邢向欣　趙國明　裴海林

摘 要：本文綜合分析了東北地區(qū)沼氣發(fā)酵技術(shù)的類型，以及原料種類、原料預(yù)處理、環(huán)境溫度、干物質(zhì)濃度、碳氮比等因素對沼氣發(fā)酵的影響，并討論了東北地區(qū)沼氣發(fā)酵的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：東北地區(qū)；沼氣；發(fā)酵技術(shù)

中圖分類號：S216.4 中圖分類號：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032034

隨著我國農(nóng)業(yè)和畜牧養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，每年會有大量的畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)有機廢棄物產(chǎn)生[1，2]，目前農(nóng)業(yè)有機廢棄物資源化利用方式中，沼氣發(fā)酵具有更高的資源利用率[3]。利用沼氣發(fā)酵技術(shù)可以將這些廢棄物資源轉(zhuǎn)變成清潔能源沼氣和優(yōu)質(zhì)有機肥，對促進農(nóng)村環(huán)境污染防治、能源消費結(jié)構(gòu)改善、土壤改良、農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收、食品安全等都具有重要意義，可推動農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟建設(shè)[3-5]。近年來，東北地區(qū)沼氣發(fā)酵已有諸多研究[6-9]，本文將對沼氣發(fā)酵技術(shù)的類型、沼氣發(fā)酵的影響因素及應(yīng)用前景等進行綜合分析，以期為東北地區(qū)沼氣發(fā)酵規(guī)模化發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵技術(shù)類型

1.1 濕法厭氧發(fā)酵

濕法厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度在6%～13%范圍內(nèi)所進行的厭氧發(fā)酵。主要有完全混合式厭氧發(fā)酵工藝、機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝和臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝。

1.1.1 完全混合式厭氧發(fā)酵工藝

完全混合式厭氧發(fā)酵工藝的反應(yīng)器多為立式結(jié)構(gòu)，一般原料干物質(zhì)濃度為8%～10%，進出料方式為下進上出，反應(yīng)持續(xù)，攪拌方式為中心攪拌和傾斜攪拌。其優(yōu)點是可以使反應(yīng)器內(nèi)原料與菌種接觸充分，熱量分布均勻，料液流動通暢，易于氣體排出。其缺點是反應(yīng)器容積利用率不高，內(nèi)部攪拌結(jié)構(gòu)使運行能耗增加，出料使部分厭氧微生物流失，有機物去除率低。

完全混合式厭氧發(fā)酵工藝可廣泛應(yīng)用于酒精廢液及牲畜糞便等工農(nóng)業(yè)廢水的處理。

1.1.2 機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝

機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝的反應(yīng)器及攪拌裝置為臥式結(jié)構(gòu)，一般原料干物質(zhì)濃度為10%～13%，進出料方式為從一端進入，呈活塞式推移狀態(tài)從另一端流出，反應(yīng)持續(xù)，攪拌器呈垂直分布。其特點是固體原料無需預(yù)處理，塞流工藝與機械攪拌結(jié)合使混料更充分，運行能量消耗較低，工程設(shè)施操作簡單，投資少，單池容積小，便于組合。

機械攪拌推流式厭氧發(fā)酵工藝可廣泛應(yīng)用于對畜禽養(yǎng)殖的糞便、機械破碎加工后的秸稈以及各種有機垃圾的處理。

1.1.3 臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝

臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝的反應(yīng)器一般為臥式的槽體或罐體，其內(nèi)部平行設(shè)有多個帶攪拌葉片的臥式攪拌軸，可以實現(xiàn)均勻布料，防止秸稈物料上浮結(jié)殼，物料與菌種結(jié)合充分。反應(yīng)器密封采用槽體上部柔性膜覆蓋并通過液漲式的密封結(jié)構(gòu)，觀察柔性膜形成的氣囊判斷沼氣排空情況。

