提高畜禽糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的研究進(jìn)展

梁麗芬，葉泉清，陳 靜，袁夢婷，謝炎東，賓石玉

(1.廣西師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院，廣西 桂林 541006；2.廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006)

前 言

目前，沼氣發(fā)酵是畜禽糞便合理處理和資源化利用的主要方式之一，具有產(chǎn)生物能和降解能力等優(yōu)點。畜禽糞便經(jīng)過沼氣發(fā)酵可產(chǎn)生含一定甲烷濃度的可再生天然氣，因此，提高畜禽糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量，可使畜禽糞便利用達(dá)到最大化，實現(xiàn)變廢為寶的價值。本文就影響畜禽糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的內(nèi)外影響因素進(jìn)行綜述，以期對提高畜禽糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的研究提供一定的依據(jù)。

1 沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的內(nèi)在影響因素

1.1 沼氣發(fā)酵前期產(chǎn)氣的影響因素

1.1.1 厭氧共消化

畜禽糞便進(jìn)行單一的發(fā)酵易出現(xiàn)氨抑制，發(fā)酵產(chǎn)氣量低。將畜禽糞便和富含碳類的植物秸稈進(jìn)行厭氧共消化，通過兩種物料的互補，不僅降低氨、脂肪酸抑制的風(fēng)險，調(diào)節(jié)發(fā)酵體系碳氮比，而且能夠有效地分解產(chǎn)氣和延長產(chǎn)氣高峰期，可提高基質(zhì)中沼氣的甲烷含量[1]。Zhang T等[2]將雞糞分別與三種谷物殘渣(玉米秸稈、小麥秸稈和稻草)在35±1℃進(jìn)行厭氧共消化發(fā)現(xiàn)，三種發(fā)酵組合不僅利于發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定，而且均可提高產(chǎn)氣量，玉米秸稈與雞糞組合尤為顯著。另外，Sukhesh M J等[3]研究發(fā)現(xiàn)，與牛糞單一發(fā)酵相比，采用1∶1、1∶3和1∶5的混合比例進(jìn)行發(fā)酵，分別提高了50%～57%和9～10%的甲烷產(chǎn)量，既降低了反應(yīng)滯后時間，又提高產(chǎn)甲烷量。Tian H等[4]研究廚房垃圾與豬糞的7種不同混合比例的厭氧共消化發(fā)現(xiàn)，與單一豬糞發(fā)酵相比，兩者以1∶1的比例厭氧共消化可產(chǎn)甲烷量為409.5 mL/gVS，此時的產(chǎn)氣量最高且消化性能穩(wěn)定?？梢?，厭氧共消化可彌補單一畜禽糞便發(fā)酵的不足，具有協(xié)同作用，縮短發(fā)酵滯后時間，有效提高產(chǎn)氣量。

1.1.2 接種物

接種物主要是厭氧活性污泥，包括懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)和厭氧消化細(xì)菌，接種物與基質(zhì)的比例是固態(tài)厭氧發(fā)酵快速啟動的關(guān)鍵因素。在畜禽糞便沼氣發(fā)酵中菌種接種量的添加可提高產(chǎn)氣量，同時減少甲烷指數(shù)生長期所需的啟動時間，且接種物的性質(zhì)會影響產(chǎn)氣量。黃欣磊[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厭氧污泥作為接種物且接種量為發(fā)酵料液總量的30%時，累積沼氣產(chǎn)量高達(dá)265mL/g VS，此時發(fā)酵體系內(nèi)的微生物活性高，表明接種物對發(fā)酵產(chǎn)氣具有促進(jìn)作用。另外，Córdoba V等[6]以污泥為接種劑對豬污水厭氧消化發(fā)現(xiàn)，在1∶1、3∶1和6∶1這3種基質(zhì)與接種比的范圍內(nèi)，當(dāng)接種濃度越高，可減少滯后期且甲烷產(chǎn)量越多；當(dāng)接種濃度較低時，產(chǎn)甲烷菌群的適應(yīng)時間比預(yù)期長，且延緩甲烷的產(chǎn)生。可見，適當(dāng)提高沼氣發(fā)酵接種量，可以縮短不產(chǎn)生甲烷時間，提高發(fā)酵產(chǎn)氣量。

