沼氣干發(fā)酵技術(shù)在畜禽糞便處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

李 丹 谷 巍

（山東寶來利來生物工程股份有限公司 山東泰安 271000）

1 畜禽糞便處理現(xiàn)有技術(shù)及存在問題

我國畜禽養(yǎng)殖集約化、規(guī)模化程度越來越高，大大提高了畜禽產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，但大量未經(jīng)處理的畜禽糞便的任意排放造成了環(huán)境的污染，危害著人們的身體健康。對畜禽糞便進(jìn)行適當(dāng)處理，不僅可以控制其對環(huán)境的污染，還可以變廢為寶，節(jié)約有機資源。目前，畜禽糞便處理的技術(shù)有物理、化學(xué)、生物處理技術(shù)。

物理處理技術(shù)主要是利用燃料、太陽能、風(fēng)能對糞便進(jìn)行干燥、蒸發(fā)、濃縮處理。物理處理技術(shù)能耗高，養(yǎng)分損失大，肥效偏低，而且只是對糞便的前期處理，仍需進(jìn)一步凈化。化學(xué)處理技術(shù)主要指在畜禽糞便中加入一些化學(xué)試劑達(dá)到殺菌消毒的效果，例如福爾馬林、氫氧化鈉、丙酸、醋酸等。化學(xué)方法對除臭、消毒有明顯效果，但一次性投資大、處理成本高，難以取得良好的經(jīng)濟效益。生物處理技術(shù)主要有好氧發(fā)酵和厭氧發(fā)酵，好氧發(fā)酵技術(shù)需要場地較大，堆肥周期長，并且在堆肥過程中有大量的NH3揮發(fā)，造成了環(huán)境污染。根據(jù)底物干物質(zhì)含量的不同，厭氧發(fā)酵技術(shù)可分為濕法和干法兩種[1]。目前國內(nèi)普遍采用的畜禽糞便濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)，需要將畜禽糞便稀釋到8%左右的濃度，消耗大量的清潔水，發(fā)酵后的產(chǎn)物濃度低，脫水處理相當(dāng)困難，以至發(fā)酵產(chǎn)物難以有效利用。干發(fā)酵又稱高固體厭氧消化,是指總固體含量大約在20%或更高的情況下進(jìn)行發(fā)酵的一種相對較新的技術(shù)，此技術(shù)反應(yīng)器單位體積的需水量低，產(chǎn)氣量高[2]。干發(fā)酵工藝由于其發(fā)酵原料的干物質(zhì)濃度高而導(dǎo)致進(jìn)出料難、傳熱傳質(zhì)不均勻、酸中毒等問題[3],這是干發(fā)酵的技術(shù)難點，對此國內(nèi)外都進(jìn)行了深入的研究。

2 干發(fā)酵技術(shù)概況

2.1 干發(fā)酵技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國20世紀(jì)70年代，采用一次性進(jìn)出料開始了戶用沼氣池以秸稈為主要發(fā)酵原料的干法發(fā)酵技術(shù)，80年代取得了一些可喜的成果。吳強[4]在農(nóng)村推廣干濕一體沼氣池，由于這種類型的沼氣池提高了產(chǎn)氣率，降低了建池成本，取得了較好的推廣效果。孫國朝[5]對圓柱形活動密封沼氣池、圓柱形泥塑料頂罩式沼氣池進(jìn)行了干法厭氧發(fā)酵生產(chǎn)性試驗研究，最終認(rèn)為該工藝具有池型簡單等優(yōu)點，便于農(nóng)村推廣。葉森[6]成功研制了自動排料裝置，由農(nóng)業(yè)部能源環(huán)保局鑒定認(rèn)為該裝置具有先進(jìn)性和實用性，在國內(nèi)有一定的推廣價值。

在21世紀(jì)初我國開始了對干法發(fā)酵沼氣工程技術(shù)的研發(fā)。甘如海[7]對畜禽糞便厭氧干發(fā)酵處理攪拌反應(yīng)器進(jìn)行了研究，研制出臥式螺帶攪拌發(fā)酵罐，并且通過發(fā)酵模式試驗得出了操作參數(shù)對發(fā)酵產(chǎn)氣過程的影響情況，確定了最優(yōu)操作參數(shù)。晏水平[8]對大中型集約化養(yǎng)殖場畜禽糞便高溫厭氧干發(fā)酵處理工程中的罐體加熱保溫裝置進(jìn)行了研究，其具體研究內(nèi)容是罐體加熱保溫裝置的選型和操作參數(shù)設(shè)計，為大型沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)的工程化提供了一定的基礎(chǔ)理論。

