混合發酵產沼氣原料的研究概況

嚴 勃，傅 舒

（1.成都市城市環境管理科學研究院，四川 成都 610031；2.成都中科能源環保有限公司，四川成都 610041）

1 混合發酵的原料類型

混合發酵是指2種或2種以上的原料作為底物進行厭氧發酵的過程。原料的類型及其復雜度極大地影響了發酵的效率。研究發現各種原料經過復配后，可以調節發酵系統中的碳氮比（C/N），避免由單一原料發酵產生的系統緩沖能力低下、穩定性差等問題。

目前，國內可利用的沼氣發酵原料一般為畜禽糞便，其中豬糞最多，其次為牛糞，雞糞最少。以作物秸稈為原料的厭氧發酵工程也得到了較好的發展，使秸稈得到有效地資源化和無害化處理。然而，產業廢棄物、城市污泥、城市生活垃圾等也是沼氣發酵的重要原料之一，但以上原料在國內卻鮮有應用［1-2］。

1.1 農業廢棄物

農業廢棄物主要包括畜禽糞便、農作物秸稈等，將我國產生的農業廢棄物用于沼氣發酵，可產生沼氣3.111×1011m3，具有巨大的能源化潛力［3］。

1.1.1 畜禽糞便

畜禽糞便，包括豬糞、牛糞、兔糞、雞糞等，在生物質原料中占有很大比重。糞便是富氮原料，C/N一般為10～30，十分適合厭氧菌的生長繁殖。在混合發酵工程中，畜禽糞便含有較多的易被微生物利用的有機物，具有發酵周期短，啟動時間早，產氣速率快等優點，還為發酵系統提供了良好的緩沖性能［4］。幾種常見畜禽糞便的特性見表1［5-8］，可以看出在35℃條件下各種原料的沼氣潛力。同時，通過對C/N的分析可以為混合發酵的原料互配提供參考。

表1 畜禽糞便的特性（溫度：35℃）

在畜禽糞便中，豬糞和牛糞研究得最多。兔糞的體積小且分散，使其在發酵過程中不易下沉，阻礙了底物與微生物或酶的接觸，降低了降解效率。羊糞也同樣存在不易下沉的問題。雞糞由于C/N低，且含有較高濃度的氨態氮，會對微生物產生一定毒性，作為單一原料進行發酵很困難，為了減少氨抑制，研究人員在雞糞和其他原料的混合發酵上進行了研究。楊廣忠等發現，當雞糞與城市生活垃圾混合發酵時可以提高產氣潛能［9］。M i s i e t等的研究表明，當雞糞、牛糞和糖蜜進行混合發酵時，累積產甲烷量明顯高于單一原料發酵［10］。

1.1.2 作物秸稈

作物秸稈是一種極其重要的富碳生物質原料，我國每年產量約6.0×107t，主要有水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈，以及少量的豆類和油料秸稈等［11］。作物秸稈含有較多木質素和纖維素成分，使得C/N較高，不易被微生物分解，所以在進行厭氧發酵時存在啟動慢，發酵周期長，產氣速率低等缺點，但其產氣潛力卻不比畜禽糞便低。表2為作物秸稈原料的特性［6-7］。為了有效利用這一大類生物質原料，研究者們在混合發酵方面進行了大量研究。

表2 作物秸稈特性（溫度：35℃）

張翠麗等發現，豬糞與麥稈混合后累積產氣量比豬糞作為單一發酵原料時高2.4倍［12］。X.Wu等的研究表明，當玉米稈、麥稈作為額外碳源補充添加進豬糞中進行混合發酵時，產氣量和甲烷濃度明顯增加，其中添加玉米稈效果最好［13］。劉戰廣等的研究發現當稻草和豬糞混合發酵時，產氣高峰比單一原料發酵提前了11～15 d［14］。

