沼氣干發酵技術在畜禽糞便處理中的應用研究進展

李 丹 谷 巍

（山東寶來利來生物工程股份有限公司 山東泰安 271000）

1 畜禽糞便處理現有技術及存在問題

我國畜禽養殖集約化、規模化程度越來越高，大大提高了畜禽產品的產量和質量，但大量未經處理的畜禽糞便的任意排放造成了環境的污染，危害著人們的身體健康。對畜禽糞便進行適當處理，不僅可以控制其對環境的污染，還可以變廢為寶，節約有機資源。目前，畜禽糞便處理的技術有物理、化學、生物處理技術。

物理處理技術主要是利用燃料、太陽能、風能對糞便進行干燥、蒸發、濃縮處理。物理處理技術能耗高，養分損失大，肥效偏低，而且只是對糞便的前期處理，仍需進一步凈化。化學處理技術主要指在畜禽糞便中加入一些化學試劑達到殺菌消毒的效果，例如福爾馬林、氫氧化鈉、丙酸、醋酸等。化學方法對除臭、消毒有明顯效果，但一次性投資大、處理成本高，難以取得良好的經濟效益。生物處理技術主要有好氧發酵和厭氧發酵，好氧發酵技術需要場地較大，堆肥周期長，并且在堆肥過程中有大量的NH3揮發，造成了環境污染。根據底物干物質含量的不同，厭氧發酵技術可分為濕法和干法兩種[1]。目前國內普遍采用的畜禽糞便濕法厭氧發酵技術，需要將畜禽糞便稀釋到8%左右的濃度，消耗大量的清潔水，發酵后的產物濃度低，脫水處理相當困難，以至發酵產物難以有效利用。干發酵又稱高固體厭氧消化,是指總固體含量大約在20%或更高的情況下進行發酵的一種相對較新的技術，此技術反應器單位體積的需水量低，產氣量高[2]。干發酵工藝由于其發酵原料的干物質濃度高而導致進出料難、傳熱傳質不均勻、酸中毒等問題[3],這是干發酵的技術難點，對此國內外都進行了深入的研究。

2 干發酵技術概況

2.1 干發酵技術國內外研究現狀

2.1.1 國內研究現狀 我國20世紀70年代，采用一次性進出料開始了戶用沼氣池以秸稈為主要發酵原料的干法發酵技術，80年代取得了一些可喜的成果。吳強[4]在農村推廣干濕一體沼氣池，由于這種類型的沼氣池提高了產氣率，降低了建池成本，取得了較好的推廣效果。孫國朝[5]對圓柱形活動密封沼氣池、圓柱形泥塑料頂罩式沼氣池進行了干法厭氧發酵生產性試驗研究，最終認為該工藝具有池型簡單等優點，便于農村推廣。葉森[6]成功研制了自動排料裝置，由農業部能源環保局鑒定認為該裝置具有先進性和實用性，在國內有一定的推廣價值。

在21世紀初我國開始了對干法發酵沼氣工程技術的研發。甘如海[7]對畜禽糞便厭氧干發酵處理攪拌反應器進行了研究，研制出臥式螺帶攪拌發酵罐，并且通過發酵模式試驗得出了操作參數對發酵產氣過程的影響情況，確定了最優操作參數。晏水平[8]對大中型集約化養殖場畜禽糞便高溫厭氧干發酵處理工程中的罐體加熱保溫裝置進行了研究，其具體研究內容是罐體加熱保溫裝置的選型和操作參數設計，為大型沼氣干發酵系統的工程化提供了一定的基礎理論。

2.1.2 國外研究現狀 國外對于沼氣干法發酵技術的工程化研究起步較早，從20世紀40年代起，德國、法國和阿爾及利亞就開始運用批量式干法厭氧發酵技術。20世紀80年代，德國、荷蘭、瑞士、布基納法索、尼日爾等國家對干法厭氧發酵進行了深入的研究。目前，國外的干發酵技術已經成熟，工程化沼氣干法發酵技術有車庫型[9]、氣袋型[10]、干濕聯合型[11]、滲濾液儲存桶型[12]、儲罐型[13]等多種技術類型,已經投入生產使用,可以進行規模化的沼氣生產。

2.2 干發酵技術工藝條件

2.2.1 碳氮比 發酵原料的C/N,是指原料中有機碳素和氮素含量的比例關系。一般厭氧發酵中需要適宜的碳氮比，Walter[4]指出當N的含量很高時，高濃度的氨態氮抑制了厭氧發酵產甲烷，在發酵過程中當氨增加到2000mg/L以上時，甲烷產量降低。C/N比值較低時，生物在轉化有機氮素時，有一部分氮素合成菌體維持生長，多余的氮素則會被分解成無機氮素而放出氨，這樣就增加了發酵液的堿度，對防止發酵啟動過程中酸化現象的產生有一定作用。 一般的厭氧發酵所需的碳氮比為25～30[14]。所以為了保證合適的C/N比,需要對發酵過程中的營養物質進行調控。

