厌氧发酵技术在畜禽养殖粪水处理与资源化中的利用

2017-07-20李晨艳孔凡克董仁杰

猪业科学 2017年5期

李晨艳，乔玮，邵蕾，孔凡克，罗星，董仁杰*

（1.中国农业大学工学院(生物质工程中心)，北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心（中国农大），北京 100083；3.中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670）

李晨艳1，2，乔玮1，2，邵蕾3，孔凡克3，罗星3，董仁杰1，2*

畜禽养殖的集约化发展在给人们提供丰富的畜禽产品的同时，由于畜禽动物的集中饲养，粪尿大量排放，给环境带来了严峻的挑战，厌氧发酵技术是处理此废弃物且符合可持续发展的有效技术之一。文内介绍了两种养殖粪水厌氧发酵的反应器，并分析了每种反应器的工艺要求和适用范围，为规模化养殖场选择不同的粪水厌氧发酵反应器提供了选择。

厌氧发酵；畜禽粪水；资源化利用

近年来，随着畜禽产品消费量以年10%的速率上升，规模化养殖业快速发展，畜牧业产值占农业生产总值比重约为1/3，但是规模化饲养也造成了粪尿和畜禽冲洗水集中大量产生[1]。《第一次全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖污染是主要的农业污染源；据孙振钧等估计，到2020年我国畜禽粪便年产生量将超过41亿吨；粪水中氮磷含量偏高，2007年全国畜禽粪便中氮磷的含量分别相当于同年化肥使用量的0.5倍和0.91倍[2]。厌氧发酵技术因其在降解有机物的同时可回收能源，被公认是合乎环境可持续发展要求、最有前景的发展技术之一[3]。畜禽粪便经过固液分离的液相部分，以及水冲粪等用水量大的工艺产生的含固体量较低的固液混合物通常认为是粪水。畜禽有机物大量的存在于固相，需要较长的时间进行厌氧分解，液相中只存在少量溶解性有机物，发酵时间较短。目前根据畜禽养殖废水的特点，厌氧发酵目标分为两种，一种是追求高的沼气产量，同时实现对环境的零污染，另一种是不以沼气产量为目标，仅追求对环境的保护作用。

1 全混式厌氧反应器

1.1 技术原理

全混式厌氧反应器是20世纪50年代发展起来，设置有搅拌和加热保温装置，可以连续进出料的反应器，反应器内部在连续搅拌时物料处于接近完全混合的状态，厌氧微生物和基质有良好的接触。全混式反应器通常需要物料较长的停留时间，反应器体积较大，单体反应器容积常在1 000～4 000 m3左右，负荷较低，优点是进料对系统冲击较小，运行稳定，便于管理，广泛地应用在畜禽养殖粪便的厌氧处理中[4,5,6]。全混式厌氧反应器可以处理含有高悬浮固体的养殖废水，不适合处理有机物浓度过低的原料。

1.2 工艺要求

全混式厌氧反应器通常需要物料较长的停留时间以降解固形物，一般停留时间长于30 d，需根据具体的原料特性和工程总体设计确定，且为保障一定的经济性和运行的稳定性，全混式工艺处理废水多采用中温发酵，进入全混式厌氧反应器的粪水总固体浓度不宜过低。全混式厌氧反应器常用的机械搅拌有垂直搅拌、侧搅拌和内部斜搅拌等形式，应根据工程需要选择适宜的搅拌形式。在实际工程中，全混式工艺可根据需要有多级工艺组合的形式，如“一级发酵+二级发酵”和“高温发酵+中温发酵”等组合工艺，对于全混式发酵工艺的出料，因其仍具有一定的产气能力，应考虑建设匹配的密闭出料储存设施以避免释放大量的温室气体、氨气和臭味气体等。

1.3 适用范围

全混式发酵工艺适合处理未经固液分离的养殖场粪水或粪便，进料的总固体浓度宜保持在5%以上。

2 厌氧折板厌氧反应器

2.1 技术原理

图1 全混式反应器的示意图

图2 全混式反应器的内部搅拌

图3 山东某公司沼气工程采用全混式发酵反应器

图4 ABR反应器的示意图

图5 猪粪（左）和牛粪（右）液相的快速发酵产气示意

折板反应器（ABR）是20世纪80年代发展起来的，一种介于全混式与推流式之间的一种厌氧反应器。反应器在垂直于水流方向上设置多个竖向挡板，将反应器分割成串联的上流室和下流室，废水进入反应器后沿导流板上下折流前进，借助导流板的阻挡和污泥自身的沉降，大量的污泥被截留在反应器中，抗负荷冲击能力较强。ABR反应器在构造上近似于多个UASB反应器的串联，在工艺特性上接近于推流式反应工艺。ABR反应器对进水的悬浮固体浓度没有严格要求，可处理中、低浓度的畜禽养殖废水。

ABR往往建于地下，不需要精确的进水系统、不需要搅拌和三相分离器，结构简单，投资较少[4-8]。

2.2 工艺要求

ABR反应器隔室数量通常为3～8个，处理低浓度废水时3～4个，处理高浓度废水时6～8个，折流板的折角一般应取45～60°；温度是影响ABR反应器的重要环境参数，温度在25 ℃以上没有显著影响，但是当温度降低到15 ℃以下时反应器性能显著下降。ABR反应器存在一定的死区体积，在实际运行中应控制较好的流态，适宜的水力停留时间和产气是保障反应器良好流态的重要因素；ABR反应器因为具有推流的特征，所以可以有适宜的回流以减少进水对前端隔室的冲击和防止前端隔室的过度酸化。ABR反应器一般作为畜禽养殖废水处理中的一个单元，后续应匹配好氧生物处理工艺以继续降解COD和氨氮。

3 粪水快速厌氧消化

3.1 技术原理

粪水经过了固液分离之后，大量的有机物被转移至固相。滞留在液相是极容易降解又可以被快速降解的可溶性有机物。通常对这部分经过固液分离的液相进行快速厌氧消化，然后进入密闭稳定塘长期贮存。图5给出的是猪粪和牛粪中液相有机物的快速降解特性，在10 d以内的时间里即可完成发酵产气，可以回收超过50%的总沼气量，大幅度缩短了滞留期，处理设施可以小型化。

为降低造价，快速厌氧消化设施通常采用与沼液密闭稳定塘相似的结构，采用推流式厌氧消化工艺。推流式厌氧反应器也称为塞流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。原料从反应器的一端进入，从另一端排出，在流动的过程中完成发酵产气。推流式反应器结构较简单，可建成半地上，池顶用水泥盖板封闭或用覆膜的形式。反应器内通常不设置机械搅拌，可以将沼气循环通入在局部搅拌料液，在流动方向上不混合。在推流式反应器的进料端呈现较强的水解酸化作用，在后端以产甲烷作用为主，是一种多阶段的发酵工艺[9]。

3.2 工艺要求

快速厌氧发酵处理的对象是含有较低悬浮固体的废水，畜禽养殖的粪便经过固液分离后可以作为处理对象；根据工程建设地的气温，快速厌氧发酵单元可以不加保温，适用于南方温暖气候的地区；如有保温措施（例如太阳能温棚）和增温措施（例如原料预增温），也可以适用于中部和华北等地区；反应器应充分考虑沼气的收集，在内部的设计应使粪水与微生物良好的接触，避免短流；设计良好的排渣系统良好的料液流态，辅助适宜的气体搅拌或其他搅拌系统，使反应器内有较好的传质效果，避免前端的过度酸化，并克服搅拌不足导致的沉渣。