陳潤(rùn)璐 李再興 馮晶 姚宗路 羅娟 趙立欣

摘 要：中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)生量逐年增加，但資源化利用率較低。厭氧干發(fā)酵技術(shù)主要用于處理總固形物質(zhì)含量在20%～40%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）之間的固態(tài)有機(jī)物，是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效途徑，具有用水量少、容積產(chǎn)氣率高等優(yōu)點(diǎn)。由于較高的含固率，厭氧干發(fā)酵技術(shù)還存在反應(yīng)器啟動(dòng)慢、物料攪拌困難、傳熱傳質(zhì)差等問題。厭氧干發(fā)酵裝置的創(chuàng)新與工藝參數(shù)的優(yōu)化直接關(guān)系到該技術(shù)的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。通過比較典型的序批式和連續(xù)式厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器的運(yùn)行特點(diǎn)，分析主要工藝參數(shù)對(duì)厭氧干發(fā)酵運(yùn)行過程的影響，綜述了近年來國(guó)內(nèi)外厭氧干發(fā)酵技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了當(dāng)前厭氧干發(fā)酵技術(shù)存在的不足，并在技術(shù)裝備和工藝研究方面對(duì)該技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望：開發(fā)厭氧干發(fā)酵裝置中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法;開展沼渣流變特性、微生物動(dòng)態(tài)變化等深層次機(jī)理方面的研究。

關(guān)鍵詞：固體污染防治工程;農(nóng)業(yè)廢棄物;厭氧干發(fā)酵;反應(yīng)器;工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：X713?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2020）04-0365-09

doi：10.7535/hbkd.2020yx040010

近年來，中國(guó)農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)量不斷增加。調(diào)查結(jié)果顯示，2015年，中國(guó)主要農(nóng)作物秸稈理論資源量達(dá)到1.04×109 t，可收集資源量為9×109 t，可利用量為7.2×109 t[1]，禽畜糞污產(chǎn)量高達(dá)3.8×1010 t[2]。由于不適當(dāng)?shù)奶幚砝梅绞?，不僅浪費(fèi)農(nóng)業(yè)廢棄物資源，還導(dǎo)致了面源污染的問題。利用農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣具有費(fèi)用低、技術(shù)成熟、能量回收率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用[3]。

根據(jù)發(fā)酵底物總固形物質(zhì)（TS）含量的不同，厭氧發(fā)酵可分為厭氧濕發(fā)酵和厭氧干發(fā)酵。厭氧濕發(fā)酵中TS含量一般小于10%[4]，原料呈液態(tài)。德國(guó)等沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟的國(guó)家，沼氣工程中大多采用厭氧濕發(fā)酵技術(shù)，應(yīng)用率約為90%[5]。目前，中國(guó)規(guī)?；託夤こ讨幸财毡椴捎脜捬鯘癜l(fā)酵技術(shù)，尤其是全混式厭氧發(fā)酵技術(shù)[6]。然而，采用厭氧濕發(fā)酵技術(shù)處理糞污會(huì)產(chǎn)生大量沼液，需要消納大量耕地，施用不當(dāng)還會(huì)造成二次污染[7]。隨著工程規(guī)模逐漸增大，問題愈發(fā)嚴(yán)重，沼液消納問題已經(jīng)成為制約濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的瓶頸。此外，厭氧濕發(fā)酵技術(shù)還存在后續(xù)處理困難、反應(yīng)器占地面積大、運(yùn)行費(fèi)用高等問題[8]。厭氧干發(fā)酵技術(shù)發(fā)酵底物的TS含量為20%～40%[9]，原料呈固態(tài)。厭氧干發(fā)酵彌補(bǔ)了厭氧濕發(fā)酵用水量大、沼液處理困難、后續(xù)處理費(fèi)用高等缺點(diǎn)，具有原料處理量大、容積產(chǎn)氣率高等優(yōu)點(diǎn)[10]。鄭盼等[11]的研究表明，以豬糞為原料進(jìn)行厭氧干發(fā)酵，其產(chǎn)氣率較厭氧濕發(fā)酵提升22.10%，且產(chǎn)氣時(shí)間更長(zhǎng)。近年來，歐洲新建沼氣工程的60%采用厭氧干發(fā)酵技術(shù)，占?xì)W洲沼氣工程總數(shù)量的9%。目前，中國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)廣泛應(yīng)用干清糞工藝，固體糞便產(chǎn)量增多，為厭氧干發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了良好環(huán)境。

