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高源禹
2021年10月20-21日，2021年中国沼气学会学术年会暨中德沼气合作论坛在南京举行。近500位沼气领域的专家学者及企业界同仁齐聚一堂，共话新时代沼气行业新发展。与会代表在研讨中一致认为，沼气技术及其应用将会成为有机废弃物资源化利用、生态环境保护和可再生能源发展的主战场，沼气科研教学和产业队伍将会成为实现乡村振兴战略和“双碳”战略目标的主力军。
农业农村研究部沼气科学研究所总工程师邓良伟应邀与会并进行“沼气发酵可以用空气搅拌吗”的主题分享，包括沼气发酵搅拌的作用、方式，能否用空气替代沼气用作搅拌气体？氧气(空气)对沼气发酵过程的影响，沼气发酵过程创造微氧环境(微曝气)方法，空气搅拌对产气性能的影响，以及提高产气效率的机制等，并通过工程上的应用案例证明：空气搅拌不仅对沼气发酵没有负面的影响，而且可以促进有机物的去除，提高产气性能，提升沼气发酵过程的稳定性，同时还能去除硫化氢，在工程上具有可行性。本文根据其发言整理。
农业农村研究部沼气科学研究所 邓良伟 总工
一、提高沼气发酵效率的措施
我们做研究主要的目的是探索自然的规律，或者是开发技术，提高效率。提高沼气发酵的效率，总结起来有三个方面：第一，反应器里微生物的数量尽量多，比如开发污泥滞留型反应器、污泥回流、或者加填料、培养颗粒污泥等；第二，在数量多的情况下使微生物的活性尽量高，比如提供合适的底物营养比例、充足的微量元素、合适的pH值、以及适宜的温度；第三，提高微生物跟底物之间的传质效果。可以有效的布水，或者合理利用沼气的扰动、以及有效的搅拌。
二、搅拌的作用、方式
对于高悬浮固体原料的沼气发酵，一般都需要搅拌。搅拌是畜禽粪污、秸秆以及污泥沼气发酵正常运行的技术关键，也是沼气工程主要的能源消耗环节。有调查表明，搅拌的能耗大概占到整个沼气工程功耗的50%左右，所以搅拌在沼气工程中有很大的作用。除了提供传质以外，搅拌还可以防止浮渣、沉渣、结壳，并且具有使温度均匀，稀释有毒物质，促进气液分离等作用。
目前，搅拌主要有三种方式：一是机械搅拌，它的搅拌效果比较好，但设备投资比较大，维修比较困难；二是水力搅拌，特点是投资比较省，但搅拌效果不太好，只适合于比较小型的反应器，或者是TS浓度比较低的反应器；三是气体搅拌，一般采用沼气搅拌，设备比较少，搅拌效果比较好。有学者认为，气体搅拌是最具前景的搅拌方式，以前污泥消化都是采用沼气搅拌。但是沼气搅拌受沼气产量的影响，沼气产量小，搅拌效果不好，搅拌效果不好，沼气产量低，这样就容易形成恶性循环。另外，沼气搅拌还需要防爆电机。
针对沼气搅拌存在的问题，我们提出，可不可以用空气替代沼气进行搅拌呢？这就涉及到怎么认识和消除空气中氧对沼气发酵影响的问题。
三、氧气(空气)对沼气发酵过程的影响
以往我们认为氧气是沼气发酵的抑制剂和毒害剂，如果有氧存在，反应器启动比较慢，沼气产量比较低，运行不稳定，所以沼气发酵装置一般需要密封，隔绝空气(氧气)。做沼气发酵实验前，一般需要用氮气吹脱氧气，甚至添加一些化学的除氧剂，比如硫化钠，还有L-半胱氨酸盐酸盐等；在做产甲烷潜力实验的时候，反应瓶顶空也要充氮气。在培养厌氧微生物的时候，一般采用Hungate厌氧菌分离操作技术，或者用严格厌氧的手套箱。需要严格厌氧的原因主要是，厌氧微生物不能合成超氧化物歧化酶，不能中和有毒的氧离子或者自由基。氧气会导致一些产甲烷过程重要酶不可逆的解离。所以在纯培养条件下，如果氧气进去了，会导致产甲烷菌的细胞快速裂解而死亡。这是我们传统的关于沼气发酵的观点。
最近，有研究表明混合培养系统(如厌氧反应器)对O2有一定的防御机制，主要有四个方面：一是兼性菌对O2的消耗；二是形成了生物膜等对O2的扩散有阻碍作用；三是一些产甲烷菌可能对O2有一定的耐受能力；四是一些还原性的物质，比如H2S的耗氧化学反应可能消耗一部分的O2。
