禽畜糞便發酵處理的發展與應用

張添一張蕾蕾黃超張重劉春妍

(1.吉林農業機械研究院，吉林 長春 130022；2.吉林工商學院，吉林 長春 130507)

引言

隨著國家大力發展經濟，環保問題、能源回收成為了目前全人類共同關注的話題，畜禽糞便作為重要的產出垃圾，其處理問題一直備受關注，僅在2005年我國畜禽糞便產出量已超過50億t，但利用率卻不足45%。因畜禽糞便具有固量高、有機質含量高、蟲卵等病原體的特征，根據環保部門按照我國畜禽養殖業污染物排放標準對大型養殖場糞尿檢測的結果表明，禽畜糞便的COD(Chemical Oxygen Demand，化學需氧量)超標50～60倍，BOD(Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量)超標60～80倍，固體懸浮物超標12～20倍[1]，如處理不當會造成環境的二次污染，因此糞便發酵技術應運而生。

1 禽畜糞便發酵處理的分類及應用

根據以往經驗表明，糞便及農作物秸稈等物質在厭氧環境中通過微生物分解發酵產生的物質主要包含3大類，即沼氣、沼液、沼渣，統稱“三沼”。

1.1 沼氣應用

又稱沃爾塔氣，其是一種通過分解生物質產生的常見無色但帶有一絲臭味的混合氣體，其最主要的成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，被廣泛應用于炊事、取暖、發電和車用燃料等領域，甲烷作為其中最重要的可再生可燃氣體成功地緩解了眾多能源短缺的問題，為人民生活、科研事業等不同領域提供了強有力的支持，成為了一個國家處理能源短缺問題的重要支撐[2]。

1.2 沼液應用

沼液作為厭氧發酵殘留物，富含農作物生長必需的氮、磷、鉀等多種微量元素以及氨基酸、腐殖酸、吲哚乙酸、維生素B及其他生長素，其對生物活性物質具有促進生長、防治作物病害和改良土壤性質等多重功效，同時其內含的維生素和激素可作為動物生長飼料的添加劑，對能源的開發利用及環境改善具有巨大的開發潛力，但同時未經處理的沼液中含有眾多重金屬(如汞、鉻、鎘、砷、鉛)及病原微生物等，COD及BOD也嚴重超標，如處理不當會對環境造成二次污染[3]。

1.3 沼渣應用

沼渣是有機質在厭氧發酵后殘留底部及沼液脫水后殘留的半固體物質，主要由未分解的原物質、新產生的微生物菌體組成，其豐富的碳、氮、磷、鉀等元素對農作物生長起到重要的促進作用，同時內含的有機質和腐殖質可以起到疏松、改良土壤的作用，是目前中國建設“綠色生態”農業環境理念的重要能源[4]。

2 禽畜糞便發酵國內外發展現狀

目前，禽畜糞便的處理應用方法主要包括發酵且高溫消殺制作飼料、發酵制作農作物肥料以及自然排放3種方法，自然排放污染環境必然是作為最后的選項。目前發酵主要分為自然發酵和機械發酵，自然發酵是在自然環境下，通過密封等簡單的手段讓糞便自然發酵，具有成本低，操作簡單的優點，但周期長，污染環境也是其弊端所在；機械發酵是借助機械設備輔助糞便發酵，具有效率高，方便監測，環境污染概率降低的優點，但同時伴隨著制造成本高的缺點[5]。

2.1 國內發展現狀

目前國內沼氣產業發展態勢迅猛，主要是以機械式發酵為主，地方存在自然發酵方式，以山東高密市環境監測站的自然發酵為例，其優化了傳統大棚式沼氣工程，解決了冬季運行難的難題，所產沼氣通過管道運輸到周邊農戶用作燃氣，沼渣、沼液通過罐車或者管路輸送到附近種植基地作為肥料，通過監測得到大棚溫度與產氣量的曲線圖，并成功取得初步研究成果。

機械發酵分為立式發酵機和臥式發酵機，根據發酵工藝的不同分為完全混合式厭氧反應器(CSTR)、升流式固體床(USR)、上流式厭氧污泥床(UASB)、塞流式厭氧反應器(HPFC)、厭氧序批式反應器(ASBR)、厭氧接觸反應器(UBF)、內循環厭氧反應器(IC)、膨脹顆粒污泥床反應器(EGSB)等，其中應用最廣泛的為CSTR和USR工藝[6]，工藝對比如表1所示。

表1 不同厭氧發酵工藝對比

以吉林省農業機械研究院的吉林省松原市乾安縣300m3沼氣工程為例，如圖1所示，該工程以牛糞為主要發酵原料，以20d為1個發酵周期，采用攪拌間隔為4h，攪拌轉速為10r·min-1，攪拌時長為2min/次的臥式攪拌、CSTR工藝技術發酵的模式，成功將“三沼”達成閉環應用，并通過太陽能熱循環的方式保持罐內發酵溫度恒定在35℃左右，確保了冬季設備恒溫穩定運行，成功解決了沼氣工程在國內北方冬季運行難的問題。同時，發酵產生的沼氣通過管路輸送經過脫硫罐、脫水罐后存儲在雙層膜氣體儲氣柜內，需要時通過增壓系統將沼氣通過管路輸送到前樓廚房、溫室大棚和鍋爐房內，分別用于日常食堂燒菜、沼氣鍋爐及冬季鍋爐取暖，如圖2所示。