1.1.3 預(yù)處理

預(yù)處理主要分為化學(xué)、物理以及生物處理，對畜禽糞便預(yù)處理有利于降解有機底物，為微生物提供適宜的生長環(huán)境，可提高產(chǎn)氣量。Elasri O等[7]對摩洛哥雞糞厭氧消化產(chǎn)生沼氣潛力的研究中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)預(yù)處理的雞糞無論是在實驗室還是原型沼氣池中，都只產(chǎn)生少量沼氣，而經(jīng)過加熱和研磨預(yù)處理后，則產(chǎn)生大量的沼氣，相當(dāng)于每噸64.4 m3的新鮮廢物，含有60.2%的CH4、38.8%的CO2。翟佳寧等[8]也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)酵底物的固體含量為12%和16%時，未經(jīng)預(yù)處理組沼氣日產(chǎn)量分別為420.8 mL/d和379.2mL/d，而經(jīng)預(yù)處理組沼氣日產(chǎn)量分別為593.1 mL/d和550.9mL/d，表明經(jīng)預(yù)處理組比未經(jīng)預(yù)處理組沼氣產(chǎn)量更高。Yu T等[9]對豬糞進(jìn)行微波輔助堿性條件預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理不但縮短穩(wěn)定的產(chǎn)氣量時間，而且可明顯提高累積產(chǎn)氣量。綜上所述，在發(fā)酵前對畜禽糞便進(jìn)行預(yù)處理對提高產(chǎn)氣量有顯著的作用。

1.2 沼氣發(fā)酵過程中產(chǎn)氣的影響因素

1.2.1 發(fā)酵溫度

溫度是影響微生物群落生長、生化反應(yīng)速率和過程效率的關(guān)鍵參數(shù)之一。沼氣發(fā)酵溫度分為室溫(< 25 ℃)、中溫( 25～45℃)以及高溫( > 45 ℃)，發(fā)酵體系內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌群生物活性受溫度影響較大，低溫和高溫對產(chǎn)氣量都存在明顯的抑制現(xiàn)象。Hupfauf S等[10]研究表明，與37℃和55℃相比，溫度為45℃平均產(chǎn)甲烷量為166 mL/gVS，產(chǎn)氣量和效率最高，比其他兩種溫度分別高出12.8%和9.6%，可能是溫度對發(fā)酵體系中菌群的影響導(dǎo)致。Lin Q等[11]研究不同溫度(25～55℃)對豬糞厭氧消化產(chǎn)甲烷發(fā)現(xiàn)，隨著溫度從25℃上升到55℃，日產(chǎn)甲烷量與總產(chǎn)氣量逐漸增加，但在55℃時開始下降。但也有研究表明，高溫發(fā)酵的總累積產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣量與室溫和中溫相比都顯著提高，且更利于甲烷的產(chǎn)生[12]。這可能是由于研究畜禽糞便的對象不同引起的，牛糞適合高溫發(fā)酵，而豬糞則在中溫發(fā)酵能得到最大產(chǎn)氣量[13]。因此，需要針對不同的畜禽糞便選擇適宜提高產(chǎn)氣量的發(fā)酵溫度。

1.2.2 酸堿度

產(chǎn)甲烷菌群對發(fā)酵底物的初始酸堿度(pH)十分敏感，發(fā)酵底物初始pH對沼氣發(fā)酵啟動以及產(chǎn)氣高峰都有顯著的影響，當(dāng)pH為6.8～7.2時，日產(chǎn)氣量達(dá)到最高，可實現(xiàn)發(fā)酵底物最大利用，過酸或過堿的環(huán)境都會降低產(chǎn)沼氣性能。姜慶宏等[14]研究表明，初始pH值為7.0時，總產(chǎn)氣量為3857 mL，甲烷體積分?jǐn)?shù)高達(dá)55.2 %，此時產(chǎn)氣效果最好。Zhou J等[15]設(shè)計三個酸堿度(pH6.0、pH7.0和pH8.0)對豬糞進(jìn)行中溫沼氣發(fā)酵試驗發(fā)現(xiàn)，中性pH 7.0組沼氣產(chǎn)量和甲烷含量顯著高于其它兩組，且其內(nèi)的菌屬主要為甲烷粒菌屬，表明沼氣發(fā)酵酸堿度保持在pH7.0可以豐富甲烷粒菌屬種群結(jié)構(gòu)，利于增加沼氣產(chǎn)量?？梢姡m宜的pH值可為發(fā)酵體系中的菌群提供適宜的生長繁殖環(huán)境，從而有利于發(fā)酵產(chǎn)氣，提高產(chǎn)氣量。

1.2.3 沼氣發(fā)酵原料的C/N

沼氣發(fā)酵原料的C/N是影響發(fā)酵產(chǎn)氣的關(guān)鍵因素之一，過低或過高的C/N均影響底物發(fā)酵產(chǎn)氣，且研究認(rèn)為沼氣發(fā)酵最佳C/N為20～30∶1[16]。薛紅軍等[17]研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整進(jìn)料的C/N，可提升發(fā)酵產(chǎn)氣率，尤其當(dāng)C/N為21∶1時，產(chǎn)氣率明顯提高，發(fā)酵罐各項理化指標(biāo)也更加穩(wěn)定。李淑蘭等[18]研究表明，不同的C/N發(fā)酵原料對雞糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量也不同，當(dāng)C/N比為20∶1時，適合雞糞厭氧發(fā)酵且產(chǎn)氣潛力高。Jin N B等[19]研究也表明，在雞糞中添加較高C/N的廢棄物可平衡厭氧發(fā)酵中的營養(yǎng)且提高氨抑制閾值，進(jìn)而提高甲烷生產(chǎn)效率和產(chǎn)氣量?？梢?，過高過低的碳氮比都不利于累積產(chǎn)氣量，適宜的碳氮比可平衡發(fā)酵體系中的營養(yǎng)，穩(wěn)定發(fā)酵理化指標(biāo)，促進(jìn)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣。

