畜禽糞便厭氧發酵技術研究

張馨月 丁偉 矯云學 張蕾蕾

摘要：近年來，我國畜牧業和養殖業飛速發展，給我國農業部發展帶了極大的經濟效益。然而，與此同時，大量畜禽糞便及農業廢棄物也造成了環境污染問題，這與我國可持續發展的理念背道而馳。對此，我國相關部門一直在研究其解決辦法。其中，畜禽糞便厭氧發酵技術因其在技術和經濟上的優勢，逐漸被廣泛應用。

關鍵詞：畜禽糞便;厭氧發酵

我國從古至今都是農業大國，農業生產在相當長的一段時間內都占據國民生產的重要地位。隨著時代進步和科技水平的提高，我國的畜禽養殖業已形成相當大的規模，這在一方面滿足了人們對于肉蛋奶類制品的需求，而在另一方面，其帶來的大量環境污染物問題也十分嚴重。在相關部門的重視和不斷探索中，畜禽糞便厭氧發酵技術被廣泛應用，不僅改善了環境問題，更實現了廢物利用，帶來了可觀經濟效益，是今后處置農業廢棄物和畜禽糞便的發展方向。

1 ?厭氧發酵意義

隨著我國國民經濟的不斷發展，人們生活水平也在日益提高。居民對日常飲食中對肉蛋奶類制品的需求不斷擴大。這對中國畜牧養殖業提出了更大的要求，促使畜牧業和養殖業朝著規模化的方向不斷發展。其中發展最快的是豬，牛，羊的養殖業，全國大中型養殖場的數量已經擴大到4萬多家。畜禽養殖業不僅帶來了巨大的經濟效益和社會效益，其產生的大量糞便和污水也造成了嚴重的水體污染，大氣污染和土壤污染，對我國的環境造成了極大的危害。在這種情況下，我國開始探究各種治理手段。其中，厭氧發酵技術因其在經濟和技術上的優勢脫穎而出，其產甲烷率的能量產投比可達到28.8MJ/MJ。我國在不斷的探究中已經認識到，畜禽糞便中含有的大量氮磷元素和有機物，雖然污染環境，但若經過科學的處理，也是一種極好的資源。厭氧發酵技術處理過后的畜禽糞便產生沼氣，沼液和沼渣。經研究發現，不同畜禽糞便產氣量有所不同，在溫度55℃時，產氣量為牛糞>豬糞>雞糞，沼氣可以制天然氣和發電;沼液可以灌溉農田;沼渣可以生產農業用肥。厭氧發酵技術既能生產新能源，為農戶提供肥料，又能治理環境，減輕污染，綜合效益十分可觀。國家也認識到了這一點，并在“十三個五年計劃”中明確提出建立規模化的大型沼氣工程和生物天然氣工程[1]。

2 ?厭氧發酵工藝的比較

無論何種規模的厭氧發酵工藝，都是由收集原料，對原料采取預處理，建造調節池與消化池，出料后分離固體和液體，氣體的水氣分離和發酵物的脫硫和儲存構成的。基本工藝流程并不復雜。首先，收集各類農業廢棄物，如畜禽糞便，廢棄秸稈和餐廚垃圾。混合原料與廢水后進行第一步的處理，然后將其傾倒入調節池。調節池能夠調節原料的溫度和含固率，使原料在接下來的發酵時能夠產生足夠的沼氣。沼氣在經過水氣分離和脫硫處理后需要合理的儲存，其成分主要為15%～60%二氧化碳及40%～75%的甲烷，可在之后繼續利用。而發酵過程中產生的沼液有一部分將回到消化池用來接種。其與的繼續固液分離。分離出來的沼渣是極好的有機肥，可直接應用在農田里。剩余的沼液能夠直接灌溉農田，真正做到廢物利用[2]。

根據發酵底物中總固體物含量的不同，厭氧發酵可分為濕法，干法和半干法三種工藝。歐美國家中，一些沼氣利用技術成熟的國家一般采用濕法發酵工藝。應用率達到了90%以上。濕法發酵工藝中，固體物含量較少，發酵罐中含水率高，物料可在發酵罐中自由流動。如果沒有在進料前進行一定的預處理，去掉其中含有的碎玻璃，石磚纖維或塑料等異物，就會造成表面集結大量的漂浮物，嚴重影響發酵效果。因此濕法厭氧發酵技術對預處理工藝的要求極高。然而，濕法發酵在處理過程中，因其對進料的含固率要求低于10%，而畜禽糞便的含固率一般都高于20%，所以需要加入大量水來稀釋進料，降低含固率。這會產生大量沼液，使得其需要大量耕地來消化這些沼液。若果在發酵過程中出現技術失誤，將會造成再次污染。而伴隨我國養殖規模的擴大，沼液消化問題已經阻礙了濕法發酵工藝的應用。與此同時，厭氧濕發酵技術還存在著運行費用高，反應器占地廣和后續處理麻煩的問題[3]。

