牛粪厌氧消化效率提升技术研究进展

杨红男，张驭舟，熊 炜，邓良伟＊

1 农业农村部沼气科学研究所，四川成都 610041

2 湖北绿鑫生态科技有限公司，湖北襄阳 441413

0 引言

畜禽养殖业在满足人们对肉、蛋、奶食品需求的同时，也产生了大量畜禽粪污。国家统计局2017年数据显示，全国每年产生约38 亿吨畜禽废弃物，其中牛粪污年产生量约14 亿吨，占总量的37.00%[1]。不当的畜禽粪污管理存在很大的环境污染风险，也造成巨大的资源浪费。2017年6月，国务院办公厅印发了《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，着力治理畜禽粪污养殖带来的污染问题。厌氧消化（又称沼气发酵）技术因其在有机废弃物处理、可再生能源回收和温室气体减排等方面的有益效果，是实现畜禽粪污资源化利用的首选方法[2～4]。在碳中和目标下，沼气发酵技术的发展也受到高度重视。

以牛粪作为底物的沼气发酵工艺已得到广泛研究[5～9]。然而，这些研究中的大多数证明牛粪厌氧消化的甲烷产率较低，一般在70～249 NmLCH4/gVS范围，并取决于牛的饲养方法和牛粪收集方式等。牛粪最终甲烷产量低于理论甲烷产量（468 ± 6 NmLCH4/gVS）的1/2[10]。据推测，牛饲料（草或青贮）中易降解部分已经被牛瘤胃中的微生物利用，因此，牛粪含有大量（超过总固体的50.00%）未消化的不易降解的有机组分，包括纤维素、半纤维素和木质素[11]。这些成分结构紧密复杂，表现出很强的抗生物降解能力[12]。所以在沼气工程中将牛粪作为单一原料生产沼气，在经济上往往不太可行。此外，还有许多因素影响厌氧消化过程的效率。例如，牛粪中高浓度的氨氮含量可能是抑制产甲烷菌活性的重要原因之一[11]。牛粪的非牛顿流动特性可能导致泵送装置失效、搅拌不足、传热效率低下、难以脱水等[13]。因此，针对牛粪厌氧消化存在的问题，提出可能的解决方案，对建立高效的牛粪厌氧消化技术十分必要。本文综述了工艺参数（如C/N比、温度、进料浓度等）对牛粪厌氧消化性能的影响，总结评估了共消化、预处理和添加外源添加剂对提升牛粪厌氧消化性能的作用。通过对牛粪厌氧消化技术的总结，期望能为牛粪厌氧消化技术的研究和技术推广提供参考。

1 牛粪特性

为了更好地利用牛粪，需要确定牛粪的初始特性。如表1所示，新鲜牛粪含水率较高（77.80%～92.00%），内部孔隙度小，通气性差，不适于直接堆肥，采用厌氧消化技术处理牛粪，将其转化为能源是一个更好的选择。牛粪的总固体含量在7.00%～22.00%，其中挥发性固体（VS）占75.00%以上。与猪粪、鸡粪等畜禽粪便相比，由于摄入饲料的不同，牛粪的木质纤维素含量较高（＞50.00%），牛粪的C/N比大于20∶1。此外，牛粪还含有一定浓度的碱性金属（如Ca和Mg），这些金属来源于牛的饲料添加剂[14]。较高的C/N比和碱性金属的存在使得牛粪在厌氧消化过程中具有较高的缓冲能力和工艺稳定性[15]。这些特征表明，牛粪可以作为沼气发酵的原料，但其难降解的木质纤维素可能会影响厌氧消化性能。

