沼气干发酵技术在畜禽粪便处理中的应用研究进展

李 丹 谷 巍

（山东宝来利来生物工程股份有限公司 山东泰安 271000）

1 畜禽粪便处理现有技术及存在问题

我国畜禽养殖集约化、规模化程度越来越高，大大提高了畜禽产品的产量和质量，但大量未经处理的畜禽粪便的任意排放造成了环境的污染，危害着人们的身体健康。对畜禽粪便进行适当处理，不仅可以控制其对环境的污染，还可以变废为宝，节约有机资源。目前，畜禽粪便处理的技术有物理、化学、生物处理技术。

物理处理技术主要是利用燃料、太阳能、风能对粪便进行干燥、蒸发、浓缩处理。物理处理技术能耗高，养分损失大，肥效偏低，而且只是对粪便的前期处理，仍需进一步净化。化学处理技术主要指在畜禽粪便中加入一些化学试剂达到杀菌消毒的效果，例如福尔马林、氢氧化钠、丙酸、醋酸等。化学方法对除臭、消毒有明显效果，但一次性投资大、处理成本高，难以取得良好的经济效益。生物处理技术主要有好氧发酵和厌氧发酵，好氧发酵技术需要场地较大，堆肥周期长，并且在堆肥过程中有大量的NH3挥发，造成了环境污染。根据底物干物质含量的不同，厌氧发酵技术可分为湿法和干法两种[1]。目前国内普遍采用的畜禽粪便湿法厌氧发酵技术，需要将畜禽粪便稀释到8%左右的浓度，消耗大量的清洁水，发酵后的产物浓度低，脱水处理相当困难，以至发酵产物难以有效利用。干发酵又称高固体厌氧消化,是指总固体含量大约在20%或更高的情况下进行发酵的一种相对较新的技术，此技术反应器单位体积的需水量低，产气量高[2]。干发酵工艺由于其发酵原料的干物质浓度高而导致进出料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题[3],这是干发酵的技术难点，对此国内外都进行了深入的研究。

2 干发酵技术概况

2.1 干发酵技术国内外研究现状

2.1.1 国内研究现状 我国20世纪70年代，采用一次性进出料开始了户用沼气池以秸秆为主要发酵原料的干法发酵技术，80年代取得了一些可喜的成果。吴强[4]在农村推广干湿一体沼气池，由于这种类型的沼气池提高了产气率，降低了建池成本，取得了较好的推广效果。孙国朝[5]对圆柱形活动密封沼气池、圆柱形泥塑料顶罩式沼气池进行了干法厌氧发酵生产性试验研究，最终认为该工艺具有池型简单等优点，便于农村推广。叶森[6]成功研制了自动排料装置，由农业部能源环保局鉴定认为该装置具有先进性和实用性，在国内有一定的推广价值。

在21世纪初我国开始了对干法发酵沼气工程技术的研发。甘如海[7]对畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器进行了研究，研制出卧式螺带搅拌发酵罐，并且通过发酵模式试验得出了操作参数对发酵产气过程的影响情况，确定了最优操作参数。晏水平[8]对大中型集约化养殖场畜禽粪便高温厌氧干发酵处理工程中的罐体加热保温装置进行了研究，其具体研究内容是罐体加热保温装置的选型和操作参数设计，为大型沼气干发酵系统的工程化提供了一定的基础理论。

2.1.2 国外研究现状 国外对于沼气干法发酵技术的工程化研究起步较早，从20世纪40年代起，德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式干法厌氧发酵技术。20世纪80年代，德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对干法厌氧发酵进行了深入的研究。目前，国外的干发酵技术已经成熟，工程化沼气干法发酵技术有车库型[9]、气袋型[10]、干湿联合型[11]、渗滤液储存桶型[12]、储罐型[13]等多种技术类型,已经投入生产使用,可以进行规模化的沼气生产。

2.2 干发酵技术工艺条件

2.2.1 碳氮比 发酵原料的C/N,是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关系。一般厌氧发酵中需要适宜的碳氮比，Walter[4]指出当N的含量很高时，高浓度的氨态氮抑制了厌氧发酵产甲烷，在发酵过程中当氨增加到2000mg/L以上时，甲烷产量降低。C/N比值较低时，生物在转化有机氮素时，有一部分氮素合成菌体维持生长，多余的氮素则会被分解成无机氮素而放出氨，这样就增加了发酵液的碱度，对防止发酵启动过程中酸化现象的产生有一定作用。 一般的厌氧发酵所需的碳氮比为25～30[14]。所以为了保证合适的C/N比,需要对发酵过程中的营养物质进行调控。

