农业废弃物厌氧干发酵技术研究进展

陈润璐 李再兴 冯晶 姚宗路 罗娟 赵立欣

摘 要：中国是农业大国，农业废弃物产生量逐年增加，但资源化利用率较低。厌氧干发酵技术主要用于处理总固形物质含量在20%～40%（质量分数）之间的固态有机物，是农业废弃物资源化利用的有效途径，具有用水量少、容积产气率高等优点。由于较高的含固率，厌氧干发酵技术还存在反应器启动慢、物料搅拌困难、传热传质差等问题。厌氧干发酵装置的创新与工艺参数的优化直接关系到该技术的进一步推广与应用。通过比较典型的序批式和连续式厌氧干发酵反应器的运行特点，分析主要工艺参数对厌氧干發酵运行过程的影响，综述了近年来国内外厌氧干发酵技术的研究和应用现状，提出了当前厌氧干发酵技术存在的不足，并在技术装备和工艺研究方面对该技术未来的发展趋势进行了展望：开发厌氧干发酵装置中关键环节的设计方法;开展沼渣流变特性、微生物动态变化等深层次机理方面的研究。

关键词：固体污染防治工程;农业废弃物;厌氧干发酵;反应器;工艺参数

中图分类号：X713 文献标识码：A

文章编号：1008-1542（2020）04-0365-09

doi：10.7535/hbkd.2020yx040010

近年来，中国农作物秸秆和畜禽粪便等农业废弃物的产量不断增加。调查结果显示，2015年，中国主要农作物秸秆理论资源量达到1.04×109 t，可收集资源量为9×109 t，可利用量为7.2×109 t[1]，禽畜粪污产量高达3.8×1010 t[2]。由于不适当的处理利用方式，不仅浪费农业废弃物资源，还导致了面源污染的问题。利用农业废弃物厌氧发酵生产沼气具有费用低、技术成熟、能量回收率高等优点，广泛应用于农业废弃物的资源化利用[3]。

根据发酵底物总固形物质（TS）含量的不同，厌氧发酵可分为厌氧湿发酵和厌氧干发酵。厌氧湿发酵中TS含量一般小于10%[4]，原料呈液态。德国等沼气产业发展较为成熟的国家，沼气工程中大多采用厌氧湿发酵技术，应用率约为90%[5]。目前，中国规模化沼气工程中也普遍采用厌氧湿发酵技术，尤其是全混式厌氧发酵技术[6]。然而，采用厌氧湿发酵技术处理粪污会产生大量沼液，需要消纳大量耕地，施用不当还会造成二次污染[7]。随着工程规模逐渐增大，问题愈发严重，沼液消纳问题已经成为制约湿法厌氧发酵技术进一步推广应用的瓶颈。此外，厌氧湿发酵技术还存在后续处理困难、反应器占地面积大、运行费用高等问题[8]。厌氧干发酵技术发酵底物的TS含量为20%～40%[9]，原料呈固态。厌氧干发酵弥补了厌氧湿发酵用水量大、沼液处理困难、后续处理费用高等缺点，具有原料处理量大、容积产气率高等优点[10]。郑盼等[11]的研究表明，以猪粪为原料进行厌氧干发酵，其产气率较厌氧湿发酵提升22.10%，且产气时间更长。近年来，欧洲新建沼气工程的60%采用厌氧干发酵技术，占欧洲沼气工程总数量的9%。目前，中国规模化养殖场广泛应用干清粪工艺，固体粪便产量增多，为厌氧干发酵技术的应用创造了良好环境。

根据反应器运转方式的不同，厌氧干发酵技术主要分为序批式和连续式2种。序批式是将物料一次性加入，发酵过程不再添加新物料，待发酵结束后，排出残余物再重新投料发酵。该技术设计简单、易于控制，对粗大杂质适应能力强。连续式是从反应器启动以后，每天连续定量地向发酵罐内添加新物料并排出沼渣沼液，实现反应器的连续运行，具有产气连续稳定、容积产气率高、干物质降解率高、处理量大等优势[12]。受反应器运行方式和地域温差的影响，连续厌氧干发酵技术更适用于中国华北和西北地区，这些地区温度较高、温差较小，降水量较少，且农作物较多，适合一年四季连续运行，实现稳定生产。

本文通过分析比较近年来国内外利用厌氧干发酵技术处理农业废弃物的研究进展和工程实例，综述了厌氧干发酵过程中原料预处理、原料性质、接种物、温度、停留时间、搅拌等工艺条件对运行效果的影响，分析目前厌氧干发酵关键装置设计方法以及深层次机理方面存在的问题，为进一步优化厌氧干发酵技术提供依据和支撑。

1 厌氧干发酵反应器的研究现状

1.1 国外厌氧干发酵反应器的研究现状

目前，国外对于厌氧干发酵技术的研究较为成熟，已有较多商业化应用，并取得了良好的运行效果。比较成熟的工艺有比利时Dranco工艺、法国Valorga工艺、瑞典Kompogas工艺、德国Bioferm工艺、德国Loock TNS工艺等[6]，典型的厌氧干发酵工艺过程如图1所示，特征参数如表1所示。从表1可以看出，几种工艺都适用于较高含固率物料在较高温度下的发酵，且部分发酵剩余物可作为接种物回流到反应器进行二次发酵。但国外开发的厌氧干发酵工艺多用于城市生活垃圾的处理，用于处理桔杆畜禽粪便等农业废弃物的报道较少[12]。