表1 牛粪特性描述

2 牛粪厌氧消化影响因素

2.1 C/N比

碳和氮是微生物生长的能量来源和重要营养物质。C/N比常用于确定发酵底物的性质。在高C/N比条件下，厌氧消化初期底物快速降解，发生酸化，甚至导致运行不稳定；另外，高C/N比限制了微生物的生长，因为氮的缺乏可能导致甲烷菌失活，甚至过程失败，从而降低了甲烷产量。如果C/N比低，说明氮含量高，厌氧消化过程释放氨氮可能会抑制厌氧消化性能。C/N比取决于原料的种类，可以通过高C/N比和低C/N比底物的混合来维持适宜的C/N比水平。文献报道了有效厌氧消化过程的最佳C/N比为20.00～30.00[21]。然而许多研究人员已经证明，较宽的C/N比值范围对于厌氧消化也可以取得成功[22]。据Zhang等[23]和Tsapekos等[24]报道，食物垃圾和牛粪共消化的最佳C/N比分别为15.80和16.90。虽然牛粪的C/N比在最佳C/N比范围内，但是部分碳存在于难降解的木质纤维素中，导致牛粪的原料产气率较低，共发酵是解决这个问题的较好策略。

2.2 发酵温度

温度是影响厌氧消化性能最重要的参数之一。根据发酵温度，厌氧消化工艺分为3 种类型：嗜冷（＜20 ℃），中温（30～40 ℃）和高温（45～60 ℃）发酵。高效的沼气工程一般采用中温和高温发酵。在中温条件下，沼气发酵过程更稳定，不易累积挥发性脂肪酸（VFAs），投资较少等。然而，相对于高温发酵，中温发酵也有一些限制，如甲烷产量低，木质纤维素生物降解性差，启动和发酵时间长等，而高温发酵能更有效地去除病原菌，减少臭气释放，具有更高的有机质降解（特别是纤维素）效率、较高的pH值和更高的甲烷产率[25]。

2.3 总固体浓度

根据发酵底物总固体（TS）浓度的不同，沼气发酵可分为湿发酵（＜10.00%TS）和干发酵（＞20.00%TS）。两类发酵工艺各有其优缺点，一般认为湿式沼气发酵装置具有投资低，运行稳定等优势。目前，我国规模化沼气工程普遍采用湿发酵技术。然而，湿发酵存在沼液产量大，难以完全还田利用；沼液达标处理困难，运行成本高等问题，制约湿发酵技术的进一步推广[19]。干发酵的底物呈固态，具有有机负荷高，反应器体积小，用水量少，能源消耗低等优点，弥补了湿发酵的不足。与湿发酵相比，干发酵在处理木质纤维素生物质的效率和容积产率方面具有优势，消化残余物容易还田利用[26]。在牛粪沼气发酵的研究中发现，干式沼气发酵能降低Firmicutes和Proteobacteria两种抗性基因的主要潜在宿主的丰度，从而显著减少了70.00%的抗性基因和移动遗传因子[27]。因此，干式沼气发酵可视为一种降低畜禽粪便中抗生素抗性基因风险的方法。由于这些原因，干式沼气发酵在过去的10年里受到了较多关注。但是，干式沼气发酵还存在物料传质困难、反应器容易堵塞、启动慢、容易发生抑制成分如氨、VFAs和重金属等的累积，导致甲烷产量和有机物降解效率低，从而限制其应用[19]。将厌氧消化液作为接种物再循环可以部分抵消这些缺点。

3 提高牛粪厌氧消化的措施

3.1 预处理

牛粪的厌氧消化通常受到木质纤维素降解缓慢的限制。木质纤维素特别是木质素在厌氧条件下不能或只能轻微降解[14，35]。适当的预处理可以有效地改变木质纤维素的物理结构与形状，改善其可生化性和溶解度，可显著提高水解发酵速率及产气量，对大规模干式沼气发酵过程尤其重要。常见预处理方法包括机械、热、化学和（或）生化预处理。