2.1.2 國外研究現(xiàn)狀 國外對于沼氣干法發(fā)酵技術(shù)的工程化研究起步較早，從20世紀(jì)40年代起，德國、法國和阿爾及利亞就開始運用批量式干法厭氧發(fā)酵技術(shù)。20世紀(jì)80年代，德國、荷蘭、瑞士、布基納法索、尼日爾等國家對干法厭氧發(fā)酵進(jìn)行了深入的研究。目前，國外的干發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)成熟，工程化沼氣干法發(fā)酵技術(shù)有車庫型[9]、氣袋型[10]、干濕聯(lián)合型[11]、滲濾液儲存桶型[12]、儲罐型[13]等多種技術(shù)類型,已經(jīng)投入生產(chǎn)使用,可以進(jìn)行規(guī)?；恼託馍a(chǎn)。

2.2 干發(fā)酵技術(shù)工藝條件

2.2.1 碳氮比 發(fā)酵原料的C/N,是指原料中有機碳素和氮素含量的比例關(guān)系。一般厭氧發(fā)酵中需要適宜的碳氮比，Walter[4]指出當(dāng)N的含量很高時，高濃度的氨態(tài)氮抑制了厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷，在發(fā)酵過程中當(dāng)氨增加到2000mg/L以上時，甲烷產(chǎn)量降低。C/N比值較低時，生物在轉(zhuǎn)化有機氮素時，有一部分氮素合成菌體維持生長，多余的氮素則會被分解成無機氮素而放出氨，這樣就增加了發(fā)酵液的堿度，對防止發(fā)酵啟動過程中酸化現(xiàn)象的產(chǎn)生有一定作用。 一般的厭氧發(fā)酵所需的碳氮比為25～30[14]。所以為了保證合適的C/N比,需要對發(fā)酵過程中的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。

2.2.2 原料預(yù)處理 原料預(yù)處理包括物理預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和生物預(yù)處理。物理預(yù)處理是指對作為發(fā)酵原料的畜禽糞便去除其收集過程中帶入的不易降解或不能降解的雜質(zhì)，如塑料、石塊等，對秸稈和稻草等發(fā)酵底物進(jìn)行切碎、研磨等處理。Palmowski L M[15]研究了有機廢棄物厭氧消化時，廢棄物顆粒大小對產(chǎn)氣效果的影響，對于纖維素含量高的固體廢物，粉碎能顯著提高沼氣產(chǎn)量和有機物的降解率以及縮短消化時間，減小了消化體積。化學(xué)預(yù)處理包括酸堿浸泡、熱處理等。Zhang Ruihong[16]在進(jìn)行稻草固體厭氧消化的研究中，對稻草分別進(jìn)行60℃、90℃、110℃的熱處理，結(jié)果是預(yù)處理的溫度越高，甲烷生成量越多。生物預(yù)處理主要指發(fā)酵原料的好氧堆漚，使易于分解產(chǎn)酸的有機物在好氧條件下大部分分解掉，有利于控制發(fā)酵原料的酸堿度，使原料獲得一定的抗酸化能力，防止干發(fā)酵過程中易出現(xiàn)的酸化問題。研究表明，堆漚5d的畜禽糞便經(jīng)接種后其pH值達(dá)到7時，發(fā)酵就不會出現(xiàn)酸化現(xiàn)象[17]。

2.2.3 干物質(zhì)濃度 干物質(zhì)濃度指發(fā)酵原料的總固體含量，決定于有機物和水分的含量。有機物是厭氧發(fā)酵過程的主體，水分是微生物活動不可缺少的重要因素。干物質(zhì)濃度過高時，水分含量過低，使氨態(tài)氮和揮發(fā)酸的積累，抑制產(chǎn)甲烷菌的生長和新陳代謝，從而導(dǎo)致干發(fā)酵過程的終止。反之，原料濃度過低，會造成細(xì)菌營養(yǎng)不足，發(fā)酵產(chǎn)氣不旺，不能充分利用發(fā)酵罐容積，發(fā)酵效率低。劉曉風(fēng)[18]在城市有機垃圾干法厭氧發(fā)酵研究中進(jìn)行了干物質(zhì)濃度分別為20%、30%、40%、50%的單因素實驗，認(rèn)為產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣率隨著干物質(zhì)濃度的升高而降低。曲靜霞[19]在農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵技術(shù)的研究中進(jìn)料時發(fā)酵物料采用了20%的干物質(zhì)濃度，產(chǎn)氣效果良好。

