畜禽粪便厌氧发酵的影响因素分析

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　　摘要 利用厌氧发酵技术处理畜禽粪污，既是国家节能减排的政策要求，也是企业降低环保成本的重要手段。为提高厌氧发酵技术在畜禽粪便实际处理过程中的应用效率，结合查阅文献及工程实际经验，对畜禽粪便厌氧发酵的影响因素进行了分析，得出以下结论：在工程上，综合考虑成本、操作便利性等因素，可以选择中温发酵;水力停留时间以20～40 d为宜;反应过程宜进行低速緩慢搅拌;抑制物不宜超过一定的浓度;pH控制在中性至弱碱范围较佳;适宜碳氮比为20∶1～30∶1;有机负荷宜在6.0 g/（L·d）以下;总固体浓度宜控制在6%～10%;适当添加微量金属元素或吸附剂类添加剂可以提高发酵效率。
　　关键词 畜禽粪便;厌氧发酵;影响因素
　　中图分类号 X713文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）02-0221-04
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.064
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Analysis on the Factors Affecting the Anaerobic Fermentation of Livestock and Poultry Manure
　　WU Gao-yan
　　（Guangdong Guangken Animal Husbandry Engineering Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou， Guangdong510507）
　　Abstract To dispose livestock manure by using anaerobic fermentation technology is not only a policy requirement for national energy conservation and emission reduction， but it is also an important means for enterprises to reduce environmental costs. In order to improve the efficiency of anaerobic fermentation technology used in the actual disposal of livestock manure， this paper gave an overview of the factors affecting the anaerobic fermentation of livestock and poultry manure by consulting literature and drawing upon practical experience， and concluded the following conclusions： in the engineering， considering cost， operation convenience and other factors， medium temperature fermentation was recommended;the hydraulic retention time was preferably 20-40 days;the material should be slowly stirred at low speed during reaction process;Inhibitors should not be exceed a certain concentration;pH was preferred in the neutral to weak base range;the suitable carbon-nitrogen ratio should be 20∶1～30∶1;the organic load should be below 6.0 g/（L·d）;the total solid concentration should be controlled at 6%-10%;appropriate addition of trace metal elements or adsorbent additives can improve fermentation efficiency.