其特點是操作簡單，安全可靠，環(huán)保系數(shù)高。

臥式多軸機械攪拌厭氧發(fā)酵工藝適合秸稈和畜禽糞便等的厭氧消化處理。

1.2 干法厭氧發(fā)酵

規(guī)模化干法厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度在20%～50%范圍內(nèi)所進行的厭氧發(fā)酵，主要有批量式干法厭氧發(fā)酵和連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵2種技術(shù)模式。

1.2.1 批量式干法厭氧發(fā)酵

批量式干法厭氧發(fā)酵工藝是將畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物在保持固體狀態(tài)（TS=20-50%）下，經(jīng)過“好氧—厭氧—好氧”發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為清潔能源沼氣和優(yōu)質(zhì)有機肥。該反應(yīng)器設(shè)計成地面車庫形槽體，頂面和前側(cè)面能夠完全敞開。發(fā)酵槽敞口處采用柔性膜覆蓋，膜與槽體間采用液漲式密封結(jié)構(gòu)聯(lián)接，底部鋪有地?zé)峁?，兩?cè)墻頂部設(shè)有軌道。好氧發(fā)酵時，攪拌器通過在軌道上滑行攪拌槽體內(nèi)物料，厭氧發(fā)酵時不攪拌。其特點是發(fā)酵自耗能低，池容產(chǎn)氣率高，處理固體能力強，成本低；操作方便，工作效率高，密封安全可靠；發(fā)酵室采用模塊化設(shè)計，易普及。

批量式干法厭氧發(fā)酵工藝適用于集約化養(yǎng)殖糞便和農(nóng)作物秸稈的處理，城市垃圾處理環(huán)節(jié)的配套，食品加工廢棄物、發(fā)酵工業(yè)加工廢棄物及廚余垃圾處理等。

1.2.2 連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵

連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵是指發(fā)酵原料在保持固體狀態(tài)（TS為20%～50%）下，直接進入反應(yīng)器厭氧發(fā)酵，發(fā)酵一經(jīng)啟動，持續(xù)進行。發(fā)酵原料從反應(yīng)器的一端進入，在臥式滾筒內(nèi)邊進行厭氧發(fā)酵反應(yīng)邊逐漸向出料端移動。其特點是發(fā)酵反應(yīng)速度快，產(chǎn)氣率高，反應(yīng)耗能低，安全性好。

連續(xù)式干法厭氧發(fā)酵工藝適用于規(guī)?；B(yǎng)殖糞便及廚余垃圾的處理，農(nóng)村集中沼氣供應(yīng)等。

2 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵影響因素

2.1 沼氣發(fā)酵與原料

東北地區(qū)沼氣發(fā)酵原料主要包括農(nóng)作物秸稈、禽畜糞便、生活垃圾等，不同的沼氣發(fā)酵原料具有不同的產(chǎn)氣效果[10]。周憲龍等[11]通過對富氮、富碳和常規(guī)對照3種不同發(fā)酵原料組合研究表明：富氮原料和富碳原料所需的點火時間比對照長，富氮原料的產(chǎn)氣速度比富碳原料快，富碳原料的產(chǎn)氣量極顯著的低于對照和富氮原料。劉德江等[12]的研究表明：在相同發(fā)酵濃度、同等溫度的條件下，豬糞、牛糞、羊糞沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的氣體中CH4含量為：牛糞>羊糞>豬糞。楊立等[13] 以豬糞為接種物，水稻秸稈、玉米秸稈和棉花秸稈為發(fā)酵原料的研究表明：在37±1℃的條件下，發(fā)酵原料的平均日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量和甲烷含量為：棉花秸稈>玉米秸稈>水稻秸稈。劉德江等[14]的研究表明：在相同溫度、濃度和碳氮比的條件下，牛糞和玉米秸稈混合發(fā)酵，牛糞中所加的秸稈越少，其產(chǎn)氣總量和甲烷含量越高。李世密等[15]的研究表明，純玉米秸稈作為發(fā)酵原料時，發(fā)酵慢，產(chǎn)氣量低。主要原因是玉米秸稈中的纖維素與木質(zhì)素等物質(zhì)結(jié)合在一起，發(fā)酵時不易被沼氣微生物降解。

