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綜合利用 · Comprehensive utilization
各大領域沼氣發酵原料產氣特性及原料產氣率匯總
來源:綠潔興農
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作者:xjzqw888
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發布時間: 2018-09-10
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理論上，絕大部分有機物都可以作為沼氣發酵原料，沼氣發酵原料一般可分為四大類：農業類發酵原料、工業類發酵原料、市政廢棄物類發酵原料和水生植物廢棄物發酵原料。本期對這四大類沼氣發酵原料產氣特性及原料產氣率進行了整表匯總，方便大家隨時對照查看，歡迎收藏~
（注：FM：鮮重；TS：總固體；VS：揮發性固體）
畜禽糞污
表1、畜禽糞污原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
畜禽糞便作為沼氣發酵的原料有許多優勢：
① 碳氮比一般在15:1~30:1，十分適合厭氧微生物的生長。
② 具有較高的緩沖能力，能應對不嚴重的酸化現象。
③ 一些畜禽糞便(如牛糞、鹿糞)中含有瘤胃微生物，可以為沼氣發酵體系補充沼氣發酵菌種。
然而，畜禽糞污作為沼氣發酵原料也有一些限制因素：
① 畜禽糞污體積大、干物質含量比較低，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量比較低，原料或沼液的運輸成本較高。
② 飼料中重金屬和抗生素的添加量日趨加大，重金屬和抗生素會影響沼氣發酵過程以及沼渣、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廢棄物混合發酵，畜禽沖洗污水可以用于稀釋其他發酵原料，相對于畜禽糞污原料單一發酵，混合發酵體系更加穩定。
不同種類的畜禽糞便，具有不同的理化特性，會影響沼氣工程的效率和穩定性。在沼氣工程設計時，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，所以豬場糞污水量大，濃度低，升溫困難，冬季產氣少。
③ 雞糞中含有羽毛、砂石，發酵過程中沉渣較為結實。另外，不同于奶牛糞中的砂，雞糞中的砂石包裹于有機物中，所以對砂的去除更為困難。
④ 羊糞和兔糞中含草較多，呈顆粒狀，需要在預處理階段設置泡糞池，使其中的有機物盡可能溶于料液中。
農作物秸稈
表2、農作物秸稈原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相對于畜禽糞便，農作物秸稈干物質含量高，單位鮮重的沼氣產氣率高，對原料和沼渣的運輸也較為容易。根據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，通過微生物的發酵產酸作用降低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%，有機物損失較小。黃貯是將收獲的作物自然風干而貯藏秸稈的方法，黃貯秸稈含水率低，是我國秸稈主要的貯藏方式。目前我國大部分秸稈沼氣工程采用黃貯秸稈作為沼氣發酵的原料，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酵的原料。
但是，農作物秸稈直接作為沼氣發酵原料也有一些缺點：
① 秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質素，在沼氣發酵體系中，纖維素和半纖維素的降解需要較長時間，木質素基本不降解，所以，通常需要對秸稈發酵原料采用物理、化學或生物的方法進行預處理，這樣就會增加沼氣工程的建設和運行成本。
② 秸稈原料的碳氮比較高，一般在50以上，不適宜沼氣發酵微生物的正常生長，所以純秸稈沼氣工程的啟動時間較長。
③ 規模較大的沼氣工程，需要原料多，秸稈收集半徑大，收貯的成本高。
④ 由于長纖維和木質素的存在，在沼氣發酵過程中容易產生浮渣，進料和出料比較困難。
能源作物
表3、能源作物原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
沼氣工程運行實踐證明，大部分能源作物都適合作為沼氣發酵原料，能源作物的沼氣利用方式主要是與畜禽糞便混合發酵，優點是混合后原料碳氮比更利于沼氣發酵微生物的生長，而且產氣率也有提高。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酵原料，也需要其他一些技術支撐，例如，作物收集技術、預處理技術和貯藏技術等。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酵原料。能源作物的組分以及作為沼氣發酵原料的適應性與其生長時間有關。總的來說，纖維素含量隨著作物的成熟越來越高，對作物的降解和產甲烷過程越不利。但是，不成熟的作物含水率較高，會使原料的貯藏變得較為困難。
工業廢棄物
表4、工業廢水類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
