農業廢棄物厭氧干發酵技術研究進展

陳潤璐 李再興 馮晶 姚宗路 羅娟 趙立欣

摘 要：中國是農業大國，農業廢棄物產生量逐年增加，但資源化利用率較低。厭氧干發酵技術主要用于處理總固形物質含量在20%～40%（質量分數）之間的固態有機物，是農業廢棄物資源化利用的有效途徑，具有用水量少、容積產氣率高等優點。由于較高的含固率，厭氧干發酵技術還存在反應器啟動慢、物料攪拌困難、傳熱傳質差等問題。厭氧干發酵裝置的創新與工藝參數的優化直接關系到該技術的進一步推廣與應用。通過比較典型的序批式和連續式厭氧干發酵反應器的運行特點，分析主要工藝參數對厭氧干發酵運行過程的影響，綜述了近年來國內外厭氧干發酵技術的研究和應用現狀，提出了當前厭氧干發酵技術存在的不足，并在技術裝備和工藝研究方面對該技術未來的發展趨勢進行了展望：開發厭氧干發酵裝置中關鍵環節的設計方法;開展沼渣流變特性、微生物動態變化等深層次機理方面的研究。

關鍵詞：固體污染防治工程;農業廢棄物;厭氧干發酵;反應器;工藝參數

中圖分類號：X713?文獻標識碼：A

文章編號：1008-1542（2020）04-0365-09

doi：10.7535/hbkd.2020yx040010

近年來，中國農作物秸稈和畜禽糞便等農業廢棄物的產量不斷增加。調查結果顯示，2015年，中國主要農作物秸稈理論資源量達到1.04×109 t，可收集資源量為9×109 t，可利用量為7.2×109 t[1]，禽畜糞污產量高達3.8×1010 t[2]。由于不適當的處理利用方式，不僅浪費農業廢棄物資源，還導致了面源污染的問題。利用農業廢棄物厭氧發酵生產沼氣具有費用低、技術成熟、能量回收率高等優點，廣泛應用于農業廢棄物的資源化利用[3]。

根據發酵底物總固形物質（TS）含量的不同，厭氧發酵可分為厭氧濕發酵和厭氧干發酵。厭氧濕發酵中TS含量一般小于10%[4]，原料呈液態。德國等沼氣產業發展較為成熟的國家，沼氣工程中大多采用厭氧濕發酵技術，應用率約為90%[5]。目前，中國規模化沼氣工程中也普遍采用厭氧濕發酵技術，尤其是全混式厭氧發酵技術[6]。然而，采用厭氧濕發酵技術處理糞污會產生大量沼液，需要消納大量耕地，施用不當還會造成二次污染[7]。隨著工程規模逐漸增大，問題愈發嚴重，沼液消納問題已經成為制約濕法厭氧發酵技術進一步推廣應用的瓶頸。此外，厭氧濕發酵技術還存在后續處理困難、反應器占地面積大、運行費用高等問題[8]。厭氧干發酵技術發酵底物的TS含量為20%～40%[9]，原料呈固態。厭氧干發酵彌補了厭氧濕發酵用水量大、沼液處理困難、后續處理費用高等缺點，具有原料處理量大、容積產氣率高等優點[10]。鄭盼等[11]的研究表明，以豬糞為原料進行厭氧干發酵，其產氣率較厭氧濕發酵提升22.10%，且產氣時間更長。近年來，歐洲新建沼氣工程的60%采用厭氧干發酵技術，占歐洲沼氣工程總數量的9%。目前，中國規模化養殖場廣泛應用干清糞工藝，固體糞便產量增多，為厭氧干發酵技術的應用創造了良好環境。