1.2 国内厌氧干发酵反应器的研究现状

目前，中国设计的反应器类型主要有推流式、立式、卧式、车库式、覆膜槽式等。这几种反应器的运行特点及存在问题如表2所示。在研究方面，农业农村部规划设计研究院设计了横推流式连续厌氧干发酵装置，初步建立了横推流式连续厌氧干发酵装备设计选型方法，并试制了中试装置。利用上述装置，冯晶等[12]采用秸秆和牛粪混合原料启动反应器，连续调试运行结果表明，中温条件下混合原料降解率可达40%以上。在工程应用方面，中国建设的厌氧干发酵工程主要应用于农作物秸秆和畜禽粪便处理，以引进整套国外技术装备、建设大规模的集中处理工程为主，如表3所示。中国对厌氧干发酵技术的研究起步较晚，技术水平与国外有较大差距，国内自主知识产权成套技术装备的应用案例较少。

2 厌氧干发酵工艺条件对运行的影响

2.1 原料预处理

秸秆的主要成分为难降解的纤维素、半纤维素和木质素等，对其进行预处理可以破坏秸秆内部的组织结构，提高秸秆的降解性能和产气性能。原料预处理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理等。CHU等[20]，MULLER等[21]分别应用超声波和机械破碎的物理方法对发酵原料进行预处理;LPEZ等[22]、崔凤杰等[23]、罗立娜等[24]分别应用Ca（OH）2，NaOH和尿素氨化的化学方法对原料进行预处理;黄开明等[25]、李伟[26]分别应用复合微生物菌系HK-4和沼液堆沤的生物方法对原料进行预处理。ESPOSITO等[27]对发酵原料粒径进行了研究，得出结论：粒径越大，甲烷的产率越低。KIM等[28]对颗粒大小的研究也表明，颗粒尺寸与厌氧微生物的最大底物利用率成反比。由此看出，研磨、粉碎等预处理可减小原料粒径，更有利于发酵原料混合均匀，提高产气率。

2.2 原料性质

调节原料混配比例可以显著改善原料理化特性和营养成分，进而对厌氧发酵过程产生影响。目前已有大量关于原料配比对厌氧发酵产气效果影响的研究报道。一般认为，碳氮比调节在25%～30%的范围内最优[29]。不同类型原料粒径、黏度等物理特性差异较大，原料混配将显著改变原料的流变特性，影响物料连续厌氧干发酵密封进出料、物料搅拌、传质、传热等过程。尹伟齐等[30]认为进行物料流变特性的研究可以为研究物料在发酵过程中的流动行为奠定基础，同时也可以为反应器的设计和优化提供依据和支撑。刘刈等[31]研究了6 种厌氧发酵原料的流变特性，研究结果表明，随着厌氧发酵的进行，鸭粪的黏度下降，而猪粪、羊粪和牛粪的黏度上升，鸡粪与兔粪的黏度变化不明显。刘刚金[32]的研究结果表明，猪粪干发酵物料的流动性与物料的固体浓度、有机物比例以及物料种类、配比有关。

2.3 接种物

接种物的来源和接种量（接种物占发酵总原料的比例）对厌氧发酵的启动周期、物料停留时间、产气性能以及发酵过程中pH值、VFA和COD等均具有显著影响[33]。厌氧发酵接种物可选用厌氧污泥、新鲜沼渣等，接种物添加量为发酵料液的10%～15%[34]。而厌氧干发酵过程中发酵物料含固率较高，对接种量具有更高的要求[35]，需要加大接种量实现快速启动，增加了运行成本。不同原料的最适接种量不同，李金平等[36]的研究表明，当接种污泥与牛粪玉米秸秆混合时，接种量为40%时，整个厌氧发酵阶段（38 d）累计产气量最高，为207.46 L，

甲烷平均含量52.2%;與牛粪甘蓝叶混合时，接种量为30%时，整个厌氧发酵阶段（38 d）累计产气量最高，为159.96 L，甲烷平均含量47.8%。目前对于接种物的研究主要集中在对接种物种类和接种量的优化方面，且研究较为成熟。但对接种方式以及接种物活性方面的研究较少，而这些方面都可能会影响接种质量，从而影响系统的产气性能。

