厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水的研究进展

胡贵川

(中铁二十局集团房地产开发有限公司， 重庆 401336)

0 引言

目前，我国畜禽养殖废水的主要处理方法有物理法、化学法、物化法和生化法[5]。其中，生化法因其成本投入低且处理效果好而广泛应用于养殖废水处理中。畜禽养殖废水属于高浓度有机废水，而与好氧发酵技术相比，厌氧发酵技术因其具有无需另加碳源，产生的剩余污泥量少，且可实现能量回收等优点而被广泛应用于畜禽养殖废水处理中。鉴于此，对我国厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水研究进展进行综述，以期为厌氧发酵技术在畜禽养殖废水处理中的工程实践提供参考。

1 厌氧发酵技术及影响因素

1.1 厌氧发酵技术

厌氧发酵指有机物质(如畜禽粪便中的有机物、秸秆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷、二氧化碳等可燃性混合气体的过程。厌氧发酵可分为水解、产氢产乙酸、产酸和产甲烷等4个阶段[6]。其中，水解阶段是在酶作用下，微生物将复杂的不溶性大分子有机物水解为可溶性小分子有机物，进而为产氢产乙酸阶段提供小分子有机酸，并在产氢产乙酸阶段由产氢产乙酸菌将小分子有机酸转化为乙酸和氢气。在产酸阶段，相关微生物将产氢产乙酸菌产生的H2和CO2合成为乙酸，最后在产甲烷阶段由产甲烷菌转化为甲烷气体。可见，厌氧发酵实际上是利用不同种类的微生物菌群，通过一系列的厌氧反应过程，而该过程涉及的微生物种类繁杂，且对于环境条件要求较高。因此，温度、pH、C/N、水力停留时间(HRT)和总固体浓度(TS)等影响因素控制着整个厌氧发酵效果[7]。

1.2 影响因素

1.2.1 碳氮比 碳氮比(C/N)是有机物中含碳和含氮元素的比值，由于C、N元素均为微生物生长必不可缺少的物质，显然C/N影响着整个厌氧发酵过程。在厌氧发酵过程中，C/N过高或过低均不利于细胞生长和外源蛋白的表达，过低导致细菌体提前自溶并使发酵系统产生大量游离铵而导致微生物中毒，而过高则导致细菌代谢不平衡进而使发酵液缓冲能力降低，最终不利于产物的积累。冯洁等[8]以奶牛废物为底料进行厌氧发酵发现，C/N为27时发酵效果最好，而鸭粪厌氧发酵的最优C/N则为25[9]。由于外加氮源或碳源成本较高，李淑兰等[10]将鸡粪与玉米秸秆混合物作为厌氧发酵原料，鸡粪厌氧发酵的最佳C/N为20。沈飞等[11]研究发现，猪粪和稻草混合发酵，C/N控制在30时，稻草和猪粪混合物的厌氧发酵效果最好。上述研究表明，单一畜禽粪便的C/N较低，直接厌氧发酵时易存在碳源不足的问题，可适当添加稻草、玉米秸秆、甘蔗渣、米糠等富含碳源的原料以提高厌氧发酵效果。

1.2.2 温度 温度可通过影响厌氧微生物的胞内酶活性、细胞膜流动性和物质溶解度，进而影响微生物的生长及其对底物的摄取速率，从而控制厌氧发酵效果。在整个厌氧发酵过程中，参与的功能菌群主要有水解酸化菌和产甲烷菌。其中，水解酸化菌耐热性较好，甚至可在温度高达100℃条件下生存[12]，而产甲烷菌则对温度十分敏感。解竞等[13]研究发现，温度对污泥厌氧产酸过程影响显著，当温度从10℃升高至37℃时，挥发性脂肪酸(VFAs)产量从1 078 mg/L增至3 705 mg/L，但当温度升至55℃时，VFAs产量反而降至2 469 mg/L。主要是因为低温条件更有利于刺激嗜冷产甲烷菌群的活性，而在中温条件下，高温驯化有利于梭状芽胞杆菌(Clostridia)、芽胞杆菌(Bacilli)和互营养菌(Synergistia)等菌群丰度的提高，进而提高厌氧体系中纤维素降解和VFAs的产酸速率[14]。虽然厌氧发酵效率随温度而升高，但高温发酵过程中会产生大量有机酸，若不能及时被菌群降解，将导致发酵液酸化，进而抑制产气。同时，高温产甲烷菌需要消耗大量能量以维持自身代谢过程和酶反应，导致耗高温厌氧发酵高投入而低回报。此外，长时间的高温也会造成微生物易衰减，使得死亡率增加。相较于高温厌氧发酵，中低温厌氧发酵虽具有成本低廉、操作方便等优点，但发酵效果并不理想。国内外学者对于如何提高中低温厌氧发酵效率开展的相关研究[15-17]发现，添加金属元素(如Fe、Co、Ni等)、投加磁铁粉、优化C/N等方式可提高低温厌氧发酵效率。在中低温厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水的工程实践中，可采取一些辅助手段来提高中低温厌氧发酵效率。