3.1.1 机械预处理

机械预处理是农业废弃物最常使用的方法，包括粉碎、超声波和空化等，主要是降低底物中大颗粒的粒径，增加的表面积有利于水解菌和可降解颗粒之间的接触，从而有助于后续沼气发酵。例如，牛粪纤维粒径为1.0～2.0 mm时，其产沼气量比纤维粒径大于5.0 mm时高16.00%[36]。牛粪经切碎、混合和调配等处理后的粒径集中在4.0～31.5 mm，相对于未处理组，产甲烷潜力为235 mL/gVS，提升了11.90%[37]。在牛粪与餐厨垃圾、剩余污泥的共发酵过程中，超声波预处理后的甲烷产率较高，但是提升的甲烷产量所获得的额外能量并不能抵消产生超声波的能量[21]。空化是液体内局部压力降低时，液体中气泡的形成、增长和随后的内爆坍塌的过程，这个过程变化会引起机械剪切应力和自由基反应。在空化预处理下，牛粪的分解效率提高5.80%～15.80%，后续的甲烷产量提高2.70%～5.90%[11]。机械预处理的优点是简单易行，维护费用相对较低；缺点是需要大量能量投入，去除病原体的效果有限。

3.1.2 热预处理

热预处理是在高温条件（50～250 ℃）下，将高分子物质分解成小分子，从而提高发酵底物的溶解性和厌氧消化效率[38]。水热法[39]、微波法[20]和热压法[35]是较好的牛粪热预处理方法。热预处理的温度和时间是破坏木质纤维素结构非常重要的两个参数。低温足够断裂连接纤维素和半纤维素细胞壁的氢键，当热处理温度在150～180 ℃范围可增加纤维素和半纤维素的溶解率[39]。将牛粪、玉米青贮和甜菜粕的混合物料在180 ℃处理60 min后，其产气量最高可达362.1 mL/g TS，相比未处理组，溶解性化学需氧量（SCOD）值提高了124.60%。沼气产量增加了1.0 倍[38]。但是，过高的预处理强度会导致类木质素物质增多，抑制牛粪产甲烷性能。当牛粪水热预处理温度超过170 ℃时，甲烷产量会降低6.90%[40]。热压法处理牛粪的最佳温度为180 ℃，此时甲烷产率相比对照组提升58.00%；当温度超过200 ℃，有毒副产物（糠醛）迅速增加，对厌氧消化产生不利影响[35]。因此，为了克服高温热预处理的潜在缺点，可以采用中热或中热与其他预处理方法（化学预处理）的组合。热预处理在破坏木质纤维素结构，提高厌氧消化率同时，还可灭活牛粪中的病原体，加上安装和维护成本低，使热预处理成为最受重视的方法之一。但是当处理温度和时间不合适时，易引发美拉德反应，破坏厌氧消化过程[35]。

3.1.3 化学预处理

化学预处理通过使用酸、碱和氧化剂破坏木质纤维素类原料微观结构，降低纤维素的结晶度促进木质纤维素的分解。酸、碱预处理能够使原料中的纤维素、半纤维素和木质素的自身晶体结构因吸胀作用而被破坏，将其中大分子物质溶解，从而达到提高降解率的目的。酸预处理一般采用稀酸如醋酸[41]，以避免造成碳的过度损失。在碱预处理中常用的试剂有NaOH、Ca（OH）2和CaO2[42]。酸、碱预处理也可与高温相结合，例如，将牛粪在高温（100 ℃）条件下添加10.00% NaOH处理5 min 或中温（37 ℃）添加2.00%HCl处理20 min，甲烷产量分别提高23.60%和20.60%[43]。氧化剂如过氧化氢（H2O2）和臭氧（O3）通过去除原料中的半纤维素和木质素来促进纤维素的可降解性，并通过H2O2和O3释放出活性强的羟基自由基破坏有机物结构[44]。虽然大多数文献中报道的化学预处理效果显著，但是化学预处理也存在一定的缺点，如腐蚀设备，对环境造成二次污染等。此外，由于产甲烷菌对环境的变化较为敏感，酸、碱预处理后的原料还需要进一步中和，这给整个过程增加了额外的经济负担。

