有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵（消化）未來路之：初識(shí)沼氣
我們都知道厭氧發(fā)酵技術(shù)，最大的價(jià)值在于能產(chǎn)生沼氣，而沼氣的主要成分是甲烷（甲烷含量約50~75%），提純后就是所謂的生物天然氣（甲烷含量一般在95%以上）。
但做厭氧多年的人都知道，沼氣行業(yè)之所以一直發(fā)展的不好，“沼氣”這個(gè)大寶貝，真是又愛又恨。愛，是因?yàn)樗悄茉�，是厭氧最大的價(jià)值所在，也是所有厭氧從業(yè)者想要追求的東西。恨，是因?yàn)檫@么多年，能發(fā)揮其最大價(jià)值的項(xiàng)目少之又少。有時(shí)候去項(xiàng)目現(xiàn)場，看著一把火將沼氣燒成灰燼，真是心疼。
不過，隨著我國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，以及國內(nèi)外越來越短缺的能源形勢，近期天然氣市場價(jià)格不斷攀升，沼氣行業(yè)也跟著熱了起來。用沼氣制生物天然氣不但技術(shù)成熟可靠，原料來源也十分廣泛，而且可以利用廢物，起到保護(hù)環(huán)境和資源循環(huán)的效果，這條路感覺上是非常好的。
于是，當(dāng)前越來越多的人開始關(guān)心如何低成本獲得沼氣，以及如何高效利用沼氣。而且也有越來越多的人注意到這條路的不順暢，并開始思考如何解決，這讓一直不看好這個(gè)行業(yè)的人（比如我）又一次看到了希望。所以，我也打算圍繞沼氣寫一些文章，希能和更多的同行互通有無，攜手共進(jìn)。
本文，我先來梳理一下什么是沼氣、沼氣的主要成分、不同物料產(chǎn)沼氣性能，以及沼氣的主要利用方式等一些基礎(chǔ)信息。
1
沼氣的主要成分
沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣體。
沼氣由50%-75%甲烷（CH4）、25%-45%二氧化碳（CO2）、0%-2%氮?dú)猓∟2）、小于1%的氫氣（H2）、小于2%的氧氣（O2）與少量硫化氫（H2S）等氣體組成 。由于沼氣含有少量硫化氫，所以略帶臭味。其特性與天然氣相似�？諝庵腥绾�8.6-20.8%（按體積計(jì)）的沼氣時(shí)，就會(huì)形成爆炸性的混合氣體。
可以看出沼氣的主要成分是甲烷，而甲烷是一種理想的氣體燃料。每立方米純甲烷的發(fā)熱量約為35807KJ，因此每立方米沼氣的發(fā)熱量約為17900－26900KJ。即1立方米沼氣完全燃燒后，能產(chǎn)生相當(dāng)于0.7千克無煙煤提供的熱量。
沼氣成分及雜質(zhì)影響可參考下表。
注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·藍(lán)寧閣《沼氣工程與技術(shù)》
注：本表引自鄧良偉等《沼氣工程》；
注：本表部分信息引自鄧良偉等《沼氣工程》；
2
沼氣中甲烷含量決定因素
甲烷是沼氣利用的重點(diǎn)。那么我們肯定希望沼氣中甲烷含量越高越好。那甲烷含量取決于什么呢？
沼氣中甲烷含量基本上取決于底物組成，也就是與物料中的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物的比例有關(guān)。這幾種物質(zhì)中，蛋白質(zhì)產(chǎn)甲烷量最高，其次是脂肪，最低的是碳水化合物。每種組分的沼氣產(chǎn)量和甲烷含量可參見表2。
注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·藍(lán)寧閣《沼氣工程與技術(shù)》，VS表示有機(jī)干物質(zhì)含量。
說到沼氣中甲烷含量基本由底物決定，我再給大家拓展兩點(diǎn)。
一是，根據(jù)這個(gè)規(guī)律，我們可以對(duì)不同物料的沼氣成分進(jìn)行預(yù)判，比如秸稈產(chǎn)生的沼氣甲烷含量絕對(duì)不可能超過糞便，牛糞的甲烷含量不會(huì)高于豬糞、雞糞和餐廚垃圾。這個(gè)預(yù)判在缺少工程實(shí)際數(shù)據(jù)的情況下，還是有一定作用的。
記得我曾做過一個(gè)尾菜厭氧的方案，由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)還沒有尾菜厭氧項(xiàng)目，沒有工程數(shù)據(jù)可參考。我按照尾菜特性預(yù)測甲烷含量應(yīng)在50%左右。但其他廠家給出數(shù)據(jù)卻在60%以上。銷售回來說業(yè)主質(zhì)疑我們技術(shù)，發(fā)電量比起別家少了很多。我為此還專門寫了一篇報(bào)告給業(yè)主。后來，又在實(shí)驗(yàn)室做了很久的測試，測試結(jié)果與我預(yù)測的也基本一致。
