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氧氮和磷酸鹽,微生物合成新細(xì)胞用到的氮和磷也較少,因此,厭氧消化系統(tǒng)除水中氮和磷的含量一般達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)排入水體可引起湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化,由于該法的利用存在局限性,當(dāng)被處理的廢水對氮和 的含量要求較高時,就應(yīng)當(dāng)采用厭氧和好氧相結(jié)合的處理工藝。(4)厭氧生物技術(shù)在處理廢水時可能會造成二次污染。由于廢水中硫酸鹽的存在,在厭氧條件下硫酸鹽被氧化而放出H2S等惡臭氣體。(5)厭氧微生物對有毒物質(zhì)非常敏感,因此,要嚴(yán)格控制有毒物質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸到y(tǒng)中。 微生物降解動力學(xué)是指目標(biāo)化合物的微生物降解速率。厭氧消化過程中的動力學(xué)主要有兩個方面的內(nèi)容:即厭氧微生物生長動力學(xué)和有機(jī)物降解動力學(xué)。莫諾德(Monod)動力學(xué)方程可表示為:式中,為基質(zhì)利用速率[mg/()]。為最大比基質(zhì)利用速率[gCOD/(gVSSd) ]。 C為生長限制基質(zhì)濃度(與生物體接觸的濃度,m