東北地區(qū)沼氣發(fā)酵技術現(xiàn)狀研究

邢向欣　趙國明　裴海林

摘 要：本文綜合分析了東北地區(qū)沼氣發(fā)酵技術的類型，以及原料種類、原料預處理、環(huán)境溫度、干物質濃度、碳氮比等因素對沼氣發(fā)酵的影響，并討論了東北地區(qū)沼氣發(fā)酵的應用前景。

關鍵詞：東北地區(qū)；沼氣；發(fā)酵技術

中圖分類號：S216.4 中圖分類號：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032034

隨著我國農業(yè)和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，每年會有大量的畜禽糞便、農作物秸稈等農業(yè)有機廢棄物產生[1，2]，目前農業(yè)有機廢棄物資源化利用方式中，沼氣發(fā)酵具有更高的資源利用率[3]。利用沼氣發(fā)酵技術可以將這些廢棄物資源轉變成清潔能源沼氣和優(yōu)質有機肥，對促進農村環(huán)境污染防治、能源消費結構改善、土壤改良、農業(yè)增產增收、食品安全等都具有重要意義，可推動農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經濟建設[3-5]。近年來，東北地區(qū)沼氣發(fā)酵已有諸多研究[6-9]，本文將對沼氣發(fā)酵技術的類型、沼氣發(fā)酵的影響因素及應用前景等進行綜合分析，以期為東北地區(qū)沼氣發(fā)酵規(guī)?；l(fā)展提供科學依據(jù)。

1 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵技術類型

1.1 濕法厭氧發(fā)酵

濕法厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵原料干物質濃度在6%～13%范圍內所進行的厭氧發(fā)酵。主要有完全混合式厭氧發(fā)酵工藝、機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝和臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝。

1.1.1 完全混合式厭氧發(fā)酵工藝

完全混合式厭氧發(fā)酵工藝的反應器多為立式結構，一般原料干物質濃度為8%～10%，進出料方式為下進上出，反應持續(xù)，攪拌方式為中心攪拌和傾斜攪拌。其優(yōu)點是可以使反應器內原料與菌種接觸充分，熱量分布均勻，料液流動通暢，易于氣體排出。其缺點是反應器容積利用率不高，內部攪拌結構使運行能耗增加，出料使部分厭氧微生物流失，有機物去除率低。

完全混合式厭氧發(fā)酵工藝可廣泛應用于酒精廢液及牲畜糞便等工農業(yè)廢水的處理。

1.1.2 機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝

機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝的反應器及攪拌裝置為臥式結構，一般原料干物質濃度為10%～13%，進出料方式為從一端進入，呈活塞式推移狀態(tài)從另一端流出，反應持續(xù)，攪拌器呈垂直分布。其特點是固體原料無需預處理，塞流工藝與機械攪拌結合使混料更充分，運行能量消耗較低，工程設施操作簡單，投資少，單池容積小，便于組合。

機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝可廣泛應用于對畜禽養(yǎng)殖的糞便、機械破碎加工后的秸稈以及各種有機垃圾的處理。

1.1.3 臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝

臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝的反應器一般為臥式的槽體或罐體，其內部平行設有多個帶攪拌葉片的臥式攪拌軸，可以實現(xiàn)均勻布料，防止秸稈物料上浮結殼，物料與菌種結合充分。反應器密封采用槽體上部柔性膜覆蓋并通過液漲式的密封結構，觀察柔性膜形成的氣囊判斷沼氣排空情況。

其特點是操作簡單，安全可靠，環(huán)保系數(shù)高。

臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝適合秸稈和畜禽糞便等的厭氧消化處理。

1.2 干法厭氧發(fā)酵

規(guī)?；煞▍捬醢l(fā)酵是指發(fā)酵原料干物質濃度在20%～50%范圍內所進行的厭氧發(fā)酵，主要有批量式干法厭氧發(fā)酵和連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵2種技術模式。

1.2.1 批量式干法厭氧發(fā)酵

批量式干法厭氧發(fā)酵工藝是將畜禽糞便、農作物秸稈等農業(yè)有機固體廢棄物在保持固體狀態(tài)（TS=20-50%）下，經過“好氧—厭氧—好氧”發(fā)酵，轉化為清潔能源沼氣和優(yōu)質有機肥。該反應器設計成地面車庫形槽體，頂面和前側面能夠完全敞開。發(fā)酵槽敞口處采用柔性膜覆蓋，膜與槽體間采用液漲式密封結構聯(lián)接，底部鋪有地熱管，兩側墻頂部設有軌道。好氧發(fā)酵時，攪拌器通過在軌道上滑行攪拌槽體內物料，厭氧發(fā)酵時不攪拌。其特點是發(fā)酵自耗能低，池容產氣率高，處理固體能力強，成本低；操作方便，工作效率高，密封安全可靠；發(fā)酵室采用模塊化設計，易普及。

