畜禽糞便厭氧發(fā)酵的影響因素分析

伍高燕

摘要?利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽糞污，既是國家節(jié)能減排的政策要求，也是企業(yè)降低環(huán)保成本的重要手段。為提高厭氧發(fā)酵技術(shù)在畜禽糞便實際處理過程中的應(yīng)用效率，結(jié)合查閱文獻及工程實際經(jīng)驗，對畜禽糞便厭氧發(fā)酵的影響因素進行了分析，得出以下結(jié)論：在工程上，綜合考慮成本、操作便利性等因素，可以選擇中溫發(fā)酵;水力停留時間以20～40 d為宜;反應(yīng)過程宜進行低速緩慢攪拌;抑制物不宜超過一定的濃度;pH控制在中性至弱堿范圍較佳;適宜碳氮比為20∶1～30∶1;有機負荷宜在6.0 g/（L·d）以下;總固體濃度宜控制在6%～10%;適當添加微量金屬元素或吸附劑類添加劑可以提高發(fā)酵效率。

關(guān)鍵詞?畜禽糞便;厭氧發(fā)酵;影響因素

中圖分類號?X713文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0221-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.064

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Analysis on the Factors Affecting the Anaerobic Fermentation of Livestock and Poultry Manure

WU Gao-yan

（Guangdong Guangken Animal Husbandry Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou， Guangdong510507）

Abstract?To dispose livestock manure by using anaerobic fermentation technology is not only a policy requirement for national energy conservation and emission reduction， but it is also an important means for enterprises to reduce environmental costs. In order to improve the efficiency of anaerobic fermentation technology used in the actual disposal of livestock manure， this paper gave an overview of the factors affecting the anaerobic fermentation of livestock and poultry manure by consulting literature and drawing upon practical experience， and concluded the following conclusions： in the engineering， considering cost， operation convenience and other factors， medium temperature fermentation was recommended;the hydraulic retention time was preferably 20-40 days;the material should be slowly stirred at low speed during reaction process;Inhibitors should not be exceed a certain concentration;pH was preferred in the neutral to weak base range;the suitable carbon-nitrogen ratio should be 20∶1～30∶1;the organic load should be below 6.0 g/（L·d）;the total solid concentration should be controlled at 6%-10%;appropriate addition of trace metal elements or adsorbent additives can improve fermentation efficiency.

Key words?Livestock and poultry manure;Anaerobic fermentation;Influencing factors

厭氧發(fā)酵，又稱厭氧消化，是指兼性菌和厭氧細菌在無氧的條件下，將可降解的有機物分解為CH4、CO2、H2O和H2S的過程。這是一種能將污水處理和能源回收相結(jié)合的技術(shù)，因其投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負荷高、產(chǎn)泥少、耐沖擊負荷等優(yōu)點而受到養(yǎng)殖業(yè)及環(huán)保界的重視。目前，厭氧發(fā)酵技術(shù)被廣泛用于畜禽糞污的處理，因而調(diào)控和協(xié)調(diào)影響發(fā)酵的因素、提高厭氧發(fā)酵效率成為業(yè)界關(guān)注的焦點。

影響厭氧發(fā)酵效率的因素很多，如溫度、水力停留時間、攪拌、抑制物、pH、碳氮比、有機負荷、總固體濃度、添加劑等。筆者對影響畜禽糞便厭氧發(fā)酵的因素進行了分析。

1?影響畜禽糞便厭氧發(fā)酵的因素分析

1.1?溫度

溫度是影響厭氧發(fā)酵最重要的因素[1]。它通過影響厭氧微生物細胞內(nèi)酶的活性和發(fā)酵料液的溶解度，進而影響微生物的生長速率和微生物對發(fā)酵底物的代謝速率以及沼氣產(chǎn)量和氣體的組成[2]。一般來說，厭氧發(fā)酵過程中主要存在水解酸化菌群和產(chǎn)甲烷菌。水解酸化菌群對溫度的適應(yīng)范圍很大，甚至在100 ℃環(huán)境下也能很好地生存[3]。產(chǎn)甲烷菌對溫度卻十分敏感。產(chǎn)甲烷菌有3個適宜生長的溫度范圍，分為低溫（10～25 ℃）、中溫（30～40 ℃）和高溫（50～60 ℃）。相應(yīng)的發(fā)酵工藝分別為低溫厭氧發(fā)酵、中溫厭氧發(fā)酵以及高溫厭氧發(fā)酵[4]。低溫厭氧發(fā)酵效率很低，一般中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵比較常見。

