牧业养殖规模大约为牛1600万头,猪2600万头,马400万头,家禽1.14亿只,这些家畜和家禽每天产生的粪便所含干物质可达57500t。因此,这种采用作物和粪便两种原料进行混合发酵的沼气工程在德国得到了快速发展。
由于混合发酵原料SS含量和TS浓度都比较高,适合采用全混合厌氧反应器。从采用的反应器类型看,约90%为立式全混合反应器,少数采用卧式反应器,主要用于含沙和纤维量高的原料,而且受结构限制此类反应器的容积一般低于300m3,还有不到10%的工程采用两种反应器联合应用的方式。随着材料技术的发展,一些工程采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计,即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气,见图2和图3。
许多农场建的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵,其中第一个发酵罐采用连续进出料方式,其排出的料液进入第二个发酵罐储存并在其中继续产气,同时该罐还兼作沼气储气装置。储存在第二个发酵罐的料液经过一段时间后被排放出来,然后作为有机肥喷施到农田里,所以不存在废液二次污染问题。
2) 沼气主要用于发电和供热
德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电,同时多数将发电过程中产生的废热用于供热,即热电联产工艺。这也是“Renewable Energy Act”所鼓励的。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电。所采用的内燃机以双燃料内燃机为主,占72%,其余28%为单燃料内燃机。图6所示为一小型沼气发电设备。
3) 沼气生物脱硫技术的应用
在德国一些沼气工程采取有控制的向沼气反应器内充空气的方法来脱硫。这种脱硫方法的原理是利用兼性厌氧微生物在微量氧气(<0.1mg/L)存在的情况下,将硫化物氧化为单质硫。这类细菌属于无色硫细菌,其中硫杆菌Thiobacillus就是一种典型的脱硫细菌,它属于自养细菌,以无机硫化物为电子供体,以CO2为碳源。这种生物脱硫方法的关键在于氧含量的控制,控制不好就会破坏反应器的厌氧环境,导致沼气发酵效果下降或停止产气。目前较为可靠的控制方法是采用氧化还原电位OPR在线监测的方法控制料液的充氧浓度。
3 德国沼气工程发展的驱动力
近年来德国沼气工程的快速发展,主要得益于以下2个方面。
1)强有力的政策推动
近年来德国非常重视可再生能源的发展,为了促进包括沼气在内的可再生能源的发展,制订了“Renewable Energy Act”,该法于2000年开始实施,并在2004年进行了重新修订以加大对可再生能源的扶持力度。该法提出的目标是到2010年由可再生能源
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