根據反應器運轉方式的不同，厭氧干發酵技術主要分為序批式和連續式2種。序批式是將物料一次性加入，發酵過程不再添加新物料，待發酵結束后，排出殘余物再重新投料發酵。該技術設計簡單、易于控制，對粗大雜質適應能力強。連續式是從反應器啟動以后，每天連續定量地向發酵罐內添加新物料并排出沼渣沼液，實現反應器的連續運行，具有產氣連續穩定、容積產氣率高、干物質降解率高、處理量大等優勢[12]。受反應器運行方式和地域溫差的影響，連續厭氧干發酵技術更適用于中國華北和西北地區，這些地區溫度較高、溫差較小，降水量較少，且農作物較多，適合一年四季連續運行，實現穩定生產。

本文通過分析比較近年來國內外利用厭氧干發酵技術處理農業廢棄物的研究進展和工程實例，綜述了厭氧干發酵過程中原料預處理、原料性質、接種物、溫度、停留時間、攪拌等工藝條件對運行效果的影響，分析目前厭氧干發酵關鍵裝置設計方法以及深層次機理方面存在的問題，為進一步優化厭氧干發酵技術提供依據和支撐。

1?厭氧干發酵反應器的研究現狀

1.1?國外厭氧干發酵反應器的研究現狀

目前，國外對于厭氧干發酵技術的研究較為成熟，已有較多商業化應用，并取得了良好的運行效果。比較成熟的工藝有比利時Dranco工藝、法國Valorga工藝、瑞典Kompogas工藝、德國Bioferm工藝、德國Loock TNS工藝等[6]，典型的厭氧干發酵工藝過程如圖1所示，特征參數如表1所示。從表1可以看出，幾種工藝都適用于較高含固率物料在較高溫度下的發酵，且部分發酵剩余物可作為接種物回流到反應器進行二次發酵。但國外開發的厭氧干發酵工藝多用于城市生活垃圾的處理，用于處理桔桿畜禽糞便等農業廢棄物的報道較少[12]。

1.2?國內厭氧干發酵反應器的研究現狀

目前，中國設計的反應器類型主要有推流式、立式、臥式、車庫式、覆膜槽式等。這幾種反應器的運行特點及存在問題如表2所示。在研究方面，農業農村部規劃設計研究院設計了橫推流式連續厭氧干發酵裝置，初步建立了橫推流式連續厭氧干發酵裝備設計選型方法，并試制了中試裝置。利用上述裝置，馮晶等[12]采用秸稈和牛糞混合原料啟動反應器，連續調試運行結果表明，中溫條件下混合原料降解率可達40%以上。在工程應用方面，中國建設的厭氧干發酵工程主要應用于農作物秸稈和畜禽糞便處理，以引進整套國外技術裝備、建設大規模的集中處理工程為主，如表3所示。中國對厭氧干發酵技術的研究起步較晚，技術水平與國外有較大差距，國內自主知識產權成套技術裝備的應用案例較少。

2?厭氧干發酵工藝條件對運行的影響

2.1?原料預處理

秸稈的主要成分為難降解的纖維素、半纖維素和木質素等，對其進行預處理可以破壞秸稈內部的組織結構，提高秸稈的降解性能和產氣性能。原料預處理方法主要有物理處理、化學處理和生物處理等。CHU等[20]，MULLER等[21]分別應用超聲波和機械破碎的物理方法對發酵原料進行預處理;LPEZ等[22]、崔鳳杰等[23]、羅立娜等[24]分別應用Ca（OH）2，NaOH和尿素氨化的化學方法對原料進行預處理;黃開明等[25]、李偉[26]分別應用復合微生物菌系HK-4和沼液堆漚的生物方法對原料進行預處理。ESPOSITO等[27]對發酵原料粒徑進行了研究，得出結論：粒徑越大，甲烷的產率越低。KIM等[28]對顆粒大小的研究也表明，顆粒尺寸與厭氧微生物的最大底物利用率成反比。由此看出，研磨、粉碎等預處理可減小原料粒徑，更有利于發酵原料混合均勻，提高產氣率。