1.2 產業廢棄物

產業廢棄物如酒糟、蔗渣、豆渣等含有大量有機物成分，是沼氣發酵的優質原料，但用于沼氣發酵還少見報道。劉娟娟等在豬糞中添加質量分數約為9%（基于干物質量）的酒糟，25℃發酵的產氣量比未添加組提高了52.6%［15］。何辰慶等的研究表明，將豆渣和雞糞配成C/N為15.6∶1的混合原料后連續發酵，容積產氣率可達到3.9 m3/（m3·d）［16］。Kalyani Sen等在麻風樹榨油后的油餅中添加甘蔗渣進行混合發酵，發現甲烷產率從0.064 m3/kg提高至0.136 m3/kg［17］。

1.3 城市生活垃圾

1.3.1 餐廚垃圾

我國城市生活垃圾產生量巨大，其中36%～45%為餐廚垃圾，餐廚垃圾主要包括米飯、蔬菜、肉類、骨頭等，其中的成分為：可溶性糖>脂肪>蛋白質>纖維素。來源不同的餐廚垃圾C/N各有不同，但均為18～24。高鹽分和高脂肪含量的餐廚垃圾容易對厭氧發酵產生抑制［18］。

J.Cho等在37℃條件下厭氧發酵28 d，得到肉類、米飯、白菜和混合餐廚垃圾的甲烷產氣潛力分別為 482、294、277、472 L/kg［19］。易龍生等在 55℃條件下厭氧發酵30d，得到混合餐廚垃圾、米飯、蔬菜和肉類的沼氣產氣潛能分別為508.3、478.2、433.3、206.8 L/kg［20］。

1.3.2 混合生活垃圾

生活垃圾的組成復雜，國外有資料報道其C、N元素質量分數分別為10%～20%、0.5%～1.0%［21］。牛俊玲等測得北京朝陽區生活垃圾的C/N為23［22］。郭亞麗等將江蘇淮陰的生活垃圾進行漚解預處理后，在22～24℃條件下發酵60 d后測得其產沼氣潛力為 0.389 m3/kg［23］。

H.Hatmann等的研究發現，當城市有機垃圾和糞便以1∶1混合產甲烷率可達0.63～0.71 L/g［24］。O.N.Agdag等的研究表明，當污泥與城市生活垃圾以1∶2質量比（基于干物質質量）進行厭氧消化后，累積產甲烷量比單一城市垃圾厭氧消化時分別提高了67%［25］。

1.4 污水污泥

我國污水污泥的有機碳與氮素平均質量比為8.2，美國為11.9，均偏低。由于污泥中有機碳濃度較低，在單獨厭氧發酵時含氮物質溶出較快，可能導致氨氮濃度過高，使發酵過程受到抑制［26］。同時，污泥中含有非常復雜的有機物和重金屬，直接用于厭氧發酵會導致產沼氣效率不高。因此，關于污泥的厭氧發酵前處理技術和混合原料發酵技術得到廣泛研究。

N.Hamzawi等對城市垃圾和污泥混合發酵的技術可行性進行了研究，發現當垃圾和污泥的干物質比為1∶2時，表現出了最大的產甲烷量。其中生化性最好的是白紙和草料，生化性最差的是報紙［27］。高瑞麗等將剩余污泥與餐廚垃圾混合后進行厭氧發酵，沼氣產量比污泥單獨發酵時提高了5倍，甲烷濃度提高了1.5倍［28］。Xiaohu Dai等發現污泥或者餐廚垃圾單獨發酵時會導致系統中氨氮濃度或者Na+濃度偏高從而抑制、甚至中止反應的進行［29］。高軍林等在剩余污泥中添加酒精糟液，沼氣平均日產量比污泥單獨發酵增加了1.78倍［30］。

2 混合原料配比

在混合發酵中，不僅原料種類對混合發酵的性能有很大影響，原料配比也是影響發酵的關鍵因素。研究原料的混合比不僅可以達到適合沼氣發酵最優營養條件及最佳C/N，還可以解除底物降解產物，如揮發酸、氨等，對發酵體系產生抑制，提高發酵效率和產氣量。