批量式干法厭氧發(fā)酵工藝適用于集約化養(yǎng)殖糞便和農作物秸稈的處理，城市垃圾處理環(huán)節(jié)的配套，食品加工廢棄物、發(fā)酵工業(yè)加工廢棄物及廚余垃圾處理等。

1.2.2 連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵

連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵原料在保持固體狀態(tài)（TS為20%～50%）下，直接進入反應器厭氧發(fā)酵，發(fā)酵一經啟動，持續(xù)進行。發(fā)酵原料從反應器的一端進入，在臥式滾筒內邊進行厭氧發(fā)酵反應邊逐漸向出料端移動。其特點是發(fā)酵反應速度快，產氣率高，反應耗能低，安全性好。

連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵工藝適用于規(guī)?；B(yǎng)殖糞便及廚余垃圾的處理，農村集中沼氣供應等。

2 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵影響因素

2.1 沼氣發(fā)酵與原料

東北地區(qū)沼氣發(fā)酵原料主要包括農作物秸稈、禽畜糞便、生活垃圾等，不同的沼氣發(fā)酵原料具有不同的產氣效果[10]。周憲龍等[11]通過對富氮、富碳和常規(guī)對照3種不同發(fā)酵原料組合研究表明：富氮原料和富碳原料所需的點火時間比對照長，富氮原料的產氣速度比富碳原料快，富碳原料的產氣量極顯著的低于對照和富氮原料。劉德江等[12]的研究表明：在相同發(fā)酵濃度、同等溫度的條件下，豬糞、牛糞、羊糞沼氣發(fā)酵產生的氣體中CH4含量為：牛糞>羊糞>豬糞。楊立等[13] 以豬糞為接種物，水稻秸稈、玉米秸稈和棉花秸稈為發(fā)酵原料的研究表明：在37±1℃的條件下，發(fā)酵原料的平均日產氣量、累積產氣量和甲烷含量為：棉花秸稈>玉米秸稈>水稻秸稈。劉德江等[14]的研究表明：在相同溫度、濃度和碳氮比的條件下，牛糞和玉米秸稈混合發(fā)酵，牛糞中所加的秸稈越少，其產氣總量和甲烷含量越高。李世密等[15]的研究表明，純玉米秸稈作為發(fā)酵原料時，發(fā)酵慢，產氣量低。主要原因是玉米秸稈中的纖維素與木質素等物質結合在一起，發(fā)酵時不易被沼氣微生物降解。

2.2 沼氣發(fā)酵與原料預處理endprint

發(fā)酵原料預處理可以有效的縮短發(fā)酵時間，提高沼氣池利用率，增強原料的抗酸化能力。預處理方式主要包括物理、化學和生物預處理[16]。劉昭兵等[17]的研究表明：用沼液對稻草秸稈進行5d預處理后，稻草秸稈變?yōu)楹稚?，質地柔軟，表面布滿白色菌落和菌絲，與豬糞、沼液和池塘水混合發(fā)酵，產氣量在50d內維持一個穩(wěn)定、較高的水平，甲烷含量達到60%以上。牛明芬等[18]的研究表明：用發(fā)酵液和秸稈發(fā)酵劑對玉米秸稈進行堆漚處理，能有效的降解部分木質纖維素和纖維素。不同的溫度、含水率、堆漚天數(shù)和玉米秸稈粒徑條件下，玉米秸稈木質纖維素和纖維素降解率和厭氧發(fā)酵產氣量有明顯差別。當溫度為30℃，含水率為60%，堆漚時間為15d，玉米秸稈粒徑<1cm時，產氣效率明顯提高，產氣峰值提前6d，最大日產氣量達630ml，與未處理的秸稈相比提高31.2%。

Palmowski 等[19]的研究表明：粉碎纖維素含量高的固體廢棄物，方便混勻發(fā)酵物料，減小發(fā)酵體積，縮短發(fā)酵時間，提高有機物降解率，沼氣產量顯著增加。