表5、工業廢渣類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相較于農業廢棄物，工業廢棄物的產量也比較大，大多數有機工業廢棄物均可作為沼氣發酵原料。這些廢棄物主要有食品和飲料生產廢棄物、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。
根據廢棄物的來源不同，其組成成分、干物質含量和產沼氣潛力等特性有較大的區別。一般來說，大部分可作為沼氣發酵原料的工業廢棄物的懸浮物都較低、性質比較單一，脂類、蛋白質和糖的含量都比較高，易于降解。基于這些性質，一些工業廢棄物作為沼氣發酵原料，在使用高效的厭氧反應器(如UASB、IC、EGSB)時，常能得到相對于畜禽糞便和能源作物更高的沼氣產量。
但工業廢棄物的來源十分復雜，加之水量加大，所以廢水經沼氣發酵后產生的沼液還田利用較為困難。因此，以工業廢棄物為發酵原料的沼氣工程都是以廢水達標排放為主要建設目的，通常在沼氣發酵單元的后端還需建設后處理設施，將厭氧出水進一步處理，達到排放標準。
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酵原料。如市政廢棄物中的餐廚垃圾、有機垃圾、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、餐廚垃圾類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相對于其他沼氣發膠原料，餐廚垃圾的油脂含量和鹽含量較高，其來源也比較復雜，不同飲食習慣地區的餐廚垃圾的成分也有很大的區別。針對餐廚垃圾的特性，在沼氣工程設計和運行階段還需注意以下幾點：
① 由于餐廚垃圾中含有骨頭、刀叉筷子、碗等堅硬的物質，這些物質易損壞泵、管道等工藝設施，所以在預處理階段應該設置分離裝置將這些物質去除。
② 餐廚垃圾中蛋白質含量較高，所以在發酵過程中容易造成氨的積累，在沼氣工程的運行中應注意原料性質和進料量的監測，防止氨抑制現象的發生。
③ 餐廚垃圾發酵產生的沼氣中硫化氫含量較高，因此硫費用較高，制約了能源的有效利用。
④ 餐廚垃圾中易降解有機物比例高，容易酸化。
有機垃圾的VS/TS一般在80%以上，碳氮比為12~20，適合作為沼氣發酵原料，其產沼氣潛力為300~400m3CH4/tVSin。但有機垃圾通常還含有一些病原菌，在利用前后還需采取一些衛生措施使其利用更加安全。
在污水處理過程中，污泥的產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沼氣潛力與畜禽糞污的產氣潛力相近，當投入的污泥含水率為96%，產生的沼氣量為8~12倍污泥量，相當原料產氣率0.20~0.30m3沼氣/kgTS。實際工程調查顯示，單位體積的污泥產氣率為4~14m3/m3污泥，平均污泥產氣率為7.54m3/m3污泥。通常還會采取一些預處理措施來增加沼氣產量，例如，化學分解、熱解、酶解等方法。
表7、水生生物沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
（注：FM：鮮重；TS：總固體；VS：揮發性固體）
畜禽糞污
表1、畜禽糞污原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
畜禽糞便作為沼氣發酵的原料有許多優勢：
① 碳氮比一般在15:1~30:1，十分適合厭氧微生物的生長。
② 具有較高的緩沖能力，能應對不嚴重的酸化現象。
③ 一些畜禽糞便(如牛糞、鹿糞)中含有瘤胃微生物，可以為沼氣發酵體系補充沼氣發酵菌種。
然而，畜禽糞污作為沼氣發酵原料也有一些限制因素：
① 畜禽糞污體積大、干物質含量比較低，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量比較低，原料或沼液的運輸成本較高。
② 飼料中重金屬和抗生素的添加量日趨加大，重金屬和抗生素會影響沼氣發酵過程以及沼渣、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廢棄物混合發酵，畜禽沖洗污水可以用于稀釋其他發酵原料，相對于畜禽糞污原料單一發酵，混合發酵體系更加穩定。
不同種類的畜禽糞便，具有不同的理化特性，會影響沼氣工程的效率和穩定性。在沼氣工程設計時，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，所以豬場糞污水量大，濃度低，升溫困難，冬季產氣少。
③ 雞糞中含有羽毛、砂石，發酵過程中沉渣較為結實。另外，不同于奶牛糞中的砂，雞糞中的砂石包裹于有機物中，所以對砂的去除更為困難。
④ 羊糞和兔糞中含草較多，呈顆粒狀，需要在預處理階段設置泡糞池，使其中的有機物盡可能溶于料液中。
農作物秸稈
