提高畜禽粪便沼气发酵产气量的研究进展

梁丽芬，叶泉清，陈 静，袁梦婷，谢炎东，宾石玉

(1.广西师范大学可持续发展创新研究院，广西 桂林 541006；2.广西师范大学生命科学学院，广西 桂林 541006)

前 言

目前，沼气发酵是畜禽粪便合理处理和资源化利用的主要方式之一，具有产生物能和降解能力等优点。畜禽粪便经过沼气发酵可产生含一定甲烷浓度的可再生天然气，因此，提高畜禽粪便沼气发酵产气量，可使畜禽粪便利用达到最大化，实现变废为宝的价值。本文就影响畜禽粪便沼气发酵产气的内外影响因素进行综述，以期对提高畜禽粪便沼气发酵产气的研究提供一定的依据。

1 沼气发酵产气的内在影响因素

1.1 沼气发酵前期产气的影响因素

1.1.1 厌氧共消化

畜禽粪便进行单一的发酵易出现氨抑制，发酵产气量低。将畜禽粪便和富含碳类的植物秸秆进行厌氧共消化，通过两种物料的互补，不仅降低氨、脂肪酸抑制的风险，调节发酵体系碳氮比，而且能够有效地分解产气和延长产气高峰期，可提高基质中沼气的甲烷含量[1]。Zhang T等[2]将鸡粪分别与三种谷物残渣(玉米秸秆、小麦秸秆和稻草)在35±1℃进行厌氧共消化发现，三种发酵组合不仅利于发酵系统稳定，而且均可提高产气量，玉米秸秆与鸡粪组合尤为显著。另外，Sukhesh M J等[3]研究发现，与牛粪单一发酵相比，采用1∶1、1∶3和1∶5的混合比例进行发酵，分别提高了50%～57%和9～10%的甲烷产量，既降低了反应滞后时间，又提高产甲烷量。Tian H等[4]研究厨房垃圾与猪粪的7种不同混合比例的厌氧共消化发现，与单一猪粪发酵相比，两者以1∶1的比例厌氧共消化可产甲烷量为409.5 mL/gVS，此时的产气量最高且消化性能稳定。可见，厌氧共消化可弥补单一畜禽粪便发酵的不足，具有协同作用，缩短发酵滞后时间，有效提高产气量。

1.1.2 接种物

接种物主要是厌氧活性污泥，包括悬浮物质、胶体物质和厌氧消化细菌，接种物与基质的比例是固态厌氧发酵快速启动的关键因素。在畜禽粪便沼气发酵中菌种接种量的添加可提高产气量，同时减少甲烷指数生长期所需的启动时间，且接种物的性质会影响产气量。黄欣磊[5]研究发现，当厌氧污泥作为接种物且接种量为发酵料液总量的30%时，累积沼气产量高达265mL/g VS，此时发酵体系内的微生物活性高，表明接种物对发酵产气具有促进作用。另外，Córdoba V等[6]以污泥为接种剂对猪污水厌氧消化发现，在1∶1、3∶1和6∶1这3种基质与接种比的范围内，当接种浓度越高，可减少滞后期且甲烷产量越多；当接种浓度较低时，产甲烷菌群的适应时间比预期长，且延缓甲烷的产生。可见，适当提高沼气发酵接种量，可以缩短不产生甲烷时间，提高发酵产气量。

1.1.3 预处理

预处理主要分为化学、物理以及生物处理，对畜禽粪便预处理有利于降解有机底物，为微生物提供适宜的生长环境，可提高产气量。Elasri O等[7]对摩洛哥鸡粪厌氧消化产生沼气潜力的研究中发现，未经预处理的鸡粪无论是在实验室还是原型沼气池中，都只产生少量沼气，而经过加热和研磨预处理后，则产生大量的沼气，相当于每吨64.4 m3的新鲜废物，含有60.2%的CH4、38.8%的CO2。翟佳宁等[8]也发现，当发酵底物的固体含量为12%和16%时，未经预处理组沼气日产量分别为420.8 mL/d和379.2mL/d，而经预处理组沼气日产量分别为593.1 mL/d和550.9mL/d，表明经预处理组比未经预处理组沼气产量更高。Yu T等[9]对猪粪进行微波辅助碱性条件预处理发现，预处理不但缩短稳定的产气量时间，而且可明显提高累积产气量。综上所述，在发酵前对畜禽粪便进行预处理对提高产气量有显著的作用。

