东北地区沼气发酵技术现状研究

邢向欣　赵国明　裴海林

摘 要：本文综合分析了东北地区沼气发酵技术的类型，以及原料种类、原料预处理、环境温度、干物质浓度、碳氮比等因素对沼气发酵的影响，并讨论了东北地区沼气发酵的应用前景。

关键词：东北地区；沼气；发酵技术

中图分类号：S216.4 中图分类号：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032034

随着我国农业和畜牧养殖业的迅速发展，每年会有大量的畜禽粪便、农作物秸秆等农业有机废弃物产生[1，2]，目前农业有机废弃物资源化利用方式中，沼气发酵具有更高的资源利用率[3]。利用沼气发酵技术可以将这些废弃物资源转变成清洁能源沼气和优质有机肥，对促进农村环境污染防治、能源消費结构改善、土壤改良、农业增产增收、食品安全等都具有重要意义，可推动农业的可持续发展和循环经济建设[3-5]。近年来，东北地区沼气发酵已有诸多研究[6-9]，本文将对沼气发酵技术的类型、沼气发酵的影响因素及应用前景等进行综合分析，以期为东北地区沼气发酵规模化发展提供科学依据。

1 东北地区沼气发酵技术类型

1.1 湿法厌氧发酵

湿法厌氧发酵是指发酵原料干物质浓度在6%～13%范围内所进行的厌氧发酵。主要有完全混合式厌氧发酵工艺、机械搅拌推流式厌氧发酵工艺和卧式多轴机械搅拌厌氧发酵工艺。

1.1.1 完全混合式厌氧发酵工艺

完全混合式厌氧发酵工艺的反应器多为立式结构，一般原料干物质浓度为8%～10%，进出料方式为下进上出，反应持续，搅拌方式为中心搅拌和倾斜搅拌。其优点是可以使反应器内原料与菌种接触充分，热量分布均匀，料液流动通畅，易于气体排出。其缺点是反应器容积利用率不高，内部搅拌结构使运行能耗增加，出料使部分厌氧微生物流失，有机物去除率低。

完全混合式厌氧发酵工艺可广泛应用于酒精废液及牲畜粪便等工农业废水的处理。

1.1.2 机械搅拌推流式厌氧发酵工艺

机械搅拌推流式厌氧发酵工艺的反应器及搅拌装置为卧式结构，一般原料干物质浓度为10%～13%，进出料方式为从一端进入，呈活塞式推移状态从另一端流出，反应持续，搅拌器呈垂直分布。其特点是固体原料无需预处理，塞流工艺与机械搅拌结合使混料更充分，运行能量消耗较低，工程设施操作简单，投资少，单池容积小，便于组合。

机械搅拌推流式厌氧发酵工艺可广泛应用于对畜禽养殖的粪便、机械破碎加工后的秸秆以及各种有机垃圾的处理。

1.1.3 卧式多轴机械搅拌厌氧发酵工艺

卧式多轴机械搅拌厌氧发酵工艺的反应器一般为卧式的槽体或罐体，其内部平行设有多个带搅拌叶片的卧式搅拌轴，可以实现均匀布料，防止秸秆物料上浮结壳，物料与菌种结合充分。反应器密封采用槽体上部柔性膜覆盖并通过液涨式的密封结构，观察柔性膜形成的气囊判断沼气排空情况。

其特点是操作简单，安全可靠，环保系数高。

卧式多轴机械搅拌厌氧发酵工艺适合秸秆和畜禽粪便等的厌氧消化处理。

1.2 干法厌氧发酵

规模化干法厌氧发酵是指发酵原料干物质浓度在20%～50%范围内所进行的厌氧发酵，主要有批量式干法厌氧发酵和连续式干法厌氧发酵2种技术模式。

1.2.1 批量式干法厌氧发酵

批量式干法厌氧发酵工艺是将畜禽粪便、农作物秸秆等农业有机固体废弃物在保持固体状态（TS=20-50%）下，经过“好氧—厌氧—好氧”发酵，转化为清洁能源沼气和优质有机肥。该反应器设计成地面车库形槽体，顶面和前侧面能够完全敞开。发酵槽敞口处采用柔性膜覆盖，膜与槽体间采用液涨式密封结构联接，底部铺有地热管，两侧墙顶部设有轨道。好氧发酵时，搅拌器通过在轨道上滑行搅拌槽体内物料，厌氧发酵时不搅拌。其特点是发酵自耗能低，池容产气率高，处理固体能力强，成本低；操作方便，工作效率高，密封安全可靠；发酵室采用模块化设计，易普及。

