牛糞厭氧消化效率提升技術研究進展

楊紅男，張馭舟，熊 煒，鄧良偉＊

1 農業農村部沼氣科學研究所，四川成都 610041

2 湖北綠鑫生態科技有限公司，湖北襄陽 441413

0 引言

畜禽養殖業在滿足人們對肉、蛋、奶食品需求的同時，也產生了大量畜禽糞污。國家統計局2017年數據顯示，全國每年產生約38 億噸畜禽廢棄物，其中牛糞污年產生量約14 億噸，占總量的37.00%[1]。不當的畜禽糞污管理存在很大的環境污染風險，也造成巨大的資源浪費。2017年6月，國務院辦公廳印發了《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》，著力治理畜禽糞污養殖帶來的污染問題。厭氧消化（又稱沼氣發酵）技術因其在有機廢棄物處理、可再生能源回收和溫室氣體減排等方面的有益效果，是實現畜禽糞污資源化利用的首選方法[2～4]。在碳中和目標下，沼氣發酵技術的發展也受到高度重視。

以牛糞作為底物的沼氣發酵工藝已得到廣泛研究[5～9]。然而，這些研究中的大多數證明牛糞厭氧消化的甲烷產率較低，一般在70～249 NmLCH4/gVS范圍，并取決于牛的飼養方法和牛糞收集方式等。牛糞最終甲烷產量低于理論甲烷產量（468 ± 6 NmLCH4/gVS）的1/2[10]。據推測，牛飼料（草或青貯）中易降解部分已經被牛瘤胃中的微生物利用，因此，牛糞含有大量（超過總固體的50.00%）未消化的不易降解的有機組分，包括纖維素、半纖維素和木質素[11]。這些成分結構緊密復雜，表現出很強的抗生物降解能力[12]。所以在沼氣工程中將牛糞作為單一原料生產沼氣，在經濟上往往不太可行。此外，還有許多因素影響厭氧消化過程的效率。例如，牛糞中高濃度的氨氮含量可能是抑制產甲烷菌活性的重要原因之一[11]。牛糞的非牛頓流動特性可能導致泵送裝置失效、攪拌不足、傳熱效率低下、難以脫水等[13]。因此，針對牛糞厭氧消化存在的問題，提出可能的解決方案，對建立高效的牛糞厭氧消化技術十分必要。本文綜述了工藝參數（如C/N比、溫度、進料濃度等）對牛糞厭氧消化性能的影響，總結評估了共消化、預處理和添加外源添加劑對提升牛糞厭氧消化性能的作用。通過對牛糞厭氧消化技術的總結，期望能為牛糞厭氧消化技術的研究和技術推廣提供參考。

1 牛糞特性

為了更好地利用牛糞，需要確定牛糞的初始特性。如表1所示，新鮮牛糞含水率較高（77.80%～92.00%），內部孔隙度小，通氣性差，不適于直接堆肥，采用厭氧消化技術處理牛糞，將其轉化為能源是一個更好的選擇。牛糞的總固體含量在7.00%～22.00%，其中揮發性固體（VS）占75.00%以上。與豬糞、雞糞等畜禽糞便相比，由于攝入飼料的不同，牛糞的木質纖維素含量較高（＞50.00%），牛糞的C/N比大于20∶1。此外，牛糞還含有一定濃度的堿性金屬（如Ca和Mg），這些金屬來源于牛的飼料添加劑[14]。較高的C/N比和堿性金屬的存在使得牛糞在厭氧消化過程中具有較高的緩沖能力和工藝穩定性[15]。這些特征表明，牛糞可以作為沼氣發酵的原料，但其難降解的木質纖維素可能會影響厭氧消化性能。