　　Key words Livestock and poultry manure;Anaerobic fermentation;Influencing factors
　　厌氧发酵，又称厌氧消化，是指兼性菌和厌氧细菌在无氧的条件下，将可降解的有机物分解为CH4、CO2、H2O和H2S的过程。这是一种能将污水处理和能源回收相结合的技术，因其投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等优点而受到养殖业及环保界的重视。目前，厌氧发酵技术被广泛用于畜禽粪污的处理，因而调控和协调影响发酵的因素、提高厌氧发酵效率成为业界关注的焦点。
　　影响厌氧发酵效率的因素很多，如温度、水力停留时间、搅拌、抑制物、pH、碳氮比、有机负荷、总固体浓度、添加剂等。笔者对影响畜禽粪便厌氧发酵的因素进行了分析。
　　1 影响畜禽粪便厌氧发酵的因素分析
　　1.1 温度
　　温度是影响厌氧发酵最重要的因素[1]。它通过影响厌氧微生物细胞内酶的活性和发酵料液的溶解度，进而影响微生物的生长速率和微生物对发酵底物的代谢速率以及沼气产量和气体的组成[2]。一般来说，厌氧发酵过程中主要存在水解酸化菌群和产甲烷菌。水解酸化菌群对温度的适应范围很大，甚至在100 ℃环境下也能很好地生存[3]。产甲烷菌对温度却十分敏感。产甲烷菌有3个适宜生长的温度范围，分为低温（10～25 ℃）、中温（30～40 ℃）和高温（50～60 ℃）。相应的发酵工艺分别为低温厌氧发酵、中温厌氧发酵以及高温厌氧发酵[4]。低温厌氧发酵效率很低，一般中温发酵和高温发酵比较常见。 　　高温条件下发酵速率最高。此时，水解酸化菌成为优势菌群，有利于有机物的水解、酸化和溶解，甚至连一些难以降解的纤维素物质也可以得到分解[5]。其次，在产甲烷菌的耐受范围内，温度越高，其酶的活性越大，因而产气速度越快，发酵启动时间和周期越短[3，6]。此外，高温发酵还可以灭活病毒和病菌，尤其是对寄生虫卵的杀灭率高达99%。然而，高温发酵也存在不足之处。若产甲烷菌不能及时利用水解酸化菌群产生的有机酸，则发酵液容易酸化，进而抑制产气。高温产甲烷菌在维持自身生长和酶反应时需要更多的能量参与，因此需要消耗较多的能量用于反应料液的加温和保温，发酵设备比较复杂，增加投资费用，投入产出比较低。此外，微生物在高温情况下很容易衰减，死亡率增加。
　　中温厌氧发酵产甲烷量最大。研究表明，中温厌氧发酵甲烷产量最高，高温厌氧发酵其次，而低温厌氧发酵最低[3，7]。这是因为在中温条件下产甲烷菌占据优势地位，产甲烷作用可能得到加强[5]。大多数研究表明，中温35 ℃更适合以鼠粪、牛粪、兔粪和熊粪等畜禽粪便为原料的厌氧发酵反应，其产沼气量更大，沼气甲烷浓度更高[8-10]。
　　因此，在实际生产中，当处理量很大时，不宜采用发酵速率略有优势的高温厌氧发酵，而应选用处理原料效率高、产气量高、消耗能量少的中温厌氧发酵。也有研究建议采用2阶段发酵程序，即利用高温加速水解，水解反应结束后降低温度，利用中温促进产甲烷菌产气[11]。
　　1.2 水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）
　　HRT是指物料在反应器内的平均停留时间，是反应器的有效容积与单位时间内进料体积的比值。工程上，常会根据进料量和设计的HRT确定反应器的大小。若HRT过短，废水处理不彻底，有机物去除率低。若HRT过长，微生物生长繁殖所需的能源和营养元素已被消耗过多而无法满足微生物的活动所需，致使微生物活性急剧下降，從而导致厌氧发酵过程产气量降低，发酵系统的运行效果变差[12]。选用过长的HRT必定增大了反应器的容积，进而增加了占地面积和造价。在实际应用中，HRT可以结合实地可利用的空间和出水要求，尽量延长。这是因为产甲烷菌的生长很缓慢且世代时间长，它只能利用简单的物质生长繁殖，如CO2、H2、甲酸、甲醇、乙酸和甲基胺等。这些物质又必须由水解酸化菌群将有机物分解后提供，所以产甲烷菌一定要等到其他细菌都大量生长后才能生长。同时，产甲烷菌世代周期也长，需要几天至几十天才能繁殖一代。因此，只有使产甲烷菌等微生物与有机物充分接触并在反应器内有足够长的停留时间才能最大限度地分解有机物产生沼气。工程上，一般中温厌氧发酵的HRT可以选择20～40 d，随着温度的升高，HRT可以适当减少。乔小珊[13]研究表明，30 ℃条件下奶牛粪便厌氧发酵HRT为20 d时，可获取最大池容产气率。
