李晨艷，喬 瑋，邵 蕾，孔凡克，羅 星，董仁杰*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院(生物質(zhì)工程中心)，北京 100083；2.國家能源生物燃?xì)飧咝е苽浼熬C合利用技術(shù)研發(fā)（實驗）中心（中國農(nóng)大），北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

厭氧發(fā)酵技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的利用

李晨艷1，2，喬 瑋1，2，邵 蕾3，孔凡克3，羅 星3，董仁杰1，2*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院(生物質(zhì)工程中心)，北京 100083；2.國家能源生物燃?xì)飧咝е苽浼熬C合利用技術(shù)研發(fā)（實驗）中心（中國農(nóng)大），北京 100083；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

畜禽養(yǎng)殖的集約化發(fā)展在給人們提供豐富的畜禽產(chǎn)品的同時，由于畜禽動物的集中飼養(yǎng)，糞尿大量排放，給環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，厭氧發(fā)酵技術(shù)是處理此廢棄物且符合可持續(xù)發(fā)展的有效技術(shù)之一。文內(nèi)介紹了兩種養(yǎng)殖糞水厭氧發(fā)酵的反應(yīng)器，并分析了每種反應(yīng)器的工藝要求和適用范圍，為規(guī)?；B(yǎng)殖場選擇不同的糞水厭氧發(fā)酵反應(yīng)器提供了選擇。

厭氧發(fā)酵；畜禽糞水；資源化利用

近年來，隨著畜禽產(chǎn)品消費(fèi)量以年10%的速率上升，規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值比重約為1/3，但是規(guī)?；曫B(yǎng)也造成了糞尿和畜禽沖洗水集中大量產(chǎn)生[1]?！兜谝淮稳珖廴驹雌詹楣珗蟆凤@示，畜禽養(yǎng)殖污染是主要的農(nóng)業(yè)污染源；據(jù)孫振鈞等估計，到2020年我國畜禽糞便年產(chǎn)生量將超過41億噸；糞水中氮磷含量偏高，2007年全國畜禽糞便中氮磷的含量分別相當(dāng)于同年化肥使用量的0.5倍和0.91倍[2]。厭氧發(fā)酵技術(shù)因其在降解有機(jī)物的同時可回收能源，被公認(rèn)是合乎環(huán)境可持續(xù)發(fā)展要求、最有前景的發(fā)展技術(shù)之一[3]。畜禽糞便經(jīng)過固液分離的液相部分，以及水沖糞等用水量大的工藝產(chǎn)生的含固體量較低的固液混合物通常認(rèn)為是糞水。畜禽有機(jī)物大量的存在于固相，需要較長的時間進(jìn)行厭氧分解，液相中只存在少量溶解性有機(jī)物，發(fā)酵時間較短。目前根據(jù)畜禽養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)，厭氧發(fā)酵目標(biāo)分為兩種，一種是追求高的沼氣產(chǎn)量，同時實現(xiàn)對環(huán)境的零污染，另一種是不以沼氣產(chǎn)量為目標(biāo)，僅追求對環(huán)境的保護(hù)作用。

1 全混式厭氧反應(yīng)器

1.1 技術(shù)原理

全混式厭氧反應(yīng)器是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來，設(shè)置有攪拌和加熱保溫裝置，可以連續(xù)進(jìn)出料的反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)部在連續(xù)攪拌時物料處于接近完全混合的狀態(tài)，厭氧微生物和基質(zhì)有良好的接觸。全混式反應(yīng)器通常需要物料較長的停留時間，反應(yīng)器體積較大，單體反應(yīng)器容積常在1 000～4 000 m3左右，負(fù)荷較低，優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)料對系統(tǒng)沖擊較小，運(yùn)行穩(wěn)定，便于管理，廣泛地應(yīng)用在畜禽養(yǎng)殖糞便的厭氧處理中[4,5,6]。全混式厭氧反應(yīng)器可以處理含有高懸浮固體的養(yǎng)殖廢水，不適合處理有機(jī)物濃度過低的原料。

