禽畜粪便发酵处理的发展与应用

张添一张蕾蕾黄超张重刘春妍

(1.吉林农业机械研究院，吉林 长春 130022；2.吉林工商学院，吉林 长春 130507)

引言

随着国家大力发展经济，环保问题、能源回收成为了目前全人类共同关注的话题，畜禽粪便作为重要的产出垃圾，其处理问题一直备受关注，仅在2005年我国畜禽粪便产出量已超过50亿t，但利用率却不足45%。因畜禽粪便具有固量高、有机质含量高、虫卵等病原体的特征，根据环保部门按照我国畜禽养殖业污染物排放标准对大型养殖场粪尿检测的结果表明，禽畜粪便的COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)超标50～60倍，BOD(Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量)超标60～80倍，固体悬浮物超标12～20倍[1]，如处理不当会造成环境的二次污染，因此粪便发酵技术应运而生。

1 禽畜粪便发酵处理的分类及应用

根据以往经验表明，粪便及农作物秸秆等物质在厌氧环境中通过微生物分解发酵产生的物质主要包含3大类，即沼气、沼液、沼渣，统称“三沼”。

1.1 沼气应用

又称沃尔塔气，其是一种通过分解生物质产生的常见无色但带有一丝臭味的混合气体，其最主要的成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，被广泛应用于炊事、取暖、发电和车用燃料等领域，甲烷作为其中最重要的可再生可燃气体成功地缓解了众多能源短缺的问题，为人民生活、科研事业等不同领域提供了强有力的支持，成为了一个国家处理能源短缺问题的重要支撑[2]。

1.2 沼液应用

沼液作为厌氧发酵残留物，富含农作物生长必需的氮、磷、钾等多种微量元素以及氨基酸、腐殖酸、吲哚乙酸、维生素B及其他生长素，其对生物活性物质具有促进生长、防治作物病害和改良土壤性质等多重功效，同时其内含的维生素和激素可作为动物生长饲料的添加剂，对能源的开发利用及环境改善具有巨大的开发潜力，但同时未经处理的沼液中含有众多重金属(如汞、铬、镉、砷、铅)及病原微生物等，COD及BOD也严重超标，如处理不当会对环境造成二次污染[3]。

1.3 沼渣应用

沼渣是有机质在厌氧发酵后残留底部及沼液脱水后残留的半固体物质，主要由未分解的原物质、新产生的微生物菌体组成，其丰富的碳、氮、磷、钾等元素对农作物生长起到重要的促进作用，同时内含的有机质和腐殖质可以起到疏松、改良土壤的作用，是目前中国建设“绿色生态”农业环境理念的重要能源[4]。

2 禽畜粪便发酵国内外发展现状

目前，禽畜粪便的处理应用方法主要包括发酵且高温消杀制作饲料、发酵制作农作物肥料以及自然排放3种方法，自然排放污染环境必然是作为最后的选项。目前发酵主要分为自然发酵和机械发酵，自然发酵是在自然环境下，通过密封等简单的手段让粪便自然发酵，具有成本低，操作简单的优点，但周期长，污染环境也是其弊端所在；机械发酵是借助机械设备辅助粪便发酵，具有效率高，方便监测，环境污染概率降低的优点，但同时伴随着制造成本高的缺点[5]。

2.1 国内发展现状

目前国内沼气产业发展态势迅猛，主要是以机械式发酵为主，地方存在自然发酵方式，以山东高密市环境监测站的自然发酵为例，其优化了传统大棚式沼气工程，解决了冬季运行难的难题，所产沼气通过管道运输到周边农户用作燃气，沼渣、沼液通过罐车或者管路输送到附近种植基地作为肥料，通过监测得到大棚温度与产气量的曲线图，并成功取得初步研究成果。

机械发酵分为立式发酵机和卧式发酵机，根据发酵工艺的不同分为完全混合式厌氧反应器(CSTR)、升流式固体床(USR)、上流式厌氧污泥床(UASB)、塞流式厌氧反应器(HPFC)、厌氧序批式反应器(ASBR)、厌氧接触反应器(UBF)、内循环厌氧反应器(IC)、膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)等，其中应用最广泛的为CSTR和USR工艺[6]，工艺对比如表1所示。

表1 不同厌氧发酵工艺对比

以吉林省农业机械研究院的吉林省松原市乾安县300m3沼气工程为例，如图1所示，该工程以牛粪为主要发酵原料，以20d为1个发酵周期，采用搅拌间隔为4h，搅拌转速为10r·min-1，搅拌时长为2min/次的卧式搅拌、CSTR工艺技术发酵的模式，成功将“三沼”达成闭环应用，并通过太阳能热循环的方式保持罐内发酵温度恒定在35℃左右，确保了冬季设备恒温稳定运行，成功解决了沼气工程在国内北方冬季运行难的问题。同时，发酵产生的沼气通过管路输送经过脱硫罐、脱水罐后存储在双层膜气体储气柜内，需要时通过增压系统将沼气通过管路输送到前楼厨房、温室大棚和锅炉房内，分别用于日常食堂烧菜、沼气锅炉及冬季锅炉取暖，如图2所示。

