混合发酵产沼气原料的研究概况

严 勃，傅 舒

（1.成都市城市环境管理科学研究院，四川 成都 610031；2.成都中科能源环保有限公司，四川成都 610041）

1 混合发酵的原料类型

混合发酵是指2种或2种以上的原料作为底物进行厌氧发酵的过程。原料的类型及其复杂度极大地影响了发酵的效率。研究发现各种原料经过复配后，可以调节发酵系统中的碳氮比（C/N），避免由单一原料发酵产生的系统缓冲能力低下、稳定性差等问题。

目前，国内可利用的沼气发酵原料一般为畜禽粪便，其中猪粪最多，其次为牛粪，鸡粪最少。以作物秸秆为原料的厌氧发酵工程也得到了较好的发展，使秸秆得到有效地资源化和无害化处理。然而，产业废弃物、城市污泥、城市生活垃圾等也是沼气发酵的重要原料之一，但以上原料在国内却鲜有应用［1-2］。

1.1 农业废弃物

农业废弃物主要包括畜禽粪便、农作物秸秆等，将我国产生的农业废弃物用于沼气发酵，可产生沼气3.111×1011m3，具有巨大的能源化潜力［3］。

1.1.1 畜禽粪便

畜禽粪便，包括猪粪、牛粪、兔粪、鸡粪等，在生物质原料中占有很大比重。粪便是富氮原料，C/N一般为10～30，十分适合厌氧菌的生长繁殖。在混合发酵工程中，畜禽粪便含有较多的易被微生物利用的有机物，具有发酵周期短，启动时间早，产气速率快等优点，还为发酵系统提供了良好的缓冲性能［4］。几种常见畜禽粪便的特性见表1［5-8］，可以看出在35℃条件下各种原料的沼气潜力。同时，通过对C/N的分析可以为混合发酵的原料互配提供参考。

表1 畜禽粪便的特性（温度：35℃）

在畜禽粪便中，猪粪和牛粪研究得最多。兔粪的体积小且分散，使其在发酵过程中不易下沉，阻碍了底物与微生物或酶的接触，降低了降解效率。羊粪也同样存在不易下沉的问题。鸡粪由于C/N低，且含有较高浓度的氨态氮，会对微生物产生一定毒性，作为单一原料进行发酵很困难，为了减少氨抑制，研究人员在鸡粪和其他原料的混合发酵上进行了研究。杨广忠等发现，当鸡粪与城市生活垃圾混合发酵时可以提高产气潜能［9］。M i s i e t等的研究表明，当鸡粪、牛粪和糖蜜进行混合发酵时，累积产甲烷量明显高于单一原料发酵［10］。

1.1.2 作物秸秆

作物秸秆是一种极其重要的富碳生物质原料，我国每年产量约6.0×107t，主要有水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆，以及少量的豆类和油料秸秆等［11］。作物秸秆含有较多木质素和纤维素成分，使得C/N较高，不易被微生物分解，所以在进行厌氧发酵时存在启动慢，发酵周期长，产气速率低等缺点，但其产气潜力却不比畜禽粪便低。表2为作物秸秆原料的特性［6-7］。为了有效利用这一大类生物质原料，研究者们在混合发酵方面进行了大量研究。

表2 作物秸秆特性（温度：35℃）

张翠丽等发现，猪粪与麦秆混合后累积产气量比猪粪作为单一发酵原料时高2.4倍［12］。X.Wu等的研究表明，当玉米秆、麦秆作为额外碳源补充添加进猪粪中进行混合发酵时，产气量和甲烷浓度明显增加，其中添加玉米秆效果最好［13］。刘战广等的研究发现当稻草和猪粪混合发酵时，产气高峰比单一原料发酵提前了11～15 d［14］。