2.2 沼氣發(fā)酵與原料預(yù)處理endprint

發(fā)酵原料預(yù)處理可以有效的縮短發(fā)酵時間，提高沼氣池利用率，增強原料的抗酸化能力。預(yù)處理方式主要包括物理、化學(xué)和生物預(yù)處理[16]。劉昭兵等[17]的研究表明：用沼液對稻草秸稈進行5d預(yù)處理后，稻草秸稈變?yōu)楹稚?，質(zhì)地柔軟，表面布滿白色菌落和菌絲，與豬糞、沼液和池塘水混合發(fā)酵，產(chǎn)氣量在50d內(nèi)維持一個穩(wěn)定、較高的水平，甲烷含量達到60%以上。牛明芬等[18]的研究表明：用發(fā)酵液和秸稈發(fā)酵劑對玉米秸稈進行堆漚處理，能有效的降解部分木質(zhì)纖維素和纖維素。不同的溫度、含水率、堆漚天數(shù)和玉米秸稈粒徑條件下，玉米秸稈木質(zhì)纖維素和纖維素降解率和厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量有明顯差別。當(dāng)溫度為30℃，含水率為60%，堆漚時間為15d，玉米秸稈粒徑<1cm時，產(chǎn)氣效率明顯提高，產(chǎn)氣峰值提前6d，最大日產(chǎn)氣量達630ml，與未處理的秸稈相比提高31.2%。

Palmowski 等[19]的研究表明：粉碎纖維素含量高的固體廢棄物，方便混勻發(fā)酵物料，減小發(fā)酵體積，縮短發(fā)酵時間，提高有機物降解率，沼氣產(chǎn)量顯著增加。

2.3 沼氣發(fā)酵與碳氮比

各種原料的碳氮比決定著沼氣發(fā)酵原料配比合理性。碳素是沼氣細菌活動的能量來源，各種作物秸稈，雜草，樹葉等含碳豐富；氮素是合成細菌原生質(zhì)的主要成分，人畜禽糞便含氮量較高。這2類原料進行合理搭配，混合進料，能夠獲得較好的產(chǎn)氣量[20]。成喜雨等[21]通過對碳氮比為15，20，25，30 的玉米秸稈、棉稈、豬糞混合發(fā)酵試驗研究結(jié)果表明：碳氮比為15 時，延滯期較長；碳氮比為20～25 時，產(chǎn)氣速率和沼氣產(chǎn)率較高；碳氮比為30 時 ，產(chǎn)氣高峰來的最早，但沼氣產(chǎn)率降低。李娟等[22]通過對碳氮比為15，20，22，25，30的豬糞與小麥秸稈混合原料發(fā)酵試驗研究表明：碳氮比為22的純豬糞處理在環(huán)境溫度為20℃時的產(chǎn)期速率最快，產(chǎn)氣量最多。碳氮比為25的豬糞與小麥秸稈混合處理在環(huán)境溫度為30℃時產(chǎn)氣量最多，產(chǎn)氣速率適中。