2.2.2 原料预处理 原料预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理。物理预处理是指对作为发酵原料的畜禽粪便去除其收集过程中带入的不易降解或不能降解的杂质，如塑料、石块等，对秸秆和稻草等发酵底物进行切碎、研磨等处理。Palmowski L M[15]研究了有机废弃物厌氧消化时，废弃物颗粒大小对产气效果的影响，对于纤维素含量高的固体废物，粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间，减小了消化体积。化学预处理包括酸碱浸泡、热处理等。Zhang Ruihong[16]在进行稻草固体厌氧消化的研究中，对稻草分别进行60℃、90℃、110℃的热处理，结果是预处理的温度越高，甲烷生成量越多。生物预处理主要指发酵原料的好氧堆沤，使易于分解产酸的有机物在好氧条件下大部分分解掉，有利于控制发酵原料的酸碱度，使原料获得一定的抗酸化能力，防止干发酵过程中易出现的酸化问题。研究表明，堆沤5d的畜禽粪便经接种后其pH值达到7时，发酵就不会出现酸化现象[17]。

2.2.3 干物质浓度 干物质浓度指发酵原料的总固体含量，决定于有机物和水分的含量。有机物是厌氧发酵过程的主体，水分是微生物活动不可缺少的重要因素。干物质浓度过高时，水分含量过低，使氨态氮和挥发酸的积累，抑制产甲烷菌的生长和新陈代谢，从而导致干发酵过程的终止。反之，原料浓度过低，会造成细菌营养不足，发酵产气不旺，不能充分利用发酵罐容积，发酵效率低。刘晓风[18]在城市有机垃圾干法厌氧发酵研究中进行了干物质浓度分别为20%、30%、40%、50%的单因素实验，认为产气量、产气率随着干物质浓度的升高而降低。曲静霞[19]在农业废弃物干法厌氧发酵技术的研究中进料时发酵物料采用了20%的干物质浓度，产气效果良好。

2.2.4 接种物 接种物就是在厌氧发酵过程中形成的污泥，又称“厌氧活性污泥”。活性污泥中的有效成分是活的微生物群体，不同来源的活性污泥其活性差别很大。当发酵启动时必须把大量活性污泥加入发酵罐内进行接种，这是厌氧发酵启动阶段成败的关键。根据对于温度的适应性，产甲烷菌分为常温性、中温性和高温性的三种类型，它们有各自的适宜温度，而且对温度相当敏感。在进行接种时，应对不同类型加以严格区分。为了使接种物类群能适应新的生态环境，必须对接种物进行驯化接种物最好引自同种污泥，以保持其生态环境的一致性[20]。接种物的质量和数量是沼气干发酵顺利开始的重要保障。孙国朝[5]等指出接种量在20%～30%为宜。张爱军[21]等人指出有机固体废物固态厌氧发酵时，加入接种物达到30%以上为好，这样可以提高产气速率和早期沼气中甲烷的含量。Kottener[22]指出接种物与原料的配比非常重要，因为发酵底物水分含量很少，比较好的接种量为50%。Linke[23]在用牛粪为发酵原料的干法厌氧发酵实验中,接种量为50%产气效果良好。

2.2.5 发酵温度 厌氧发酵分为高温、中温和常温发酵三大类型。采用哪种类型温度进行发酵，应根据发酵原料的性质、来源、数量、处理有机物的目的、要求、用途和经济效益综合确定。温度的急剧变化不利于厌氧消化的顺利进行，尤其是高温消化。据研究得出，短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至会停止产气。因此在设计消化罐时常采取一定的控温措施，尽可能使发酵罐在恒温下运行，温度变化幅度不超过1～2℃/d[24]。我国农村中的沼气发酵一般没有增温设施，发酵装置建在地下，发酵料液温度随季节的变化受气温、地温的直接影响波动较大，属于常温发酵。中温发酵，温度在40℃以下时，产气随温度的上升而增加，35℃为最佳的净产能温度，40～45℃对中温或高温发酵来说均属于效率较低的范围。与常温发酵相比，中温发酵具有原料分解快，产气率高、气质好等特点。高温发酵，在50～65℃范围内，厌氧发酵的产量随温度的升高而升高，实用温度多控制在52～55℃。高温发酵时有机物分解旺盛，发酵快，物料在发酵罐内停留时间短，非常适于城市生活垃圾和畜禽粪便的处理，可达到杀死虫卵和病原菌的目的。