2.2?原料性質

調節原料混配比例可以顯著改善原料理化特性和營養成分，進而對厭氧發酵過程產生影響。目前已有大量關于原料配比對厭氧發酵產氣效果影響的研究報道。一般認為，碳氮比調節在25%～30%的范圍內最優[29]。不同類型原料粒徑、黏度等物理特性差異較大，原料混配將顯著改變原料的流變特性，影響物料連續厭氧干發酵密封進出料、物料攪拌、傳質、傳熱等過程。尹偉齊等[30]認為進行物料流變特性的研究可以為研究物料在發酵過程中的流動行為奠定基礎，同時也可以為反應器的設計和優化提供依據和支撐。劉刈等[31]研究了6 種厭氧發酵原料的流變特性，研究結果表明，隨著厭氧發酵的進行，鴨糞的黏度下降，而豬糞、羊糞和牛糞的黏度上升，雞糞與兔糞的黏度變化不明顯。劉剛金[32]的研究結果表明，豬糞干發酵物料的流動性與物料的固體濃度、有機物比例以及物料種類、配比有關。

2.3?接種物

接種物的來源和接種量（接種物占發酵總原料的比例）對厭氧發酵的啟動周期、物料停留時間、產氣性能以及發酵過程中pH值、VFA和COD等均具有顯著影響[33]。厭氧發酵接種物可選用厭氧污泥、新鮮沼渣等，接種物添加量為發酵料液的10%～15%[34]。而厭氧干發酵過程中發酵物料含固率較高，對接種量具有更高的要求[35]，需要加大接種量實現快速啟動，增加了運行成本。不同原料的最適接種量不同，李金平等[36]的研究表明，當接種污泥與牛糞玉米秸稈混合時，接種量為40%時，整個厭氧發酵階段（38 d）累計產氣量最高，為207.46 L，

甲烷平均含量52.2%;與牛糞甘藍葉混合時，接種量為30%時，整個厭氧發酵階段（38 d）累計產氣量最高，為159.96 L，甲烷平均含量47.8%。目前對于接種物的研究主要集中在對接種物種類和接種量的優化方面，且研究較為成熟。但對接種方式以及接種物活性方面的研究較少，而這些方面都可能會影響接種質量，從而影響系統的產氣性能。

2.4?溫度

溫度會顯著影響產甲烷菌的生長與動力學速率，進而影響產氣效果。厭氧干發酵可以在一個較廣泛的溫度范圍（4～65 ℃）內運行，但大量研究數據表明，中溫和高溫條件都更有利于厭氧發酵的進行。中溫下運行是指反應器內的溫度在25～40 ℃之間，優化值為35 ℃。MASSE等[37]認為在20～35 ℃范圍內，產甲烷活性隨溫度升高而增加。相比于高溫運行，中溫條件下運行的熱需求較低，且由于種群的多樣性，使得運行更穩定。高溫下運行是指反應器內溫度高于50 ℃，典型的高溫運行溫度為55 ℃。高溫下運行促使微生物群落具有對底物較高的利用率，相比于中溫運行，底物的降解速度更快。如HEGDE等[38]報道，以蔬菜廢料和木屑為原料，在55 ℃時脂肪酸的降解速度比在38 ℃時要快，到達甲烷產率最高值的時間短。但高溫運行的熱需求較大，而快速增加的VFA以及相對單一的菌群種類，使得運行穩定性降低，運行成本也會隨之提高。中溫和高溫厭氧消化各自具有其優缺點，但由于中溫厭氧消化具有操作簡便、運行穩定、對反應器系統的運行壓力及風險較小等原因，多數工程選擇中溫作為運行條件。

2.5?停留時間（HRT）

HRT是影響底物利用率的重要因素之一[39]。研究表明，厭氧干發酵往往需要大量的接種物，因此需要的停留時間較長[40]，但不同發酵原料及溫度條件下的最適停留時間不同。典型中溫厭氧發酵的停留時間為20～25 d，高溫厭氧發酵的停留時間為10～15 d[41]。WELLINGER[42]發現，在中溫條件下，以牛糞為原料進行厭氧干發酵需要停留時間為12～18 d，牛糞與秸稈混合為18～36 d，豬糞為10～15 d。受物料性質和接種物的影響，厭氧干發酵達到穩定運行的周期很長，而大型沼氣工程可能需要長達幾年的時間，這會增加厭氧干發酵的設備投入，增加運行成本。可通過培育高效厭氧干發酵菌種，縮短到達穩定的時間，從而降低運行成本。