1.2 工藝要求

全混式厭氧反應(yīng)器通常需要物料較長的停留時間以降解固形物，一般停留時間長于30 d，需根據(jù)具體的原料特性和工程總體設(shè)計確定，且為保障一定的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，全混式工藝處理廢水多采用中溫發(fā)酵，進(jìn)入全混式厭氧反應(yīng)器的糞水總固體濃度不宜過低。全混式厭氧反應(yīng)器常用的機(jī)械攪拌有垂直攪拌、側(cè)攪拌和內(nèi)部斜攪拌等形式，應(yīng)根據(jù)工程需要選擇適宜的攪拌形式。在實際工程中，全混式工藝可根據(jù)需要有多級工藝組合的形式，如“一級發(fā)酵+二級發(fā)酵”和“高溫發(fā)酵+中溫發(fā)酵”等組合工藝，對于全混式發(fā)酵工藝的出料，因其仍具有一定的產(chǎn)氣能力，應(yīng)考慮建設(shè)匹配的密閉出料儲存設(shè)施以避免釋放大量的溫室氣體、氨氣和臭味氣體等。

1.3 適用范圍

全混式發(fā)酵工藝適合處理未經(jīng)固液分離的養(yǎng)殖場糞水或糞便，進(jìn)料的總固體濃度宜保持在5%以上。

2 厭氧折板厭氧反應(yīng)器

2.1 技術(shù)原理

圖1 全混式反應(yīng)器的示意圖

圖2 全混式反應(yīng)器的內(nèi)部攪拌

圖3 山東某公司沼氣工程采用全混式發(fā)酵反應(yīng)器

圖4 ABR反應(yīng)器的示意圖

圖5 豬糞（左）和牛糞（右）液相的快速發(fā)酵產(chǎn)氣示意

折板反應(yīng)器（ABR）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，一種介于全混式與推流式之間的一種厭氧反應(yīng)器。反應(yīng)器在垂直于水流方向上設(shè)置多個豎向擋板，將反應(yīng)器分割成串聯(lián)的上流室和下流室，廢水進(jìn)入反應(yīng)器后沿導(dǎo)流板上下折流前進(jìn)，借助導(dǎo)流板的阻擋和污泥自身的沉降，大量的污泥被截留在反應(yīng)器中，抗負(fù)荷沖擊能力較強(qiáng)。ABR反應(yīng)器在構(gòu)造上近似于多個UASB反應(yīng)器的串聯(lián)，在工藝特性上接近于推流式反應(yīng)工藝。ABR反應(yīng)器對進(jìn)水的懸浮固體濃度沒有嚴(yán)格要求，可處理中、低濃度的畜禽養(yǎng)殖廢水。

ABR往往建于地下，不需要精確的進(jìn)水系統(tǒng)、不需要攪拌和三相分離器，結(jié)構(gòu)簡單，投資較少[4-8]。

2.2 工藝要求

ABR反應(yīng)器隔室數(shù)量通常為3～8個，處理低濃度廢水時3～4個，處理高濃度廢水時6～8個，折流板的折角一般應(yīng)取45～60°；溫度是影響ABR反應(yīng)器的重要環(huán)境參數(shù)，溫度在25 ℃以上沒有顯著影響，但是當(dāng)溫度降低到15 ℃以下時反應(yīng)器性能顯著下降。ABR反應(yīng)器存在一定的死區(qū)體積，在實際運(yùn)行中應(yīng)控制較好的流態(tài)，適宜的水力停留時間和產(chǎn)氣是保障反應(yīng)器良好流態(tài)的重要因素；ABR反應(yīng)器因為具有推流的特征，所以可以有適宜的回流以減少進(jìn)水對前端隔室的沖擊和防止前端隔室的過度酸化。ABR反應(yīng)器一般作為畜禽養(yǎng)殖廢水處理中的一個單元，后續(xù)應(yīng)匹配好氧生物處理工藝以繼續(xù)降解COD和氨氮。

3 糞水快速厭氧消化

3.1 技術(shù)原理

糞水經(jīng)過了固液分離之后，大量的有機(jī)物被轉(zhuǎn)移至固相。滯留在液相是極容易降解又可以被快速降解的可溶性有機(jī)物。通常對這部分經(jīng)過固液分離的液相進(jìn)行快速厭氧消化，然后進(jìn)入密閉穩(wěn)定塘長期貯存。圖5給出的是豬糞和牛糞中液相有機(jī)物的快速降解特性，在10 d以內(nèi)的時間里即可完成發(fā)酵產(chǎn)氣，可以回收超過50%的總沼氣量，大幅度縮短了滯留期，處理設(shè)施可以小型化。