2.3 沼氣發(fā)酵與碳氮比

各種原料的碳氮比決定著沼氣發(fā)酵原料配比合理性。碳素是沼氣細菌活動的能量來源，各種作物秸稈，雜草，樹葉等含碳豐富；氮素是合成細菌原生質的主要成分，人畜禽糞便含氮量較高。這2類原料進行合理搭配，混合進料，能夠獲得較好的產氣量[20]。成喜雨等[21]通過對碳氮比為15，20，25，30 的玉米秸稈、棉稈、豬糞混合發(fā)酵試驗研究結果表明：碳氮比為15 時，延滯期較長；碳氮比為20～25 時，產氣速率和沼氣產率較高；碳氮比為30 時 ，產氣高峰來的最早，但沼氣產率降低。李娟等[22]通過對碳氮比為15，20，22，25，30的豬糞與小麥秸稈混合原料發(fā)酵試驗研究表明：碳氮比為22的純豬糞處理在環(huán)境溫度為20℃時的產期速率最快，產氣量最多。碳氮比為25的豬糞與小麥秸稈混合處理在環(huán)境溫度為30℃時產氣量最多，產氣速率適中。

2.4 沼氣發(fā)酵與環(huán)境溫度

沼氣發(fā)酵與溫度有密切關系，微生物活性一般在30～40℃最大，過高或過低都會影響沼氣產量。另外，在沼氣發(fā)酵的過程中溫度決定著發(fā)酵原料的消化速度，白潔瑞等[23]通過對20℃、25℃、30℃、35℃、40℃溫度條件下作物秸稈和畜禽糞便混合的沼氣發(fā)酵研究表明：在0～35℃范圍內，糞稈配比的產氣量隨溫度升高而升高；35℃條件下，雞糞與秸稈混合（干物質質量比=2：1）處理的沼氣產量高于其他糞稈比例，其中雞糞與玉米秸稈混合處理沼氣總產量最高。另外，在沼氣發(fā)酵的過程中溫度決定著發(fā)酵原料的消化速度。溫度越高，原料分解速度越快。田曉東等[24]的研究表明：牛糞在24℃時50d消化完全，在32～37℃時28d消化完全。在15～35℃條件下，等量原料產氣量大致相同，但發(fā)酵周期隨溫度的改變而改變，15℃時發(fā)酵周期360d，35℃時發(fā)酵周期為30d。

2.5 沼氣發(fā)酵與干物質濃度

沼氣發(fā)酵根據(jù)干物質濃度的不同，可分為濕式和干式2種。一般干物質濃度小于10%稱為濕式發(fā)酵，其特點是發(fā)酵原料易于水解，生化反應速率快，產氣穩(wěn)定；干物質濃度大于10%稱為干式發(fā)酵，其特點是有機負荷率可高達10Kg/m3.d，所需發(fā)酵裝置容積小，投資費用低[25]石利軍等[26]通過對2.5%，5%，10%，15%，20%等5種干物質濃度牛糞秸稈混合的厭氧發(fā)酵產沼氣性能研究表明：產氣高峰期為30d，隨著干物質濃度增加，產氣量波動增大，有機負荷率提高。干物質濃度為10%時，產氣量最高，30d累積產氣量達4710ml，容積產氣率達0.313m3/m3.d。趙旭等[27]通過對低溫（<20℃）條件下，4%，6%，8%，10%，12%，14%等6種干物質濃度的新鮮牛糞發(fā)酵試驗表明，沼氣發(fā)酵啟動時間隨干物質濃度質量分數(shù)的增加而增加，干物質濃度質量分數(shù)為4%時，啟動時間為75d，比干物質濃度質量分數(shù)為14%時的啟動時間縮短17d。劉杰等[28]通過對2%，4%，6%，8%，10%，12%等6種干物質濃度的牛糞發(fā)酵試驗表明：在相同溫度條件下，沼氣中甲烷含量與干物質濃度有關，甲烷含量隨著干物質濃度的增高而增高。

3 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵的應用前景

東北地區(qū)沼氣發(fā)酵原料十分充足，農業(yè)有機廢棄物的數(shù)量不斷增加，循環(huán)利用率較低。據(jù)統(tǒng)計[1]僅吉林省每年產生秸稈總量達3942萬t，其中30%～40%就地焚燒，利用率不到10%，剩余的部分隨意堆積。吉林省規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖產生糞便2700萬t，其中70%直接用于農家肥，2%用于制沼氣，其余隨意堆放，每年大約有300萬t得不到處理，直接進入環(huán)境。農業(yè)有機廢棄物的無組織堆置，不僅占用了大量土地，而且還腐敗分解產生氨氣、二氧化碳、硫化氫、沼氣等氣體污染物，同時還造成了有機資源的嚴重浪費。如能運用生態(tài)工程對這些有機廢棄物進行有效的處理和利用，將對節(jié)約自然資源，防止環(huán)境污染，實現(xiàn)資源的生態(tài)經濟良性循環(huán)具有重要意義。

參考文獻

[1]曹國良，張小曳，鄭方成，等.中國大陸秸稈露天焚燒的量的估算[J].資源科學，2006，28（1）：9-13.