根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)轉(zhuǎn)方式的不同，厭氧干發(fā)酵技術(shù)主要分為序批式和連續(xù)式2種。序批式是將物料一次性加入，發(fā)酵過程不再添加新物料，待發(fā)酵結(jié)束后，排出殘余物再重新投料發(fā)酵。該技術(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于控制，對(duì)粗大雜質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)。連續(xù)式是從反應(yīng)器啟動(dòng)以后，每天連續(xù)定量地向發(fā)酵罐內(nèi)添加新物料并排出沼渣沼液，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行，具有產(chǎn)氣連續(xù)穩(wěn)定、容積產(chǎn)氣率高、干物質(zhì)降解率高、處理量大等優(yōu)勢(shì)[12]。受反應(yīng)器運(yùn)行方式和地域溫差的影響，連續(xù)厭氧干發(fā)酵技術(shù)更適用于中國(guó)華北和西北地區(qū)，這些地區(qū)溫度較高、溫差較小，降水量較少，且農(nóng)作物較多，適合一年四季連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

本文通過分析比較近年來國(guó)內(nèi)外利用厭氧干發(fā)酵技術(shù)處理農(nóng)業(yè)廢棄物的研究進(jìn)展和工程實(shí)例，綜述了厭氧干發(fā)酵過程中原料預(yù)處理、原料性質(zhì)、接種物、溫度、停留時(shí)間、攪拌等工藝條件對(duì)運(yùn)行效果的影響，分析目前厭氧干發(fā)酵關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)方法以及深層次機(jī)理方面存在的問題，為進(jìn)一步優(yōu)化厭氧干發(fā)酵技術(shù)提供依據(jù)和支撐。

1?厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀

1.1?國(guó)外厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外對(duì)于厭氧干發(fā)酵技術(shù)的研究較為成熟，已有較多商業(yè)化應(yīng)用，并取得了良好的運(yùn)行效果。比較成熟的工藝有比利時(shí)Dranco工藝、法國(guó)Valorga工藝、瑞典Kompogas工藝、德國(guó)Bioferm工藝、德國(guó)Loock TNS工藝等[6]，典型的厭氧干發(fā)酵工藝過程如圖1所示，特征參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，幾種工藝都適用于較高含固率物料在較高溫度下的發(fā)酵，且部分發(fā)酵剩余物可作為接種物回流到反應(yīng)器進(jìn)行二次發(fā)酵。但國(guó)外開發(fā)的厭氧干發(fā)酵工藝多用于城市生活垃圾的處理，用于處理桔桿畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物的報(bào)道較少[12]。

1.2?國(guó)內(nèi)厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器的研究現(xiàn)狀

目前，中國(guó)設(shè)計(jì)的反應(yīng)器類型主要有推流式、立式、臥式、車庫式、覆膜槽式等。這幾種反應(yīng)器的運(yùn)行特點(diǎn)及存在問題如表2所示。在研究方面，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)了橫推流式連續(xù)厭氧干發(fā)酵裝置，初步建立了橫推流式連續(xù)厭氧干發(fā)酵裝備設(shè)計(jì)選型方法，并試制了中試裝置。利用上述裝置，馮晶等[12]采用秸稈和牛糞混合原料啟動(dòng)反應(yīng)器，連續(xù)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果表明，中溫條件下混合原料降解率可達(dá)40%以上。在工程應(yīng)用方面，中國(guó)建設(shè)的厭氧干發(fā)酵工程主要應(yīng)用于農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便處理，以引進(jìn)整套國(guó)外技術(shù)裝備、建設(shè)大規(guī)模的集中處理工程為主，如表3所示。中國(guó)對(duì)厭氧干發(fā)酵技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)水平與國(guó)外有較大差距，國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)成套技術(shù)裝備的應(yīng)用案例較少。