當(dāng)然業(yè)主對(duì)工藝技術(shù)產(chǎn)生質(zhì)疑，也不是全無道理，因?yàn)榧淄楹砍伺c底物相關(guān)外，與發(fā)酵工藝也確實(shí)有些許相關(guān)。
有機(jī)質(zhì)的厭氧消化，分為水解、酸化、產(chǎn)甲烷幾個(gè)階段（詳見圖1）。在酸化過程中，會(huì)產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。如果項(xiàng)目采用兩相厭氧，水解酸化罐產(chǎn)生的氣體，若采取放空或去除臭系統(tǒng)的方式，而不是進(jìn)入后端產(chǎn)甲烷罐（即厭氧罐），那么厭氧罐產(chǎn)生的沼氣里面二氧化碳相對(duì)會(huì)少一些，也就是說甲烷含量相對(duì)就會(huì)高一些。不過這種操作有很大安全隱患，而且氫氣和二氧化碳本身也是產(chǎn)甲烷的來源，雖然甲烷含量相對(duì)高了，但絕對(duì)量卻減少了。所以沒必要用這種方式去提高甲烷含量。
圖1 厭氧發(fā)酵示意圖
第二個(gè)拓展點(diǎn)，沼氣甲烷含量基本由底物決定這個(gè)特性是可以用來監(jiān)測厭氧罐運(yùn)行的穩(wěn)定性的。根據(jù)這個(gè)特性，如果項(xiàng)目來料變化不大，正常狀態(tài)下甲烷含量也基本穩(wěn)定。如果運(yùn)行中甲烷含量出現(xiàn)了較大波動(dòng)，而發(fā)現(xiàn)來料并沒有變化，而那大概率是厭氧罐甲烷化過程受到抑制，有酸化的跡象，最好趕緊減少/停止進(jìn)料，同時(shí)還應(yīng)趕緊觀察揮發(fā)性有機(jī)酸、堿度、PH等指標(biāo)的變化。如發(fā)現(xiàn)有酸化跡象，應(yīng)立即采取措施。用甲烷含量的變化是判斷厭氧罐的穩(wěn)定性的一個(gè)重要先行指標(biāo)，會(huì)比其他指標(biāo)更快捷。
3
不同物料產(chǎn)沼氣/產(chǎn)甲烷性能
我們說到各種原料的產(chǎn)甲烷性能，既然是由底物決定的，那么只要知道物料的總量和產(chǎn)沼氣/產(chǎn)甲烷性能，就能推算出沼氣產(chǎn)量/甲烷產(chǎn)量。關(guān)于沼氣產(chǎn)量的計(jì)算方法，我之前寫過一篇文章
《一次性教會(huì)你6種沼氣產(chǎn)量估算方法》
，感興趣的可以參考。
其實(shí)絕大多數(shù)有機(jī)物都能作為產(chǎn)沼氣的原料，當(dāng)然我們現(xiàn)在用最多的是一些農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物，如畜禽糞便和秸稈，以及市政類有機(jī)廢物，如餐廚垃圾/廚余垃圾等。每種物料特性不一樣，所選用的發(fā)酵技術(shù)也應(yīng)符合其特性（當(dāng)然這又是一個(gè)比較大的課題，以后慢慢再說），但每種物料的理論產(chǎn)沼氣/產(chǎn)甲烷性能一般是比較穩(wěn)定的。如果遇到?jīng)]有參考數(shù)據(jù)的新物料，可以委托檢測機(jī)構(gòu)做產(chǎn)甲烷潛力測試。
本文放一些總結(jié)較為全面的產(chǎn)氣特性數(shù)據(jù)，供大家參考。
注：本表引自《大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范》GB/T 51063-2014，TS表示總固體含量。本表物料特性數(shù)據(jù)不太準(zhǔn)確，產(chǎn)氣率數(shù)據(jù)可以參考。
注：本表引自農(nóng)業(yè)部《2015年農(nóng)村沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)工作方案》，TS表示總固體含量。
注：本表引自鄧良偉等《沼氣工程》；FM表示鮮重，TS表示總固體含量，VS表示有機(jī)干物質(zhì)含量。
注：本表引自董仁杰，伯恩哈特·藍(lán)寧閣《沼氣工程與技術(shù)》；FM表示鮮重，TS表示總固體含量，VS表示有機(jī)干物質(zhì)含量。
4
沼氣主要利用方式
前面說了沼氣的主要成分是甲烷，而甲烷是一種高熱值的清潔能源，因而沼氣的利用，也主要是對(duì)甲烷進(jìn)行利用。
目前我國沼氣主要的利用方式有：鍋爐供熱、沼氣發(fā)電/熱電聯(lián)產(chǎn)、沼氣提純制生物天然氣。另外，近幾年氫能也受到了越來越多的關(guān)注，用沼氣制氫氣也被越來越多被提及。這些利用方式，國內(nèi)外都有相應(yīng)的技術(shù)和成功的運(yùn)行案例，技術(shù)方面不存在壁壘。關(guān)于沼氣利用，過去還有直接供氣的說法，但是直接供沼氣需要修建專用管網(wǎng)，較難實(shí)現(xiàn)，也不經(jīng)濟(jì)，我這里就不提了。各種利用方式具體情況及其優(yōu)缺點(diǎn)可參考下圖。
