农村废弃物厌氧干发酵技术研究进展

农村废弃物厌氧干发酵技术研究进展

路朝阳 ， 汪宏杰 ， 于景民 ， 崔卫星 ， 刘菲 ， 刘启龙

(河南省化工研究所有限责任公司 ， 河南 郑州450052)

摘要：开发和利用厌氧干发酵处理农村废弃物，对于解决我国环境污染、能源的可持续发展具有深远的意义。本文综述了国内外有关农村废弃物厌氧干发酵处理技术研究现状，并展望了其发展前景。

关键词：厌氧干发酵 ； 农村废弃物

中图分类号：TQ517.5文献标识码：A

收稿日期：2014-12-26

作者简介：路朝阳(1987-)，男，助理工程师，从事化工工艺研究工作，电话：13733165639。

Research Progress of Dry-anaerobic Fermentation Technology for Rural Waste

LU Chaoyang , WANG Hongjie , YU Jingmin , CUI Weixing , LIU Fei , LIU Qilong

(Henan Chemical Industry Research Institute Co. Ltd ， Zhengzhou450052 , china)

Abstract:Development and utilization of dry-anaerobic fermentation treating rural waste has profound significance to solve the environment pollution and energy sustainable development in our country.The research status on the technology of dry-anaerobic fermentation of rural waste are summarized,and its development prospect is put forward.

Key words:dry-anaerobic fermentation ; rural waste

随着社会的不断发展，生产力水平的不断提高，人们的能源意识也在不断地增强。能源是人类社会经济发展和提高人民生活水平的重要物质保障，也是国民经济重要的基础产业。中国作为一个农业生产大国，每年都会有大量的农业废弃物产生[1]。根据我国主要农作物产量，我国每年产生秸秆7亿多吨。近年来，秸秆利用率呈明显降低的趋势，在麦收和秋收季节，出现了田间秸秆直接焚烧的现象。大量秸秆的露天燃烧，不仅不能有效利用这部分能源，还造成了二氧化碳、二氧化硫等气体的排放，污染空气，加重了全球气候变暖。随着我国畜牧业的飞速发展，畜禽粪便量也随之增加[2-3]，2012年我国畜禽粪便量已经达到了140亿t。这些农村废弃物以年均5%的速度增长[4]，其引发的环境污染问题日益突出，有效地处理和利用农业废弃物已迫在眉睫。

根据发酵底物固体(TS)含量高低，生物质厌氧发酵技术分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵两种技术；厌氧湿发酵技术TS质量分数一般在10%以下[5]。而厌氧干发酵技术TS质量分数一般在20%以上[6]。厌氧湿发酵体系中含水量较大，其中发酵物料都呈液体状，可以把有机废弃物高效地去除，但是在整个生化过程中用水量较大，造成水资源的浪费，同时会使池容面积变大，浪费土地资源，建池成本也随之增高，发酵后的产物呈浆状，浓度低，沼液和沼渣分离困难，并发出恶臭气，容易造成二次污染。

与厌氧湿发酵技术相比，厌氧干发酵技术具有明显的优势[7]：①用水量较少，降低能耗；②运行费用低；③产生沼液少，废渣含水量低，处理费用降低；④运行过程稳定，无湿发技术中的浮渣、沉淀等问题；⑤减少臭气排放；⑥广泛应用于城市垃圾、畜禽粪便、农作物秸秆等废弃物。厌氧干发酵已经成为厌氧发酵技术的研究热点。

1厌氧干发酵技术原理

厌氧干法发酵就是指高固体含量的厌氧消化，它是指以固体有机废物为原料，在无流动水的前提下微生物将其分解产生甲烷和二氧化碳。在这个转化过程中，被分解的有机碳化物中的能量大部分转化储存在甲烷中，有机质转化为较为稳定的腐殖质。一般情况下固体的百分含量在25%～30%。厌氧干发酵待处理的发酵原料在反应器内的平均停留时间为30 d，甚至更长。

厌氧干法发酵指在厌氧条件下，形成厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件，利用这些微生物分解有机废物等产生甲烷和二氧化碳的过程，与传统的厌氧生化过程一样都是分为三个阶段，其生化过程可以分为水解、酸化、甲烷化三阶段[8]：

第一阶段称为水解阶段，由水解和发酵性细菌将复杂的有机物分解为脂肪酸、醇类、二氧化碳、氨和氢等。主要是由厌氧有机物分解菌分泌的胞外酶水解有机物。这类细菌的种类和数量随有机物种类而变化。按所分解的物质可分为纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌等。在它们的作用下，多糖水解成单糖，蛋白质分解成多肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸。