2?厭氧干發(fā)酵工藝條件對(duì)運(yùn)行的影響

2.1?原料預(yù)處理

秸稈的主要成分為難降解的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理可以破壞秸稈內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，提高秸稈的降解性能和產(chǎn)氣性能。原料預(yù)處理方法主要有物理處理、化學(xué)處理和生物處理等。CHU等[20]，MULLER等[21]分別應(yīng)用超聲波和機(jī)械破碎的物理方法對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行預(yù)處理;LPEZ等[22]、崔鳳杰等[23]、羅立娜等[24]分別應(yīng)用Ca（OH）2，NaOH和尿素氨化的化學(xué)方法對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理;黃開明等[25]、李偉[26]分別應(yīng)用復(fù)合微生物菌系HK-4和沼液堆漚的生物方法對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理。ESPOSITO等[27]對(duì)發(fā)酵原料粒徑進(jìn)行了研究，得出結(jié)論：粒徑越大，甲烷的產(chǎn)率越低。KIM等[28]對(duì)顆粒大小的研究也表明，顆粒尺寸與厭氧微生物的最大底物利用率成反比。由此看出，研磨、粉碎等預(yù)處理可減小原料粒徑，更有利于發(fā)酵原料混合均勻，提高產(chǎn)氣率。

2.2?原料性質(zhì)

調(diào)節(jié)原料混配比例可以顯著改善原料理化特性和營(yíng)養(yǎng)成分，進(jìn)而對(duì)厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生影響。目前已有大量關(guān)于原料配比對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響的研究報(bào)道。一般認(rèn)為，碳氮比調(diào)節(jié)在25%～30%的范圍內(nèi)最優(yōu)[29]。不同類型原料粒徑、黏度等物理特性差異較大，原料混配將顯著改變?cè)系牧髯兲匦?，影響物料連續(xù)厭氧干發(fā)酵密封進(jìn)出料、物料攪拌、傳質(zhì)、傳熱等過程。尹偉齊等[30]認(rèn)為進(jìn)行物料流變特性的研究可以為研究物料在發(fā)酵過程中的流動(dòng)行為奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也可以為反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)和支撐。劉刈等[31]研究了6 種厭氧發(fā)酵原料的流變特性，研究結(jié)果表明，隨著厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，鴨糞的黏度下降，而豬糞、羊糞和牛糞的黏度上升，雞糞與兔糞的黏度變化不明顯。劉剛金[32]的研究結(jié)果表明，豬糞干發(fā)酵物料的流動(dòng)性與物料的固體濃度、有機(jī)物比例以及物料種類、配比有關(guān)。

2.3?接種物

接種物的來源和接種量（接種物占發(fā)酵總原料的比例）對(duì)厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)周期、物料停留時(shí)間、產(chǎn)氣性能以及發(fā)酵過程中pH值、VFA和COD等均具有顯著影響[33]。厭氧發(fā)酵接種物可選用厭氧污泥、新鮮沼渣等，接種物添加量為發(fā)酵料液的10%～15%[34]。而厭氧干發(fā)酵過程中發(fā)酵物料含固率較高，對(duì)接種量具有更高的要求[35]，需要加大接種量實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，增加了運(yùn)行成本。不同原料的最適接種量不同，李金平等[36]的研究表明，當(dāng)接種污泥與牛糞玉米秸稈混合時(shí)，接種量為40%時(shí)，整個(gè)厭氧發(fā)酵階段（38 d）累計(jì)產(chǎn)氣量最高，為207.46 L，

甲烷平均含量52.2%;與牛糞甘藍(lán)葉混合時(shí)，接種量為30%時(shí)，整個(gè)厭氧發(fā)酵階段（38 d）累計(jì)產(chǎn)氣量最高，為159.96 L，甲烷平均含量47.8%。目前對(duì)于接種物的研究主要集中在對(duì)接種物種類和接種量的優(yōu)化方面，且研究較為成熟。但對(duì)接種方式以及接種物活性方面的研究較少，而這些方面都可能會(huì)影響接種質(zhì)量，從而影響系統(tǒng)的產(chǎn)氣性能。