2.2.4 接種物 接種物就是在厭氧發(fā)酵過程中形成的污泥，又稱“厭氧活性污泥”?；钚晕勰嘀械挠行С煞质腔畹奈⑸锶后w，不同來源的活性污泥其活性差別很大。當(dāng)發(fā)酵啟動時必須把大量活性污泥加入發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行接種，這是厭氧發(fā)酵啟動階段成敗的關(guān)鍵。根據(jù)對于溫度的適應(yīng)性，產(chǎn)甲烷菌分為常溫性、中溫性和高溫性的三種類型，它們有各自的適宜溫度，而且對溫度相當(dāng)敏感。在進(jìn)行接種時，應(yīng)對不同類型加以嚴(yán)格區(qū)分。為了使接種物類群能適應(yīng)新的生態(tài)環(huán)境，必須對接種物進(jìn)行馴化接種物最好引自同種污泥，以保持其生態(tài)環(huán)境的一致性[20]。接種物的質(zhì)量和數(shù)量是沼氣干發(fā)酵順利開始的重要保障。孫國朝[5]等指出接種量在20%～30%為宜。張愛軍[21]等人指出有機固體廢物固態(tài)厭氧發(fā)酵時，加入接種物達(dá)到30%以上為好，這樣可以提高產(chǎn)氣速率和早期沼氣中甲烷的含量。Kottener[22]指出接種物與原料的配比非常重要，因為發(fā)酵底物水分含量很少，比較好的接種量為50%。Linke[23]在用牛糞為發(fā)酵原料的干法厭氧發(fā)酵實驗中,接種量為50%產(chǎn)氣效果良好。

2.2.5 發(fā)酵溫度 厭氧發(fā)酵分為高溫、中溫和常溫發(fā)酵三大類型。采用哪種類型溫度進(jìn)行發(fā)酵，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵原料的性質(zhì)、來源、數(shù)量、處理有機物的目的、要求、用途和經(jīng)濟效益綜合確定。溫度的急劇變化不利于厭氧消化的順利進(jìn)行，尤其是高溫消化。據(jù)研究得出，短時間內(nèi)溫度升降5℃，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至?xí)Ｖ巩a(chǎn)氣。因此在設(shè)計消化罐時常采取一定的控溫措施，盡可能使發(fā)酵罐在恒溫下運行，溫度變化幅度不超過1～2℃/d[24]。我國農(nóng)村中的沼氣發(fā)酵一般沒有增溫設(shè)施，發(fā)酵裝置建在地下，發(fā)酵料液溫度隨季節(jié)的變化受氣溫、地溫的直接影響波動較大，屬于常溫發(fā)酵。中溫發(fā)酵，溫度在40℃以下時，產(chǎn)氣隨溫度的上升而增加，35℃為最佳的凈產(chǎn)能溫度，40～45℃對中溫或高溫發(fā)酵來說均屬于效率較低的范圍。與常溫發(fā)酵相比，中溫發(fā)酵具有原料分解快，產(chǎn)氣率高、氣質(zhì)好等特點。高溫發(fā)酵，在50～65℃范圍內(nèi)，厭氧發(fā)酵的產(chǎn)量隨溫度的升高而升高，實用溫度多控制在52～55℃。高溫發(fā)酵時有機物分解旺盛，發(fā)酵快，物料在發(fā)酵罐內(nèi)停留時間短，非常適于城市生活垃圾和畜禽糞便的處理，可達(dá)到殺死蟲卵和病原菌的目的。

2.2.6 pH值 厭氧發(fā)酵的適合pH值為6.8～7.4，6.4 以下或7.6 以上都對產(chǎn)氣有抑制作用，pH值在5.5以下，產(chǎn)甲烷菌的活動則完全受到抑制[25]。在正常情況下發(fā)酵的pH值是自然平衡過程，一般不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，只有在配料管理不當(dāng)?shù)那闆r下才會出現(xiàn)揮發(fā)酸大量積累，pH值下降。若在啟動過程中，原料濃度較高時常有酸中毒現(xiàn)象發(fā)生，即水解發(fā)酵階段與產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速度超過產(chǎn)甲烷階段，導(dǎo)致pH值降低。此時需要采取措施進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之恢復(fù)正常。常用的調(diào)節(jié)方法有稀釋發(fā)酵液中的揮發(fā)酸提高pH值，加適量氨水或用石灰水調(diào)節(jié)pH值。如果pH值過度降低，一般在6.0以下，則應(yīng)大量投入接種物或重新進(jìn)行啟動。