高溫條件下發(fā)酵速率最高。此時，水解酸化菌成為優(yōu)勢菌群，有利于有機物的水解、酸化和溶解，甚至連一些難以降解的纖維素物質(zhì)也可以得到分解[5]。其次，在產(chǎn)甲烷菌的耐受范圍內(nèi)，溫度越高，其酶的活性越大，因而產(chǎn)氣速度越快，發(fā)酵啟動時間和周期越短[3，6]。此外，高溫發(fā)酵還可以滅活病毒和病菌，尤其是對寄生蟲卵的殺滅率高達99%。然而，高溫發(fā)酵也存在不足之處。若產(chǎn)甲烷菌不能及時利用水解酸化菌群產(chǎn)生的有機酸，則發(fā)酵液容易酸化，進而抑制產(chǎn)氣。高溫產(chǎn)甲烷菌在維持自身生長和酶反應(yīng)時需要更多的能量參與，因此需要消耗較多的能量用于反應(yīng)料液的加溫和保溫，發(fā)酵設(shè)備比較復雜，增加投資費用，投入產(chǎn)出比較低。此外，微生物在高溫情況下很容易衰減，死亡率增加。

中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷量最大。研究表明，中溫厭氧發(fā)酵甲烷產(chǎn)量最高，高溫厭氧發(fā)酵其次，而低溫厭氧發(fā)酵最低[3，7]。這是因為在中溫條件下產(chǎn)甲烷菌占據(jù)優(yōu)勢地位，產(chǎn)甲烷作用可能得到加強[5]。大多數(shù)研究表明，中溫35 ℃更適合以鼠糞、牛糞、兔糞和熊糞等畜禽糞便為原料的厭氧發(fā)酵反應(yīng)，其產(chǎn)沼氣量更大，沼氣甲烷濃度更高[8-10]。

因此，在實際生產(chǎn)中，當處理量很大時，不宜采用發(fā)酵速率略有優(yōu)勢的高溫厭氧發(fā)酵，而應(yīng)選用處理原料效率高、產(chǎn)氣量高、消耗能量少的中溫厭氧發(fā)酵。也有研究建議采用2階段發(fā)酵程序，即利用高溫加速水解，水解反應(yīng)結(jié)束后降低溫度，利用中溫促進產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)氣[11]。

1.2?水力停留時間（hydraulic retention time，HRT）

HRT是指物料在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，是反應(yīng)器的有效容積與單位時間內(nèi)進料體積的比值。工程上，常會根據(jù)進料量和設(shè)計的HRT確定反應(yīng)器的大小。若HRT過短，廢水處理不徹底，有機物去除率低。若HRT過長，微生物生長繁殖所需的能源和營養(yǎng)元素已被消耗過多而無法滿足微生物的活動所需，致使微生物活性急劇下降，從而導致厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣量降低，發(fā)酵系統(tǒng)的運行效果變差[12]。選用過長的HRT必定增大了反應(yīng)器的容積，進而增加了占地面積和造價。在實際應(yīng)用中，HRT可以結(jié)合實地可利用的空間和出水要求，盡量延長。這是因為產(chǎn)甲烷菌的生長很緩慢且世代時間長，它只能利用簡單的物質(zhì)生長繁殖，如CO2、H2、甲酸、甲醇、乙酸和甲基胺等。這些物質(zhì)又必須由水解酸化菌群將有機物分解后提供，所以產(chǎn)甲烷菌一定要等到其他細菌都大量生長后才能生長。同時，產(chǎn)甲烷菌世代周期也長，需要幾天至幾十天才能繁殖一代。因此，只有使產(chǎn)甲烷菌等微生物與有機物充分接觸并在反應(yīng)器內(nèi)有足夠長的停留時間才能最大限度地分解有機物產(chǎn)生沼氣。工程上，一般中溫厭氧發(fā)酵的HRT可以選擇20～40 d，隨著溫度的升高，HRT可以適當減少。喬小珊[13]研究表明，30 ℃條件下奶牛糞便厭氧發(fā)酵HRT為20 d時，可獲取最大池容產(chǎn)氣率。

