張馨月 丁偉 矯云學(xué) 張蕾蕾

摘要：近年來(lái)，我國(guó)畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)飛速發(fā)展，給我國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)展帶了極大的經(jīng)濟(jì)效益。然而，與此同時(shí)，大量畜禽糞便及農(nóng)業(yè)廢棄物也造成了環(huán)境污染問(wèn)題，這與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的理念背道而馳。對(duì)此，我國(guó)相關(guān)部門一直在研究其解決辦法。其中，畜禽糞便厭氧發(fā)酵技術(shù)因其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，逐漸被廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：畜禽糞便;厭氧發(fā)酵

我國(guó)從古至今都是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)都占據(jù)國(guó)民生產(chǎn)的重要地位。隨著時(shí)代進(jìn)步和科技水平的提高，我國(guó)的畜禽養(yǎng)殖業(yè)已形成相當(dāng)大的規(guī)模，這在一方面滿足了人們對(duì)于肉蛋奶類制品的需求，而在另一方面，其帶來(lái)的大量環(huán)境污染物問(wèn)題也十分嚴(yán)重。在相關(guān)部門的重視和不斷探索中，畜禽糞便厭氧發(fā)酵技術(shù)被廣泛應(yīng)用，不僅改善了環(huán)境問(wèn)題，更實(shí)現(xiàn)了廢物利用，帶來(lái)了可觀經(jīng)濟(jì)效益，是今后處置農(nóng)業(yè)廢棄物和畜禽糞便的發(fā)展方向。

1 ?厭氧發(fā)酵意義

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平也在日益提高。居民對(duì)日常飲食中對(duì)肉蛋奶類制品的需求不斷擴(kuò)大。這對(duì)中國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)提出了更大的要求，促使畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)朝著規(guī)?；姆较虿粩喟l(fā)展。其中發(fā)展最快的是豬，牛，羊的養(yǎng)殖業(yè)，全國(guó)大中型養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)量已經(jīng)擴(kuò)大到4萬(wàn)多家。畜禽養(yǎng)殖業(yè)不僅帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，其產(chǎn)生的大量糞便和污水也造成了嚴(yán)重的水體污染，大氣污染和土壤污染，對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成了極大的危害。在這種情況下，我國(guó)開始探究各種治理手段。其中，厭氧發(fā)酵技術(shù)因其在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)脫穎而出，其產(chǎn)甲烷率的能量產(chǎn)投比可達(dá)到28.8MJ/MJ。我國(guó)在不斷的探究中已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，畜禽糞便中含有的大量氮磷元素和有機(jī)物，雖然污染環(huán)境，但若經(jīng)過(guò)科學(xué)的處理，也是一種極好的資源。厭氧發(fā)酵技術(shù)處理過(guò)后的畜禽糞便產(chǎn)生沼氣，沼液和沼渣。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，不同畜禽糞便產(chǎn)氣量有所不同，在溫度55℃時(shí)，產(chǎn)氣量為牛糞>豬糞>雞糞，沼氣可以制天然氣和發(fā)電;沼液可以灌溉農(nóng)田;沼渣可以生產(chǎn)農(nóng)業(yè)用肥。厭氧發(fā)酵技術(shù)既能生產(chǎn)新能源，為農(nóng)戶提供肥料，又能治理環(huán)境，減輕污染，綜合效益十分可觀。國(guó)家也認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，并在“十三個(gè)五年計(jì)劃”中明確提出建立規(guī)模化的大型沼氣工程和生物天然氣工程[1]。