2.1 C/N

C/N是指有機物中C與N元素質量之比。不同原料經混合后，可顯著改善底物的C/N，使其更容易被微生物降解。當C/N過高時，氮含量較低，緩沖能力較差；當C/N過低時，氮含量較高，易引起pH的升高和氨氮的釋放，對發酵過程會產生抑制。多數研究表明，厭氧發酵的最適C/N為10～30。

Hong Wei Yen等以海藻污泥（C/N為5.3） 和廢紙（C/N為2000）為研究對象，將二者以不同質量比混合進行沼氣發酵后，發現當底物的C/N為18.0時，甲烷容積產氣率比單一的污泥和廢紙發酵分別提高2.0倍和2.6倍［31］。太湖的富營養化導致大量藍藻生長，Weizhang Zhong等將藍藻（C/N為6.1）和水稻秸稈（C/N為70.9） 進行混合發酵發現，當C/N為20時發酵系統表現出最大的甲烷產率，比單一的藍藻提高46%［32］。高瑞麗等發現當城市污泥與廚余垃圾質量比為2∶1時，原料的C/N從4.8提高至13.4，累積產氣量比單一的污泥發酵提高1.5倍，與P. Sosnowski等的研究結果類似［33］。劉戰廣等在對豬糞 （C/N為12.6） 和稻草 （C/N為27.4）配比對厭氧發酵影響的研究中發現，當糞草比以2∶1（C/N為17.2） 混合發酵時產氣速率提高［14］。當混合原料C/N為13～20時有較好的發酵效率。

2.2 質量配比

李東等在對廚余垃圾和廢紙混合發酵產沼氣的研究中發現，當廚余垃圾和廢紙以85∶15（基于干物質量）的配比進行發酵時，得到了最大的產甲烷率360 mL/g，比65∶35的配比進行發酵時的產氣率高29%，而單一原料的廚余垃圾由于在酸化階段產生的VFA濃度高于13000 mg/L，而使發酵中止［34］。王曉嬌等在以牛糞、雞糞、稻草為原料的混合沼氣發酵時對試驗數據進行了方差分析，表明原料質量配比對發酵周期無顯著影響，但對累積產氣量有影響［35］。張彤等研究發現，當溫度為25、30℃時，累積產氣量的增加隨著麥稈質量比的增加而增加，當溫度為35、40℃時，則結果相反［36］，說明在不同的溫度條件下，影響的沼氣產量的因素可能不同。

3 混合發酵的優勢

隨著沼氣發酵的研究不斷深入，混合發酵的應用將會越來越廣泛。與單一原料發酵相比較，它具有諸多優勢：①改善原料的結構特性，增強介質傳遞，提高微生物對原料的利用率。②促進發酵底物的營養平衡，增強發酵系統的緩沖能力和有機負荷。③減少毒性抑制，增強系統穩定，提高發酵效率。④彌補戶用沼氣池原料短缺的問題。隨著農村經濟的發展，畜禽養殖方式已由農戶分散養殖發展為集中養殖，這必將減少農村戶用沼氣池的發酵原料，因此混合原料發酵將有效解決戶用沼氣池原料短缺的問題。

4 存在的不足及展望

混合發酵的原料成本對其經濟性有很大的影響，在原料收集與分類方面存在的一些不足將在很大程度上制約了混合發酵技術的應用。混合發酵所用的原料組成復雜，原料來源及理化性質不一，使得其用于厭氧發酵之前需經過一定的預處理。因此，如何優化組合各種預處理技術，并對混合原料進行同步預處理發酵是混合發酵技術未來的發展方向之一。同時，原料的流變性也對混合發酵有重要影響，今后應對各種原料的流變性進行深入研究并在此基礎上設計出更高效的混合發酵反應器。另外，混合發酵中多種原料的混合增加了工序和設備的投資；且出水的COD通常較高、發酵結束后的原料衛生情況較差，均需要進行額外的處理。因此，不僅要繼續加強基礎研究，還應加強沼氣發酵工程的實際應用研究，開發適合我國具體情況的混合發酵技術。

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