1.3?攪拌

一般情況下，厭氧發(fā)酵體系本身內(nèi)部是不均勻的，包括溫度、微生物和發(fā)酵底物混合、新舊料液混合等多方面的不均勻。攪拌不僅可以讓發(fā)酵系統(tǒng)充分混合均勻，而且增加了微生物中的酶與發(fā)酵原料的接觸面積，有效地破壞沼氣池內(nèi)懸浮的浮渣層面，提高產(chǎn)氣量[2]。但過度地劇烈攪拌會破壞發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)某些菌種的共生關(guān)系。因此，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)進行低速緩慢攪拌。

1.4?抑制物

常見的微生物抑制物有重金屬、鹽類、抗生素、氯酚及鹵代脂肪族化合物、殺蟲劑、木質(zhì)素水解產(chǎn)物以及消化過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、長鏈脂肪酸、檸檬烯、硫化物和無機氮等[14-15]。其中，重金屬、鹽類、抗生素、硫化物和無機氮因其在發(fā)酵系統(tǒng)中含量較高，對發(fā)酵過程的影響較大[16]。

畜禽糞便中常見的有明顯生物毒性的重金屬有Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Hg、Ni等，主要來自不能被畜禽完全吸收利用的飼料添加劑[17-20]。在不同畜禽的糞便中，豬糞中重金屬含量較高[21-22]。與其他抑制物不同的是，重金屬不能被微生物降解，積累到一定程度時會降低微生物活性甚至引起微生物死亡[3]。其主要原因是重金屬可以與蛋白質(zhì)分子中的巰基或其他基團結(jié)合，破壞微生物酶的結(jié)構(gòu)和功能，或者取代酶分子中的相關(guān)離子，從而影響酶活性[23]。當外源Cu和Gr含量超過0.2 mg/L時開始抑制總產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量[24]。當Zn含量超過0.6 mg/L時也會抑制產(chǎn)氣[25]。

無機鹽是微生物不可缺少的營養(yǎng)。當無機鹽濃度較低時，可以促進微生物的生長，但高濃度的無機鹽會產(chǎn)生較高的外界滲透壓，因而會降低微生物代謝酶的活性，甚至會引起細胞壁分離，抑制微生物的生長[26]。

抗生素能直接殺滅某些微生物或抑制其生長，改變厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中微生物的群落組成。四環(huán)素類抗生素在畜禽糞便中最常見，以金霉素和土霉素的應(yīng)用最為廣泛[27-28]。研究表明，金霉素、土霉素對厭氧發(fā)酵均有抑制作用，其產(chǎn)生抑制的臨界濃度值分別為0.1和0.3 mg/L[28]。當二者聯(lián)合作用時，抑制效應(yīng)更強。

H2S氣體是發(fā)酵過程的產(chǎn)物，在沼氣中的含量一般為0.2%～0.9%[29]。H2S有強烈的刺激性，且有劇毒，其溶于發(fā)酵液并超過一定濃度時，對厭氧微生物極其不利。當S2-濃度不超過65.6 mg/L時，厭氧消化無抑制作用，但當S2-濃度超過164 mg/L時則產(chǎn)生明顯的抑制現(xiàn)象[30]。一般可以通過添加FeCl2、FeCl3、AlCl3抑制H2S的產(chǎn)生，降低其毒害程度[30]。

