厭氧發(fā)酵技術在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的利用

李晨艷，喬 瑋，邵 蕾，孔凡克，羅 星，董仁杰*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院(生物質(zhì)工程中心)，北京 100083；2.國家能源生物燃氣高效制備及綜合利用技術研發(fā)（實驗）中心（中國農(nóng)大），北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

厭氧發(fā)酵技術在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的利用

李晨艷1，2，喬 瑋1，2，邵 蕾3，孔凡克3，羅 星3，董仁杰1，2*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院(生物質(zhì)工程中心)，北京 100083；2.國家能源生物燃氣高效制備及綜合利用技術研發(fā)（實驗）中心（中國農(nóng)大），北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

畜禽養(yǎng)殖的集約化發(fā)展在給人們提供豐富的畜禽產(chǎn)品的同時，由于畜禽動物的集中飼養(yǎng)，糞尿大量排放，給環(huán)境帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，厭氧發(fā)酵技術是處理此廢棄物且符合可持續(xù)發(fā)展的有效技術之一。文內(nèi)介紹了兩種養(yǎng)殖糞水厭氧發(fā)酵的反應器，并分析了每種反應器的工藝要求和適用范圍，為規(guī)?；B(yǎng)殖場選擇不同的糞水厭氧發(fā)酵反應器提供了選擇。

厭氧發(fā)酵；畜禽糞水；資源化利用

近年來，隨著畜禽產(chǎn)品消費量以年10%的速率上升，規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值比重約為1/3，但是規(guī)?；曫B(yǎng)也造成了糞尿和畜禽沖洗水集中大量產(chǎn)生[1]?！兜谝淮稳珖廴驹雌詹楣珗蟆凤@示，畜禽養(yǎng)殖污染是主要的農(nóng)業(yè)污染源；據(jù)孫振鈞等估計，到2020年我國畜禽糞便年產(chǎn)生量將超過41億噸；糞水中氮磷含量偏高，2007年全國畜禽糞便中氮磷的含量分別相當于同年化肥使用量的0.5倍和0.91倍[2]。厭氧發(fā)酵技術因其在降解有機物的同時可回收能源，被公認是合乎環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求、最有前景的發(fā)展技術之一[3]。畜禽糞便經(jīng)過固液分離的液相部分，以及水沖糞等用水量大的工藝產(chǎn)生的含固體量較低的固液混合物通常認為是糞水。畜禽有機物大量的存在于固相，需要較長的時間進行厭氧分解，液相中只存在少量溶解性有機物，發(fā)酵時間較短。目前根據(jù)畜禽養(yǎng)殖廢水的特點，厭氧發(fā)酵目標分為兩種，一種是追求高的沼氣產(chǎn)量，同時實現(xiàn)對環(huán)境的零污染，另一種是不以沼氣產(chǎn)量為目標，僅追求對環(huán)境的保護作用。

1 全混式厭氧反應器

1.1 技術原理

全混式厭氧反應器是20世紀50年代發(fā)展起來，設置有攪拌和加熱保溫裝置，可以連續(xù)進出料的反應器，反應器內(nèi)部在連續(xù)攪拌時物料處于接近完全混合的狀態(tài)，厭氧微生物和基質(zhì)有良好的接觸。全混式反應器通常需要物料較長的停留時間，反應器體積較大，單體反應器容積常在1 000～4 000 m3左右，負荷較低，優(yōu)點是進料對系統(tǒng)沖擊較小，運行穩(wěn)定，便于管理，廣泛地應用在畜禽養(yǎng)殖糞便的厭氧處理中[4,5,6]。全混式厭氧反應器可以處理含有高懸浮固體的養(yǎng)殖廢水，不適合處理有機物濃度過低的原料。