　　1.3 搅拌
　　一般情况下，厌氧发酵体系本身内部是不均匀的，包括温度、微生物和发酵底物混合、新旧料液混合等多方面的不均匀。搅拌不仅可以让发酵系统充分混合均匀，而且增加了微生物中的酶与发酵原料的接触面积，有效地破坏沼气池内悬浮的浮渣层面，提高产气量[2]。但过度地剧烈搅拌会破坏发酵系统内某些菌种的共生关系。因此，厌氧发酵系统内应进行低速缓慢搅拌。
　　1.4 抑制物
　　常见的微生物抑制物有重金属、盐类、抗生素、氯酚及卤代脂肪族化合物、杀虫剂、木质素水解产物以及消化过程中产生的挥发性脂肪酸（VFA）、长链脂肪酸、柠檬烯、硫化物和无机氮等[14-15]。其中，重金属、盐类、抗生素、硫化物和无机氮因其在发酵系统中含量较高，对发酵过程的影响较大[16]。
　　畜禽粪便中常见的有明显生物毒性的重金属有Zn、Cu、Cd、Pb、Cr、Hg、Ni等，主要来自不能被畜禽完全吸收利用的饲料添加剂[17-20]。在不同畜禽的粪便中，猪粪中重金属含量较高[21-22]。与其他抑制物不同的是，重金属不能被微生物降解，积累到一定程度时会降低微生物活性甚至引起微生物死亡[3]。其主要原因是重金属可以与蛋白质分子中的巯基或其他基团结合，破坏微生物酶的结构和功能，或者取代酶分子中的相关离子，从而影响酶活性[23]。当外源Cu和Gr含量超过0.2 mg/L时开始抑制总产气量和产甲烷量[24]。当Zn含量超过0.6 mg/L时也会抑制产气[25]。
　　无机盐是微生物不可缺少的营养。当无机盐浓度较低时，可以促进微生物的生长，但高浓度的无机盐会产生较高的外界渗透压，因而会降低微生物代谢酶的活性，甚至会引起细胞壁分离，抑制微生物的生长[26]。
　　抗生素能直接杀灭某些微生物或抑制其生长，改变厌氧发酵系统中微生物的群落组成。四环素类抗生素在畜禽粪便中最常见，以金霉素和土霉素的应用最为广泛[27-28]。研究表明，金霉素、土霉素对厌氧发酵均有抑制作用，其产生抑制的临界浓度值分别为0.1和0.3 mg/L[28]。当二者联合作用时，抑制效应更强。
　　H2S气体是发酵过程的产物，在沼气中的含量一般为0.2%～0.9%[29]。H2S有强烈的刺激性，且有剧毒，其溶于发酵液并超过一定浓度时，对厌氧微生物极其不利。当S2-浓度不超过65.6 mg/L时，厌氧消化无抑制作用，但当S2-浓度超过164 mg/L时则产生明显的抑制现象[30]。一般可以通过添加FeCl2、FeCl3、AlCl3抑制H2S的产生，降低其毒害程度[30]。
　　氨氮主要来自厌氧发酵过程中有机氮的水解，一般以铵态氮和游离NH3的形式存在。虽然低浓度的氨氮对于维持厌氧发酵的平衡有着重要的作用，但高浓度的氨氮会抑制产甲烷菌，从而影响厌氧发酵的正常运行[26]。研究表明，在鸡粪厌氧发酵过程中，发酵料液中铵态氮含量可以高达3 600 mg/L以上，严重抑制了产气[15]。在实际工程中，要使液铵态氮对厌氧消化无拮抗作用，一般应控制其含量低于500 mg/L[31]。 　　1.5 pH
　　厌氧消化体系的酸碱性是气-液相间的CO2平衡和NH3平衡、液相内的酸碱平衡以及固-液相间的溶解平衡共同作用的结果，它通过影响微生物的细胞膜、胞外水解酶、代谢过程以及消化液中的组分解离，进而影响微生物的活性[32]。畜禽粪便在厌氧发酵过程中由于挥发性脂肪酸的积累，容易酸化，产生酸抑制，尤以猪粪最为明显。当猪粪发酵液pH降至5左右时，会严重制约产气[33]。一般情况下，厌氧发酵的最佳pH为6.8～7.4，即在中性至弱碱范围内对厌氧发酵比较有利[1，3]。
　　1.6 碳氮比（carbon-nitrogen ratio，C/N）
　　碳氮比（C/N）是指有机物中碳的总含量与氮的总含量的比值，是微生物生长过程中必不可少的营养物质。在厌氧发酵系统中，若C/N过高，即氮素相对不足，发酵液的缓冲能力降低，pH容易下降;若C/N过低，即氮素相对过量，发酵系统将产生大量游离铵，pH容易升高，且铵盐过剩导致微生物中毒，抑制产气[2-3]。通常情况下，以C/N达到20～30为宜[34]。常温下应控制牛粪或者鸭粪的C/N为25，均可获得最高的甲烷产气量[13，35-36]。鸡粪发酵的最适C/N一般为20[37]。猪粪在高温条件下厌氧发酵的C/N可以取16[38-39]。