3.1.4 生物预处理

大多数机械、化学和热预处理需要密集的能量或化学输入，导致发酵体系内的温度或pH值变幅较大，甚至产生有毒副产物。生物预处理是通过添加工业纤维素分解微生物或酶，在受控和温和的环境中分解木质纤维素成分。微生物主要有白腐真菌[45]、烟曲霉菌[46]等，酶主要有纤维素酶、漆酶等[47]。研究表明，采用白腐真菌Trametesversicolor处理牛粪后，牛粪产甲烷量提升10.00%～18.00%，纤维素降解率提高到80.00%[45]。使用烟曲霉SK1处理后，牛粪中木质素的去除率达60.00%，沼气产量显著提高[46]。生物预处理具有能源和化学品的需求较低，产物无毒等方面的优势。然而，酶的生产需要稳定的发酵，且在生物预处理过程中，碳水化合物损失严重，预处理时间较长，这可能需要额外的设备，增加了投资成本。

3.2 共发酵

将不同的废弃有机物进行混合发酵，是一种提高厌氧消化系统甲烷产量的有效方法。不同原料的混合不仅可以提高甲烷产率和降低生命周期成本，而且由于C/N比更加适合，pH值维持中性平衡和缓冲能力的提高，可以提供更好的厌氧消化环境，进而提升有机负荷去除效率。大量文献报道已证明，牛粪与其他底物共消化是提高甲烷产量和工艺稳定性的常用策略。牛粪共发酵底物包括燕麦秸秆[17]、柳枝稷草[28]和小麦秸秆[29]等高C/N比原料，餐厨垃圾[30]、鸡粪[29]和马粪[31]等低C/N比原料，以及不含木质纤维素的原料如粗甘油[32]。这些研究结果表明，与牛粪为单一底物的沼气发酵相比，共发酵能获得更高的甲烷产量。但是产气的提高更多归因于牛粪的共发酵底物，而不是牛粪中木质纤维素的降解。只有少数文献通过测定厌氧消化前后纤维素和半纤维素的组分，证明了共发酵系统产甲烷性能的改善来自于牛粪中纤维素和半纤维素降解的提高[32，33]。事实上，以牛粪为底物进行沼气发酵时，木质素含量与最终甲烷产率呈负相关关系，木质素含量的增加对厌氧消化有抑制作用[34]。例如，在牛粪与路边草的共发酵中，随着路边草比例的增加，牛粪的纤维素和半纤维素的降解率减少[34]。因此，为了避免木质素的抑制，应选择木质素含量较低的原料与牛粪共消化，以获得最大的甲烷产量。

3.3 添加外源添加剂

在沼气发酵过程中引入外源添加剂，即微量元素、纳米金属颗粒和纤维素降解菌或酶等，可改善产甲烷性能，有助于维持反应器内的有利条件，如pH值，抑制/促进醋酸生成和甲烷生成，以快速产气[14]。

3.3.1 微量元素

微量元素已被证实在促进微生物的代谢活动中发挥着不可或缺的作用。Fe、Co和Ni元素通常被认为是厌氧消化体系中最重要的微量元素，对厌氧体系中许多酶、辅酶和辅助因子的活性至关重要[48，49]。其中，Fe与产甲烷菌和酶的活化有关，是各种参与甲烷生成的酶（如甲酰-MF-脱氢酶、氢化酶、CO脱氢酶）的辅助因子[49，50]。此外，Fe与S反应形成沉淀，从而减少了S对微生物活性的负面影响[51]。Co是维生素B12的金属配体（甲基转移酶），可使微生物降解甲醇。Ni与产甲烷古菌中辅酶F420的形成关系密切[49]。在牛粪批次试验中，添加Fe2（SO4）3、Fe（NO3）3、FeCl3和FeCl2等铁盐，以及尿素、磷酸二铵和柠檬酸组成的复合添加剂，结果显示，与不添加添加剂的对照反应器相比，添加铁盐和复合添加剂提高了沼气产量（35.80%～52.70%），缩短了消化周期，提高了总COD去除率（41.40%～69.30%）[52]。微量元素的添加受底物组成、金属含量、降解机理、操作参数和活性微生物群落等多种因素的影响，且微量元素的生物有效性随微量元素浓度的变化而变化，不适当的微量元素浓度或种类可能阻碍厌氧消化中的微生物活性[53]。