批量式干法厌氧发酵工艺适用于集约化养殖粪便和农作物秸秆的处理，城市垃圾处理环节的配套，食品加工废弃物、发酵工业加工废弃物及厨余垃圾处理等。

1.2.2 连续式干法厌氧发酵

连续式干法厌氧发酵是指发酵原料在保持固体状态（TS为20%～50%）下，直接进入反应器厌氧发酵，发酵一经启动，持续进行。发酵原料从反应器的一端进入，在卧式滚筒内边进行厌氧发酵反应边逐渐向出料端移动。其特点是发酵反应速度快，产气率高，反应耗能低，安全性好。

连续式干法厌氧发酵工艺适用于规模化养殖粪便及厨余垃圾的处理，农村集中沼气供应等。

2 东北地区沼气发酵影响因素

2.1 沼气发酵与原料

东北地区沼气发酵原料主要包括农作物秸秆、禽畜粪便、生活垃圾等，不同的沼气发酵原料具有不同的产气效果[10]。周宪龙等[11]通过对富氮、富碳和常规对照3种不同发酵原料组合研究表明：富氮原料和富碳原料所需的点火时间比对照长，富氮原料的产气速度比富碳原料快，富碳原料的产气量极显著的低于对照和富氮原料。刘德江等[12]的研究表明：在相同发酵浓度、同等温度的条件下，猪粪、牛粪、羊粪沼气发酵产生的气体中CH4含量为：牛粪>羊粪>猪粪。杨立等[13] 以猪粪为接种物，水稻秸秆、玉米秸秆和棉花秸秆为发酵原料的研究表明：在37±1℃的条件下，发酵原料的平均日产气量、累积产气量和甲烷含量为：棉花秸秆>玉米秸秆>水稻秸秆。刘德江等[14]的研究表明：在相同温度、浓度和碳氮比的条件下，牛粪和玉米秸秆混合发酵，牛粪中所加的秸秆越少，其产气总量和甲烷含量越高。李世密等[15]的研究表明，纯玉米秸秆作为发酵原料时，发酵慢，产气量低。主要原因是玉米秸秆中的纤维素与木质素等物质结合在一起，发酵时不易被沼气微生物降解。

2.2 沼气发酵与原料预处理endprint

发酵原料预处理可以有效的缩短发酵时间，提高沼气池利用率，增强原料的抗酸化能力。预处理方式主要包括物理、化学和生物预处理[16]。刘昭兵等[17]的研究表明：用沼液对稻草秸秆进行5d预处理后，稻草秸秆变为褐色，质地柔软，表面布满白色菌落和菌丝，与猪粪、沼液和池塘水混合发酵，产气量在50d内维持一个稳定、较高的水平，甲烷含量达到60%以上。牛明芬等[18]的研究表明：用发酵液和秸秆发酵剂对玉米秸秆进行堆沤处理，能有效的降解部分木质纤维素和纤维素。不同的温度、含水率、堆沤天数和玉米秸秆粒径条件下，玉米秸秆木质纤维素和纤维素降解率和厌氧发酵产气量有明显差别。当温度为30℃，含水率为60%，堆沤时间为15d，玉米秸秆粒径<1cm时，产气效率明显提高，产气峰值提前6d，最大日产气量达630ml，与未处理的秸秆相比提高31.2%。