1.2 产业废弃物

产业废弃物如酒糟、蔗渣、豆渣等含有大量有机物成分，是沼气发酵的优质原料，但用于沼气发酵还少见报道。刘娟娟等在猪粪中添加质量分数约为9%（基于干物质量）的酒糟，25℃发酵的产气量比未添加组提高了52.6%［15］。何辰庆等的研究表明，将豆渣和鸡粪配成C/N为15.6∶1的混合原料后连续发酵，容积产气率可达到3.9 m3/（m3·d）［16］。Kalyani Sen等在麻风树榨油后的油饼中添加甘蔗渣进行混合发酵，发现甲烷产率从0.064 m3/kg提高至0.136 m3/kg［17］。

1.3 城市生活垃圾

1.3.1 餐厨垃圾

我国城市生活垃圾产生量巨大，其中36%～45%为餐厨垃圾，餐厨垃圾主要包括米饭、蔬菜、肉类、骨头等，其中的成分为：可溶性糖>脂肪>蛋白质>纤维素。来源不同的餐厨垃圾C/N各有不同，但均为18～24。高盐分和高脂肪含量的餐厨垃圾容易对厌氧发酵产生抑制［18］。

J.Cho等在37℃条件下厌氧发酵28 d，得到肉类、米饭、白菜和混合餐厨垃圾的甲烷产气潜力分别为 482、294、277、472 L/kg［19］。易龙生等在 55℃条件下厌氧发酵30d，得到混合餐厨垃圾、米饭、蔬菜和肉类的沼气产气潜能分别为508.3、478.2、433.3、206.8 L/kg［20］。

1.3.2 混合生活垃圾

生活垃圾的组成复杂，国外有资料报道其C、N元素质量分数分别为10%～20%、0.5%～1.0%［21］。牛俊玲等测得北京朝阳区生活垃圾的C/N为23［22］。郭亚丽等将江苏淮阴的生活垃圾进行沤解预处理后，在22～24℃条件下发酵60 d后测得其产沼气潜力为 0.389 m3/kg［23］。

H.Hatmann等的研究发现，当城市有机垃圾和粪便以1∶1混合产甲烷率可达0.63～0.71 L/g［24］。O.N.Agdag等的研究表明，当污泥与城市生活垃圾以1∶2质量比（基于干物质质量）进行厌氧消化后，累积产甲烷量比单一城市垃圾厌氧消化时分别提高了67%［25］。

1.4 污水污泥

我国污水污泥的有机碳与氮素平均质量比为8.2，美国为11.9，均偏低。由于污泥中有机碳浓度较低，在单独厌氧发酵时含氮物质溶出较快，可能导致氨氮浓度过高，使发酵过程受到抑制［26］。同时，污泥中含有非常复杂的有机物和重金属，直接用于厌氧发酵会导致产沼气效率不高。因此，关于污泥的厌氧发酵前处理技术和混合原料发酵技术得到广泛研究。

N.Hamzawi等对城市垃圾和污泥混合发酵的技术可行性进行了研究，发现当垃圾和污泥的干物质比为1∶2时，表现出了最大的产甲烷量。其中生化性最好的是白纸和草料，生化性最差的是报纸［27］。高瑞丽等将剩余污泥与餐厨垃圾混合后进行厌氧发酵，沼气产量比污泥单独发酵时提高了5倍，甲烷浓度提高了1.5倍［28］。Xiaohu Dai等发现污泥或者餐厨垃圾单独发酵时会导致系统中氨氮浓度或者Na+浓度偏高从而抑制、甚至中止反应的进行［29］。高军林等在剩余污泥中添加酒精糟液，沼气平均日产量比污泥单独发酵增加了1.78倍［30］。

2 混合原料配比

在混合发酵中，不仅原料种类对混合发酵的性能有很大影响，原料配比也是影响发酵的关键因素。研究原料的混合比不仅可以达到适合沼气发酵最优营养条件及最佳C/N，还可以解除底物降解产物，如挥发酸、氨等，对发酵体系产生抑制，提高发酵效率和产气量。