1.2.4 微量元素

微量元素是沼氣發(fā)酵酶系統(tǒng)活性重要的組成成分，包括Fe、Ni、Co等元素。在沼氣發(fā)酵中添加Fe、Ni、Co等微量元素可提高產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖能力，激活酶的活性[20]。當(dāng)發(fā)酵液中的微量元素不足，將出現(xiàn)發(fā)酵系統(tǒng)穩(wěn)定性差以及產(chǎn)氣量低等問題。因此，可在畜禽糞便沼氣發(fā)酵過程中適量添加微量元素，不僅維持系統(tǒng)穩(wěn)定且能提高沼氣產(chǎn)量[21]。Molaey R等[22]研究微量元素的添加對雞糞厭氧消化的影響發(fā)現(xiàn)，在6 000 mg/L的高濃度總氨氮下，微量元素的添加可產(chǎn)生顯著的效果，累積甲烷產(chǎn)量以及生產(chǎn)速率分別提高了20%和39.5%。此外，Zhang H等[23]研究也發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e(2+)的加入延長了日產(chǎn)沼氣的高峰期，使累積產(chǎn)沼氣量提高18.1%。Lar J S 等[24]研究表明在牛糞中添加Ca和Fe元素對甲烷產(chǎn)量產(chǎn)生正向作用，可提高沼氣產(chǎn)量。綜上所述，在沼氣發(fā)酵中添加Co、Ni、Mo等微量元素可提高產(chǎn)甲烷菌的活力和數(shù)量，延長產(chǎn)氣高峰期，對提高產(chǎn)氣量具有顯著作用。

1.2.5 攪拌

攪拌是提高厭氧發(fā)酵效率的重要機理之一，主要是因為攪拌使發(fā)酵液中的氣體、液體以及懸浮的顆粒充分混合均勻，抑制毒性累積，促進(jìn)甲烷菌群繁殖，提高產(chǎn)氣量同時縮短發(fā)酵周期。但攪拌時間過長，會破壞產(chǎn)甲烷菌適宜生長環(huán)境和發(fā)酵平衡狀態(tài)，攪拌時間過短，則達(dá)不到攪拌效果，且過于強烈的攪拌也不利于發(fā)酵中的厭氧微生物生長和代謝，降低產(chǎn)氣量。張重等[25]研究牛糞發(fā)現(xiàn)，每次攪拌10min、15min并且每天攪拌4次的反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣量最高。另外，裴海林[26]也發(fā)現(xiàn)，對雞糞每天攪拌4次，每次進(jìn)行攪拌10min更利于產(chǎn)氣?？梢?，適宜的攪拌時間及次數(shù)能使畜禽糞便和微生物充分接觸，達(dá)到較好的混料效果，加快發(fā)酵速度，且利于提高產(chǎn)氣量。

1.2.6 有機負(fù)荷

有機負(fù)荷是影響沼氣發(fā)酵效果和產(chǎn)氣量的重要因素之一，在一定范圍內(nèi)，隨著有機負(fù)荷的增加，產(chǎn)氣量不斷累積。傅國志等[27]研究有機負(fù)荷對雞糞厭氧發(fā)酵影響發(fā)現(xiàn)，有機負(fù)荷在2.5～5.3 g VS/(L·d)范圍內(nèi)，發(fā)酵體系有機酸濃度處于較低范圍，且產(chǎn)氣率為2.58L/L，但當(dāng)有機負(fù)荷增加到6.0 g VS/(L·d)時，產(chǎn)氣率降低了23.5%。另外，MUHAMMAD HASSAN[28]以三種不同有機負(fù)荷1.4 g VS/(L·d)、2.9 g VS/(L·d)和4.4 g VS/(L·d) 對鵝糞厭氧發(fā)酵的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有機負(fù)荷為2.9 g VS/(L·d)時，此時產(chǎn)氣量最高，表明在一定溫度條件下，產(chǎn)氣率與有機負(fù)荷呈非線性增加，可能是由于發(fā)酵液中的微生物已經(jīng)達(dá)到飽和造成。Zhang C等[29]研究增加有機負(fù)荷對雞糞厭氧消化的影響發(fā)現(xiàn)，有機負(fù)荷低于11.5 g VS/(L·d)有利于沼氣產(chǎn)量增加，達(dá)到11.5 g VS/(L·d)后會出現(xiàn)體積沼氣生產(chǎn)速率(VBPR)、甲烷含量和揮發(fā)性固體(VS)去除效率下降，且出現(xiàn)氨抑制現(xiàn)象。