　　然而，畜禽粪便是富氮原料，单一畜禽粪便发酵原料往往缺少碳源，例如兔粪的C/N较小，约为6;鸡粪C/N约为10;猪粪C/N一般在12左右;牛粪C/N高一些，其中黄牛粪和奶牛粪的C/N分别为21和24[24]。在实际生产中，可以适当添加稻秆、稻草、葡萄糖、甘蔗渣、米糠、麦秸、杂木屑等富碳原料来提高发酵系统的C/N[13，34-36，38-39]。
　　1.7 有机负荷
　　发酵液的浓度常用容积有机负荷表示，即单位体积污水处理反应器（或单位体积介质滤料）每天所承受的有机物的质量。在工程设计上，当进料基本稳定时，反应器容积将影响发酵过程的有机负荷。若反应器过小，负荷过高，发酵原料不易分解，反应器内容易积累大量挥发性脂肪酸（VFA），影响正常产气;若反应器过大，负荷过低，单位容积里的有机物含量相对较低，不利于反应器的充分利用[40]。事实上，在一定范围内，有机负荷越高，产气率越高[8]。因此，在反应器容积设计时，为节约成本和用地，使反应器充分利用，可考虑在不影响产气的前提下，使容器内有机负荷尽可能高。
　　研究表明，当有机负荷控制在2.5～5.0 g/（L·d）时，厌氧消化系统中挥发性脂肪酸浓度较低，且氨氮浓度低于6.7 g/L，沼气最大容积产气率为2.58 L/L。然而，当有机负荷提高到6.0 g/（L·d）时，会引起乙酸和丙酸的快速累积，氨氮浓度也升高到6.7 g/L，沼气容积产气率降低约23.5%[41]。因此，一般情况下可控制有机负荷在6.0 g/（L·d）以下。
　　1.8 总固体（total solid，TS）浓度
　　发酵液的总固体浓度是指发酵液中干物质的百分比含量。该指标的大小与反应器容积无关，取决于发酵料液本身的含固量。在一定范围内，随着TS浓度的增加，产气量增大。然而，发酵系统中VFA的浓度与TS成正比。为了避免发酵过程中VFA大量积累导致pH急剧下降，根据不同的发酵原料，一般将TS控制在6%～10%，且在夏季和初秋温度较高的季节，可以保持较高的发酵浓度[34]。研究表明，用猪粪或者奶牛粪便进行试验，可取发酵料液的TS浓度为6%或8%[13，42-43]。
　　1.9 添加剂
　　常用的厌氧发酵添加剂主要是微量金属元素和吸附剂。微量金属元素作为电子导体参与厌氧消化过程的细胞胞外电子转移，促进生物的代谢效率[44]。吸附剂依靠其多孔、比表面积大的结构，可以吸附发酵液中微生物的有害抑制物（如NH3、氢氧化铵、硫化物等），同时给微生物提供附着载体或者促进电子传递，也能提高产气效率[15]。铁、锰、镍、钴是常用的金属添加剂，而沸石、活性炭、生物炭、粉煤灰等是常用的吸附剂[45-49]。
　　对于微量金属添加剂，以应用较多的Fe元素为例，往稻秆和猪粪的混合发酵物中添加3%的Fe2（SO4）3，则总产气量和产甲烷量可分别提高32.01%和51.48%[44]。添加5%的FePO4也可以有效促进鸭粪和向日葵秸秆混合发酵的产气量、产气效率及产气稳定性，总产气量高达无添加剂时的9倍[50]。
　　对于吸附剂，生物炭、粉煤灰、磁性粉煤灰能将猪粪产气总量和产甲烷量分别提高5%～12%、4%～10%[51]。一些经过热处理的碳具有更强的促进作用。例如，以190 ℃水热法制备的沼渣水热碳，可以将中温厌氧消化系统中猪粪的产气总量和产甲烷量分别提高29.81%和26.22%，而麦秸热解生物炭可以将二者分别提高至96.1%和101.8%[52]。
　　此外，还有一种复合添加剂，即微量金属元素与传统吸附剂的复合物，例如铁氧化物/沸石。在铁元素促进电子转移的同时，沸石能够吸附NH3，缓和NH3对产甲烷菌的抑制作用，且能为厌氧消化系统提供多种微量元素。研究表明，往牛粪中加入铁氧化物/沸石复合物可以显著提高粪便的生化降解效率，其中累积产气量可以提高96.8%，VS和COD的去除率分别提高37.5%和44.6%[53]。
　　2 结论
　　控制厌氧发酵条件对于提高厌氧发酵效率以及提高沼气的产量和质量极为重要。在工程上，综合考虑成本、操作便利性等因素，可以选择中温发酵;水力停留时间以20～40 d为宜;反应过程宜进行低速缓慢搅拌;抑制物不宜超过一定的浓度;pH控制在中性至弱碱范围较佳;適宜碳氮比为20∶1～30∶1;有机负荷宜在6.0 g/（L·d）以下;总固体浓度宜控制在6%～10%;适当添加微量金属元素或吸附剂类添加剂可以提高发酵效率。 　　參考文献
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