畜禽粪便厌氧发酵技术研究

张馨月 丁伟 矫云学 张蕾蕾

摘要：近年来，我国畜牧业和养殖业飞速发展，给我国农业部发展带了极大的经济效益。然而，与此同时，大量畜禽粪便及农业废弃物也造成了环境污染问题，这与我国可持续发展的理念背道而驰。对此，我国相关部门一直在研究其解决办法。其中，畜禽粪便厌氧发酵技术因其在技术和经济上的优势，逐渐被广泛应用。

关键词：畜禽粪便;厌氧发酵

我国从古至今都是农业大国，农业生产在相当长的一段时间内都占据国民生产的重要地位。随着时代进步和科技水平的提高，我国的畜禽养殖业已形成相当大的规模，这在一方面满足了人们对于肉蛋奶类制品的需求，而在另一方面，其带来的大量环境污染物问题也十分严重。在相关部门的重视和不断探索中，畜禽粪便厌氧发酵技术被广泛应用，不仅改善了环境问题，更实现了废物利用，带来了可观经济效益，是今后处置农业废弃物和畜禽粪便的发展方向。

1  厌氧发酵意义

随着我国国民经济的不断发展，人们生活水平也在日益提高。居民对日常饮食中对肉蛋奶类制品的需求不断扩大。这对中国畜牧养殖业提出了更大的要求，促使畜牧业和养殖业朝着规模化的方向不断发展。其中发展最快的是猪，牛，羊的养殖业，全国大中型养殖场的数量已经扩大到4万多家。畜禽养殖业不仅带来了巨大的经济效益和社会效益，其产生的大量粪便和污水也造成了严重的水体污染，大气污染和土壤污染，对我国的环境造成了极大的危害。在这种情况下，我国开始探究各种治理手段。其中，厌氧发酵技术因其在经济和技术上的优势脱颖而出，其产甲烷率的能量产投比可达到28.8MJ/MJ。我国在不断的探究中已经认识到，畜禽粪便中含有的大量氮磷元素和有机物，虽然污染环境，但若经过科学的处理，也是一种极好的资源。厌氧发酵技术处理过后的畜禽粪便产生沼气，沼液和沼渣。经研究发现，不同畜禽粪便产气量有所不同，在温度55℃时，产气量为牛粪>猪粪>鸡粪，沼气可以制天然气和发电;沼液可以灌溉农田;沼渣可以生产农业用肥。厌氧发酵技术既能生产新能源，为农户提供肥料，又能治理环境，减轻污染，综合效益十分可观。国家也认识到了这一点，并在“十三个五年计划”中明确提出建立规模化的大型沼气工程和生物天然气工程[1]。

2  厌氧发酵工艺的比较

无论何种规模的厌氧发酵工艺，都是由收集原料，对原料采取预处理，建造调节池与消化池，出料后分离固体和液体，气体的水气分离和发酵物的脱硫和储存构成的。基本工艺流程并不复杂。首先，收集各类农业废弃物，如畜禽粪便，废弃秸秆和餐厨垃圾。混合原料与废水后进行第一步的处理，然后将其倾倒入调节池。调节池能够调节原料的温度和含固率，使原料在接下来的发酵时能够产生足够的沼气。沼气在经过水气分离和脱硫处理后需要合理的储存，其成分主要为15%～60%二氧化碳及40%～75%的甲烷，可在之后继续利用。而发酵过程中产生的沼液有一部分将回到消化池用来接种。其与的继续固液分离。分离出来的沼渣是极好的有机肥，可直接应用在农田里。剩余的沼液能够直接灌溉农田，真正做到废物利用[2]。

根据发酵底物中总固体物含量的不同，厌氧发酵可分为湿法，干法和半干法三种工艺。欧美国家中，一些沼气利用技术成熟的国家一般采用湿法发酵工艺。应用率达到了90%以上。湿法发酵工艺中，固体物含量较少，发酵罐中含水率高，物料可在发酵罐中自由流动。如果没有在进料前进行一定的预处理，去掉其中含有的碎玻璃，石砖纤维或塑料等异物，就会造成表面集结大量的漂浮物，严重影响发酵效果。因此湿法厌氧发酵技术对预处理工艺的要求极高。然而，湿法发酵在处理过程中，因其对进料的含固率要求低于10%，而畜禽粪便的含固率一般都高于20%，所以需要加入大量水来稀释进料，降低含固率。这会产生大量沼液，使得其需要大量耕地来消化这些沼液。若果在发酵过程中出现技术失误，将会造成再次污染。而伴随我国养殖规模的扩大，沼液消化问题已经阻碍了湿法发酵工艺的应用。与此同时，厌氧湿发酵技术还存在着运行费用高，反应器占地广和后续处理麻烦的问题[3]。

