厭氧發酵技術在畜禽養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.中國農業大學工學院(生物質工程中心)，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（實驗）中心（中國農大），北京 100083；3.中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

厭氧發酵技術在畜禽養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.中國農業大學工學院(生物質工程中心)，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（實驗）中心（中國農大），北京 100083；3.中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

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

厭氧發酵；畜禽糞水；資源化利用

近年來，隨著畜禽產品消費量以年10%的速率上升，規模化養殖業快速發展，畜牧業產值占農業生產總值比重約為1/3，但是規模化飼養也造成了糞尿和畜禽沖洗水集中大量產生[1]。《第一次全國污染源普查公報》顯示，畜禽養殖污染是主要的農業污染源；據孫振鈞等估計，到2020年我國畜禽糞便年產生量將超過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，被公認是合乎環境可持續發展要求、最有前景的發展技術之一[3]。畜禽糞便經過固液分離的液相部分，以及水沖糞等用水量大的工藝產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，發酵時間較短。目前根據畜禽養殖廢水的特點，厭氧發酵目標分為兩種，一種是追求高的沼氣產量，同時實現對環境的零污染，另一種是不以沼氣產量為目標，僅追求對環境的保護作用。

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年代發展起來，設置有攪拌和加熱保溫裝置，可以連續進出料的反應器，反應器內部在連續攪拌時物料處于接近完全混合的狀態，厭氧微生物和基質有良好的接觸。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，優點是進料對系統沖擊較小，運行穩定，便于管理，廣泛地應用在畜禽養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，需根據具體的原料特性和工程總體設計確定，且為保障一定的經濟性和運行的穩定性，全混式工藝處理廢水多采用中溫發酵，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、側攪拌和內部斜攪拌等形式，應根據工程需要選擇適宜的攪拌形式。在實際工程中，全混式工藝可根據需要有多級工藝組合的形式，如“一級發酵+二級發酵”和“高溫發酵+中溫發酵”等組合工藝，對于全混式發酵工藝的出料，因其仍具有一定的產氣能力，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

全混式發酵工藝適合處理未經固液分離的養殖場糞水或糞便，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 全混式反應器的內部攪拌

圖3 山東某公司沼氣工程采用全混式發酵反應器

圖4 ABR反應器的示意圖

圖5 豬糞（左）和牛糞（右）液相的快速發酵產氣示意

折板反應器（ABR）是20世紀80年代發展起來的，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，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、低濃度的畜禽養殖廢水。

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

2.2 工藝要求

ABR反應器隔室數量通常為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反應器的重要環境參數，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體積，在實際運行中應控制較好的流態，適宜的水力停留時間和產氣是保障反應器良好流態的重要因素；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殖廢水處理中的一個單元，后續應匹配好氧生物處理工藝以繼續降解COD和氨氮。

3 糞水快速厭氧消化

3.1 技術原理

糞水經過了固液分離之后，大量的有機物被轉移至固相。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。通常對這部分經過固液分離的液相進行快速厭氧消化，然后進入密閉穩定塘長期貯存。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以內的時間里即可完成發酵產氣，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定塘相似的結構，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酵產氣。推流式反應器結構較簡單，可建成半地上，池頂用水泥蓋板封閉或用覆膜的形式。反應器內通常不設置機械攪拌，可以將沼氣循環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較強的水解酸化作用，在后端以產甲烷作用為主，是一種多階段的發酵工藝[9]。

3.2 工藝要求

快速厭氧發酵處理的對象是含有較低懸浮固體的廢水，畜禽養殖的糞便經過固液分離后可以作為處理對象；根據工程建設地的氣溫，快速厭氧發酵單元可以不加保溫，適用于南方溫暖氣候的地區；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；反應器應充分考慮沼氣的收集，在內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良好的料液流態，輔助適宜的氣體攪拌或其他攪拌系統，使反應器內有較好的傳質效果，避免前端的過度酸化，并克服攪拌不足導致的沉渣。

圖6 推流式反應器的結構示意

圖7 推流式反應器厭氧發酵工程（上：柔性覆膜蓋頂，下：混凝土結構蓋頂）

3.3 技術路線

圖8 糞水快速發酵與長期儲存工藝流程

4 結束語

畜禽養殖糞便和廢水的處理已成為制約養殖業發展的瓶頸問題，厭氧消化產沼氣是廢物治理以保護環境的技術手段。根據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，也可以采用能夠實現廢水快速發酵的厭氧折板反應器和推流式反應器，配置發酵液的長期儲存，降低沼氣工程的成本。

[1] 馬永喜.規模化畜禽養殖廢棄物處理的技術經濟優化研究[D].杭州：浙江大學, 2010.

[2] 孫振鈞,袁振宏,張夫道，等。農業廢棄物資源化與農村生物質資源戰略研究報告[R].國家中長期科學和技術發展戰略研究,2004.

[3] 蓋希坤, 張良佺. 禽畜廢水厭氧反應動力學研究[J].農業機械學報,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].農業工程學報,2007,23(9)﹕186-190.

2017-04-21）

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

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

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