1.2 工藝要求

全混式厭氧反應器通常需要物料較長的停留時間以降解固形物，一般停留時間長于30 d，需根據(jù)具體的原料特性和工程總體設計確定，且為保障一定的經(jīng)濟性和運行的穩(wěn)定性，全混式工藝處理廢水多采用中溫發(fā)酵，進入全混式厭氧反應器的糞水總固體濃度不宜過低。全混式厭氧反應器常用的機械攪拌有垂直攪拌、側(cè)攪拌和內(nèi)部斜攪拌等形式，應根據(jù)工程需要選擇適宜的攪拌形式。在實際工程中，全混式工藝可根據(jù)需要有多級工藝組合的形式，如“一級發(fā)酵+二級發(fā)酵”和“高溫發(fā)酵+中溫發(fā)酵”等組合工藝，對于全混式發(fā)酵工藝的出料，因其仍具有一定的產(chǎn)氣能力，應考慮建設匹配的密閉出料儲存設施以避免釋放大量的溫室氣體、氨氣和臭味氣體等。

1.3 適用范圍

全混式發(fā)酵工藝適合處理未經(jīng)固液分離的養(yǎng)殖場糞水或糞便，進料的總固體濃度宜保持在5%以上。

2 厭氧折板厭氧反應器

2.1 技術原理

圖1 全混式反應器的示意圖

圖2 全混式反應器的內(nèi)部攪拌

圖3 山東某公司沼氣工程采用全混式發(fā)酵反應器

圖4 ABR反應器的示意圖

圖5 豬糞（左）和牛糞（右）液相的快速發(fā)酵產(chǎn)氣示意

折板反應器（ABR）是20世紀80年代發(fā)展起來的，一種介于全混式與推流式之間的一種厭氧反應器。反應器在垂直于水流方向上設置多個豎向擋板，將反應器分割成串聯(lián)的上流室和下流室，廢水進入反應器后沿導流板上下折流前進，借助導流板的阻擋和污泥自身的沉降，大量的污泥被截留在反應器中，抗負荷沖擊能力較強。ABR反應器在構造上近似于多個UASB反應器的串聯(lián)，在工藝特性上接近于推流式反應工藝。ABR反應器對進水的懸浮固體濃度沒有嚴格要求，可處理中、低濃度的畜禽養(yǎng)殖廢水。

ABR往往建于地下，不需要精確的進水系統(tǒng)、不需要攪拌和三相分離器，結(jié)構簡單，投資較少[4-8]。

2.2 工藝要求

ABR反應器隔室數(shù)量通常為3～8個，處理低濃度廢水時3～4個，處理高濃度廢水時6～8個，折流板的折角一般應取45～60°；溫度是影響ABR反應器的重要環(huán)境參數(shù)，溫度在25 ℃以上沒有顯著影響，但是當溫度降低到15 ℃以下時反應器性能顯著下降。ABR反應器存在一定的死區(qū)體積，在實際運行中應控制較好的流態(tài)，適宜的水力停留時間和產(chǎn)氣是保障反應器良好流態(tài)的重要因素；ABR反應器因為具有推流的特征，所以可以有適宜的回流以減少進水對前端隔室的沖擊和防止前端隔室的過度酸化。ABR反應器一般作為畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的一個單元，后續(xù)應匹配好氧生物處理工藝以繼續(xù)降解COD和氨氮。

3 糞水快速厭氧消化

3.1 技術原理

糞水經(jīng)過了固液分離之后，大量的有機物被轉(zhuǎn)移至固相。滯留在液相是極容易降解又可以被快速降解的可溶性有機物。通常對這部分經(jīng)過固液分離的液相進行快速厭氧消化，然后進入密閉穩(wěn)定塘長期貯存。圖5給出的是豬糞和牛糞中液相有機物的快速降解特性，在10 d以內(nèi)的時間里即可完成發(fā)酵產(chǎn)氣，可以回收超過50%的總沼氣量，大幅度縮短了滯留期，處理設施可以小型化。