另外，最近也发现微氧对沼气发酵很有好处，主要有四个方面：一是提高水解速度和水解率；二是减少有毒产物的形成，比如乙醇和挥发性脂肪酸积累；三是降低沼气中的H2S含量，所以最终可能提高沼气产量。
四、沼气发酵过程创造微氧环境(微曝气)方法
创造微氧环境主要在三个阶段：一是沼气发酵之前，微氧预处理；二是发酵过程中通氧气，但还需要搅拌辅助；三是在沼气发酵后，在顶空通氧用于生物脱硫。基于这些研究，我们提出了一个假设，能不能用空气来替代沼气？微氧微曝气能不能上升为空气搅拌？
五、空气搅拌对猪场粪污沼气发酵产气性能影响试验
我们做了一个沼气发酵实验，包括空气搅拌，不搅拌、机械搅拌，沼气搅拌三种方式。机械搅拌和空气搅拌、沼气搅拌每立方米消耗功耗都是5w，空气搅拌、沼气搅拌的通气时间为每次1.5分钟，每天3次，通气量每升每分钟61.7 mL，机械搅拌强度是每分钟88转。
5.1 空气搅拌对猪场废水沼气发酵产气性能的影响
结果发现，间歇的空气搅拌不仅对沼气发酵没有负面影响，而且可以提高沼气产量、甲烷产量。与不搅拌相比，甲烷产量可以提高19%，与沼气搅拌相比提高6.4%，与机械搅拌相比，大概提高10%左右。
通了空气以后，甲烷含量有所降低，大概降低了6%，但通气量占总沼气产量的比例只有10%-15%，一般沼气脱硫是5%左右。工程上，可以采取措施，通空气这段时间的沼气不收集，将这段时间的气体排掉，这样就可以减少对甲烷含量降低的影响。空气搅拌的另外一个好处是，空气搅拌对硫化氢含量可以降低60%-70%。
从有机物的去除来看，空气搅拌的溶解性COD去除效率提高2.2%-9.5%。从发酵过程稳定性来说，搅拌的反应器比不搅拌反应器的VFA和丙酸都低，空气搅拌反应器的TVFA和乙酸高于沼气和机械搅拌反应器，但空气搅拌反应器的乙酸与丙酸的比例比较高，反映出空气搅拌反应器更加稳定。
5.2 空气搅拌提高猪场废水沼气发酵产气效率的机制
接下来，我们对空气搅拌提高沼气发酵效率的机制进行了简单解析。
第一，提高混合传质效果。到底空气搅拌能不能达到搅拌的效果？搅拌效果可用反应器里面的TS变异系数(Cav)来表示，如果这个变异系数小于0.02，表示这个反应器的TS含量比较均匀。通过实验发现，机械搅拌需要10 min才能使反应器TS比较均匀，空气搅拌和沼气搅拌1.5 min就达到了，说明试验所用通气量能达到良好的传质效果，起到了搅拌的作用。
第二，在反应器里创造短暂的微氧环境，一般说ORP小于-300 mV是厌氧，0到-300 mV是微氧，大于0 mV是好氧。通过空气搅拌，发现ORP上升到了-250 mV，大概是在微氧的环境，微氧环境会影响微生物的群落结构和物质代谢。
第三，空气搅拌可以促进大分子物质的水解效率。从实验可以看出，粗蛋白、碳水化合物、粗脂肪等，水解效率提高了大概2%-30%。
第四，促进了有机酸的产生与降解。因为这个指标不好测，它边产边消耗，空气搅拌消耗得多。总的来说，有机酸比沼气搅拌要高一些，乙酸与丙酸的比例也高一些。
第五，对微生物群落做了一些研究，空气可以提高细菌的多样性。空气搅拌的水解细菌互营菌的丰度增加，反应器里的氢营养型产甲烷菌丰度增加，说明空气搅拌是可以促进互营菌与氢营养型产甲烷菌之间的互营关系。在空气搅拌条件下，硫化物氧化菌(SOB)和氢氧化菌(AHOB)的丰度增加，所以有利于H2S的去除。AHOB的分布增加有利于降低反应器的氢分压，有利于反应器的稳定运行。
第六，我们考察了空气搅拌种混合液中溶解氧增加了多少，氧怎么增加的？怎么消耗的？通过ORP与DO的关系外推，空气搅拌的混合液中溶解氧大概在0.0018mg/L以下，但是停止搅拌以后，溶解氧迅速下降，1h后基本稳定，不再变化。