第二阶段为酸化阶段，由产氢和产乙酸细菌群将第一阶段的脂肪酸等产物进一步转化为乙酸、氢和二氧化碳，利用乙酸细菌和某些芽孢杆菌等产酸细菌，降解较高级的脂肪酸如长链脂肪酸中的硬脂酸，生成乙酸和氢。还可降解芳香族酸，如苯基醋酸和吲哚醋酸，以产生乙酸和氢。

第三阶段为甲烷化阶段，它的主要菌种是产甲烷菌，其中氢产甲烷菌利用二氧化碳和氢或一氧化碳和氢合成甲烷；乙酸产甲烷菌利用乙酸裂解生成甲烷。

虽然厌氧生化过程可分为以上三个阶段，但是在反应体系中，三个阶段是同时进行的，并保持某种动态平衡，这种平衡受到环境的pH值、温度、有机负荷等因素所约束[9]。

2厌氧干发酵工艺研究

2.1　厌氧干发酵原料的选取

发酵原料既是产生沼气的底物，又是微生物赖以生存的营养原料。各种农业废弃物如秸秆、杂草、树叶等，各种农业剩余物如畜禽粪便、农产品的废水废物等，还有城市污水处理厂的剩余污泥都可以作为发酵原料。不同的发酵原料，因其可生化降解性不同，其产气量也是不同的，甚至相差可达40%以上。此外，发酵原料的碳氮比也影响产气量，一般在20～30最好[10]：过低，含氮量过多，厌氧发酵有机物的分解会受到高浓度的氨态氮NH3的严重抑制；而过高，微生物所需要的含氮量不足，消化液的缓冲能力就会降低。

农作物秸秆作为一种可利用的再生能源,越来越受到人们的重视。农作物秸杆在干发酵的过程中降解比较复杂，原料的产气率较低。国内一些学者通过秸杆的预处理及发酵工艺的控制来提高产气率。张望等人以稻秸为原料，在中温生物反应器内进行厌氧干发酵，研究了稻秸发酵过程中的生物气产量、pH值、渗滤液COD及甲烷含量的变化。焦静等[11]以不同比例配制原料，进行厌氧发酵试验，研究了甘蔗叶干法厌氧发酵产气效果的影响。

2.2　厌氧干发酵原料的预处理

秸秆作为一种发酵原料之一，是一种含有纤维素、木质素较多的固体有机物。木质素、纤维素是具有复杂结构的高分子聚合物，很难被厌氧消化或降解，其消化速度缓慢，产气量也较少。因此对秸秆进行预处理，不仅可以改变其理化性质，破环其大分子结构，促进有机物的分解，而且还可以为微生物生产繁殖创造适宜的环境，增大微生物与发酵原料的接触面积，提高原料的产气率。常用的预处理方法主要有物理预处理、化学预处理和生物预处理。

2.2.1物理预处理

物理处理方法主要指采用粉碎，包括切碎和研磨等对原料所进行的处理。粉碎能够破坏植物的纤维素结晶构造，使纤维素、半纤维素和木质素的聚合度降低，增大原料中纤维素和半纤维素与微生物的接触面积，从而有利于原料水解反应的进行。Mulle[12]研究了机械粉碎对底物厌氧发酵的影响，发现在试验进行56 h时，粉碎处理组的产气量比未处理组高46%；试验进行20 d后，产气量比未处理组高15%。由于物理处理方法对木质素等细胞结构破坏存在局限性，所以多数情况下，它常常和其它预处理方法结合在一起使用。

2.2.2化学预处理

化学预处理主要是用酸、碱和臭氧等对原料进行处理。化学预处理可以促进复杂有机物质降解转变为易于生物降解的小分子物质，从而提高产气效率。碱处理是利用木质素能够溶解于碱性溶液的特点，用稀氢氧化钠或氨水处理生物质原料，破坏其中木质素的结构。碱处理机理在于OH-能够削弱纤维素和半纤维素之间的氢键及皂化半纤维素和木质素分子之间的酯键。Neves L[13]用碱对小麦秸秆进行水解预处理，发现其单位挥发性固体(VS)由处理前的25 L/kg提高到222 L/kg。酸处理是指利用浓度较低的盐酸、硫酸、乙酸等在加热条件对木质素、纤维素等原料进行处理。经过酸处理后，半纤维素水解成单糖进入水溶液，纤维素的聚合度下降，反应能力增大，而木质素的量亦有减少。李燕红等[14]用盐酸对麦秆进行预处理。结果表明，在盐酸浓度为2%时，用微波加热，秸秆的降解能力最大。Weemaesm等[15]研究了臭氧氧化预处理对生活污泥厌氧消化的影响，发现臭氧氧化预处理可以使有机物质的转化量达到67%。