2.2.6 pH值 厌氧发酵的适合pH值为6.8～7.4，6.4 以下或7.6 以上都对产气有抑制作用，pH值在5.5以下，产甲烷菌的活动则完全受到抑制[25]。在正常情况下发酵的pH值是自然平衡过程，一般不需要进行调节，只有在配料管理不当的情况下才会出现挥发酸大量积累，pH值下降。若在启动过程中，原料浓度较高时常有酸中毒现象发生，即水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段，导致pH值降低。此时需要采取措施进行调节，使之恢复正常。常用的调节方法有稀释发酵液中的挥发酸提高pH值，加适量氨水或用石灰水调节pH值。如果pH值过度降低，一般在6.0以下，则应大量投入接种物或重新进行启动。

2.2.7 搅拌 干法厌氧发酵过程中搅拌的作用就在于保证物料层内气液固三相较为均匀，不存在明显的浓度梯度，保证较好的传热传质效果，提高生物反应速率，从而提高产气效果。目前，常用的搅拌方法有液流搅拌和机械搅拌。液流搅拌是从外部将发酵液从反应器底部抽出，再从反应器顶部喷回，采用附加水源的形式进行渗滤循环喷淋，通过液流的渗滤达到搅拌的效果。如车库型干法厌氧发酵系统[26]、渗滤液储存桶型[12]都是采用的这种搅拌方法，此方法设备简单、维修方便。机械搅拌是指在反应器内安装叶轮等搅拌设备进行的搅拌，但搅拌轴与罐壁之间的密封问题使得反应器结构复杂，同时固体原料作用于搅拌器上的阻力较大，需要输入的功率较大。

2.3 产气和造肥效果

2.3.1 产气效果 干法厌氧发酵的一个重要目的就是获得清洁能源沼气，产气率是衡量干法厌氧发酵效果的重要指标。国内外大量的研究结果表明，沼气干发酵产气效果良好。幽景元[27]在进行干法厌氧发酵的研究中结果表明，在反应温度为54℃，总固体含量25%，C/N比20，接种量为30%，甲烷产率为170L/kgTS。曲静霞[1]的研究结果表明，当发酵温度为35±1℃，原料滞留期为60d时，发酵周期内的平均池容产期率为2L/(L.d)，甲烷含量达65%以上。Linke[23]用牛粪和50%的接种物进行中温(35℃)干法厌氧发酵试验中，在干法厌氧发酵开始后的2～7d后产气趋于稳定，沼气甲烷含量保持在60%～65%之间，产

气高峰在10～28d内。

2.3.2 造肥效果 营养成分如全氮、速效氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾等指标以及卫生指标是评价干法厌氧发酵产生的有机肥肥效的重要依据。国内学者对沼气干发酵过程的营养物质损失情况进行了研究,结果表明沼气干发酵过程营养成分损失少。孙国朝[5]等的研究指出,沼气干发酵的全氮损失率1.2%～2.5%。王天光[28]在干法厌氧发酵的产气和造肥效果研究中指出干法厌氧发酵的全氮保存率为91.7%。何丽红[29]在畜禽粪高温干法厌氧发酵关键参数优化研究中，确定了在发酵温度为55℃，C/N比为12.5，全氮损失率最小，为1.1804%。国外学者对沼气干发酵沼渣的卫生情况进行了研究，结果表明沼气干发酵的杀卵灭菌效果好。Ten Brummeler[30]的实验结果表明，在经过21d的发酵后，沼气干发酵对肠细菌、沙门氏菌、假单细胞菌、镰刀菌的去除率都大于99.99%。唐澄宇[31]用干法厌氧发酵沼气池处理城市生活有机垃圾，经发酵40d以上，沼气池内各层钩虫卵全部死亡；发酵达4个月时，沼气池内上层蛔虫卵死亡率为85%，中层为95%，下层为100%，同时，细菌总数比发酵前下降98%以上，大肠菌群完全转阴。

3 展望

随着农村城镇化以及畜禽养殖的集约化发展，对沼气集中供气及养殖场沼气工程的需求将不断加大。沼气干发酵技术，能够保证畜禽粪便干物质浓度较高的情况下正常发酵，产生清洁能源和优质有机肥，基本上达到零排放，符合我国广大农村地区对优良环境、清洁能源和优质有机肥的需求。目前我国已经开展了户用沼气干发酵技术示范，随着农村城镇化以及养殖的集约化发展，农业废弃物规模化干法厌氧发酵将成为我国农业废弃物处理与资源化利用的新选择。

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