表1 牛糞特性描述

2 牛糞厭氧消化影響因素

2.1 C/N比

碳和氮是微生物生長的能量來源和重要營養物質。C/N比常用于確定發酵底物的性質。在高C/N比條件下，厭氧消化初期底物快速降解，發生酸化，甚至導致運行不穩定；另外，高C/N比限制了微生物的生長，因為氮的缺乏可能導致甲烷菌失活，甚至過程失敗，從而降低了甲烷產量。如果C/N比低，說明氮含量高，厭氧消化過程釋放氨氮可能會抑制厭氧消化性能。C/N比取決于原料的種類，可以通過高C/N比和低C/N比底物的混合來維持適宜的C/N比水平。文獻報道了有效厭氧消化過程的最佳C/N比為20.00～30.00[21]。然而許多研究人員已經證明，較寬的C/N比值范圍對于厭氧消化也可以取得成功[22]。據Zhang等[23]和Tsapekos等[24]報道，食物垃圾和牛糞共消化的最佳C/N比分別為15.80和16.90。雖然牛糞的C/N比在最佳C/N比范圍內，但是部分碳存在于難降解的木質纖維素中，導致牛糞的原料產氣率較低，共發酵是解決這個問題的較好策略。

2.2 發酵溫度

溫度是影響厭氧消化性能最重要的參數之一。根據發酵溫度，厭氧消化工藝分為3 種類型：嗜冷（＜20 ℃），中溫（30～40 ℃）和高溫（45～60 ℃）發酵。高效的沼氣工程一般采用中溫和高溫發酵。在中溫條件下，沼氣發酵過程更穩定，不易累積揮發性脂肪酸（VFAs），投資較少等。然而，相對于高溫發酵，中溫發酵也有一些限制，如甲烷產量低，木質纖維素生物降解性差，啟動和發酵時間長等，而高溫發酵能更有效地去除病原菌，減少臭氣釋放，具有更高的有機質降解（特別是纖維素）效率、較高的pH值和更高的甲烷產率[25]。

2.3 總固體濃度

根據發酵底物總固體（TS）濃度的不同，沼氣發酵可分為濕發酵（＜10.00%TS）和干發酵（＞20.00%TS）。兩類發酵工藝各有其優缺點，一般認為濕式沼氣發酵裝置具有投資低，運行穩定等優勢。目前，我國規模化沼氣工程普遍采用濕發酵技術。然而，濕發酵存在沼液產量大，難以完全還田利用；沼液達標處理困難，運行成本高等問題，制約濕發酵技術的進一步推廣[19]。干發酵的底物呈固態，具有有機負荷高，反應器體積小，用水量少，能源消耗低等優點，彌補了濕發酵的不足。與濕發酵相比，干發酵在處理木質纖維素生物質的效率和容積產率方面具有優勢，消化殘余物容易還田利用[26]。在牛糞沼氣發酵的研究中發現，干式沼氣發酵能降低Firmicutes和Proteobacteria兩種抗性基因的主要潛在宿主的豐度，從而顯著減少了70.00%的抗性基因和移動遺傳因子[27]。因此，干式沼氣發酵可視為一種降低畜禽糞便中抗生素抗性基因風險的方法。由于這些原因，干式沼氣發酵在過去的10年里受到了較多關注。但是，干式沼氣發酵還存在物料傳質困難、反應器容易堵塞、啟動慢、容易發生抑制成分如氨、VFAs和重金屬等的累積，導致甲烷產量和有機物降解效率低，從而限制其應用[19]。將厭氧消化液作為接種物再循環可以部分抵消這些缺點。

3 提高牛糞厭氧消化的措施

3.1 預處理

牛糞的厭氧消化通常受到木質纖維素降解緩慢的限制。木質纖維素特別是木質素在厭氧條件下不能或只能輕微降解[14，35]。適當的預處理可以有效地改變木質纖維素的物理結構與形狀，改善其可生化性和溶解度，可顯著提高水解發酵速率及產氣量，對大規模干式沼氣發酵過程尤其重要。常見預處理方法包括機械、熱、化學和（或）生化預處理。