2.4 温度

温度会显著影响产甲烷菌的生长与动力学速率，进而影响产气效果。厌氧干发酵可以在一个较广泛的温度范围（4～65 ℃）内运行，但大量研究数据表明，中温和高温条件都更有利于厌氧发酵的进行。中温下运行是指反应器内的温度在25～40 ℃之间，优化值为35 ℃。MASSE等[37]认为在20～35 ℃范围内，产甲烷活性随温度升高而增加。相比于高温运行，中温条件下运行的热需求较低，且由于种群的多样性，使得运行更稳定。高温下运行是指反应器内温度高于50 ℃，典型的高温运行温度为55 ℃。高温下运行促使微生物群落具有对底物较高的利用率，相比于中温运行，底物的降解速度更快。如HEGDE等[38]报道，以蔬菜废料和木屑为原料，在55 ℃时脂肪酸的降解速度比在38 ℃时要快，到达甲烷产率最高值的时间短。但高温运行的热需求较大，而快速增加的VFA以及相对单一的菌群种类，使得运行稳定性降低，运行成本也会随之提高。中温和高温厌氧消化各自具有其优缺点，但由于中温厌氧消化具有操作简便、运行稳定、对反应器系统的运行压力及风险较小等原因，多数工程选择中温作为运行条件。

2.5 停留时间（HRT）

HRT是影响底物利用率的重要因素之一[39]。研究表明，厌氧干发酵往往需要大量的接种物，因此需要的停留时间较长[40]，但不同发酵原料及温度条件下的最适停留时间不同。典型中温厌氧发酵的停留时间为20～25 d，高温厌氧发酵的停留时间为10～15 d[41]。WELLINGER[42]发现，在中温条件下，以牛粪为原料进行厌氧干发酵需要停留时间为12～18 d，牛粪与秸秆混合为18～36 d，猪粪为10～15 d。受物料性质和接种物的影响，厌氧干发酵达到稳定运行的周期很长，而大型沼气工程可能需要长达几年的时间，这会增加厌氧干发酵的设备投入，增加运行成本。可通过培育高效厌氧干发酵菌种，缩短到达稳定的时间，从而降低运行成本。

2.6 搅拌

搅拌可以使厌氧干发酵的物料混合均匀，保证较好的传热、传质效果，增强产气效果[43]。由于厌氧微生物代谢较慢，发酵过程中也会有沼气逸出起到轻微的搅拌作用，故在干发酵过程中只要求间歇或轻微搅拌[44]。KAPARAJU等[45]也认为，搅拌速度要适中，过快或过慢都会影响厌氧发酵效果。齐利格娃[46]还报道，搅拌在一定程度上影响了古菌群落的生长与代谢，搅拌周期对产甲烷速率的影响大于搅拌强度。相比湿法发酵，干法发酵搅拌阻力大，发酵原料混合困难，混合搅拌的性能成为影响厌氧干发酵传热传质性能的主要因素。因此，选用的搅拌装置不仅要克服畜禽粪便等原料产生的黏性等阻力，还要达到迅速传热的目的，可以结合发酵原料流变特性和搅拌装置材质研制出适用干法发酵的搅拌装置。

表4综述了近年国内外关于厌氧干发酵过程中原料混配比例、接种物、温度、停留时间和搅拌的研究情况。

3 结论与展望

厌氧干发酵技术是农业废弃物资源化利用的有效途径，在能源匮乏的今天具有显著优势。相比序批式厌氧干发酵技术，连续式厌氧干发酵技术具有产气稳定、有机负荷高、容积产气率高等优点，是未来厌氧干发酵技术的重要研究方向。目前，国外已经形成了Dranco，Valorga，Kompogas，Bioferm，Loock TNS等厌氧干发酵工艺，并进行了工程应用。中国也研制了推流式、立式、卧式、车库式、覆膜槽式等厌氧干发酵装置，但在国内的沼气工程中鲜有应用。厌氧干发酵装置的创新和工艺参数的进一步优化是目前限制中国厌氧干发酵技术推广的重要因素。国内外针对原料预处理、原料性质、接种物、温度、停留时间、搅拌等工艺参数对厌

氧干发酵效果的影响进行了大量研究，为工艺参数的进一步优化提供了借鉴。与国外先进、成熟的技术相比，中国在技术装备和工艺研究方面仍需要解决或考虑以下问题。

1）技术装备方面：

①中国对研制的厌氧干发酵反应器只进行了工艺试验研究，缺乏工程应用案例，相比国外而言，缺乏具有自主知识产权的技术装备，需要创新开发厌氧干发酵成套设备，为农业农村有机废弃物的资源化利用提供支撑;

②针对干法发酵目前存在的进出料困难、搅拌不均、传热传质差、运行周期长等问题，需要进一步创新高含固率有机废弃物连续厌氧干发酵装置中进出料、物料输送、搅拌等关键环节的设计方法。

2）工艺研究方面：

①目前对厌氧干发酵工艺的研究主要集中在工艺调控对厌氧干发酵产气性能方面的影响，对物料流变特性、微生态动态变化等方面的研究较少。应加强对厌氧干发酵技术的深层机理研究，揭示厌氧干发酵过程中沼渣流变性能的变化规律及微生物动态特征与关键工艺条件的响应规律，为厌氧干发酵装置的设计与工艺优化提供参考;

②目前对厌氧干发酵效果的影响大多局限在产沼气方面，对产酸、沼渣等发酵副产物的研究较少，应拓宽连续厌氧干发酵产物的研究领域，加大发酵副产物资源化利用途径方面的研究。

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