1.2.3 pH 厌氧发酵过程中pH受生化过程控制，而pH值是气-液相间的CO2和NH3平衡、液相内的酸碱平衡以及固-液相间的溶解平衡共同作用的结果。pH和温度的影响作用机制相似，均通过影响酶活性控制微生物的生长代谢，进而影响厌氧发酵效果。不同菌群的最适生长pH不同，其中，水解酸化菌的最适pH为5.0～6.5，而产甲烷菌的适宜pH为6.6～7.5。由于水解酸化菌和产甲烷菌最适pH不同，有学者提出了两相发酵的概念，即将水解酸化菌和产甲烷菌分别于两个独立的反应器内进行培养，以创造各自最佳的环境条件，并将反应器串联起来，形成两相厌氧发酵系统。任济伟等[18-19]对单相与两相厌氧工艺发酵特性进行比较研究发现，不管底物是纤维质物料、易降解类物料还是含硫酸盐废水，两相厌氧发酵的产沼气率和污染物去除率均优于单相厌氧发酵系统。因此，在今后工程实际中，可选用两相厌氧发酵以提高发酵效果。

1.2.4 水力停留时间(HRT) HRT为污水与反应器内微生物作用的平均反应时间。若HRT过短，微生物与污水接触不充分，导致有机物降解不彻底；若HRT过长，微生物生长代谢所需能源和营养物质被耗尽，反而造成微生物死亡。乔小珊[20]研究发现，HRT对奶牛粪便厌氧发酵产气速率影响显著，HRT为20 d的日产气速率明显高于10 d和30 d的日产气速率。何秋阳等[21]通过改变HRT提高鸡粪厌氧发酵效果研究表明，容积产气率随HRT缩短而升高，但升高幅度逐渐减小。王光远等[22]在研究两相厌氧发酵技术处理牛粪水时发现，保持产酸相与产甲烷相HRT分别为3 d和17 d，每天进出料产气效果最佳，原料产气率和甲烷含量分别为0.29 m3/(kg·VS)和58.36%，这与罗立娜等[23]的研究结果一致。许彩云等[24]研究发现，HRT为20 d时厌氧发酵系统对猪粪厌氧发酵残留物中磺胺类抗生素(SAs)的去除率可达90%以上。可见，在工程应用中厌氧发酵的HRT可控制在20～30 d，并根据发酵底物和不同去除目标污染物对HRT作出相应调整。

1.2.5 抑制物

1) 重金属。畜禽粪便中的重金属主要来自未被完全吸收利用的畜禽饲料，主要包括Cu、Zn、Cd、As、Cr、Hg和Ni。由于重金属不能被微生物吸收利用，累积至某一阈值时会影响微生物活性，甚至造成微生物死亡。李轶等[25]在研究外源性重金属对猪粪厌氧发酵产气的影响时发现，当 Cu、Zn和Cr(VI)含量分别超过1 000 mg/kg、800 mg/kg和400 mg/kg时，重金属对发酵产气量具有显著的抑制作用。添加钝化剂可有效降低重金属对厌氧发酵的影响。张辉等[26]研究发现，添加5%含量的粉煤灰钝化剂可显著降低Cu和Zn对厌氧发酵的抑制作用；李轶等[27]发现，添加7.5%的活性炭对重金属As有效态的钝化效果最好；马洋洋[28]研究得出，7.5%的海泡石对Cd的钝化率达63.27%，而添加5%的海泡石便可钝化45.76%的Ni。钝化剂种类及其添加量对于不同重金属的钝化效果不同。因此，在今后工程应用中，应根据畜禽粪便中重金属种类选择相应的钝化剂种类及其添加量。

2) 抗生素。由于抗生素具有抑菌和杀菌作用，进而可影响厌氧发酵过程中的微生物群落结构及其活性。畜禽粪便中含有较高浓度的四环素类、磺胺类、喹诺酮类和大环内酯类等抗生素，其中，四环素类抗生素是畜禽养殖中应用最广泛的一种物质。强虹等[29]利用批次试验研究不同浓度金霉素对鸡粪中温厌氧消化的影响发现，若金霉素浓度超过60 mg/L时，将抑制鸡粪中温厌氧消化过程，且抑制强度随金霉素度的升高而增强。王玲[30]研究发现，当土霉素浓度高于25 mg/L时对鸡粪厌氧发酵产甲烷累积量产生一定的抑制作用，且抑制强度随土霉素浓度的增加而加强。采用添加外源性菌种、改变发酵温度、调控含固率和接种比、采用抗生素驯化污泥等措施，可减少畜禽养殖废水中抗生素对厌氧发酵的抑制作用[31-33]。