1.2 沼气发酵过程中产气的影响因素

1.2.1 发酵温度

温度是影响微生物群落生长、生化反应速率和过程效率的关键参数之一。沼气发酵温度分为室温(< 25 ℃)、中温( 25～45℃)以及高温( > 45 ℃)，发酵体系内的产甲烷菌群生物活性受温度影响较大，低温和高温对产气量都存在明显的抑制现象。Hupfauf S等[10]研究表明，与37℃和55℃相比，温度为45℃平均产甲烷量为166 mL/gVS，产气量和效率最高，比其他两种温度分别高出12.8%和9.6%，可能是温度对发酵体系中菌群的影响导致。Lin Q等[11]研究不同温度(25～55℃)对猪粪厌氧消化产甲烷发现，随着温度从25℃上升到55℃，日产甲烷量与总产气量逐渐增加，但在55℃时开始下降。但也有研究表明，高温发酵的总累积产气量和日产气量与室温和中温相比都显著提高，且更利于甲烷的产生[12]。这可能是由于研究畜禽粪便的对象不同引起的，牛粪适合高温发酵，而猪粪则在中温发酵能得到最大产气量[13]。因此，需要针对不同的畜禽粪便选择适宜提高产气量的发酵温度。

1.2.2 酸碱度

产甲烷菌群对发酵底物的初始酸碱度(pH)十分敏感，发酵底物初始pH对沼气发酵启动以及产气高峰都有显著的影响，当pH为6.8～7.2时，日产气量达到最高，可实现发酵底物最大利用，过酸或过碱的环境都会降低产沼气性能。姜庆宏等[14]研究表明，初始pH值为7.0时，总产气量为3857 mL，甲烷体积分数高达55.2 %，此时产气效果最好。Zhou J等[15]设计三个酸碱度(pH6.0、pH7.0和pH8.0)对猪粪进行中温沼气发酵试验发现，中性pH 7.0组沼气产量和甲烷含量显著高于其它两组，且其内的菌属主要为甲烷粒菌属，表明沼气发酵酸碱度保持在pH7.0可以丰富甲烷粒菌属种群结构，利于增加沼气产量。可见，适宜的pH值可为发酵体系中的菌群提供适宜的生长繁殖环境，从而有利于发酵产气，提高产气量。

1.2.3 沼气发酵原料的C/N

沼气发酵原料的C/N是影响发酵产气的关键因素之一，过低或过高的C/N均影响底物发酵产气，且研究认为沼气发酵最佳C/N为20～30∶1[16]。薛红军等[17]研究发现调整进料的C/N，可提升发酵产气率，尤其当C/N为21∶1时，产气率明显提高，发酵罐各项理化指标也更加稳定。李淑兰等[18]研究表明，不同的C/N发酵原料对鸡粪厌氧发酵产气量也不同，当C/N比为20∶1时，适合鸡粪厌氧发酵且产气潜力高。Jin N B等[19]研究也表明，在鸡粪中添加较高C/N的废弃物可平衡厌氧发酵中的营养且提高氨抑制阈值，进而提高甲烷生产效率和产气量。可见，过高过低的碳氮比都不利于累积产气量，适宜的碳氮比可平衡发酵体系中的营养，稳定发酵理化指标，促进沼气发酵产气。

1.2.4 微量元素

微量元素是沼气发酵酶系统活性重要的组成成分，包括Fe、Ni、Co等元素。在沼气发酵中添加Fe、Ni、Co等微量元素可提高产甲烷菌的生长繁殖能力，激活酶的活性[20]。当发酵液中的微量元素不足，将出现发酵系统稳定性差以及产气量低等问题。因此，可在畜禽粪便沼气发酵过程中适量添加微量元素，不仅维持系统稳定且能提高沼气产量[21]。Molaey R等[22]研究微量元素的添加对鸡粪厌氧消化的影响发现，在6 000 mg/L的高浓度总氨氮下，微量元素的添加可产生显著的效果，累积甲烷产量以及生产速率分别提高了20%和39.5%。此外，Zhang H等[23]研究也发现，Fe(2+)的加入延长了日产沼气的高峰期，使累积产沼气量提高18.1%。Lar J S 等[24]研究表明在牛粪中添加Ca和Fe元素对甲烷产量产生正向作用，可提高沼气产量。综上所述，在沼气发酵中添加Co、Ni、Mo等微量元素可提高产甲烷菌的活力和数量，延长产气高峰期，对提高产气量具有显著作用。

1.2.5 搅拌

搅拌是提高厌氧发酵效率的重要机理之一，主要是因为搅拌使发酵液中的气体、液体以及悬浮的颗粒充分混合均匀，抑制毒性累积，促进甲烷菌群繁殖，提高产气量同时缩短发酵周期。但搅拌时间过长，会破坏产甲烷菌适宜生长环境和发酵平衡状态，搅拌时间过短，则达不到搅拌效果，且过于强烈的搅拌也不利于发酵中的厌氧微生物生长和代谢，降低产气量。张重等[25]研究牛粪发现，每次搅拌10min、15min并且每天搅拌4次的反应器的容积产气量最高。另外，裴海林[26]也发现，对鸡粪每天搅拌4次，每次进行搅拌10min更利于产气。可见，适宜的搅拌时间及次数能使畜禽粪便和微生物充分接触，达到较好的混料效果，加快发酵速度，且利于提高产气量。