2.2.3生物预处理

生物预处理是指利用经过培养驯化的微生物对原料进行降解，使木质素、纤维素变为小分子化合物。一般生物预处理指的是利用真菌、放线菌、细菌等在好氧条件下降解木质素、纤维素或者就是好氧堆沤。Hasegawa等[16]从高温反应器中分离出能分解融化有机固体废弃物的嗜温微生物，用该微生物对原料进行预处理，在1～2 d内近40%的有机物被分解，与未经过该预处理相比，沼气量提高了50%。石卫国[17]发现，经复合菌剂预处理的秸秆启动时间缩短，并且产气量比未经过预处理的秸秆提高了42. 15% ～52. 35%。

综上所述，鉴于秸秆中木质素、纤维素等大分子结构物质的存在，在厌氧干发酵中，不管是采用物理处理、化学处理还是生物处理，一般都要对这些大分子进行预处理，破坏其内部结构，使其更容易被厌氧微生物所利用和降解，产生更多的沼气。不同预处理方法具有不同的优缺点，传统的化学与物理处理技术耗能较多；生物处理技术从成本和设备角度考虑具有独特的优势，但处理效率较低。如何将这些预处理方法进行优化组合，实现低成本、高效率生产，是今后有机固体废弃物预处理技术研究的发展方向。

3厌氧干发酵的影响因素

为了使厌氧干法发酵能够顺利进行，且能够最大量地产生沼气，最大可能地利用发酵原料，需要考虑含水率、发酵温度、pH值、环境、碳氮比、搅拌以及接种物等因素的影响。

3.1　含水率的影响

发酵物料的含水率一般为70%～85%，呈固态黏稠状。在干法发酵过程中，含水率对有机物的降解有很大影响。含水率越高越有利于热量的分布，整个反应容器内的热量分布越均衡化。同时含水率越高越有利于有机酸的流动，有利于避免酸化现象的出现。

3.2　温度的影响

温度是厌氧生物处理的重要工艺参数。厌氧消化的温度与有机物的分解有着密切的关系，不同的发酵温度对应着不同的微生物种类。根据发酵系统温度的不同可以分为常温发酵、中温发酵和高温发酵。

常温发酵产气率低，产气周期长，受外界环境影响比较大，发酵的料液温度常随季节的变化而变化，波动较大，不利于微生物的生长，产气率随天气变化非常明显，一般用于农村的沼气池。

中温发酵(温度一般在30～35 ℃)和高温发酵[18](温度一般在50～55 ℃)是厌氧发酵的两个适宜温度段。中温厌氧发酵工艺所需热量少、产气稳定、产气率高、条件相对容易实现、运行稳定、便于管理、投入产出比较高，因此得到大量应用。李连华等[19]研究结果证实，中温比高温更适合农作物秸秆的厌氧消化。

3.3　pH值的影响

pH值明显影响厌氧发酵过程，尤其是厌氧发酵过程中的甲烷化阶段。在酸化阶段，产酸菌可以在pH值5.5～8.5范围内生长良好，而在甲烷化阶段，因为产甲烷菌对外界异常敏感，它只在6.5～7.5之间能够保持较好的活性，尤其是当pH值小于5.5时，产甲烷菌完全受到抑制，所以适宜pH值控制范围在6.5～7.5[19]。反应体系内pH值的变化速度与发酵速度有关。发酵速度越快，pH值的变化速度就越快；发酵速度越慢，pH值的变化速度就越慢。但是，当水解发酵速度与产酸速度超过了产甲烷速度，就会发生酸积累现象，严重的会使发酵过程中断。因此,反应器的pH值应维持在6. 5～7. 8范围内。

3.4　环境的影响

沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，它们都是厌氧性细菌，尤其是产甲烷菌对厌氧环境要求比较严格，它们不能在有氧的环境中生存，哪怕只有微量的氧，生命活动就会受到抑制，甚至死亡。为保证发酵的厌氧状态，发酵装置、开关、管路都应该严格密闭[20]。

3.5　碳氮比的影响

在厌氧发酵过程中，厌氧微细菌需要不断地分解有机物，从中吸收营养以获得生命活动所需要的能量。因此，发酵原料中所含有的营养种类以及含量对整个过程就显得异常的重要。细菌生长所需要的营养成分主要是碳、氮、磷以及其它微量元素。除了需要保持足够的营养量之外，还需要保持各营养成分之间适当的比例，为细菌提供“足”且“平衡”的营养成分。一般认为干发酵中，最适当的碳氮比为25～30。当发酵原料中碳、氮含量不足或者比例不当时，应当加以调整，否则就会影响厌氧生化过程。当碳含量过多时，容易出现酸化现象；当氮含量过量，容易出现氨阻害[21]。