另外，从动力学来看，VFAs异氧氧化和H2的好氧氧化有相似的变化。VFAs异氧氧化和H2的好氧氧化的吉布斯自由能稍微高于H2S氧化，三个基本差不多。再从反应动力学的参数如吉布斯自由能、比增长速率、细菌相对丰度看，都说明溶解在混合液中的O2大部分被兼性细菌消耗，所以空气搅拌对沼气发酵，对沼气生产厌氧环境没有产生实质性的影响。
搅拌和微氧到底对提高沼气发酵的效率贡献有多少呢？我们做了一个分析，总贡献等于空气搅拌减去不搅拌的贡献，微氧的贡献就是空气搅拌减去沼气搅拌的贡献，传质的贡献就是总的贡献减微氧的贡献。从物质的水解来看，粗蛋白、碳水化合物，粗纤维的水解看，主要提高传质的贡献，但对脂肪来说，传质和微氧的作用各占一半左右，一个48.9%，一个51.1%。
从提高沼气发酵效率、产甲烷的效率来看，也是通过上面两个相减，可以算出它们的贡献率。空气搅拌提高传质的贡献率大概是62.9%，创造微氧环境大概是37.1%，所以主要的贡献还是提高了传质，同时也创造了微氧环境，贡献了30%多。
5.3搅拌参数的优化
接下来对搅拌的参数进行了优化。一直通空气，到底通到多少沼气发酵反应器就不行呢？我们一直通，从1.5min到120min，通气120min以后仍然能恢复正常产沼气。综合来看，通空气1.5min，全天累计起来的甲烷产量是最高的。通空气120min，停止通气的时候，ORP上升到-170mV，但200min以后回到了厌氧条件，即-300mV以下。如果通120min，甲烷含量会降至2%左右，但是240min以后又可以恢复到40%以上，基本上可以算是正常产沼气了。
到底通多长时间的空气？也许，一天、两天、三天可能不行了。但至少通到2h没有大的问题，可以恢复。尽管连续2h空气搅拌不会导致沼气发酵系统不可逆的影响，但会影响有效产甲烷时间，将甲烷的时间耽误了。因此，我们提出非有效甲烷生成时间，也就是，空气搅拌停止后，甲烷含量降到规定的阈值，比如40%以下，我们将这个时间称为非有效产甲烷时间。在一天中有效产甲烷时间就是24小时减掉非有效产甲烷时间。经计算，根据不同通空气时间的沼气产量，最后还是1.5min、3min的甲烷产量最高，而且甲烷含量也最高。
接下来做了搅拌强度、频率、时间的交互作用实验。最后发现，搅拌强度是影响空气搅拌最重要的影响因素，但是搅拌强度、搅拌频率、搅拌时间存在明显的交互作用。最适合的搅拌强度是每分钟每升6.7mL，搅拌时间1.5 min，每天搅拌3次。
5.4 空气搅拌工程应用的可行性
空气搅拌在实验室是可行的，申请基金的时候，有的专家说空气搅拌在工程上能不能成功，值得怀疑。他们提出，搅拌强度和氧的抑制两者存在矛盾，如果控制曝气强度，可能不能满足混合传质，如果满足曝气强度可能存在氧的抑制风险。我们做设计的时候，查了给排水手册，污泥消化中沼气搅拌的通气量是5 –7 L/m3池容·min，我们试验采用的的是66.7 L/m3池容·min，完全能满足搅拌所需要的通气量，而且是十倍的通气量都没有发生抑制作用，所以在工程上应该是没有多大问题的。
在工程上也进行了应用，河北石家庄有几个沼气工程都采用了空气搅拌。每分钟通气量3.0-4.5L/m3池容，每次搅拌1.5-2min，每天搅拌2-3次。
这个工程也采用我们研发的浓稀分流-沼气发酵技术。外面冰天雪地，用沼气发电升温，发酵温度可以升到29℃，如果不用浓稀分流，就达不到这个温度。通过一年的监测，COD去除率为63.5%，BOD去除率达76.3%。沼气产量大概是700——900m3/d，平均产量是705 m3/d。总的说来，没有发生结壳，没有沉渣，取得很好的效果，所以说空气搅拌在工程上是可行的。
总结
空气搅拌不仅对沼气发酵没有负面的影响，而且可以促进有机物的去除，提高产气性能，提升沼气发酵过程的稳定性，还具有硫化氢的去除作用。在工程上具有可行性。
原标题：年会专家观点 | 邓良伟：沼气发酵可以用空气搅拌吗？
