畜禽粪便厌氧发酵技术分析

管志云，邵 敏 ，刘玉坤

（1.新苏环保产业集团有限公司 213000；2.上海环境工程设计研究院有限公司 200040）

随着中国社会的不断发展和居民生活水平的提高，人们对肉蛋奶类食品需求不断增加，促使中国畜禽养殖业朝着集约化与规模化发展，其中以猪、牛、羊养殖业发展最快，2016年我国的猪、牛、羊存栏数量分别为 43503、10667、30112 万头[1]，目前，大型养猪场已突破50万头，养鸡场100万羽，全国大中型养殖场已近4万多家[2]。畜禽养殖业在带来社会效益与经济效益的同时，由于畜禽粪便、污水的大量产生，造成严重的水污染、土壤污染和大气污染，根据2010年第一次全国污染源普查公报显示，畜禽养殖业粪便产生量2.43亿t，尿液产生量1.63亿t，其中化学需氧量 1268.26万 t， 总氮 102.48万 t， 总磷 16.04万 t，铜2397.23t，锌 4756.94t[3]。

1 厌氧发酵

畜禽污粪中的大量有机物与氮磷元素不仅仅是污染物，若是利用得当其也是一种资源，利用厌氧发酵技术可以有效的降低COD含量，去除率大约在70%～80%。畜禽粪便通过厌氧发酵技术后产生沼液、沼渣与沼气，沼渣可以用来生产肥料，沼液可以直接用来灌溉农田，沼气可以用来发电或是制天然气，其中沼气在带来巨大的经济效益的同时也缓解我国的能源危机。厌氧发酵技术既能够治理环境污染，营造良性的生态环境，又能够产生新能源，为农户提供优质无害的肥料，其综合效益非常高。针对厌氧发酵技术处理畜禽污粪的优势，国家相关部门出台了一系列鼓励政策，“十二五”期间，国家发展改革委会同农业部累计安排中央预算内投资142亿元用于农村沼气建设，并不断优化投资结构，在“十三五”规划中明确提出了新建规模化生物天然气工程172个、规模化大型沼气工程3150个的目标[4]。

2 厌氧发酵工艺

一个完整的厌氧发酵工艺，无论其规模与大小都包含了如下的工艺流程：原料的收集、预处理、调节池、消化池（厌氧发酵器）、出料后的固液分离、气体的气水分离、脱硫与储存等，基本工艺流程如下图1所示：

原料包括畜禽污粪、秸秆、餐厨垃圾等，收集后把一定原料与废水或是畜禽粪水进行混合搅拌，进行预处理，然后进入调节池，调节池的主要作用是调节进料的含固率（TS）与温度，使原料在消化池进行厌氧发酵时有足够的产气率，产生的沼气进行气水分离与脱硫后进行储存，然后再加以利用，而从消化池排出的沼液有一部分回流到消化池进行接种，剩余的进行固液分离，分离出的沼渣可以用来作为有机肥使用，沼液可以用来浇灌农作物。

图1 厌氧发酵工艺

3 厌氧发酵工艺比较

厌氧发酵工艺根据厌氧消化罐进料的含固率不同分为湿法、半干法与干法。

湿法发酵工艺中含固率在10%以下，由于物料在发酵罐中含水率较高，物料处于可自由流动的浆液状态，如果进料在进入消化池前没有提前去除玻璃、碎石砖、塑料与纤维等异物，重物的沉淀累积和漂浮物在表面的集结，会对工艺造成严重的影响，因此，湿法厌氧消化技术要求较严格的预处理工艺，这会导致挥发性有机组分的损失，从而影响产气量。干法与半干法中物料处于不可流动的干泥状态，其对物料的要求较低，对重物和塑料敏感度较小，不需严格分选，通常只需破碎并通过60mm的筛子即可。

干法与半干法发酵后，残渣可以脱水挤压到含固率40%左右。可以直接进行好氧稳定化或干化；而湿法发酵脱水后，沼渣含固率在20%左右，沼渣特性如同水泥厂的污泥，难以直接进行好氧稳定化，需加入大量的干物料或是骨架材料。

湿法发酵中要求进料含固率在10%以下，畜禽粪便的含固率都在20%以上，若是采用湿法发酵则需要加入100%以上的水来稀释，同时发酵后产生的需处理沼液也会非常多，对于200t/d的设备，有350～370t/d的沼液需处理；对于干法，只需处理工艺过程中发酵所产生的游离水，对于半干法加入的水量也少，畜禽粪便与粪水混合后基本达到所需的含固率，沼液处理量不多。

湿法发酵中由于需要加水及处理的沼液量大，造成湿法工艺能耗高，最高到产能的50%，而干法与半干法预处理与后处理简单，能耗仅为总产能的20%～30%。对于处理相同数量的原料，湿法由于含固率低，需要较多的热量用来保温，在投入产出上有一定局限性。

干法与半干法在产气效率与有机物去除率上与湿法相比也有一定的优势，Jha等[5]对比了湿法和半干法牛粪厌氧发酵的产气效率和挥发性固体（VS）去除率，干法发酵过程（TS为15.18%）获得的产气效率和VS去除率均要优于湿法发酵（TS为7.68%）。

干法工艺中物料流动性较差，泵输送进入发酵罐困难，一般用于多批次发酵中，而且由于含固率较高，比较难搅拌，同时反应启动条件苛刻。

目前，市场上的厌氧发酵工艺大多以湿法为主，但湿法发酵预处理复杂，设备投资高、能耗高，随着干法与半干法技术设备与技术的成熟，其技术越来越受到人们的青睐，市场份额也是逐步在提高，干法与半干法技术是以后畜禽粪便厌氧发酵技术的发展方向。

4 结论

4.1 畜禽养殖业发展迅速的同时畜禽产生粪便与污水，造成严重的水污染、土壤污染和大气污染，国家针对畜禽粪便污染问题出台了一系列政策来控制与治理。

4.2 厌氧发酵技术不仅可以减少畜禽粪便污染，而且可以使其资源再利用，根据目前的产业政策与市场情况，厌氧发酵尤其是畜禽粪便规模化生物天然气技术是今后畜禽粪便治理的主要发展方向。

4.3 市场上的厌氧发酵工艺大多以湿法为主，但湿法发酵高能耗，预处理复杂，同时所需的水量大，运行稳定性差，随着干法与半干法技术设备与技术的成熟，其技术越来越受到人们的青睐，市场份额也是逐步在提高，干法与半干法技术是以后畜禽粪便厌氧发酵技术的发展方向。