[2]孫勝龍，高龍君，隋延婷，等.吉林省畜禽養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境問題及防治技術[J].生態(tài)環(huán)境，2004，13（3）：452-454.

[3]朱宗強.幾種農業(yè)有機廢棄物沼氣發(fā)酵試驗研究[D].桂林：桂林工學院，2005.

[4]郭云旭.隴東高原農村沼氣開發(fā)與綜合利用研究[D].楊陵：西北農林科技大學，2004.

[5]王效華，高樹銘.中國農村能源綜合可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與對策略[J].中國沼氣，2003，21（4）：41-42.

[6]龐鳳仙，崔彥如，張永峰，等.北方寒冷地區(qū)沼氣池曾保溫研究[J].安徽農業(yè)科學，2010，38（31）：17836-17837，17841.endprint

[7] 隋文志，胡廣民，李鵬，等.北方寒區(qū)生物質熱能沼氣池越冬產氣技術研究[J].中國沼氣，2009，27（6）：34-37.

[8]龐小平，牛明芬，王賽月，等.北方玉米秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵條件[J].生態(tài)學雜志，2011，30（1）：126-130.

[9]張云影，趙嶺樂，劉浩，等.北方沼氣生產技術研究[J]. 現(xiàn)代農業(yè)科技，2008（16）：321-322.

[10]李榮峰，蘭翠玲，馬博，等.沼氣發(fā)酵原料研究進展[J].中國農學通報，2011，27（30）：1-5.

[11]周憲龍，李強，黃濤，等.不同發(fā)酵原料對戶用沼氣產氣量的影響[J].農學學報，2012，2（12）：57-61.

[12]劉德江，高桂麗，朱妍梅，等.豬糞、牛糞、羊糞沼氣發(fā)酵比較試驗[J].塔里木大學學報，2005，17（2）：10-12.

[13]楊立，張婷，王永澤，等.不同秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣效果的比較[J].可再生能源，2008，26（5）：46-48.

[14]劉德江.玉米秸稈與牛糞混合原料的沼氣發(fā)酵試驗[J].中國沼氣，2009，27（4）：13-15.

[15]李世密，魏雅潔，張曉健，等.秸稈類木質纖維素原料厭氧發(fā)酵產沼氣研究[J].可再生能源，2008，26（1）：50-54.

[16]李軼，劉雨秋，張鎮(zhèn).玉米秸稈與豬糞混合厭氧發(fā)酵產沼氣工藝優(yōu)化[J].農業(yè)工程學報，2014，30（5）：185-191.

[17]劉昭兵，紀雄輝，喻愛，等.不同水料比對稻草產沼氣的影響[J].湖北農業(yè)科學，2010，49（3）：550-552.

[18]牛明芬，龐小平，王昊，等.玉米秸稈堆漚處理對厭氧發(fā)酵的影響[J].環(huán)境科學與技術，2010，33（6）：93-96，131.

[19] Palmowski LM，Muller J.Affluence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion [J].Water science and technology，2000，41（3）：155-162.

[20]姜森林.新建沼氣池發(fā)酵原料配比及快速啟動技術[J].山西能源與節(jié)能，2008（3）：30-32.

[21]成喜雨，李強，王靜，等.典型秸稈廢棄物與豬糞共發(fā)酵過程碳氮比的影響研究[J].可再生資源，2014，32（6）：848-853.

[22]李娟，馬忠明，王文麗，等.小麥秸稈調節(jié)豬糞碳氮比對產沼氣的影響[J].中國沼氣，2012，30（4）：30-32.

[23]白潔瑞，李軼冰，郭歐燕，等.不同溫度條件糞稈結構配比及尿素、纖維素酶對沼氣產量的影響[J].農業(yè)工程學報，2009，25（2）：188-193.

[24]田曉東，強健，張典，等.環(huán)境溫度影響沼氣發(fā)酵裝置平穩(wěn)產氣因素分析[J].中國沼氣，2003（21）：172-175.

[25] Weiland P.Biogas production：current state and perspectives[J].Applied Microbiology and Biotechnology， 2009，85（4）：849-860.

[26]石利軍，黃淼，劉慧芬，等.干物質濃度對牛糞秸稈厭氧發(fā)酵產沼氣的影響[J].農機化研究，2013（8）：208-216.

[27]趙旭，王文麗，李娟.低溫條件下TS質量分數(shù)對沼氣發(fā)酵的影響[J].廣東農業(yè)科學，2012（14）：180-182.

[28]劉杰，王大蔚，裴占江.底物濃度對產甲烷菌群產氣性能的影響[J].黑龍江農業(yè)科學，2010（6）：139-141.

作者簡介：邢向欣（1979-），女，吉林長春人，主要從事農業(yè)有機廢棄物資源化利用的研究。endprint