表2、農作物秸稈原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相對于畜禽糞便，農作物秸稈干物質含量高，單位鮮重的沼氣產氣率高，對原料和沼渣的運輸也較為容易。根據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，通過微生物的發酵產酸作用降低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%，有機物損失較小。黃貯是將收獲的作物自然風干而貯藏秸稈的方法，黃貯秸稈含水率低，是我國秸稈主要的貯藏方式。目前我國大部分秸稈沼氣工程采用黃貯秸稈作為沼氣發酵的原料，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酵的原料。
但是，農作物秸稈直接作為沼氣發酵原料也有一些缺點：
① 秸稈中含有大量的纖維素、半纖維素和木質素，在沼氣發酵體系中，纖維素和半纖維素的降解需要較長時間，木質素基本不降解，所以，通常需要對秸稈發酵原料采用物理、化學或生物的方法進行預處理，這樣就會增加沼氣工程的建設和運行成本。
② 秸稈原料的碳氮比較高，一般在50以上，不適宜沼氣發酵微生物的正常生長，所以純秸稈沼氣工程的啟動時間較長。
③ 規模較大的沼氣工程，需要原料多，秸稈收集半徑大，收貯的成本高。
④ 由于長纖維和木質素的存在，在沼氣發酵過程中容易產生浮渣，進料和出料比較困難。
能源作物
表3、能源作物原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
沼氣工程運行實踐證明，大部分能源作物都適合作為沼氣發酵原料，能源作物的沼氣利用方式主要是與畜禽糞便混合發酵，優點是混合后原料碳氮比更利于沼氣發酵微生物的生長，而且產氣率也有提高。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酵原料，也需要其他一些技術支撐，例如，作物收集技術、預處理技術和貯藏技術等。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酵原料。能源作物的組分以及作為沼氣發酵原料的適應性與其生長時間有關。總的來說，纖維素含量隨著作物的成熟越來越高，對作物的降解和產甲烷過程越不利。但是，不成熟的作物含水率較高，會使原料的貯藏變得較為困難。
工業廢棄物
表4、工業廢水類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
表5、工業廢渣類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相較于農業廢棄物，工業廢棄物的產量也比較大，大多數有機工業廢棄物均可作為沼氣發酵原料。這些廢棄物主要有食品和飲料生產廢棄物、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。
根據廢棄物的來源不同，其組成成分、干物質含量和產沼氣潛力等特性有較大的區別。一般來說，大部分可作為沼氣發酵原料的工業廢棄物的懸浮物都較低、性質比較單一，脂類、蛋白質和糖的含量都比較高，易于降解。基于這些性質，一些工業廢棄物作為沼氣發酵原料，在使用高效的厭氧反應器(如UASB、IC、EGSB)時，常能得到相對于畜禽糞便和能源作物更高的沼氣產量。
但工業廢棄物的來源十分復雜，加之水量加大，所以廢水經沼氣發酵后產生的沼液還田利用較為困難。因此，以工業廢棄物為發酵原料的沼氣工程都是以廢水達標排放為主要建設目的，通常在沼氣發酵單元的后端還需建設后處理設施，將厭氧出水進一步處理，達到排放標準。
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酵原料。如市政廢棄物中的餐廚垃圾、有機垃圾、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、餐廚垃圾類沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
相對于其他沼氣發膠原料，餐廚垃圾的油脂含量和鹽含量較高，其來源也比較復雜，不同飲食習慣地區的餐廚垃圾的成分也有很大的區別。針對餐廚垃圾的特性，在沼氣工程設計和運行階段還需注意以下幾點：
① 由于餐廚垃圾中含有骨頭、刀叉筷子、碗等堅硬的物質，這些物質易損壞泵、管道等工藝設施，所以在預處理階段應該設置分離裝置將這些物質去除。
② 餐廚垃圾中蛋白質含量較高，所以在發酵過程中容易造成氨的積累，在沼氣工程的運行中應注意原料性質和進料量的監測，防止氨抑制現象的發生。
③ 餐廚垃圾發酵產生的沼氣中硫化氫含量較高，因此硫費用較高，制約了能源的有效利用。
④ 餐廚垃圾中易降解有機物比例高，容易酸化。
有機垃圾的VS/TS一般在80%以上，碳氮比為12~20，適合作為沼氣發酵原料，其產沼氣潛力為300~400m3CH4/tVSin。但有機垃圾通常還含有一些病原菌，在利用前后還需采取一些衛生措施使其利用更加安全。
在污水處理過程中，污泥的產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沼氣潛力與畜禽糞污的產氣潛力相近，當投入的污泥含水率為96%，產生的沼氣量為8~12倍污泥量，相當原料產氣率0.20~0.30m3沼氣/kgTS。實際工程調查顯示，單位體積的污泥產氣率為4~14m3/m3污泥，平均污泥產氣率為7.54m3/m3污泥。通常還會采取一些預處理措施來增加沼氣產量，例如，化學分解、熱解、酶解等方法。
表7、水生生物沼氣發酵原料特性及原料產氣率
數據來源：《沼氣工程》