2 ?厭氧發(fā)酵工藝的比較

無(wú)論何種規(guī)模的厭氧發(fā)酵工藝，都是由收集原料，對(duì)原料采取預(yù)處理，建造調(diào)節(jié)池與消化池，出料后分離固體和液體，氣體的水氣分離和發(fā)酵物的脫硫和儲(chǔ)存構(gòu)成的。基本工藝流程并不復(fù)雜。首先，收集各類農(nóng)業(yè)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(jìn)行第一步的處理，然后將其傾倒入調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池能夠調(diào)節(jié)原料的溫度和含固率，使原料在接下來(lái)的發(fā)酵時(shí)能夠產(chǎn)生足夠的沼氣。沼氣在經(jīng)過(guò)水氣分離和脫硫處理后需要合理的儲(chǔ)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(xù)利用。而發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼液有一部分將回到消化池用來(lái)接種。其與的繼續(xù)固液分離。分離出來(lái)的沼渣是極好的有機(jī)肥，可直接應(yīng)用在農(nóng)田里。剩余的沼液能夠直接灌溉農(nóng)田，真正做到廢物利用[2]。

根據(jù)發(fā)酵底物中總固體物含量的不同，厭氧發(fā)酵可分為濕法，干法和半干法三種工藝。歐美國(guó)家中，一些沼氣利用技術(shù)成熟的國(guó)家一般采用濕法發(fā)酵工藝。應(yīng)用率達(dá)到了90%以上。濕法發(fā)酵工藝中，固體物含量較少，發(fā)酵罐中含水率高，物料可在發(fā)酵罐中自由流動(dòng)。如果沒(méi)有在進(jìn)料前進(jìn)行一定的預(yù)處理，去掉其中含有的碎玻璃，石磚纖維或塑料等異物，就會(huì)造成表面集結(jié)大量的漂浮物，嚴(yán)重影響發(fā)酵效果。因此濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)預(yù)處理工藝的要求極高。然而，濕法發(fā)酵在處理過(guò)程中，因其對(duì)進(jìn)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(lái)稀釋進(jìn)料，降低含固率。這會(huì)產(chǎn)生大量沼液，使得其需要大量耕地來(lái)消化這些沼液。若果在發(fā)酵過(guò)程中出現(xiàn)技術(shù)失誤，將會(huì)造成再次污染。而伴隨我國(guó)養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，沼液消化問(wèn)題已經(jīng)阻礙了濕法發(fā)酵工藝的應(yīng)用。與此同時(shí)，厭氧濕發(fā)酵技術(shù)還存在著運(yùn)行費(fèi)用高，反應(yīng)器占地廣和后續(xù)處理麻煩的問(wèn)題[3]。

而干法發(fā)酵則不同。其對(duì)進(jìn)料含固率要求不高，物料在反應(yīng)罐中處于干泥狀態(tài)，不需嚴(yán)格預(yù)處理，能通過(guò)60mm的篩子即可。干法發(fā)酵夠的殘?jiān)苓_(dá)到含固率在40%左右，可以直接干化或進(jìn)行穩(wěn)定化處理。在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼液量很少，需處理量也不多。極大降低能耗。與濕法發(fā)酵工藝相比，干法與半干法發(fā)酵技術(shù)在產(chǎn)氣率和有機(jī)物去除率上優(yōu)勢(shì)也極為突出。在同等條件下對(duì)比濕法厭氧發(fā)酵和半干法厭氧發(fā)酵技術(shù)，利用半干法發(fā)酵工藝牛糞的有機(jī)物去除率和產(chǎn)氣率均高于濕法工藝。經(jīng)研究，在固態(tài)厭氧干法發(fā)酵下，牛糞、豬糞、雞糞的TS產(chǎn)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(fā)酵技術(shù)中，較優(yōu)的進(jìn)料為14%的TS和25天的HRT，若隨意增加負(fù)荷將影響產(chǎn)氣率。但干法工藝也有其局限性。因物料含固率高，流動(dòng)性差，進(jìn)入發(fā)酵罐過(guò)程困難，且難以攪拌，對(duì)反應(yīng)器啟動(dòng)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(fā)酵技術(shù)的推廣。

我國(guó)和世界上大多數(shù)國(guó)家一樣，廣泛應(yīng)用的是濕法厭氧發(fā)酵工藝。濕法工藝具有產(chǎn)能高，處理簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但也有其局限性。例如能耗大，處理復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)，需水量大，運(yùn)行不穩(wěn)定等一系列問(wèn)題。這對(duì)于我國(guó)農(nóng)業(yè)相關(guān)部門及專業(yè)人士提出了更高的要求，即如何促進(jìn)干法與半干法的技術(shù)成熟。使其更好的為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，加快推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