3) 无机盐。无机盐是微生物生长必不可缺少的营养物，其对微生物的影响机制随浓度的升高而分为刺激、抑制和毒害作用。其中，无机盐对厌氧发酵微生物的毒害作用主要通过增加渗透压破坏微生物的细胞膜和酶，从而破坏微生物的正常生理活动，抑制微生物生长，甚至导致其死亡。

4) 硫化物。硫化氢是由硫酸盐还原细菌和酸化细菌在降解硫酸盐和蛋白类物质的过程中产生。在厌氧发酵过程中，硫酸盐还原菌将与甲烷菌、乙酸菌等其他细菌竞争各种酸和氢的利用，从而影响厌氧发酵效率[34]。张祥明等[35]研究发现，当S2-浓度低于20 mg/L时，硫化物可促进厌氧发酵，反之则随S2-浓度升高出现抑制作用，其中，S2-浓度为80 mg/L是抑制作用由弱转强的临界点，当浓度高于120 mg/L，硫化物将直接导致厌氧发酵系统运行失败。有研究表明，添加FeCl2、FeCl3、AlCl3等物质可抑制硫化氢的产生，进而降低发酵系统中硫化物对发酵过程的抑制作用[36-37]。

5) 无机氮。厌氧发酵过程中的氨氮主要来源于有机氮的水解，并多以NH3和游离氮存在，而高浓度的氨氮会对厌氧微生物群落结构及其活性产生显著影响[38]。张寓涵等[39]在猪粪废水厌氧发酵过程中发现，适量的总氨氮(TAN)可促进厌氧发酵过程，以尿素为氮源(TAN≤500 mg/L)和以氯化铵为氮源(TAN≤1500 mg/L)均能促进厌氧发酵产甲烷，但超过这一浓度后，均对产甲烷有抑制作用。因此，应将畜禽养殖废水中的TAN控制在500 mg/L内，以减少无机氮对厌氧发酵的拮抗作用。

1.2.6 总固体(TS)浓度 虽然厌氧发酵产气速率随着TS浓度的增加而加快，但TS浓度过高也会造成VFAs、氨氮等中间产物发生积累，导致pH下降进而抑制甲烷菌的代谢活性，最终影响厌氧发酵的产气率。孙嘉洵等[40]研究发现，当物料的TS浓度为5%时最适合猪粪废水的快速厌氧发酵过程。常华等[41]研究则发现，当TS浓度为6%时，厌氧发酵体系运行最稳定且产气性能最好。这可能是由于发酵温度不同导致研究结论存在一定的差异，因此，应根据不同发酵温度确定最适的TS浓度范围。一般而言，针对不同的发酵底物，可将TS浓度控制在5%～10%，并根据实际发酵温度调整具体浓度值[42]。

1.2.7 添加剂

1) 微量金属元素。微量金属元素可作为电子导体参与胞外电子转移，并通过影响酶的合成来调控厌氧发酵效果。如Zn和Cu可参与氢化酶的合成，一氧化碳脱氢酶的合成离不开Fe、Co和Ni，而Mo、W、Se和Zn则是构成甲酸盐脱氢酶必不可少的微量元素[43]。陈彪等[44]以猪粪为发酵底物，研究Se和W元素对厌氧发酵过程的促进机制表明，Se为0.8 mg/L、W为1.8 mg/L时可有效促进厌氧发酵过程，原因是添加微量元素Se和W可加快产甲烷菌对VFAs的利用率，尤其是可显著提高对丙酸的利用。樊丽等[45]以牛粪为底物进行厌氧发酵时发现，分别添加6 g MnSO4、6 g FeSO4·7H2O和100 g电解锰渣时，对牛粪常温厌氧发酵过程均表现出显著的促进效应，可显著提高基质降解率和产气率，并缩短反应启动时间。唐铭等[46]以垃圾渗滤液作为底物进行厌氧发酵研究发现，分别添加25 mg/L的Fe2+、1 mg/L的Co2+和0.5 mg/L的Ni2+可显著提高系统对COD 的去除率和产甲烷量，但3种微量元素均表现出低浓度促发酵而高浓度抑制发酵的特征。因此，在实际应用中，可添加合适的低浓度微量元素促进厌氧发酵效率。