為降低造價，快速厭氧消化設施通常采用與沼液密閉穩(wěn)定塘相似的結(jié)構，采用推流式厭氧消化工藝。推流式厭氧反應器也稱為塞流式反應器，是一種長方形的非完全混合式反應器。原料從反應器的一端進入，從另一端排出，在流動的過程中完成發(fā)酵產(chǎn)氣。推流式反應器結(jié)構較簡單，可建成半地上，池頂用水泥蓋板封閉或用覆膜的形式。反應器內(nèi)通常不設置機械攪拌，可以將沼氣循環(huán)通入在局部攪拌料液，在流動方向上不混合。在推流式反應器的進料端呈現(xiàn)較強的水解酸化作用，在后端以產(chǎn)甲烷作用為主，是一種多階段的發(fā)酵工藝[9]。

3.2 工藝要求

快速厭氧發(fā)酵處理的對象是含有較低懸浮固體的廢水，畜禽養(yǎng)殖的糞便經(jīng)過固液分離后可以作為處理對象；根據(jù)工程建設地的氣溫，快速厭氧發(fā)酵單元可以不加保溫，適用于南方溫暖氣候的地區(qū)；如有保溫措施（例如太陽能溫棚）和增溫措施（例如原料預增溫），也可以適用于中部和華北等地區(qū)；反應器應充分考慮沼氣的收集，在內(nèi)部的設計應使糞水與微生物良好的接觸，避免短流；設計良好的排渣系統(tǒng)良好的料液流態(tài)，輔助適宜的氣體攪拌或其他攪拌系統(tǒng)，使反應器內(nèi)有較好的傳質(zhì)效果，避免前端的過度酸化，并克服攪拌不足導致的沉渣。

圖6 推流式反應器的結(jié)構示意

圖7 推流式反應器厭氧發(fā)酵工程（上：柔性覆膜蓋頂，下：混凝土結(jié)構蓋頂）

3.3 技術路線

圖8 糞水快速發(fā)酵與長期儲存工藝流程

4 結(jié)束語

畜禽養(yǎng)殖糞便和廢水的處理已成為制約養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，厭氧消化產(chǎn)沼氣是廢物治理以保護環(huán)境的技術手段。根據(jù)畜禽糞便和廢水的不同特點，可以針對性地采用全混式工藝以最大化的回收能源，也可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)廢水快速發(fā)酵的厭氧折板反應器和推流式反應器，配置發(fā)酵液的長期儲存，降低沼氣工程的成本。

[1] 馬永喜.規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理的技術經(jīng)濟優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學, 2010.

[2] 孫振鈞,袁振宏,張夫道，等。農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)資源戰(zhàn)略研究報告[R].國家中長期科學和技術發(fā)展戰(zhàn)略研究,2004.

[3] 蓋希坤, 張良佺. 禽畜廢水厭氧反應動力學研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2017，44(1)﹕245-251.

[4] 鄧良偉. 沼氣工程[M].北京：科學出版社, 2015.

[5] 王凱軍. 厭氧生物技術.I,理論與應用[M]. 化學工業(yè)出版社, 2015.

[6] Deublein D, Steinhauser A. Biogas from waste and renewable resources ﹕ an introduction[J]. Wiley, 2010, 2011(9)﹕8.

[7] 徐金蘭,王志盈,李賀.厭氧折流板反應器 (ABR) 的工藝特征與處理性能[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2002,34(4)﹕362-365.

[8] 楊麗芳,朱樹文,高紅武,等.ABR厭氧/CASS好氧工藝處理養(yǎng)殖廢水[J].中國給水排水.2007,23(8)﹕62-66.

[9] 李榮平, 李秀金, SHULIN CHEN. 用于牛糞液厭氧消化的推流式和完全混合式反應器性能研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2007,23(9)﹕186-190.

2017-04-21）

北京市科技計劃課題（D161100006016003）,“十三五”國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFD0501403）,山東省重點研發(fā)計劃（2016ZDJS11A07）,煙臺市科技發(fā)展計劃（2015ZH070，2016ZH075）

李晨艷（1993-），女，碩士研究生，主要從事厭氧發(fā)酵方面的研究，Email:lichenyan93@163.com

董仁杰，教授，博導，主要從事生物質(zhì)能、有機廢棄物資源化研究。E-mail: rjdong@cau.edu.cn