图2 乾安温室大棚沼气锅炉和锅炉取暖

发酵产生的沼液与沼渣混合物采用斜筛式固液分离机，将二者分离，如图3所示，回收的沼液排放在规定的地里用作第2年种地的肥料，同时也改善了土壤酸碱性。回收晾干的沼渣可当作肥料基质或运往乡村环保实验室进行沼渣后续的应用与开发研究。目前该示范工程日均产气量可达到322.2m3，平均溶剂产气率可达1.07m3·m-3·d-1，最高日产气量达到614.38m3，最高日产气率达到2.05m3·m-3·d-1，已取得禽畜粪便发酵综合利用的初步成效[7]，为后续的禽畜粪便发酵沼气工程提供了现实参考依据，对吉林省的沼气工程研究落实发挥了重要作用。

图3 固液分离机

2.2 国外发展现状

目前国外沼气产业技术发展依然领先国内，以德国为代表的成熟技术和政策依然有很多值得国内借鉴学习，自德国2004年《可再生能源法2004》颁布后，截至2008年，德国沼气工程骤增到4100多个，但德国的沼气工程主要应用于发电，其以禽畜粪便、有机垃圾、再生原料、工农业废弃物等更为多元化的材料作为原料进行发酵[8]，德国的沼气工程更多的以CSTR湿式中温发酵工艺，一般设有二级或三级以上的反应器，更制定了热电联产激励政策[9]，激励了企业利用所产生的余热给沼气工程加热保温，成功保证发酵罐在低温状态下仍可稳定运行，不仅避免了能源浪费，更促进了社会经济的快速发展。

美国沼气产业发展规模位居前列，但与欧洲相比中国整体发展态势比较缓慢。作为能源大国，禽畜粪便的堆积一直困扰着美国，于是在1970—1990年前后共建造了约140座沼气工程，但因技术相对粗糙简陋等问题已多数废弃。1990—2005年，美国对禽畜粪便更多以露天存放为主。近些年，美国出台了一系列的财政补助作为激励，在一定情况下带动了人民和公司建设沼气工程、处理禽畜粪便的积极性。目前，美国的沼气产业主要以覆膜厌氧塘、全混合厌氧消化器和塞流式厌氧消化器为主要工艺，其分别占美国总沼气工程量的58%、27%和19%，具有工程造价低、性价比高的优点，但同时也存在技术风险大，缺乏相关技术经验，产气率有待提升的问题[10]，基于以上工艺模式下的工程案例，如图4～6所示。

图4 覆膜厌氧塘

图5 混合厌氧消化器一体化沼气罐

图6 塞流式厌氧消化器

瑞典沼气产业技术到目前为止发展的也十分成熟，禽畜粪便、市政污水、工业废水及垃圾场作为主要的发酵原料，对市容、环境和农业发展起到了不可磨灭的作用。近年来，以Linkoping沼气厂为例的沼气发电工程也日益完善，技术趋于成熟，形成了比较有规模且有规律的一套运行体系，Linkoping沼气厂通过地下管路与各供气、供热站连接并输送沼气，以此来满足汽车燃料的供应需求[11]，如图7所示。

3 总结与展望

目前的沼气发酵工程主要以禽畜粪便、市政污水、工业废水、农业废弃物及垃圾场作为主要的发酵原料，通过不同的技术进行发酵处理，回收产生的沼气并广泛应用于社会各领域，可见沼气工程是一种以闭环为主的发酵形式，具有多产量、广应用、多范围、广发展的巨大发展前景。目前国外的沼气发电技术已经领先国内，实现沼气发电，追赶国外技术，使技术规模化、体系化是当务之急，这不仅可以缓解国内环境污染的疑难问题，还对世界环境保护和能源节约利用有着深远的意义。在三沼利用方面，有专家提出“牛粪变牛肉”的远大展望，即通过将牛粪发酵处理，产生的三沼闭环利用，特别是沼渣，因其具有丰富的元素含量，可通过相应的无菌化处理，尝试与秸秆、饲料等融合产生新的肉牛饲料，从而将饲养的肉牛转变为人们口中的优质牛肉，达到闭环效果，这对沼气工程的研究发展提供了全新的研究途径与方向，也为当下的科研人员和未来的年轻人提供了全新的思路和科研目标。