氨氮主要來自厭氧發(fā)酵過程中有機氮的水解，一般以銨態(tài)氮和游離NH3的形式存在。雖然低濃度的氨氮對于維持厭氧發(fā)酵的平衡有著重要的作用，但高濃度的氨氮會抑制產(chǎn)甲烷菌，從而影響厭氧發(fā)酵的正常運行[26]。研究表明，在雞糞厭氧發(fā)酵過程中，發(fā)酵料液中銨態(tài)氮含量可以高達3 600 mg/L以上，嚴重抑制了產(chǎn)氣[15]。在實際工程中，要使液銨態(tài)氮對厭氧消化無拮抗作用，一般應(yīng)控制其含量低于500 mg/L[31]。

1.5?pH

厭氧消化體系的酸堿性是氣-液相間的CO2平衡和NH3平衡、液相內(nèi)的酸堿平衡以及固-液相間的溶解平衡共同作用的結(jié)果，它通過影響微生物的細胞膜、胞外水解酶、代謝過程以及消化液中的組分解離，進而影響微生物的活性[32]。畜禽糞便在厭氧發(fā)酵過程中由于揮發(fā)性脂肪酸的積累，容易酸化，產(chǎn)生酸抑制，尤以豬糞最為明顯。當豬糞發(fā)酵液pH降至5左右時，會嚴重制約產(chǎn)氣[33]。一般情況下，厭氧發(fā)酵的最佳pH為6.8～7.4，即在中性至弱堿范圍內(nèi)對厭氧發(fā)酵比較有利[1，3]。

1.6?碳氮比（carbon-nitrogen ratio，C/N）

碳氮比（C/N）是指有機物中碳的總含量與氮的總含量的比值，是微生物生長過程中必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)。在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，若C/N過高，即氮素相對不足，發(fā)酵液的緩沖能力降低，pH容易下降;若C/N過低，即氮素相對過量，發(fā)酵系統(tǒng)將產(chǎn)生大量游離銨，pH容易升高，且銨鹽過剩導致微生物中毒，抑制產(chǎn)氣[2-3]。通常情況下，以C/N達到20～30為宜[34]。常溫下應(yīng)控制牛糞或者鴨糞的C/N為25，均可獲得最高的甲烷產(chǎn)氣量[13，35-36]。雞糞發(fā)酵的最適C/N一般為20[37]。豬糞在高溫條件下厭氧發(fā)酵的C/N可以取16[38-39]。

然而，畜禽糞便是富氮原料，單一畜禽糞便發(fā)酵原料往往缺少碳源，例如兔糞的C/N較小，約為6;雞糞C/N約為10;豬糞C/N一般在12左右;牛糞C/N高一些，其中黃牛糞和奶牛糞的C/N分別為21和24[24]。在實際生產(chǎn)中，可以適當添加稻稈、稻草、葡萄糖、甘蔗渣、米糠、麥秸、雜木屑等富碳原料來提高發(fā)酵系統(tǒng)的C/N[13，34-36，38-39]。

1.7?有機負荷

發(fā)酵液的濃度常用容積有機負荷表示，即單位體積污水處理反應(yīng)器（或單位體積介質(zhì)濾料）每天所承受的有機物的質(zhì)量。在工程設(shè)計上，當進料基本穩(wěn)定時，反應(yīng)器容積將影響發(fā)酵過程的有機負荷。若反應(yīng)器過小，負荷過高，發(fā)酵原料不易分解，反應(yīng)器內(nèi)容易積累大量揮發(fā)性脂肪酸（VFA），影響正常產(chǎn)氣;若反應(yīng)器過大，負荷過低，單位容積里的有機物含量相對較低，不利于反應(yīng)器的充分利用[40]。事實上，在一定范圍內(nèi)，有機負荷越高，產(chǎn)氣率越高[8]。因此，在反應(yīng)器容積設(shè)計時，為節(jié)約成本和用地，使反應(yīng)器充分利用，可考慮在不影響產(chǎn)氣的前提下，使容器內(nèi)有機負荷盡可能高。

研究表明，當有機負荷控制在2.5～5.0 g/（L·d）時，厭氧消化系統(tǒng)中揮發(fā)性脂肪酸濃度較低，且氨氮濃度低于6.7 g/L，沼氣最大容積產(chǎn)氣率為2.58 L/L。然而，當有機負荷提高到6.0 g/（L·d）時，會引起乙酸和丙酸的快速累積，氨氮濃度也升高到6.7 g/L，沼氣容積產(chǎn)氣率降低約23.5%[41]。因此，一般情況下可控制有機負荷在6.0 g/（L·d）以下。