2.2.2 原料預處理 原料預處理包括物理預處理、化學預處理和生物預處理。物理預處理是指對作為發酵原料的畜禽糞便去除其收集過程中帶入的不易降解或不能降解的雜質，如塑料、石塊等，對秸稈和稻草等發酵底物進行切碎、研磨等處理。Palmowski L M[15]研究了有機廢棄物厭氧消化時，廢棄物顆粒大小對產氣效果的影響，對于纖維素含量高的固體廢物，粉碎能顯著提高沼氣產量和有機物的降解率以及縮短消化時間，減小了消化體積。化學預處理包括酸堿浸泡、熱處理等。Zhang Ruihong[16]在進行稻草固體厭氧消化的研究中，對稻草分別進行60℃、90℃、110℃的熱處理，結果是預處理的溫度越高，甲烷生成量越多。生物預處理主要指發酵原料的好氧堆漚，使易于分解產酸的有機物在好氧條件下大部分分解掉，有利于控制發酵原料的酸堿度，使原料獲得一定的抗酸化能力，防止干發酵過程中易出現的酸化問題。研究表明，堆漚5d的畜禽糞便經接種后其pH值達到7時，發酵就不會出現酸化現象[17]。

2.2.3 干物質濃度 干物質濃度指發酵原料的總固體含量，決定于有機物和水分的含量。有機物是厭氧發酵過程的主體，水分是微生物活動不可缺少的重要因素。干物質濃度過高時，水分含量過低，使氨態氮和揮發酸的積累，抑制產甲烷菌的生長和新陳代謝，從而導致干發酵過程的終止。反之，原料濃度過低，會造成細菌營養不足，發酵產氣不旺，不能充分利用發酵罐容積，發酵效率低。劉曉風[18]在城市有機垃圾干法厭氧發酵研究中進行了干物質濃度分別為20%、30%、40%、50%的單因素實驗，認為產氣量、產氣率隨著干物質濃度的升高而降低。曲靜霞[19]在農業廢棄物干法厭氧發酵技術的研究中進料時發酵物料采用了20%的干物質濃度，產氣效果良好。

2.2.4 接種物 接種物就是在厭氧發酵過程中形成的污泥，又稱“厭氧活性污泥”。活性污泥中的有效成分是活的微生物群體，不同來源的活性污泥其活性差別很大。當發酵啟動時必須把大量活性污泥加入發酵罐內進行接種，這是厭氧發酵啟動階段成敗的關鍵。根據對于溫度的適應性，產甲烷菌分為常溫性、中溫性和高溫性的三種類型，它們有各自的適宜溫度，而且對溫度相當敏感。在進行接種時，應對不同類型加以嚴格區分。為了使接種物類群能適應新的生態環境，必須對接種物進行馴化接種物最好引自同種污泥，以保持其生態環境的一致性[20]。接種物的質量和數量是沼氣干發酵順利開始的重要保障。孫國朝[5]等指出接種量在20%～30%為宜。張愛軍[21]等人指出有機固體廢物固態厭氧發酵時，加入接種物達到30%以上為好，這樣可以提高產氣速率和早期沼氣中甲烷的含量。Kottener[22]指出接種物與原料的配比非常重要，因為發酵底物水分含量很少，比較好的接種量為50%。Linke[23]在用牛糞為發酵原料的干法厭氧發酵實驗中,接種量為50%產氣效果良好。

2.2.5 發酵溫度 厭氧發酵分為高溫、中溫和常溫發酵三大類型。采用哪種類型溫度進行發酵，應根據發酵原料的性質、來源、數量、處理有機物的目的、要求、用途和經濟效益綜合確定。溫度的急劇變化不利于厭氧消化的順利進行，尤其是高溫消化。據研究得出，短時間內溫度升降5℃，沼氣產量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至會停止產氣。因此在設計消化罐時常采取一定的控溫措施，盡可能使發酵罐在恒溫下運行，溫度變化幅度不超過1～2℃/d[24]。我國農村中的沼氣發酵一般沒有增溫設施，發酵裝置建在地下，發酵料液溫度隨季節的變化受氣溫、地溫的直接影響波動較大，屬于常溫發酵。中溫發酵，溫度在40℃以下時，產氣隨溫度的上升而增加，35℃為最佳的凈產能溫度，40～45℃對中溫或高溫發酵來說均屬于效率較低的范圍。與常溫發酵相比，中溫發酵具有原料分解快，產氣率高、氣質好等特點。高溫發酵，在50～65℃范圍內，厭氧發酵的產量隨溫度的升高而升高，實用溫度多控制在52～55℃。高溫發酵時有機物分解旺盛，發酵快，物料在發酵罐內停留時間短，非常適于城市生活垃圾和畜禽糞便的處理，可達到殺死蟲卵和病原菌的目的。

