東北地區沼氣發酵技術現狀研究

邢向欣　趙國明　裴海林

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

關鍵詞：東北地區；沼氣；發酵技術

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

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

1 東北地區沼氣發酵技術類型

1.1 濕法厭氧發酵

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

1.1.1 完全混合式厭氧發酵工藝

完全混合式厭氧發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，攪拌方式為中心攪拌和傾斜攪拌。其優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。

完全混合式厭氧發酵工藝可廣泛應用于酒精廢液及牲畜糞便等工農業廢水的處理。

1.1.2 機械攪拌推流式厭氧發酵工藝

機械攪拌推流式厭氧發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，呈活塞式推移狀態從另一端流出，反應持續，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酵工藝可廣泛應用于對畜禽養殖的糞便、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酵工藝

臥式多軸機械攪拌厭氧發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，環保系數高。

臥式多軸機械攪拌厭氧發酵工藝適合秸稈和畜禽糞便等的厭氧消化處理。

1.2 干法厭氧發酵

規模化干法厭氧發酵是指發酵原料干物質濃度在20%～50%范圍內所進行的厭氧發酵，主要有批量式干法厭氧發酵和連續式干法厭氧發酵2種技術模式。

1.2.1 批量式干法厭氧發酵

批量式干法厭氧發酵工藝是將畜禽糞便、農作物秸稈等農業有機固體廢棄物在保持固體狀態（TS=20-50%）下，經過“好氧—厭氧—好氧”發酵，轉化為清潔能源沼氣和優質有機肥。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接，底部鋪有地熱管，兩側墻頂部設有軌道。好氧發酵時，攪拌器通過在軌道上滑行攪拌槽體內物料，厭氧發酵時不攪拌。其特點是發酵自耗能低，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；發酵室采用模塊化設計，易普及。

批量式干法厭氧發酵工藝適用于集約化養殖糞便和農作物秸稈的處理，城市垃圾處理環節的配套，食品加工廢棄物、發酵工業加工廢棄物及廚余垃圾處理等。

1.2.2 連續式干法厭氧發酵

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

連續式干法厭氧發酵工藝適用于規模化養殖糞便及廚余垃圾的處理，農村集中沼氣供應等。

2 東北地區沼氣發酵影響因素

2.1 沼氣發酵與原料

東北地區沼氣發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、富碳和常規對照3種不同發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：在相同發酵濃度、同等溫度的條件下，豬糞、牛糞、羊糞沼氣發酵產生的氣體中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酵原料的研究表明：在37±1℃的條件下，發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，純玉米秸稈作為發酵原料時，發酵慢，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，發酵時不易被沼氣微生物降解。

2.2 沼氣發酵與原料預處理endprint

發酵原料預處理可以有效的縮短發酵時間，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，稻草秸稈變為褐色，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酵，產氣量在50d內維持一個穩定、較高的水平，甲烷含量達到60%以上。牛明芬等[18]的研究表明：用發酵液和秸稈發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，方便混勻發酵物料，減小發酵體積，縮短發酵時間，提高有機物降解率，沼氣產量顯著增加。

2.3 沼氣發酵與碳氮比

各種原料的碳氮比決定著沼氣發酵原料配比合理性。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酵試驗研究表明：碳氮比為22的純豬糞處理在環境溫度為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境溫度為30℃時產氣量最多，產氣速率適中。

2.4 沼氣發酵與環境溫度

沼氣發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，在沼氣發酵的過程中溫度決定著發酵原料的消化速度，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，在沼氣發酵的過程中溫度決定著發酵原料的消化速度。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，但發酵周期隨溫度的改變而改變，15℃時發酵周期360d，35℃時發酵周期為30d。

2.5 沼氣發酵與干物質濃度

沼氣發酵根據干物質濃度的不同，可分為濕式和干式2種。一般干物質濃度小于10%稱為濕式發酵，其特點是發酵原料易于水解，生化反應速率快，產氣穩定；干物質濃度大于10%稱為干式發酵，其特點是有機負荷率可高達10Kg/m3.d，所需發酵裝置容積小，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酵試驗表明，沼氣發酵啟動時間隨干物質濃度質量分數的增加而增加，干物質濃度質量分數為4%時，啟動時間為75d，比干物質濃度質量分數為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 東北地區沼氣發酵的應用前景

東北地區沼氣發酵原料十分充足，農業有機廢棄物的數量不斷增加，循環利用率較低。據統計[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。吉林省規模化、集約化養殖產生糞便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，直接進入環境。農業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。如能運用生態工程對這些有機廢棄物進行有效的處理和利用，將對節約自然資源，防止環境污染，實現資源的生態經濟良性循環具有重要意義。

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