1.8?總固體（total solid，TS）濃度

發(fā)酵液的總固體濃度是指發(fā)酵液中干物質(zhì)的百分比含量。該指標的大小與反應(yīng)器容積無關(guān)，取決于發(fā)酵料液本身的含固量。在一定范圍內(nèi)，隨著TS濃度的增加，產(chǎn)氣量增大。然而，發(fā)酵系統(tǒng)中VFA的濃度與TS成正比。為了避免發(fā)酵過程中VFA大量積累導致pH急劇下降，根據(jù)不同的發(fā)酵原料，一般將TS控制在6%～10%，且在夏季和初秋溫度較高的季節(jié)，可以保持較高的發(fā)酵濃度[34]。研究表明，用豬糞或者奶牛糞便進行試驗，可取發(fā)酵料液的TS濃度為6%或8%[13，42-43]。

1.9?添加劑

常用的厭氧發(fā)酵添加劑主要是微量金屬元素和吸附劑。微量金屬元素作為電子導體參與厭氧消化過程的細胞胞外電子轉(zhuǎn)移，促進生物的代謝效率[44]。吸附劑依靠其多孔、比表面積大的結(jié)構(gòu)，可以吸附發(fā)酵液中微生物的有害抑制物（如NH3、氫氧化銨、硫化物等），同時給微生物提供附著載體或者促進電子傳遞，也能提高產(chǎn)氣效率[15]。鐵、錳、鎳、鈷是常用的金屬添加劑，而沸石、活性炭、生物炭、粉煤灰等是常用的吸附劑[45-49]。

對于微量金屬添加劑，以應(yīng)用較多的Fe元素為例，往稻稈和豬糞的混合發(fā)酵物中添加3%的Fe2（SO4）3，則總產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷量可分別提高32.01%和51.48%[44]。添加5%的FePO4也可以有效促進鴨糞和向日葵秸稈混合發(fā)酵的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣穩(wěn)定性，總產(chǎn)氣量高達無添加劑時的9倍[50]。

對于吸附劑，生物炭、粉煤灰、磁性粉煤灰能將豬糞產(chǎn)氣總量和產(chǎn)甲烷量分別提高5%～12%、4%～10%[51]。一些經(jīng)過熱處理的碳具有更強的促進作用。例如，以190 ℃水熱法制備的沼渣水熱碳，可以將中溫厭氧消化系統(tǒng)中豬糞的產(chǎn)氣總量和產(chǎn)甲烷量分別提高29.81%和26.22%，而麥秸熱解生物炭可以將二者分別提高至96.1%和101.8%[52]。

此外，還有一種復合添加劑，即微量金屬元素與傳統(tǒng)吸附劑的復合物，例如鐵氧化物/沸石。在鐵元素促進電子轉(zhuǎn)移的同時，沸石能夠吸附NH3，緩和NH3對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用，且能為厭氧消化系統(tǒng)提供多種微量元素。研究表明，往牛糞中加入鐵氧化物/沸石復合物可以顯著提高糞便的生化降解效率，其中累積產(chǎn)氣量可以提高96.8%，VS和COD的去除率分別提高37.5%和44.6%[53]。

2?結(jié)論

控制厭氧發(fā)酵條件對于提高厭氧發(fā)酵效率以及提高沼氣的產(chǎn)量和質(zhì)量極為重要。在工程上，綜合考慮成本、操作便利性等因素，可以選擇中溫發(fā)酵;水力停留時間以20～40 d為宜;反應(yīng)過程宜進行低速緩慢攪拌;抑制物不宜超過一定的濃度;pH控制在中性至弱堿范圍較佳;適宜碳氮比為20∶1～30∶1;有機負荷宜在6.0 g/（L·d）以下;總固體濃度宜控制在6%～10%;適當添加微量金屬元素或吸附劑類添加劑可以提高發(fā)酵效率。

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