圖2 乾安溫室大棚沼氣鍋爐和鍋爐取暖

發酵產生的沼液與沼渣混合物采用斜篩式固液分離機，將二者分離，如圖3所示，回收的沼液排放在規定的地里用作第2年種地的肥料，同時也改善了土壤酸堿性。回收晾干的沼渣可當作肥料基質或運往鄉村環保實驗室進行沼渣后續的應用與開發研究。目前該示范工程日均產氣量可達到322.2m3，平均溶劑產氣率可達1.07m3·m-3·d-1，最高日產氣量達到614.38m3，最高日產氣率達到2.05m3·m-3·d-1，已取得禽畜糞便發酵綜合利用的初步成效[7]，為后續的禽畜糞便發酵沼氣工程提供了現實參考依據，對吉林省的沼氣工程研究落實發揮了重要作用。

圖3 固液分離機

2.2 國外發展現狀

目前國外沼氣產業技術發展依然領先國內，以德國為代表的成熟技術和政策依然有很多值得國內借鑒學習，自德國2004年《可再生能源法2004》頒布后，截至2008年，德國沼氣工程驟增到4100多個，但德國的沼氣工程主要應用于發電，其以禽畜糞便、有機垃圾、再生原料、工農業廢棄物等更為多元化的材料作為原料進行發酵[8]，德國的沼氣工程更多的以CSTR濕式中溫發酵工藝，一般設有二級或三級以上的反應器，更制定了熱電聯產激勵政策[9]，激勵了企業利用所產生的余熱給沼氣工程加熱保溫，成功保證發酵罐在低溫狀態下仍可穩定運行，不僅避免了能源浪費，更促進了社會經濟的快速發展。

美國沼氣產業發展規模位居前列，但與歐洲相比中國整體發展態勢比較緩慢。作為能源大國，禽畜糞便的堆積一直困擾著美國，于是在1970—1990年前后共建造了約140座沼氣工程，但因技術相對粗糙簡陋等問題已多數廢棄。1990—2005年，美國對禽畜糞便更多以露天存放為主。近些年，美國出臺了一系列的財政補助作為激勵，在一定情況下帶動了人民和公司建設沼氣工程、處理禽畜糞便的積極性。目前，美國的沼氣產業主要以覆膜厭氧塘、全混合厭氧消化器和塞流式厭氧消化器為主要工藝，其分別占美國總沼氣工程量的58%、27%和19%，具有工程造價低、性價比高的優點，但同時也存在技術風險大，缺乏相關技術經驗，產氣率有待提升的問題[10]，基于以上工藝模式下的工程案例，如圖4～6所示。

圖4 覆膜厭氧塘

圖5 混合厭氧消化器一體化沼氣罐

圖6 塞流式厭氧消化器

瑞典沼氣產業技術到目前為止發展的也十分成熟，禽畜糞便、市政污水、工業廢水及垃圾場作為主要的發酵原料，對市容、環境和農業發展起到了不可磨滅的作用。近年來，以Linkoping沼氣廠為例的沼氣發電工程也日益完善，技術趨于成熟，形成了比較有規模且有規律的一套運行體系，Linkoping沼氣廠通過地下管路與各供氣、供熱站連接并輸送沼氣，以此來滿足汽車燃料的供應需求[11]，如圖7所示。

3 總結與展望

目前的沼氣發酵工程主要以禽畜糞便、市政污水、工業廢水、農業廢棄物及垃圾場作為主要的發酵原料，通過不同的技術進行發酵處理，回收產生的沼氣并廣泛應用于社會各領域，可見沼氣工程是一種以閉環為主的發酵形式，具有多產量、廣應用、多范圍、廣發展的巨大發展前景。目前國外的沼氣發電技術已經領先國內，實現沼氣發電，追趕國外技術，使技術規模化、體系化是當務之急，這不僅可以緩解國內環境污染的疑難問題，還對世界環境保護和能源節約利用有著深遠的意義。在三沼利用方面，有專家提出“牛糞變牛肉”的遠大展望，即通過將牛糞發酵處理，產生的三沼閉環利用，特別是沼渣，因其具有豐富的元素含量，可通過相應的無菌化處理，嘗試與秸稈、飼料等融合產生新的肉牛飼料，從而將飼養的肉牛轉變為人們口中的優質牛肉，達到閉環效果，這對沼氣工程的研究發展提供了全新的研究途徑與方向，也為當下的科研人員和未來的年輕人提供了全新的思路和科研目標。