3 ?影響厭氧發(fā)酵的因素

厭氧發(fā)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(fā)酵的速率。產(chǎn)甲烷菌和水解酸化菌直接決定發(fā)酵速度。一般說(shuō)來(lái)，水解酸化菌群對(duì)溫度要求不高，低溫或高溫均不影響其工作。而產(chǎn)甲烷菌對(duì)溫度十分敏感。只有3個(gè)適宜其生長(zhǎng)的溫度范圍。分別為低溫（10～25℃），發(fā)酵工藝為低溫厭氧發(fā)酵;中溫（30～40℃），發(fā)酵工藝為中溫厭氧發(fā)酵;高溫（50～60℃），發(fā)酵工藝為高溫厭氧發(fā)酵。其中，豬糞、牛糞的最優(yōu)消化溫度分別為36℃和34℃，二者均適用于中溫厭氧發(fā)酵技術(shù)。其中低溫厭氧發(fā)酵因其發(fā)酵效率低，實(shí)際運(yùn)用極少。在我國(guó)常見的是中溫厭氧發(fā)酵和高溫厭氧發(fā)酵。其中，高溫厭氧發(fā)酵速率最高。水解酸化菌群占主導(dǎo)地位，對(duì)于有機(jī)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(zhì)。并且，高溫加大酶的活性，加快產(chǎn)氣速度，縮短發(fā)酵時(shí)間。高溫還可以殺滅大部分病毒和細(xì)菌，尤其是寄生蟲，其滅殺率可達(dá)到99%。然而，高溫發(fā)酵也有局限之處。如耗能高，設(shè)備復(fù)雜等。中溫厭氧發(fā)酵中產(chǎn)氣率最大。經(jīng)研究表明，畜禽糞便在中溫35%時(shí)，發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)出的沼氣甲烷濃度更高且沼氣產(chǎn)量更大。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選用合適的發(fā)酵工藝，使得效率和投入成比例，更好的促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的二次利用[4]。

其次是水力停留時(shí)間，即HRT。若HRT過(guò)短，會(huì)使得廢水無(wú)法徹底得到處理;若過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使得微生物活性下降，降低產(chǎn)氣率。

厭氧發(fā)酵時(shí)一門復(fù)雜的技術(shù)，影響其發(fā)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?xì)浔?，有機(jī)負(fù)荷，總固體濃度和添加劑等，都會(huì)對(duì)發(fā)酵效果產(chǎn)生重要的影響。以pH值為例，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值在5.5～8.5范圍內(nèi)時(shí)，酸化細(xì)菌生長(zhǎng)良好;當(dāng)pH值為6.8～7.4時(shí)，最適宜產(chǎn)甲烷菌發(fā)酵;當(dāng)pH值小于5.5時(shí)，產(chǎn)甲烷菌將無(wú)法生存。因此，我國(guó)需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇厭氧發(fā)酵技術(shù)手段，并注意影響其效果的種種因素，使其在應(yīng)用中最大限度發(fā)揮其應(yīng)有的作用。我國(guó)也需不斷研究新的科學(xué)技術(shù)手段，可借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，以此來(lái)完善自身，使得我國(guó)畜牧業(yè)朝著良性發(fā)展，推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)和諧并存。

4 ?結(jié)語(yǔ)

畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也造成了嚴(yán)重的污染問(wèn)題。集中表現(xiàn)為嚴(yán)重的大氣污染，土壤污染和水體污染，對(duì)可持續(xù)發(fā)展造成極大的負(fù)面影響。而厭氧發(fā)酵技術(shù)不僅解決了農(nóng)業(yè)廢棄物污染環(huán)境的問(wèn)題，更使得其資源得到再次利用，更好實(shí)踐國(guó)家節(jié)能減排的要求。國(guó)家應(yīng)不斷借鑒國(guó)外優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況，完善厭氧發(fā)酵工藝，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)全面健康的實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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

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