2.6?攪拌

攪拌可以使厭氧干發酵的物料混合均勻，保證較好的傳熱、傳質效果，增強產氣效果[43]。由于厭氧微生物代謝較慢，發酵過程中也會有沼氣逸出起到輕微的攪拌作用，故在干發酵過程中只要求間歇或輕微攪拌[44]。KAPARAJU等[45]也認為，攪拌速度要適中，過快或過慢都會影響厭氧發酵效果。齊利格娃[46]還報道，攪拌在一定程度上影響了古菌群落的生長與代謝，攪拌周期對產甲烷速率的影響大于攪拌強度。相比濕法發酵，干法發酵攪拌阻力大，發酵原料混合困難，混合攪拌的性能成為影響厭氧干發酵傳熱傳質性能的主要因素。因此，選用的攪拌裝置不僅要克服畜禽糞便等原料產生的黏性等阻力，還要達到迅速傳熱的目的，可以結合發酵原料流變特性和攪拌裝置材質研制出適用干法發酵的攪拌裝置。

表4綜述了近年國內外關于厭氧干發酵過程中原料混配比例、接種物、溫度、停留時間和攪拌的研究情況。

3?結論與展望

厭氧干發酵技術是農業廢棄物資源化利用的有效途徑，在能源匱乏的今天具有顯著優勢。相比序批式厭氧干發酵技術，連續式厭氧干發酵技術具有產氣穩定、有機負荷高、容積產氣率高等優點，是未來厭氧干發酵技術的重要研究方向。目前，國外已經形成了Dranco，Valorga，Kompogas，Bioferm，Loock TNS等厭氧干發酵工藝，并進行了工程應用。中國也研制了推流式、立式、臥式、車庫式、覆膜槽式等厭氧干發酵裝置，但在國內的沼氣工程中鮮有應用。厭氧干發酵裝置的創新和工藝參數的進一步優化是目前限制中國厭氧干發酵技術推廣的重要因素。國內外針對原料預處理、原料性質、接種物、溫度、停留時間、攪拌等工藝參數對厭

氧干發酵效果的影響進行了大量研究，為工藝參數的進一步優化提供了借鑒。與國外先進、成熟的技術相比，中國在技術裝備和工藝研究方面仍需要解決或考慮以下問題。

1）技術裝備方面：

①中國對研制的厭氧干發酵反應器只進行了工藝試驗研究，缺乏工程應用案例，相比國外而言，缺乏具有自主知識產權的技術裝備，需要創新開發厭氧干發酵成套設備，為農業農村有機廢棄物的資源化利用提供支撐;

②針對干法發酵目前存在的進出料困難、攪拌不均、傳熱傳質差、運行周期長等問題，需要進一步創新高含固率有機廢棄物連續厭氧干發酵裝置中進出料、物料輸送、攪拌等關鍵環節的設計方法。

2）工藝研究方面：

①目前對厭氧干發酵工藝的研究主要集中在工藝調控對厭氧干發酵產氣性能方面的影響，對物料流變特性、微生態動態變化等方面的研究較少。應加強對厭氧干發酵技術的深層機理研究，揭示厭氧干發酵過程中沼渣流變性能的變化規律及微生物動態特征與關鍵工藝條件的響應規律，為厭氧干發酵裝置的設計與工藝優化提供參考;

②目前對厭氧干發酵效果的影響大多局限在產沼氣方面，對產酸、沼渣等發酵副產物的研究較少，應拓寬連續厭氧干發酵產物的研究領域，加大發酵副產物資源化利用途徑方面的研究。

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