Palmowski 等[19]的研究表明：粉碎纤维素含量高的固体废弃物，方便混匀发酵物料，减小发酵体积，缩短发酵时间，提高有机物降解率，沼气产量显著增加。

2.3 沼气发酵与碳氮比

各种原料的碳氮比决定着沼气发酵原料配比合理性。碳素是沼气细菌活动的能量来源，各种作物秸秆，杂草，树叶等含碳丰富；氮素是合成细菌原生质的主要成分，人畜禽粪便含氮量较高。这2类原料进行合理搭配，混合进料，能够获得较好的产气量[20]。成喜雨等[21]通过对碳氮比为15，20，25，30 的玉米秸秆、棉秆、猪粪混合发酵试验研究结果表明：碳氮比为15 时，延滞期较长；碳氮比为20～25 时，产气速率和沼气产率较高；碳氮比为30 时 ，产气高峰来的最早，但沼气产率降低。李娟等[22]通过对碳氮比为15，20，22，25，30的猪粪与小麦秸秆混合原料发酵试验研究表明：碳氮比为22的纯猪粪处理在环境温度为20℃时的产期速率最快，产气量最多。碳氮比为25的猪粪与小麦秸秆混合处理在环境温度为30℃时产气量最多，产气速率适中。

2.4 沼气发酵与环境温度

沼气发酵与温度有密切关系，微生物活性一般在30～40℃最大，过高或过低都会影响沼气产量。另外，在沼气发酵的过程中温度决定着发酵原料的消化速度，白洁瑞等[23]通过对20℃、25℃、30℃、35℃、40℃温度条件下作物秸秆和畜禽粪便混合的沼气发酵研究表明：在0～35℃范围内，粪秆配比的产气量随温度升高而升高；35℃条件下，鸡粪与秸秆混合（干物质质量比=2：1）处理的沼气产量高于其他粪秆比例，其中鸡粪与玉米秸秆混合处理沼气总产量最高。另外，在沼气发酵的过程中温度决定着发酵原料的消化速度。温度越高，原料分解速度越快。田晓东等[24]的研究表明：牛粪在24℃时50d消化完全，在32～37℃时28d消化完全。在15～35℃条件下，等量原料产气量大致相同，但发酵周期随温度的改变而改变，15℃时发酵周期360d，35℃时发酵周期为30d。

2.5 沼气发酵与干物质浓度

沼气发酵根据干物质浓度的不同，可分为湿式和干式2种。一般干物质浓度小于10%称为湿式发酵，其特点是发酵原料易于水解，生化反应速率快，产气稳定；干物质浓度大于10%称为干式发酵，其特点是有机负荷率可高达10Kg/m3.d，所需发酵装置容积小，投资费用低[25]石利军等[26]通过对2.5%，5%，10%，15%，20%等5种干物质浓度牛粪秸秆混合的厌氧发酵产沼气性能研究表明：产气高峰期为30d，随着干物质浓度增加，产气量波动增大，有机负荷率提高。干物质浓度为10%时，产气量最高，30d累积产气量达4710ml，容积产气率达0.313m3/m3.d。赵旭等[27]通过对低温（<20℃）条件下，4%，6%，8%，10%，12%，14%等6种干物质浓度的新鲜牛粪发酵试验表明，沼气发酵启动时间随干物质浓度质量分数的增加而增加，干物质浓度质量分数为4%时，启动时间为75d，比干物质浓度质量分数为14%时的启动时间缩短17d。刘杰等[28]通过对2%，4%，6%，8%，10%，12%等6种干物质浓度的牛粪发酵试验表明：在相同温度条件下，沼气中甲烷含量与干物质浓度有关，甲烷含量随着干物质浓度的增高而增高。

3 东北地区沼气发酵的应用前景

东北地区沼气发酵原料十分充足，农业有机废弃物的数量不断增加，循环利用率较低。据统计[1]仅吉林省每年产生秸秆总量达3942万t，其中30%～40%就地焚烧，利用率不到10%，剩余的部分随意堆积。吉林省规模化、集约化养殖产生粪便2700万t，其中70%直接用于农家肥，2%用于制沼气，其余随意堆放，每年大约有300万t得不到处理，直接进入环境。农业有机废弃物的无组织堆置，不仅占用了大量土地，而且还腐败分解产生氨气、二氧化碳、硫化氢、沼气等气体污染物，同时还造成了有机资源的严重浪费。如能运用生态工程对这些有机废弃物进行有效的处理和利用，将对节约自然资源，防止环境污染，实现资源的生态经济良性循环具有重要意义。

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作者简介：邢向欣（1979-），女，吉林长春人，主要从事农业有机废弃物资源化利用的研究。endprint