2.4 沼氣發(fā)酵與環(huán)境溫度

沼氣發(fā)酵與溫度有密切關(guān)系，微生物活性一般在30～40℃最大，過高或過低都會影響沼氣產(chǎn)量。另外，在沼氣發(fā)酵的過程中溫度決定著發(fā)酵原料的消化速度，白潔瑞等[23]通過對20℃、25℃、30℃、35℃、40℃溫度條件下作物秸稈和畜禽糞便混合的沼氣發(fā)酵研究表明：在0～35℃范圍內(nèi)，糞稈配比的產(chǎn)氣量隨溫度升高而升高；35℃條件下，雞糞與秸稈混合（干物質(zhì)質(zhì)量比=2：1）處理的沼氣產(chǎn)量高于其他糞稈比例，其中雞糞與玉米秸稈混合處理沼氣總產(chǎn)量最高。另外，在沼氣發(fā)酵的過程中溫度決定著發(fā)酵原料的消化速度。溫度越高，原料分解速度越快。田曉東等[24]的研究表明：牛糞在24℃時50d消化完全，在32～37℃時28d消化完全。在15～35℃條件下，等量原料產(chǎn)氣量大致相同，但發(fā)酵周期隨溫度的改變而改變，15℃時發(fā)酵周期360d，35℃時發(fā)酵周期為30d。

2.5 沼氣發(fā)酵與干物質(zhì)濃度

沼氣發(fā)酵根據(jù)干物質(zhì)濃度的不同，可分為濕式和干式2種。一般干物質(zhì)濃度小于10%稱為濕式發(fā)酵，其特點是發(fā)酵原料易于水解，生化反應(yīng)速率快，產(chǎn)氣穩(wěn)定；干物質(zhì)濃度大于10%稱為干式發(fā)酵，其特點是有機負荷率可高達10Kg/m3.d，所需發(fā)酵裝置容積小，投資費用低[25]石利軍等[26]通過對2.5%，5%，10%，15%，20%等5種干物質(zhì)濃度牛糞秸稈混合的厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能研究表明：產(chǎn)氣高峰期為30d，隨著干物質(zhì)濃度增加，產(chǎn)氣量波動增大，有機負荷率提高。干物質(zhì)濃度為10%時，產(chǎn)氣量最高，30d累積產(chǎn)氣量達4710ml，容積產(chǎn)氣率達0.313m3/m3.d。趙旭等[27]通過對低溫（<20℃）條件下，4%，6%，8%，10%，12%，14%等6種干物質(zhì)濃度的新鮮牛糞發(fā)酵試驗表明，沼氣發(fā)酵啟動時間隨干物質(zhì)濃度質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，干物質(zhì)濃度質(zhì)量分數(shù)為4%時，啟動時間為75d，比干物質(zhì)濃度質(zhì)量分數(shù)為14%時的啟動時間縮短17d。劉杰等[28]通過對2%，4%，6%，8%，10%，12%等6種干物質(zhì)濃度的牛糞發(fā)酵試驗表明：在相同溫度條件下，沼氣中甲烷含量與干物質(zhì)濃度有關(guān)，甲烷含量隨著干物質(zhì)濃度的增高而增高。

3 東北地區(qū)沼氣發(fā)酵的應(yīng)用前景

東北地區(qū)沼氣發(fā)酵原料十分充足，農(nóng)業(yè)有機廢棄物的數(shù)量不斷增加，循環(huán)利用率較低。據(jù)統(tǒng)計[1]僅吉林省每年產(chǎn)生秸稈總量達3942萬t，其中30%～40%就地焚燒，利用率不到10%，剩余的部分隨意堆積。吉林省規(guī)?；?、集約化養(yǎng)殖產(chǎn)生糞便2700萬t，其中70%直接用于農(nóng)家肥，2%用于制沼氣，其余隨意堆放，每年大約有300萬t得不到處理，直接進入環(huán)境。農(nóng)業(yè)有機廢棄物的無組織堆置，不僅占用了大量土地，而且還腐敗分解產(chǎn)生氨氣、二氧化碳、硫化氫、沼氣等氣體污染物，同時還造成了有機資源的嚴重浪費。如能運用生態(tài)工程對這些有機廢棄物進行有效的處理和利用，將對節(jié)約自然資源，防止環(huán)境污染，實現(xiàn)資源的生態(tài)經(jīng)濟良性循環(huán)具有重要意義。

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作者簡介：邢向欣（1979-），女，吉林長春人，主要從事農(nóng)業(yè)有機廢棄物資源化利用的研究。endprint