2) 吸附剂。由于吸附剂具有多孔性和大比表面积的特点，可有效吸附厌氧发酵过程中产生的VFAs、硫化物、重金属、抗生素和无机氮等抑制物，并为微生物提供附着载体，被广泛用于促进厌氧发酵效率[47]。在工程应用中，常用吸附剂主要包括沸石、生物炭、活性炭和粉煤灰等。刘春软等[48]在猪粪的中温厌氧发酵过程中分别添加粉煤灰、生物炭、磁性粉煤灰和磁性生物炭等4种吸附剂，均能促进猪粪的厌氧发酵，且与空白对照相比，产气总量提高5%～12%。而经过热处理的生物碳具有更强的促进作用，如在厌氧发酵系统中添加190℃水热法制备的沼渣水热碳，较纯猪粪发酵系统的平均产气量和产甲烷量分别提高29.81%和26.22%[47]。可见，对厌氧发酵系统促进效果最好的吸附剂为活性炭，同时，生物炭要优于沸石和粉煤灰[49]。

2 厌氧发酵技术存在的问题

2.1 氨抑制

在采用厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水时，由于其氨氮浓度过高(一般为500～1 000 mg/L)而出现氨抑制现象，成为导致畜禽养殖废水厌氧发酵失败的首要问题。畜禽养殖废水中的氨氮主要源自尿素以及蛋白质的分解，当氨氮浓度过高时会产生大量的铵根离子和游离态的铵，抑制酶促反应的进行，从而降低甚至完全抑制厌氧产甲烷菌群的活性，即氨抑制现象[38]。因此，在采用厌氧发酵技术对畜禽养殖废水进行厌氧发酵时，为提高甲烷产率，需重点解决因氨氮浓度过高而产生的氨抑制问题。

2.2 C/N失衡

虽然在单一畜禽粪便中适当添加稻草、玉米秸秆、甘蔗渣、米糠等富含碳源的原料可提高厌氧发酵效果，但由于各种农业废弃物的C/N比差异较大，而过高或过低都不适合厌氧发酵过程中微生物的生长代谢。目前，在厌氧发酵过程中通常将高C/N和低C/N的废弃物进行混合发酵，以调节C/N平衡，为微生物提供更好的生长代谢条件，但并未从本质上改变废弃物的理化性质。如添加玉米秸秆等高木质纤维素废弃物进行C/N调节时，在厌氧发酵过程中常伴随着废弃物较难水解的问题[50]；同时，混合发酵对于添加高含氮量废弃物的氨抑制作用仍存在不稳定性。因此，在对畜禽粪便添加富含碳源原料进行混合发酵时，应首先考虑固体废弃物的理化性质，才能实现通过C/N的调节来提高甲烷产率。

2.3 抗生素抑制

畜禽养殖行业通常会使用大量抗生素以保证畜禽的健康，而当抗生素被畜禽摄入体内后，最终以粪便、尿液等排泄物形式进入畜禽养殖废水中。相关研究已证实[51]，抗生素在厌氧发酵过程中会出现较高的抗菌活性并产生毒性作用，即使是较低浓度的抗生素也会显著降低甲烷产率，且微生物活性抑制效应受抗生素种类影响，从而造成厌氧发酵的失败。因此，为提高畜禽养殖废水的厌氧发酵甲烷产率，需重点解决废水中抗生素的抑制作用。

3 建议

3.1 合理控制工艺参数，加入合适的添加剂提高甲烷产率

在采用厌氧发酵技术处理畜禽养殖废水时，考虑成本和实际操作问题可选择中温发酵，且宜通过添加富含碳源的农业废弃物将发酵碳氮比控制在(20～30)︰1，但应避免选用难水解的高木质纤维素废弃物。同时，应通过相关预处理技术，或在发酵体系中添加多孔性吸附剂将废水中的氨氮控制在500 mg/L以下，并将厌氧发酵的水力停留时间控制为20～30 d，总固体浓度宜控制在5%～10%，宜采用抗生素驯化污泥，且选择铁盐等合理的添加剂减少抑制物的影响并提高发酵效率，条件允许时还可进行分相厌氧发酵。此外，畜禽养殖废水中富含大量有机物，经厌氧发酵后可使之达到排放标准，且可生成甲烷等清洁能源。

3.2 加强微生物作用机制研究，利用其调控厌氧发酵产沼气量

我国对厌氧发酵技术的宏观影响因素虽已做了大量研究，但因发酵过程中微生物种类繁多，现有研究尚不能揭示微生物菌落间的相互作用机制，尤其是难以通过工艺参数的控制稳定消除厌氧发酵过程中的拮抗抑制效应。因此，为提高我国畜禽养殖废水厌氧发酵产沼气量，未来应重点深入研究各宏观影响因素对厌氧发酵过程中微生物的影响机制，从微生物层面加强对工艺运行参数的调控作用。