而干法發酵則不同。其對進料含固率要求不高，物料在反應罐中處于干泥狀態，不需嚴格預處理，能通過60mm的篩子即可。干法發酵夠的殘渣能達到含固率在40%左右，可以直接干化或進行穩定化處理。在發酵過程中產生的沼液量很少，需處理量也不多。極大降低能耗。與濕法發酵工藝相比，干法與半干法發酵技術在產氣率和有機物去除率上優勢也極為突出。在同等條件下對比濕法厭氧發酵和半干法厭氧發酵技術，利用半干法發酵工藝牛糞的有機物去除率和產氣率均高于濕法工藝。經研究，在固態厭氧干法發酵下，牛糞、豬糞、雞糞的TS產氣率分別為0.365、0.328、0.231m3，沼氣中甲烷的平均含量為牛糞>豬糞>雞糞。半干法中溫厭氧發酵技術中，較優的進料為14%的TS和25天的HRT，若隨意增加負荷將影響產氣率。但干法工藝也有其局限性。因物料含固率高，流動性差，進入發酵罐過程困難，且難以攪拌，對反應器啟動要求也十分高，也在一定程度上阻礙了干法與半干法厭氧發酵技術的推廣。

我國和世界上大多數國家一樣，廣泛應用的是濕法厭氧發酵工藝。濕法工藝具有產能高，處理簡單等優勢。但也有其局限性。例如能耗大，處理復雜且耗時長，需水量大，運行不穩定等一系列問題。這對于我國農業相關部門及專業人士提出了更高的要求，即如何促進干法與半干法的技術成熟。使其更好的為農業生產服務，加快推進可持續發展進程。

3 ?影響厭氧發酵的因素

厭氧發酵效果取決于多方面的因素。首先就是溫度。溫度最大程度的決定厭氧發酵的速率。產甲烷菌和水解酸化菌直接決定發酵速度。一般說來，水解酸化菌群對溫度要求不高，低溫或高溫均不影響其工作。而產甲烷菌對溫度十分敏感。只有3個適宜其生長的溫度范圍。分別為低溫（10～25℃），發酵工藝為低溫厭氧發酵;中溫（30～40℃），發酵工藝為中溫厭氧發酵;高溫（50～60℃），發酵工藝為高溫厭氧發酵。其中，豬糞、牛糞的最優消化溫度分別為36℃和34℃，二者均適用于中溫厭氧發酵技術。其中低溫厭氧發酵因其發酵效率低，實際運用極少。在我國常見的是中溫厭氧發酵和高溫厭氧發酵。其中，高溫厭氧發酵速率最高。水解酸化菌群占主導地位，對于有機物的溶解，酸化和水解起積極作用，甚至可以很好的分解一些很難溶解的纖維物質。并且，高溫加大酶的活性，加快產氣速度，縮短發酵時間。高溫還可以殺滅大部分病毒和細菌，尤其是寄生蟲，其滅殺率可達到99%。然而，高溫發酵也有局限之處。如耗能高，設備復雜等。中溫厭氧發酵中產氣率最大。經研究表明，畜禽糞便在中溫35%時，發酵反應產出的沼氣甲烷濃度更高且沼氣產量更大。在實際生產中，應根據實際情況合理選用合適的發酵工藝，使得效率和投入成比例，更好的促進農業廢棄物的二次利用[4]。

其次是水力停留時間，即HRT。若HRT過短，會使得廢水無法徹底得到處理;若過長，會使得微生物活性下降，降低產氣率。

厭氧發酵時一門復雜的技術，影響其發酵效果的因素有很多，不僅僅是溫度和水力，攪拌，抑制物，pH值，碳氫比，有機負荷，總固體濃度和添加劑等，都會對發酵效果產生重要的影響。以pH值為例，研究發現，當pH值在5.5～8.5范圍內時，酸化細菌生長良好;當pH值為6.8～7.4時，最適宜產甲烷菌發酵;當pH值小于5.5時，產甲烷菌將無法生存。因此，我國需根據實際情況合理選擇厭氧發酵技術手段，并注意影響其效果的種種因素，使其在應用中最大限度發揮其應有的作用。我國也需不斷研究新的科學技術手段，可借鑒學習國外優秀經驗，以此來完善自身，使得我國畜牧業朝著良性發展，推進農業可持續發展的進程，實現經濟發展與環境保護和諧并存。

4 ?結語

畜牧業和養殖業的發展，在帶來巨大經濟效益的同時，也造成了嚴重的污染問題。集中表現為嚴重的大氣污染，土壤污染和水體污染，對可持續發展造成極大的負面影響。而厭氧發酵技術不僅解決了農業廢棄物污染環境的問題，更使得其資源得到再次利用，更好實踐國家節能減排的要求。國家應不斷借鑒國外優秀經驗，根據我國實際情況，完善厭氧發酵工藝，促進我國農業全面健康的實現可持續發展。

參考文獻

[1] 王燦，付天嶺，岑如香，等.畜禽糞便重金屬堆肥、發酵和熱解技術研究進展[J].黑龍江畜牧獸醫，2021（1）：39-45，162.

[2] 陳潤璐，李再興，馮晶，等.農業廢棄物厭氧干發酵技術研究進展[J].河北科技大學學報，2020，41（4）：365-373.

[3] 伍高燕.畜禽糞便厭氧發酵的影響因素分析[J].安徽農業科學，2020，48（2）：221-224.

[4] 張河民.畜禽糞污厭氧消化研究進展[J].廣東化工，2019，46（19）：117-118.