3.1.1 機械預處理

機械預處理是農業廢棄物最常使用的方法，包括粉碎、超聲波和空化等，主要是降低底物中大顆粒的粒徑，增加的表面積有利于水解菌和可降解顆粒之間的接觸，從而有助于后續沼氣發酵。例如，牛糞纖維粒徑為1.0～2.0 mm時，其產沼氣量比纖維粒徑大于5.0 mm時高16.00%[36]。牛糞經切碎、混合和調配等處理后的粒徑集中在4.0～31.5 mm，相對于未處理組，產甲烷潛力為235 mL/gVS，提升了11.90%[37]。在牛糞與餐廚垃圾、剩余污泥的共發酵過程中，超聲波預處理后的甲烷產率較高，但是提升的甲烷產量所獲得的額外能量并不能抵消產生超聲波的能量[21]。空化是液體內局部壓力降低時，液體中氣泡的形成、增長和隨后的內爆坍塌的過程，這個過程變化會引起機械剪切應力和自由基反應。在空化預處理下，牛糞的分解效率提高5.80%～15.80%，后續的甲烷產量提高2.70%～5.90%[11]。機械預處理的優點是簡單易行，維護費用相對較低；缺點是需要大量能量投入，去除病原體的效果有限。

3.1.2 熱預處理

熱預處理是在高溫條件（50～250 ℃）下，將高分子物質分解成小分子，從而提高發酵底物的溶解性和厭氧消化效率[38]。水熱法[39]、微波法[20]和熱壓法[35]是較好的牛糞熱預處理方法。熱預處理的溫度和時間是破壞木質纖維素結構非常重要的兩個參數。低溫足夠斷裂連接纖維素和半纖維素細胞壁的氫鍵，當熱處理溫度在150～180 ℃范圍可增加纖維素和半纖維素的溶解率[39]。將牛糞、玉米青貯和甜菜粕的混合物料在180 ℃處理60 min后，其產氣量最高可達362.1 mL/g TS，相比未處理組，溶解性化學需氧量（SCOD）值提高了124.60%。沼氣產量增加了1.0 倍[38]。但是，過高的預處理強度會導致類木質素物質增多，抑制牛糞產甲烷性能。當牛糞水熱預處理溫度超過170 ℃時，甲烷產量會降低6.90%[40]。熱壓法處理牛糞的最佳溫度為180 ℃，此時甲烷產率相比對照組提升58.00%；當溫度超過200 ℃，有毒副產物（糠醛）迅速增加，對厭氧消化產生不利影響[35]。因此，為了克服高溫熱預處理的潛在缺點，可以采用中熱或中熱與其他預處理方法（化學預處理）的組合。熱預處理在破壞木質纖維素結構，提高厭氧消化率同時，還可滅活牛糞中的病原體，加上安裝和維護成本低，使熱預處理成為最受重視的方法之一。但是當處理溫度和時間不合適時，易引發美拉德反應，破壞厭氧消化過程[35]。

3.1.3 化學預處理

化學預處理通過使用酸、堿和氧化劑破壞木質纖維素類原料微觀結構，降低纖維素的結晶度促進木質纖維素的分解。酸、堿預處理能夠使原料中的纖維素、半纖維素和木質素的自身晶體結構因吸脹作用而被破壞，將其中大分子物質溶解，從而達到提高降解率的目的。酸預處理一般采用稀酸如醋酸[41]，以避免造成碳的過度損失。在堿預處理中常用的試劑有NaOH、Ca（OH）2和CaO2[42]。酸、堿預處理也可與高溫相結合，例如，將牛糞在高溫（100 ℃）條件下添加10.00% NaOH處理5 min 或中溫（37 ℃）添加2.00%HCl處理20 min，甲烷產量分別提高23.60%和20.60%[43]。氧化劑如過氧化氫（H2O2）和臭氧（O3）通過去除原料中的半纖維素和木質素來促進纖維素的可降解性，并通過H2O2和O3釋放出活性強的羥基自由基破壞有機物結構[44]。雖然大多數文獻中報道的化學預處理效果顯著，但是化學預處理也存在一定的缺點，如腐蝕設備，對環境造成二次污染等。此外，由于產甲烷菌對環境的變化較為敏感，酸、堿預處理后的原料還需要進一步中和，這給整個過程增加了額外的經濟負擔。