2.2.6 pH值 厭氧發酵的適合pH值為6.8～7.4，6.4 以下或7.6 以上都對產氣有抑制作用，pH值在5.5以下，產甲烷菌的活動則完全受到抑制[25]。在正常情況下發酵的pH值是自然平衡過程，一般不需要進行調節，只有在配料管理不當的情況下才會出現揮發酸大量積累，pH值下降。若在啟動過程中，原料濃度較高時常有酸中毒現象發生，即水解發酵階段與產酸階段的反應速度超過產甲烷階段，導致pH值降低。此時需要采取措施進行調節，使之恢復正常。常用的調節方法有稀釋發酵液中的揮發酸提高pH值，加適量氨水或用石灰水調節pH值。如果pH值過度降低，一般在6.0以下，則應大量投入接種物或重新進行啟動。

2.2.7 攪拌 干法厭氧發酵過程中攪拌的作用就在于保證物料層內氣液固三相較為均勻，不存在明顯的濃度梯度，保證較好的傳熱傳質效果，提高生物反應速率，從而提高產氣效果。目前，常用的攪拌方法有液流攪拌和機械攪拌。液流攪拌是從外部將發酵液從反應器底部抽出，再從反應器頂部噴回，采用附加水源的形式進行滲濾循環噴淋，通過液流的滲濾達到攪拌的效果。如車庫型干法厭氧發酵系統[26]、滲濾液儲存桶型[12]都是采用的這種攪拌方法，此方法設備簡單、維修方便。機械攪拌是指在反應器內安裝葉輪等攪拌設備進行的攪拌，但攪拌軸與罐壁之間的密封問題使得反應器結構復雜，同時固體原料作用于攪拌器上的阻力較大，需要輸入的功率較大。

2.3 產氣和造肥效果

2.3.1 產氣效果 干法厭氧發酵的一個重要目的就是獲得清潔能源沼氣，產氣率是衡量干法厭氧發酵效果的重要指標。國內外大量的研究結果表明，沼氣干發酵產氣效果良好。幽景元[27]在進行干法厭氧發酵的研究中結果表明，在反應溫度為54℃，總固體含量25%，C/N比20，接種量為30%，甲烷產率為170L/kgTS。曲靜霞[1]的研究結果表明，當發酵溫度為35±1℃，原料滯留期為60d時，發酵周期內的平均池容產期率為2L/(L.d)，甲烷含量達65%以上。Linke[23]用牛糞和50%的接種物進行中溫(35℃)干法厭氧發酵試驗中，在干法厭氧發酵開始后的2～7d后產氣趨于穩定，沼氣甲烷含量保持在60%～65%之間，產

氣高峰在10～28d內。

2.3.2 造肥效果 營養成分如全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀等指標以及衛生指標是評價干法厭氧發酵產生的有機肥肥效的重要依據。國內學者對沼氣干發酵過程的營養物質損失情況進行了研究,結果表明沼氣干發酵過程營養成分損失少。孫國朝[5]等的研究指出,沼氣干發酵的全氮損失率1.2%～2.5%。王天光[28]在干法厭氧發酵的產氣和造肥效果研究中指出干法厭氧發酵的全氮保存率為91.7%。何麗紅[29]在畜禽糞高溫干法厭氧發酵關鍵參數優化研究中，確定了在發酵溫度為55℃，C/N比為12.5，全氮損失率最小，為1.1804%。國外學者對沼氣干發酵沼渣的衛生情況進行了研究，結果表明沼氣干發酵的殺卵滅菌效果好。Ten Brummeler[30]的實驗結果表明，在經過21d的發酵后，沼氣干發酵對腸細菌、沙門氏菌、假單細胞菌、鐮刀菌的去除率都大于99.99%。唐澄宇[31]用干法厭氧發酵沼氣池處理城市生活有機垃圾，經發酵40d以上，沼氣池內各層鉤蟲卵全部死亡；發酵達4個月時，沼氣池內上層蛔蟲卵死亡率為85%，中層為95%，下層為100%，同時，細菌總數比發酵前下降98%以上，大腸菌群完全轉陰。

3 展望

隨著農村城鎮化以及畜禽養殖的集約化發展，對沼氣集中供氣及養殖場沼氣工程的需求將不斷加大。沼氣干發酵技術，能夠保證畜禽糞便干物質濃度較高的情況下正常發酵，產生清潔能源和優質有機肥，基本上達到零排放，符合我國廣大農村地區對優良環境、清潔能源和優質有機肥的需求。目前我國已經開展了戶用沼氣干發酵技術示范，隨著農村城鎮化以及養殖的集約化發展，農業廢棄物規模化干法厭氧發酵將成為我國農業廢棄物處理與資源化利用的新選擇。

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