1.2.6 有机负荷

有机负荷是影响沼气发酵效果和产气量的重要因素之一，在一定范围内，随着有机负荷的增加，产气量不断累积。傅国志等[27]研究有机负荷对鸡粪厌氧发酵影响发现，有机负荷在2.5～5.3 g VS/(L·d)范围内，发酵体系有机酸浓度处于较低范围，且产气率为2.58L/L，但当有机负荷增加到6.0 g VS/(L·d)时，产气率降低了23.5%。另外，MUHAMMAD HASSAN[28]以三种不同有机负荷1.4 g VS/(L·d)、2.9 g VS/(L·d)和4.4 g VS/(L·d) 对鹅粪厌氧发酵的影响发现，当有机负荷为2.9 g VS/(L·d)时，此时产气量最高，表明在一定温度条件下，产气率与有机负荷呈非线性增加，可能是由于发酵液中的微生物已经达到饱和造成。Zhang C等[29]研究增加有机负荷对鸡粪厌氧消化的影响发现，有机负荷低于11.5 g VS/(L·d)有利于沼气产量增加，达到11.5 g VS/(L·d)后会出现体积沼气生产速率(VBPR)、甲烷含量和挥发性固体(VS)去除效率下降，且出现氨抑制现象。

1.2.7 水力停留时间

水力停留时间的长短会对畜禽粪便沼气发酵的产气量产生影响。罗立娜等[30]研究不同水力停留时间(4d、6d、8d、10d和12 d)对牛粪产气量的影响发现，水力停留时间为6d时，微生物对物质的利用速率达到平衡，此时的产气效率最高、产气量达到最大，且水力停留时间过短或过长都不利于产气。何秋阳等[31]对鸡粪做厌氧发酵试验发现，水力停留时间为25d、31.2 d、41.7 d和83.3 d时，产气率之比分别为2.46∶2.04∶1.76∶1，表明产气率随着水力停留时间的增加而降低。可见，对不同畜禽粪便进行沼气发酵的水力停留时间是不同的，且过短或过长的水力停留时间都不利于产气。

2 沼气发酵产气的外在影响因素

2.1 厌氧发酵反应器

厌氧发酵反应器是维持厌氧发酵的场所，高效的厌氧反应器不仅能够提高产气量，而且还能减少成本，达到利益最大化。研究表明，在35℃条件下，使用厌氧序批式反应器(ASBR)、升流式固体厌氧反应器(USR)和厌氧复合反应器(UBF)对猪场废水处理性能进行对比试验发现，尽管相同质量的畜禽粪便在反应器内表现出相同的出水浓度和去除率，但不同反应器产甲烷的含量明显不同[32]。Yang H 等[33]对三种生物反应器即： ASBR、USR和UBF，进行比较中发现，在有机负荷一样时，ASBR、UBF和USR的最大体积产甲烷率分别为1.679、1.669和1.234 mL/gVS。与USR相比，ASBR和UBF具有更好的性能，可能是由于更高的固体停留时间与水力停留时间之比，显示出更有效的生物量保持能力、污染物去除效率和甲烷产量。

2.2 厌氧发酵的方式

厌氧发酵方式的不同将会对畜禽粪便沼气发酵的产气量产生影响，根据发酵物料中固体含量不同分为湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵，相比于起步较早的湿式厌氧发酵，干式厌氧发酵逐渐受到关注。郑盼等[34]研究发现，与湿式厌氧发酵相比，猪粪干式厌氧发酵的产气率较高，产气率相比之提升了22.10%，表明干式厌氧发酵的产气效率高于湿式厌氧发酵，且产气效果更好。Jha A K等[35]对牛粪湿、干厌氧发酵进行了比较，结果表明，与湿式厌氧发酵(TS为7.68%)相比，干式厌氧发酵 (TS为15.18%)获得较高的产气量和VS去除率，并且在能源回收、资源节约和工程投资等方面具有优势。可见，干式厌氧发酵比湿式发酵产气量更高、稳定性更好，且节约水资源。

3 结 语

沼气发酵技术的应用使得大量的畜禽粪便得到有效合理地解决，同时本综述对影响畜禽粪便沼气发酵产气量的内外因素进行总结研究，旨在为提高产气量以及利用率方面提供参考依据。另外，目前在提高沼气发酵产气量可从以下几个方面完善：(1)引进先进的配套发酵装置，加强畜禽粪便沼气发酵的技术研究以及积极推广。(2)结合使用干式与半干式技术进行畜禽粪便厌氧发酵。

总之，提高畜禽粪便沼气发酵的产气量是实现高效利用再生资源的有效途径，对实现再生资源的生态经济良性循环具有重要意义。