3.1.4 生物預處理

大多數機械、化學和熱預處理需要密集的能量或化學輸入，導致發酵體系內的溫度或pH值變幅較大，甚至產生有毒副產物。生物預處理是通過添加工業纖維素分解微生物或酶，在受控和溫和的環境中分解木質纖維素成分。微生物主要有白腐真菌[45]、煙曲霉菌[46]等，酶主要有纖維素酶、漆酶等[47]。研究表明，采用白腐真菌Trametesversicolor處理牛糞后，牛糞產甲烷量提升10.00%～18.00%，纖維素降解率提高到80.00%[45]。使用煙曲霉SK1處理后，牛糞中木質素的去除率達60.00%，沼氣產量顯著提高[46]。生物預處理具有能源和化學品的需求較低，產物無毒等方面的優勢。然而，酶的生產需要穩定的發酵，且在生物預處理過程中，碳水化合物損失嚴重，預處理時間較長，這可能需要額外的設備，增加了投資成本。

3.2 共發酵

將不同的廢棄有機物進行混合發酵，是一種提高厭氧消化系統甲烷產量的有效方法。不同原料的混合不僅可以提高甲烷產率和降低生命周期成本，而且由于C/N比更加適合，pH值維持中性平衡和緩沖能力的提高，可以提供更好的厭氧消化環境，進而提升有機負荷去除效率。大量文獻報道已證明，牛糞與其他底物共消化是提高甲烷產量和工藝穩定性的常用策略。牛糞共發酵底物包括燕麥秸稈[17]、柳枝稷草[28]和小麥秸稈[29]等高C/N比原料，餐廚垃圾[30]、雞糞[29]和馬糞[31]等低C/N比原料，以及不含木質纖維素的原料如粗甘油[32]。這些研究結果表明，與牛糞為單一底物的沼氣發酵相比，共發酵能獲得更高的甲烷產量。但是產氣的提高更多歸因于牛糞的共發酵底物，而不是牛糞中木質纖維素的降解。只有少數文獻通過測定厭氧消化前后纖維素和半纖維素的組分，證明了共發酵系統產甲烷性能的改善來自于牛糞中纖維素和半纖維素降解的提高[32，33]。事實上，以牛糞為底物進行沼氣發酵時，木質素含量與最終甲烷產率呈負相關關系，木質素含量的增加對厭氧消化有抑制作用[34]。例如，在牛糞與路邊草的共發酵中，隨著路邊草比例的增加，牛糞的纖維素和半纖維素的降解率減少[34]。因此，為了避免木質素的抑制，應選擇木質素含量較低的原料與牛糞共消化，以獲得最大的甲烷產量。

3.3 添加外源添加劑

在沼氣發酵過程中引入外源添加劑，即微量元素、納米金屬顆粒和纖維素降解菌或酶等，可改善產甲烷性能，有助于維持反應器內的有利條件，如pH值，抑制/促進醋酸生成和甲烷生成，以快速產氣[14]。

3.3.1 微量元素

微量元素已被證實在促進微生物的代謝活動中發揮著不可或缺的作用。Fe、Co和Ni元素通常被認為是厭氧消化體系中最重要的微量元素，對厭氧體系中許多酶、輔酶和輔助因子的活性至關重要[48，49]。其中，Fe與產甲烷菌和酶的活化有關，是各種參與甲烷生成的酶（如甲酰-MF-脫氫酶、氫化酶、CO脫氫酶）的輔助因子[49，50]。此外，Fe與S反應形成沉淀，從而減少了S對微生物活性的負面影響[51]。Co是維生素B12的金屬配體（甲基轉移酶），可使微生物降解甲醇。Ni與產甲烷古菌中輔酶F420的形成關系密切[49]。在牛糞批次試驗中，添加Fe2（SO4）3、Fe（NO3）3、FeCl3和FeCl2等鐵鹽，以及尿素、磷酸二銨和檸檬酸組成的復合添加劑，結果顯示，與不添加添加劑的對照反應器相比，添加鐵鹽和復合添加劑提高了沼氣產量（35.80%～52.70%），縮短了消化周期，提高了總COD去除率（41.40%～69.30%）[52]。微量元素的添加受底物組成、金屬含量、降解機理、操作參數和活性微生物群落等多種因素的影響，且微量元素的生物有效性隨微量元素濃度的變化而變化，不適當的微量元素濃度或種類可能阻礙厭氧消化中的微生物活性[53]。