1.2.7 水力停留時間

水力停留時間的長短會對畜禽糞便沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響。羅立娜等[30]研究不同水力停留時間(4d、6d、8d、10d和12 d)對牛糞產(chǎn)氣量的影響發(fā)現(xiàn)，水力停留時間為6d時，微生物對物質(zhì)的利用速率達(dá)到平衡，此時的產(chǎn)氣效率最高、產(chǎn)氣量達(dá)到最大，且水力停留時間過短或過長都不利于產(chǎn)氣。何秋陽等[31]對雞糞做厭氧發(fā)酵試驗發(fā)現(xiàn)，水力停留時間為25d、31.2 d、41.7 d和83.3 d時，產(chǎn)氣率之比分別為2.46∶2.04∶1.76∶1，表明產(chǎn)氣率隨著水力停留時間的增加而降低?？梢?，對不同畜禽糞便進(jìn)行沼氣發(fā)酵的水力停留時間是不同的，且過短或過長的水力停留時間都不利于產(chǎn)氣。

2 沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的外在影響因素

2.1 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器

厭氧發(fā)酵反應(yīng)器是維持厭氧發(fā)酵的場所，高效的厭氧反應(yīng)器不僅能夠提高產(chǎn)氣量，而且還能減少成本，達(dá)到利益最大化。研究表明，在35℃條件下，使用厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)、升流式固體厭氧反應(yīng)器(USR)和厭氧復(fù)合反應(yīng)器(UBF)對豬場廢水處理性能進(jìn)行對比試驗發(fā)現(xiàn)，盡管相同質(zhì)量的畜禽糞便在反應(yīng)器內(nèi)表現(xiàn)出相同的出水濃度和去除率，但不同反應(yīng)器產(chǎn)甲烷的含量明顯不同[32]。Yang H 等[33]對三種生物反應(yīng)器即： ASBR、USR和UBF，進(jìn)行比較中發(fā)現(xiàn)，在有機負(fù)荷一樣時，ASBR、UBF和USR的最大體積產(chǎn)甲烷率分別為1.679、1.669和1.234 mL/gVS。與USR相比，ASBR和UBF具有更好的性能，可能是由于更高的固體停留時間與水力停留時間之比，顯示出更有效的生物量保持能力、污染物去除效率和甲烷產(chǎn)量。

2.2 厭氧發(fā)酵的方式

厭氧發(fā)酵方式的不同將會對畜禽糞便沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量產(chǎn)生影響，根據(jù)發(fā)酵物料中固體含量不同分為濕式厭氧發(fā)酵和干式厭氧發(fā)酵，相比于起步較早的濕式厭氧發(fā)酵，干式厭氧發(fā)酵逐漸受到關(guān)注。鄭盼等[34]研究發(fā)現(xiàn)，與濕式厭氧發(fā)酵相比，豬糞干式厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率較高，產(chǎn)氣率相比之提升了22.10%，表明干式厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率高于濕式厭氧發(fā)酵，且產(chǎn)氣效果更好。Jha A K等[35]對牛糞濕、干厭氧發(fā)酵進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，與濕式厭氧發(fā)酵(TS為7.68%)相比，干式厭氧發(fā)酵 (TS為15.18%)獲得較高的產(chǎn)氣量和VS去除率，并且在能源回收、資源節(jié)約和工程投資等方面具有優(yōu)勢?？梢?，干式厭氧發(fā)酵比濕式發(fā)酵產(chǎn)氣量更高、穩(wěn)定性更好，且節(jié)約水資源。

3 結(jié) 語

沼氣發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用使得大量的畜禽糞便得到有效合理地解決，同時本綜述對影響畜禽糞便沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的內(nèi)外因素進(jìn)行總結(jié)研究，旨在為提高產(chǎn)氣量以及利用率方面提供參考依據(jù)。另外，目前在提高沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量可從以下幾個方面完善：(1)引進(jìn)先進(jìn)的配套發(fā)酵裝置，加強畜禽糞便沼氣發(fā)酵的技術(shù)研究以及積極推廣。(2)結(jié)合使用干式與半干式技術(shù)進(jìn)行畜禽糞便厭氧發(fā)酵。

總之，提高畜禽糞便沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量是實現(xiàn)高效利用再生資源的有效途徑，對實現(xiàn)再生資源的生態(tài)經(jīng)濟良性循環(huán)具有重要意義。