而干法发酵则不同。其对进料含固率要求不高，物料在反应罐中处于干泥状态，不需严格预处理，能通过60mm的筛子即可。干法发酵够的残渣能达到含固率在40%左右，可以直接干化或进行稳定化处理。在发酵过程中产生的沼液量很少，需处理量也不多。极大降低能耗。与湿法发酵工艺相比，干法与半干法发酵技术在产气率和有机物去除率上优势也极为突出。在同等条件下对比湿法厌氧发酵和半干法厌氧发酵技术，利用半干法发酵工艺牛粪的有机物去除率和产气率均高于湿法工艺。经研究，在固态厌氧干法发酵下，牛粪、猪粪、鸡粪的TS产气率分别为0.365、0.328、0.231m3，沼气中甲烷的平均含量为牛粪>猪粪>鸡粪。半干法中温厌氧发酵技术中，较优的进料为14%的TS和25天的HRT，若随意增加负荷将影响产气率。但干法工艺也有其局限性。因物料含固率高，流动性差，进入发酵罐过程困难，且难以搅拌，对反应器启动要求也十分高，也在一定程度上阻碍了干法与半干法厌氧发酵技术的推广。

我国和世界上大多数国家一样，广泛应用的是湿法厌氧发酵工艺。湿法工藝具有产能高，处理简单等优势。但也有其局限性。例如能耗大，处理复杂且耗时长，需水量大，运行不稳定等一系列问题。这对于我国农业相关部门及专业人士提出了更高的要求，即如何促进干法与半干法的技术成熟。使其更好的为农业生产服务，加快推进可持续发展进程。

3  影响厌氧发酵的因素

厌氧发酵效果取决于多方面的因素。首先就是温度。温度最大程度的决定厌氧发酵的速率。产甲烷菌和水解酸化菌直接决定发酵速度。一般说来，水解酸化菌群对温度要求不高，低温或高温均不影响其工作。而产甲烷菌对温度十分敏感。只有3个适宜其生长的温度范围。分别为低温（10～25℃），发酵工艺为低温厌氧发酵;中温（30～40℃），发酵工艺为中温厌氧发酵;高温（50～60℃），发酵工艺为高温厌氧发酵。其中，猪粪、牛粪的最优消化温度分别为36℃和34℃，二者均适用于中温厌氧发酵技术。其中低温厌氧发酵因其发酵效率低，实际运用极少。在我国常见的是中温厌氧发酵和高温厌氧发酵。其中，高温厌氧发酵速率最高。水解酸化菌群占主导地位，对于有机物的溶解，酸化和水解起积极作用，甚至可以很好的分解一些很难溶解的纤维物质。并且，高温加大酶的活性，加快产气速度，缩短发酵时间。高温还可以杀灭大部分病毒和细菌，尤其是寄生虫，其灭杀率可达到99%。然而，高温发酵也有局限之处。如耗能高，设备复杂等。中温厌氧发酵中产气率最大。经研究表明，畜禽粪便在中温35%时，发酵反应产出的沼气甲烷浓度更高且沼气产量更大。在实际生产中，应根据实际情况合理选用合适的发酵工艺，使得效率和投入成比例，更好的促进农业废弃物的二次利用[4]。

其次是水力停留时间，即HRT。若HRT过短，会使得废水无法彻底得到处理;若过长，会使得微生物活性下降，降低产气率。

厌氧发酵时一门复杂的技术，影响其发酵效果的因素有很多，不仅仅是温度和水力，搅拌，抑制物，pH值，碳氢比，有机负荷，总固体浓度和添加剂等，都会对发酵效果产生重要的影响。以pH值为例，研究发现，当pH值在5.5～8.5范围内时，酸化细菌生长良好;当pH值为6.8～7.4时，最适宜产甲烷菌发酵;当pH值小于5.5时，产甲烷菌将无法生存。因此，我国需根据实际情况合理选择厌氧发酵技术手段，并注意影响其效果的种种因素，使其在应用中最大限度发挥其应有的作用。我国也需不断研究新的科学技术手段，可借鉴学习国外优秀经验，以此来完善自身，使得我国畜牧业朝着良性发展，推进农业可持续发展的进程，实现经济发展与环境保护和谐并存。

4  结语

畜牧业和养殖业的发展，在带来巨大经济效益的同时，也造成了严重的污染问题。集中表现为严重的大气污染，土壤污染和水体污染，对可持续发展造成极大的负面影响。而厌氧发酵技术不仅解决了农业废弃物污染环境的问题，更使得其资源得到再次利用，更好实践国家节能减排的要求。国家应不断借鉴国外优秀经验，根据我国实际情况，完善厌氧发酵工艺，促进我国农业全面健康的实现可持续发展。

参考文献

[1] 王灿，付天岭，岑如香，等.畜禽粪便重金属堆肥、发酵和热解技术研究进展[J].黑龙江畜牧兽医，2021（1）：39-45，162.

[2] 陈润璐，李再兴，冯晶，等.农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展[J].河北科技大学学报，2020，41（4）：365-373.

[3] 伍高燕.畜禽粪便厌氧发酵的影响因素分析[J].安徽农业科学，2020，48（2）：221-224.

[4] 张河民.畜禽粪污厌氧消化研究进展[J].广东化工，2019，46（19）：117-118.