3.3.2 纳米金属颗粒

由于纳米颗粒（NPs）尺寸微小，比表面积巨大，具有更大的反应活性等优点，近几年在环境治理领域得到了广泛关注。其中，纳米尺度的金属颗粒具备许多块体颗粒没有的优越性质。在牛粪厌氧处理系统中添加纳米颗粒会影响微生物生长、污染物降解和沼气产量[14，54，55]。已研究的纳米金属颗粒包括纳米金属单体如纳米零价铁（nZVI）、纳米金属离子如NiNPs、纳米金属氧化物如Fe3O4NPs等。nZVI作为电子供体，可优化微生物种群结构，促进氢营养型产甲烷过程，加快生物可降解化合物的释放，并参与污泥厌氧消化过程中关键酶的合成[54]。据报道，牛粪厌氧消化过程中添加80 mg/L 和160 mg/L nZVI，甲烷产量提高了6.430%～6.560%，160 mg/L nZVI浓度可加速抗性基因丰度的降低[54]。分别添加1 mg/L Co NPs、2 mg/L Ni NPs、20 mg/L Fe NPs和20 mg/L Fe3O4NPs. 沼气产率提升1.5～1.8倍，发酵停滞期明显缩短，产气高峰期提前[55]。如部分重金属会抑制厌氧消化过程一样，对应的金属纳米颗粒也可能表现出一定的毒理学效应。例如，240 mg/L ZnO和15 mg/L ZnO对间歇牛粪厌氧消化过程产气的抑制率分别高达74.00%和30.00%[56]。

3.3.3 生物强化菌剂

生物强化是向厌氧消化反应器中一次性或重复投加纤维素降解微生物来增强水解反应，为下游阶段提供更多的糖、VFAs等底物，从而提高发酵系统的产气效率。目前，已经在厌氧消化器中应用了多种纤维素降解微生物，在生物甲烷化方面取得了相当有前景的结果[57，58]。例如，4 种分离瘤胃真菌（Orpinomycessp.、Piromycessp.、Anaeromycessp.和Neocallimastixfrontalis）在接种剂量15.00%条件下可显著增强牛粪厌氧消化过程中木质纤维素的生物降解，获得60.00%沼气产量提升[59]。但大多数研究都集中在批次试验上，对连续操作的实际影响仍然存在问题。研究已证明，生物强化可以迅速但相当短的促进甲烷生产，而不是持续的改善[60，61]。Tsapekos等[60]在以牛粪为主木质纤维素废弃物的批次试验和连续消化试验中，接种两种纤维素降解菌（Clostridium thermocellum和Melioribacterroseus），结果表明，在接种Clostridium thermocellum的反应器中，批次试验的甲烷产率提高了13.70%。连续试验只有7.50%。此外，在生物强化过程中，新引入的微生物在含有复杂微生物群体的反应器中可能很脆弱敏感，此时接种物的来源很重要[62]。在实践中，通常从废水处理厂、有机废弃物处理设施等的生物反应器中获得接种物[63]。

4 结论

厌氧消化（沼气发酵）是处理牛粪的有效手段。但是，在厌氧消化过程中，由于难降解的木质纤维素的存在而导致产甲烷效率低和系统不稳定等问题。本文总结了几种提高牛粪厌氧消化产甲烷水平的策略，如不同的预处理方法，与有机废物共发酵和添加外源促进剂。提升策略的选择很大程度上取决于牛粪厌氧消化性能的改善效果和经济可行性。选择预处理技术需要考虑处理成本、二次污染、能量损失等问题。为了充分利用共发酵使牛粪厌氧消化产生更多的甲烷，共发酵底物应选择木质纤维素含量较低的有机废物，通过协同效应促进牛粪中木质纤维素的降解。微量金属及其对应的纳米金属颗粒在厌氧消化中对微生物活性的影响还需要更多的研究。生物强化技术的不确定性仍然存在。所以现有的牛粪厌氧消化效率提升技术的效果和经济性还需进一步的探究和优化。