為降低造價，快速厭氧消化設(shè)施通常采用與沼液密閉穩(wěn)定塘相似的結(jié)構(gòu)，采用推流式厭氧消化工藝。推流式厭氧反應(yīng)器也稱為塞流式反應(yīng)器，是一種長方形的非完全混合式反應(yīng)器。原料從反應(yīng)器的一端進(jìn)入，從另一端排出，在流動的過程中完成發(fā)酵產(chǎn)氣。推流式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較簡單，可建成半地上，池頂用水泥蓋板封閉或用覆膜的形式。反應(yīng)器內(nèi)通常不設(shè)置機(jī)械攪拌，可以將沼氣循環(huán)通入在局部攪拌料液，在流動方向上不混合。在推流式反應(yīng)器的進(jìn)料端呈現(xiàn)較強(qiáng)的水解酸化作用，在后端以產(chǎn)甲烷作用為主，是一種多階段的發(fā)酵工藝[9]。

3.2 工藝要求

快速厭氧發(fā)酵處理的對象是含有較低懸浮固體的廢水，畜禽養(yǎng)殖的糞便經(jīng)過固液分離后可以作為處理對象；根據(jù)工程建設(shè)地的氣溫，快速厭氧發(fā)酵單元可以不加保溫，適用于南方溫暖氣候的地區(qū)；如有保溫措施（例如太陽能溫棚）和增溫措施（例如原料預(yù)增溫），也可以適用于中部和華北等地區(qū)；反應(yīng)器應(yīng)充分考慮沼氣的收集，在內(nèi)部的設(shè)計應(yīng)使糞水與微生物良好的接觸，避免短流；設(shè)計良好的排渣系統(tǒng)良好的料液流態(tài)，輔助適宜的氣體攪拌或其他攪拌系統(tǒng)，使反應(yīng)器內(nèi)有較好的傳質(zhì)效果，避免前端的過度酸化，并克服攪拌不足導(dǎo)致的沉渣。

圖6 推流式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意

圖7 推流式反應(yīng)器厭氧發(fā)酵工程（上：柔性覆膜蓋頂，下：混凝土結(jié)構(gòu)蓋頂）

3.3 技術(shù)路線

圖8 糞水快速發(fā)酵與長期儲存工藝流程

4 結(jié)束語

畜禽養(yǎng)殖糞便和廢水的處理已成為制約養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，厭氧消化產(chǎn)沼氣是廢物治理以保護(hù)環(huán)境的技術(shù)手段。根據(jù)畜禽糞便和廢水的不同特點(diǎn)，可以針對性地采用全混式工藝以最大化的回收能源，也可以采用能夠?qū)崿F(xiàn)廢水快速發(fā)酵的厭氧折板反應(yīng)器和推流式反應(yīng)器，配置發(fā)酵液的長期儲存，降低沼氣工程的成本。

[1] 馬永喜.規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢棄物處理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2010.

[2] 孫振鈞,袁振宏,張夫道，等。農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)資源戰(zhàn)略研究報告[R].國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究,2004.

[3] 蓋希坤, 張良佺. 禽畜廢水厭氧反應(yīng)動力學(xué)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2017，44(1)﹕245-251.

[4] 鄧良偉. 沼氣工程[M].北京：科學(xué)出版社, 2015.

[5] 王凱軍. 厭氧生物技術(shù).I,理論與應(yīng)用[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015.

[6] Deublein D, Steinhauser A. Biogas from waste and renewable resources ﹕ an introduction[J]. Wiley, 2010, 2011(9)﹕8.

[7] 徐金蘭,王志盈,李賀.厭氧折流板反應(yīng)器 (ABR) 的工藝特征與處理性能[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,34(4)﹕362-365.

[8] 楊麗芳,朱樹文,高紅武,等.ABR厭氧/CASS好氧工藝處理養(yǎng)殖廢水[J].中國給水排水.2007,23(8)﹕62-66.

[9] 李榮平, 李秀金, SHULIN CHEN. 用于牛糞液厭氧消化的推流式和完全混合式反應(yīng)器性能研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9)﹕186-190.

2017-04-21）

北京市科技計劃課題（D161100006016003）,“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題（2016YFD0501403）,山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016ZDJS11A07）,煙臺市科技發(fā)展計劃（2015ZH070，2016ZH075）

李晨艷（1993-），女，碩士研究生，主要從事厭氧發(fā)酵方面的研究，Email:lichenyan93@163.com

董仁杰，教授，博導(dǎo)，主要從事生物質(zhì)能、有機(jī)廢棄物資源化研究。E-mail: rjdong@cau.edu.cn