3.3.2 納米金屬顆粒

由于納米顆粒（NPs）尺寸微小，比表面積巨大，具有更大的反應活性等優點，近幾年在環境治理領域得到了廣泛關注。其中，納米尺度的金屬顆粒具備許多塊體顆粒沒有的優越性質。在牛糞厭氧處理系統中添加納米顆粒會影響微生物生長、污染物降解和沼氣產量[14，54，55]。已研究的納米金屬顆粒包括納米金屬單體如納米零價鐵（nZVI）、納米金屬離子如NiNPs、納米金屬氧化物如Fe3O4NPs等。nZVI作為電子供體，可優化微生物種群結構，促進氫營養型產甲烷過程，加快生物可降解化合物的釋放，并參與污泥厭氧消化過程中關鍵酶的合成[54]。據報道，牛糞厭氧消化過程中添加80 mg/L 和160 mg/L nZVI，甲烷產量提高了6.430%～6.560%，160 mg/L nZVI濃度可加速抗性基因豐度的降低[54]。分別添加1 mg/L Co NPs、2 mg/L Ni NPs、20 mg/L Fe NPs和20 mg/L Fe3O4NPs. 沼氣產率提升1.5～1.8倍，發酵停滯期明顯縮短，產氣高峰期提前[55]。如部分重金屬會抑制厭氧消化過程一樣，對應的金屬納米顆粒也可能表現出一定的毒理學效應。例如，240 mg/L ZnO和15 mg/L ZnO對間歇牛糞厭氧消化過程產氣的抑制率分別高達74.00%和30.00%[56]。

3.3.3 生物強化菌劑

生物強化是向厭氧消化反應器中一次性或重復投加纖維素降解微生物來增強水解反應，為下游階段提供更多的糖、VFAs等底物，從而提高發酵系統的產氣效率。目前，已經在厭氧消化器中應用了多種纖維素降解微生物，在生物甲烷化方面取得了相當有前景的結果[57，58]。例如，4 種分離瘤胃真菌（Orpinomycessp.、Piromycessp.、Anaeromycessp.和Neocallimastixfrontalis）在接種劑量15.00%條件下可顯著增強牛糞厭氧消化過程中木質纖維素的生物降解，獲得60.00%沼氣產量提升[59]。但大多數研究都集中在批次試驗上，對連續操作的實際影響仍然存在問題。研究已證明，生物強化可以迅速但相當短的促進甲烷生產，而不是持續的改善[60，61]。Tsapekos等[60]在以牛糞為主木質纖維素廢棄物的批次試驗和連續消化試驗中，接種兩種纖維素降解菌（Clostridium thermocellum和Melioribacterroseus），結果表明，在接種Clostridium thermocellum的反應器中，批次試驗的甲烷產率提高了13.70%。連續試驗只有7.50%。此外，在生物強化過程中，新引入的微生物在含有復雜微生物群體的反應器中可能很脆弱敏感，此時接種物的來源很重要[62]。在實踐中，通常從廢水處理廠、有機廢棄物處理設施等的生物反應器中獲得接種物[63]。

4 結論

厭氧消化（沼氣發酵）是處理牛糞的有效手段。但是，在厭氧消化過程中，由于難降解的木質纖維素的存在而導致產甲烷效率低和系統不穩定等問題。本文總結了幾種提高牛糞厭氧消化產甲烷水平的策略，如不同的預處理方法，與有機廢物共發酵和添加外源促進劑。提升策略的選擇很大程度上取決于牛糞厭氧消化性能的改善效果和經濟可行性。選擇預處理技術需要考慮處理成本、二次污染、能量損失等問題。為了充分利用共發酵使牛糞厭氧消化產生更多的甲烷，共發酵底物應選擇木質纖維素含量較低的有機廢物，通過協同效應促進牛糞中木質纖維素的降解。微量金屬及其對應的納米金屬顆粒在厭氧消化中對微生物活性的影響還需要更多的研究。生物強化技術的不確定性仍然存在。所以現有的牛糞厭氧消化效率提升技術的效果和經濟性還需進一步的探究和優化。