2.2.7 攪拌 干法厭氧發(fā)酵過程中攪拌的作用就在于保證物料層內(nèi)氣液固三相較為均勻，不存在明顯的濃度梯度，保證較好的傳熱傳質(zhì)效果，提高生物反應(yīng)速率，從而提高產(chǎn)氣效果。目前，常用的攪拌方法有液流攪拌和機械攪拌。液流攪拌是從外部將發(fā)酵液從反應(yīng)器底部抽出，再從反應(yīng)器頂部噴回，采用附加水源的形式進(jìn)行滲濾循環(huán)噴淋，通過液流的滲濾達(dá)到攪拌的效果。如車庫型干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)[26]、滲濾液儲存桶型[12]都是采用的這種攪拌方法，此方法設(shè)備簡單、維修方便。機械攪拌是指在反應(yīng)器內(nèi)安裝葉輪等攪拌設(shè)備進(jìn)行的攪拌，但攪拌軸與罐壁之間的密封問題使得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時固體原料作用于攪拌器上的阻力較大，需要輸入的功率較大。

2.3 產(chǎn)氣和造肥效果

2.3.1 產(chǎn)氣效果 干法厭氧發(fā)酵的一個重要目的就是獲得清潔能源沼氣，產(chǎn)氣率是衡量干法厭氧發(fā)酵效果的重要指標(biāo)。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，沼氣干發(fā)酵產(chǎn)氣效果良好。幽景元[27]在進(jìn)行干法厭氧發(fā)酵的研究中結(jié)果表明，在反應(yīng)溫度為54℃，總固體含量25%，C/N比20，接種量為30%，甲烷產(chǎn)率為170L/kgTS。曲靜霞[1]的研究結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)酵溫度為35±1℃，原料滯留期為60d時，發(fā)酵周期內(nèi)的平均池容產(chǎn)期率為2L/(L.d)，甲烷含量達(dá)65%以上。Linke[23]用牛糞和50%的接種物進(jìn)行中溫(35℃)干法厭氧發(fā)酵試驗中，在干法厭氧發(fā)酵開始后的2～7d后產(chǎn)氣趨于穩(wěn)定，沼氣甲烷含量保持在60%～65%之間，產(chǎn)

氣高峰在10～28d內(nèi)。

2.3.2 造肥效果 營養(yǎng)成分如全氮、速效氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀等指標(biāo)以及衛(wèi)生指標(biāo)是評價干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的有機肥肥效的重要依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者對沼氣干發(fā)酵過程的營養(yǎng)物質(zhì)損失情況進(jìn)行了研究,結(jié)果表明沼氣干發(fā)酵過程營養(yǎng)成分損失少。孫國朝[5]等的研究指出,沼氣干發(fā)酵的全氮損失率1.2%～2.5%。王天光[28]在干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣和造肥效果研究中指出干法厭氧發(fā)酵的全氮保存率為91.7%。何麗紅[29]在畜禽糞高溫干法厭氧發(fā)酵關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化研究中，確定了在發(fā)酵溫度為55℃，C/N比為12.5，全氮損失率最小，為1.1804%。國外學(xué)者對沼氣干發(fā)酵沼渣的衛(wèi)生情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明沼氣干發(fā)酵的殺卵滅菌效果好。Ten Brummeler[30]的實驗結(jié)果表明，在經(jīng)過21d的發(fā)酵后，沼氣干發(fā)酵對腸細(xì)菌、沙門氏菌、假單細(xì)胞菌、鐮刀菌的去除率都大于99.99%。唐澄宇[31]用干法厭氧發(fā)酵沼氣池處理城市生活有機垃圾，經(jīng)發(fā)酵40d以上，沼氣池內(nèi)各層鉤蟲卵全部死亡；發(fā)酵達(dá)4個月時，沼氣池內(nèi)上層蛔蟲卵死亡率為85%，中層為95%，下層為100%，同時，細(xì)菌總數(shù)比發(fā)酵前下降98%以上，大腸菌群完全轉(zhuǎn)陰。

3 展望

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化以及畜禽養(yǎng)殖的集約化發(fā)展，對沼氣集中供氣及養(yǎng)殖場沼氣工程的需求將不斷加大。沼氣干發(fā)酵技術(shù)，能夠保證畜禽糞便干物質(zhì)濃度較高的情況下正常發(fā)酵，產(chǎn)生清潔能源和優(yōu)質(zhì)有機肥，基本上達(dá)到零排放，符合我國廣大農(nóng)村地區(qū)對優(yōu)良環(huán)境、清潔能源和優(yōu)質(zhì)有機肥的需求。目前我國已經(jīng)開展了戶用沼氣干發(fā)酵技術(shù)示范，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化以及養(yǎng)殖的集約化發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢棄物規(guī)?；煞▍捬醢l(fā)酵將成為我國農(nóng)業(yè)廢棄物處理與資源化利用的新選擇。

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