3.6　搅拌的影响

搅拌有利于均匀分布有机质和传递热量，使发酵原料分布均匀，防止结壳现象的出现，同时避免局部的酸化，增加沼气细菌同发酵原料的接触面，提高原料的利用率，加快原料的分解速度，提高产气量。常用的搅拌方法有三种：机械搅拌、气流搅拌、液流搅拌。由于厌氧微生物代谢较慢，且产生的沼气逸出时就有轻微的搅拌作用，故在干发酵过程中只要求间歇或轻微的搅拌。搅拌最重要的两个方面是搅拌强度和搅拌时间。Karim[22]等研究了不同搅拌模式(沼气循环搅拌、机械搅拌和浆液回流)对沼气产量的影响。结果表明：进行沼液回流、机械搅拌和沼气循环搅拌的情况相比未搅拌时分别多产生29%、22%和15%的沼气。

3.7　接种物的影响

对于厌氧消化中产甲烷阶段的运行效果和温度来说，接种物的数量和浓度是非常重要。在厌氧消化工艺中，通常使用经过驯化的厌氧污泥作为接种物，也有利用工艺反应后的物料进行接种。Forster等[23]在接种物浓度为20%和30%时进行餐厨垃圾厌氧消化，COD去除率分别为36.6%和44.8%。为防止因接种量少而造成酸积累导致厌氧消化失败，应加大接种量以保证发酵正常进行。

4厌氧干发酵技术工艺的应用

干法厌氧消化技术迄今已在世界多个国家垃圾处理中广泛应用，其工艺主要有连续式工艺和间歇式工艺两种。典型的单相干式连续工艺包括比利时的Dranco竖式推流发酵工艺、瑞士Kompogas卧式推流发酵工艺和法国Valorga竖式气搅拌工艺等，德国Biopercolat工艺为典型的两相干式连续工艺[24]；典型的间歇式工艺主要有荷兰的Biocel工艺、德国的Bekon工艺等单相干式间歇式工艺。

我国在21世纪初开始了大型干法厌氧发酵反应器研究，目前还处于小试研究阶段。晏水平[25]对大中型集约化养殖场畜禽粪便高温干法厌氧发酵处理工程中的罐体加热保温装置进行研究，其具体研究内容是罐体加热保温装置的选型和操作参数设计，即从理论上推导出干法厌氧发酵系统正常运转过程中各阶段传热所需的各种最优工艺参数(如热媒流量、温度、加热时间等)，并通过试验来验证其可行性，为干法厌氧发酵系统的工程化提供一定的基础理论和参数。

5厌氧干发酵技术存在的问题

干式发酵系统的难点在于：① 生物反应在高温固体含量较高的条件下进行；② 很高的固体含量给搅拌装置的选择和动力配给带来了困难，反应的启动条件苛刻，菌种驯化任务艰巨；③ 容易出现酸积累现象，因此需要让进料与接种物充分混合，防止反应器局部有机负荷超高引起消化物质的酸化；④ 氨、重金属、硫酸盐、挥发性有机酸等抑制物的含量可能会提高，对细菌活性产生不利影响，需要有效的措施来降低原料中细菌中有毒物质的含量，运行中存在着较高的不稳定性。⑤发酵原料的碳氮比不容易调控。⑥对发酵设备的技术条件要求高。目前厌氧干发酵过程中只有少量的几个参数能够得到实时的测量,而厌氧干发酵过程的复杂性,发酵过程中很难找到一个简单而合适的控制参数。因此需要对厌氧干发酵的工艺控制理论和技术条件进行深入的研究。

6前景展望

我国农业废弃物资源化利用存在的上述问题，已经严重制约了我国农业废弃物的资源化利用，不利于解决农业废弃物造成的环境污染问题。因此，在我国畜禽粪便资源化利用已经取得的成就基础上，继续进行农业废弃物资源化利用技术的研究是十分必要的。厌氧发酵产沼气技术是农业废弃物资源化利用技术的一个重要方面，本应在解决农业废弃物环境污染问题上发挥重要的作用，但是由于湿法厌氧发酵技术在处理农业固体废弃物时，存在消耗大量清洁水、发酵后的产物浓度低、脱水处理相当困难、发酵产物难以有效利用的问题，制约了该项技术在农业废弃物资源化利用中所应发挥的作用。目前，在德国、荷兰等国家和地区运用的干法厌氧发酵技术为我国农业废弃物发酵的处理与资源化利用带来了新的希望，具有能够在干物质浓度较高的情况下发酵产生沼气的优点。节约了大量的水资源，处理后无沼液，沼渣可制成有机肥，基本上达到了零污染排放。

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