2.4?溫度

溫度會(huì)顯著影響產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)與動(dòng)力學(xué)速率，進(jìn)而影響產(chǎn)氣效果。厭氧干發(fā)酵可以在一個(gè)較廣泛的溫度范圍（4～65 ℃）內(nèi)運(yùn)行，但大量研究數(shù)據(jù)表明，中溫和高溫條件都更有利于厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。中溫下運(yùn)行是指反應(yīng)器內(nèi)的溫度在25～40 ℃之間，優(yōu)化值為35 ℃。MASSE等[37]認(rèn)為在20～35 ℃范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷活性隨溫度升高而增加。相比于高溫運(yùn)行，中溫條件下運(yùn)行的熱需求較低，且由于種群的多樣性，使得運(yùn)行更穩(wěn)定。高溫下運(yùn)行是指反應(yīng)器內(nèi)溫度高于50 ℃，典型的高溫運(yùn)行溫度為55 ℃。高溫下運(yùn)行促使微生物群落具有對(duì)底物較高的利用率，相比于中溫運(yùn)行，底物的降解速度更快。如HEGDE等[38]報(bào)道，以蔬菜廢料和木屑為原料，在55 ℃時(shí)脂肪酸的降解速度比在38 ℃時(shí)要快，到達(dá)甲烷產(chǎn)率最高值的時(shí)間短。但高溫運(yùn)行的熱需求較大，而快速增加的VFA以及相對(duì)單一的菌群種類，使得運(yùn)行穩(wěn)定性降低，運(yùn)行成本也會(huì)隨之提高。中溫和高溫厭氧消化各自具有其優(yōu)缺點(diǎn)，但由于中溫厭氧消化具有操作簡(jiǎn)便、運(yùn)行穩(wěn)定、對(duì)反應(yīng)器系統(tǒng)的運(yùn)行壓力及風(fēng)險(xiǎn)較小等原因，多數(shù)工程選擇中溫作為運(yùn)行條件。

2.5?停留時(shí)間（HRT）

HRT是影響底物利用率的重要因素之一[39]。研究表明，厭氧干發(fā)酵往往需要大量的接種物，因此需要的停留時(shí)間較長(zhǎng)[40]，但不同發(fā)酵原料及溫度條件下的最適停留時(shí)間不同。典型中溫厭氧發(fā)酵的停留時(shí)間為20～25 d，高溫厭氧發(fā)酵的停留時(shí)間為10～15 d[41]。WELLINGER[42]發(fā)現(xiàn)，在中溫條件下，以牛糞為原料進(jìn)行厭氧干發(fā)酵需要停留時(shí)間為12～18 d，牛糞與秸稈混合為18～36 d，豬糞為10～15 d。受物料性質(zhì)和接種物的影響，厭氧干發(fā)酵達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的周期很長(zhǎng)，而大型沼氣工程可能需要長(zhǎng)達(dá)幾年的時(shí)間，這會(huì)增加厭氧干發(fā)酵的設(shè)備投入，增加運(yùn)行成本?？赏ㄟ^培育高效厭氧干發(fā)酵菌種，縮短到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間，從而降低運(yùn)行成本。

2.6?攪拌

攪拌可以使厭氧干發(fā)酵的物料混合均勻，保證較好的傳熱、傳質(zhì)效果，增強(qiáng)產(chǎn)氣效果[43]。由于厭氧微生物代謝較慢，發(fā)酵過程中也會(huì)有沼氣逸出起到輕微的攪拌作用，故在干發(fā)酵過程中只要求間歇或輕微攪拌[44]。KAPARAJU等[45]也認(rèn)為，攪拌速度要適中，過快或過慢都會(huì)影響厭氧發(fā)酵效果。齊利格娃[46]還報(bào)道，攪拌在一定程度上影響了古菌群落的生長(zhǎng)與代謝，攪拌周期對(duì)產(chǎn)甲烷速率的影響大于攪拌強(qiáng)度。相比濕法發(fā)酵，干法發(fā)酵攪拌阻力大，發(fā)酵原料混合困難，混合攪拌的性能成為影響厭氧干發(fā)酵傳熱傳質(zhì)性能的主要因素。因此，選用的攪拌裝置不僅要克服畜禽糞便等原料產(chǎn)生的黏性等阻力，還要達(dá)到迅速傳熱的目的，可以結(jié)合發(fā)酵原料流變特性和攪拌裝置材質(zhì)研制出適用干法發(fā)酵的攪拌裝置。