2.1 C/N

C/N是指有机物中C与N元素质量之比。不同原料经混合后，可显著改善底物的C/N，使其更容易被微生物降解。当C/N过高时，氮含量较低，缓冲能力较差；当C/N过低时，氮含量较高，易引起pH的升高和氨氮的释放，对发酵过程会产生抑制。多数研究表明，厌氧发酵的最适C/N为10～30。

Hong Wei Yen等以海藻污泥（C/N为5.3） 和废纸（C/N为2000）为研究对象，将二者以不同质量比混合进行沼气发酵后，发现当底物的C/N为18.0时，甲烷容积产气率比单一的污泥和废纸发酵分别提高2.0倍和2.6倍［31］。太湖的富营养化导致大量蓝藻生长，Weizhang Zhong等将蓝藻（C/N为6.1）和水稻秸秆（C/N为70.9） 进行混合发酵发现，当C/N为20时发酵系统表现出最大的甲烷产率，比单一的蓝藻提高46%［32］。高瑞丽等发现当城市污泥与厨余垃圾质量比为2∶1时，原料的C/N从4.8提高至13.4，累积产气量比单一的污泥发酵提高1.5倍，与P. Sosnowski等的研究结果类似［33］。刘战广等在对猪粪 （C/N为12.6） 和稻草 （C/N为27.4）配比对厌氧发酵影响的研究中发现，当粪草比以2∶1（C/N为17.2） 混合发酵时产气速率提高［14］。当混合原料C/N为13～20时有较好的发酵效率。

2.2 质量配比

李东等在对厨余垃圾和废纸混合发酵产沼气的研究中发现，当厨余垃圾和废纸以85∶15（基于干物质量）的配比进行发酵时，得到了最大的产甲烷率360 mL/g，比65∶35的配比进行发酵时的产气率高29%，而单一原料的厨余垃圾由于在酸化阶段产生的VFA浓度高于13000 mg/L，而使发酵中止［34］。王晓娇等在以牛粪、鸡粪、稻草为原料的混合沼气发酵时对试验数据进行了方差分析，表明原料质量配比对发酵周期无显著影响，但对累积产气量有影响［35］。张彤等研究发现，当温度为25、30℃时，累积产气量的增加随着麦秆质量比的增加而增加，当温度为35、40℃时，则结果相反［36］，说明在不同的温度条件下，影响的沼气产量的因素可能不同。

3 混合发酵的优势

随着沼气发酵的研究不断深入，混合发酵的应用将会越来越广泛。与单一原料发酵相比较，它具有诸多优势：①改善原料的结构特性，增强介质传递，提高微生物对原料的利用率。②促进发酵底物的营养平衡，增强发酵系统的缓冲能力和有机负荷。③减少毒性抑制，增强系统稳定，提高发酵效率。④弥补户用沼气池原料短缺的问题。随着农村经济的发展，畜禽养殖方式已由农户分散养殖发展为集中养殖，这必将减少农村户用沼气池的发酵原料，因此混合原料发酵将有效解决户用沼气池原料短缺的问题。

4 存在的不足及展望

混合发酵的原料成本对其经济性有很大的影响，在原料收集与分类方面存在的一些不足将在很大程度上制约了混合发酵技术的应用。混合发酵所用的原料组成复杂，原料来源及理化性质不一，使得其用于厌氧发酵之前需经过一定的预处理。因此，如何优化组合各种预处理技术，并对混合原料进行同步预处理发酵是混合发酵技术未来的发展方向之一。同时，原料的流变性也对混合发酵有重要影响，今后应对各种原料的流变性进行深入研究并在此基础上设计出更高效的混合发酵反应器。另外，混合发酵中多种原料的混合增加了工序和设备的投资；且出水的COD通常较高、发酵结束后的原料卫生情况较差，均需要进行额外的处理。因此，不仅要继续加强基础研究，还应加强沼气发酵工程的实际应用研究，开发适合我国具体情况的混合发酵技术。

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