表4綜述了近年國(guó)內(nèi)外關(guān)于厭氧干發(fā)酵過程中原料混配比例、接種物、溫度、停留時(shí)間和攪拌的研究情況。

3?結(jié)論與展望

厭氧干發(fā)酵技術(shù)是農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用的有效途徑，在能源匱乏的今天具有顯著優(yōu)勢(shì)。相比序批式厭氧干發(fā)酵技術(shù)，連續(xù)式厭氧干發(fā)酵技術(shù)具有產(chǎn)氣穩(wěn)定、有機(jī)負(fù)荷高、容積產(chǎn)氣率高等優(yōu)點(diǎn)，是未來厭氧干發(fā)酵技術(shù)的重要研究方向。目前，國(guó)外已經(jīng)形成了Dranco，Valorga，Kompogas，Bioferm，Loock TNS等厭氧干發(fā)酵工藝，并進(jìn)行了工程應(yīng)用。中國(guó)也研制了推流式、立式、臥式、車庫式、覆膜槽式等厭氧干發(fā)酵裝置，但在國(guó)內(nèi)的沼氣工程中鮮有應(yīng)用。厭氧干發(fā)酵裝置的創(chuàng)新和工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化是目前限制中國(guó)厭氧干發(fā)酵技術(shù)推廣的重要因素。國(guó)內(nèi)外針對(duì)原料預(yù)處理、原料性質(zhì)、接種物、溫度、停留時(shí)間、攪拌等工藝參數(shù)對(duì)厭

氧干發(fā)酵效果的影響進(jìn)行了大量研究，為工藝參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了借鑒。與國(guó)外先進(jìn)、成熟的技術(shù)相比，中國(guó)在技術(shù)裝備和工藝研究方面仍需要解決或考慮以下問題。

1）技術(shù)裝備方面：

①中國(guó)對(duì)研制的厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器只進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究，缺乏工程應(yīng)用案例，相比國(guó)外而言，缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)裝備，需要?jiǎng)?chuàng)新開發(fā)厭氧干發(fā)酵成套設(shè)備，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村有機(jī)廢棄物的資源化利用提供支撐;

②針對(duì)干法發(fā)酵目前存在的進(jìn)出料困難、攪拌不均、傳熱傳質(zhì)差、運(yùn)行周期長(zhǎng)等問題，需要進(jìn)一步創(chuàng)新高含固率有機(jī)廢棄物連續(xù)厭氧干發(fā)酵裝置中進(jìn)出料、物料輸送、攪拌等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法。

2）工藝研究方面：

①目前對(duì)厭氧干發(fā)酵工藝的研究主要集中在工藝調(diào)控對(duì)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣性能方面的影響，對(duì)物料流變特性、微生態(tài)動(dòng)態(tài)變化等方面的研究較少。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)厭氧干發(fā)酵技術(shù)的深層機(jī)理研究，揭示厭氧干發(fā)酵過程中沼渣流變性能的變化規(guī)律及微生物動(dòng)態(tài)特征與關(guān)鍵工藝條件的響應(yīng)規(guī)律，為厭氧干發(fā)酵裝置的設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化提供參考;

②目前對(duì)厭氧干發(fā)酵效果的影響大多局限在產(chǎn)沼氣方面，對(duì)產(chǎn)酸、沼渣等發(fā)酵副產(chǎn)物的研究較少，應(yīng)拓寬連續(xù)厭氧干發(fā)酵產(chǎn)物的研究領(lǐng)域，加大發(fā)酵副產(chǎn)物資源化利用途徑方面的研究。

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