畜禽粪污厌氧发酵预处理技术研究进展

杨开宇，林常枫

(中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330001)

0 引 言

我国是畜禽养殖业大国，据国家统计局网站数据显示，2020年我国畜牧业总产值40 266.67亿元，年底全国猪、牛、羊存栏量分别为40 650.42万头、9 562.06万头和30 654.77万头。农业部数据表明，我国年畜禽粪污总量超38亿吨，畜禽粪污排放已经成为农业的首要污染源。粪污中含有大量的有机污染物、重金属、病原体等有害物质，直接排放会造成土壤、水体、空气污染，破坏生态环境，威胁人类健康[1-3]。此外，粪污中蕴藏着丰富的有机质，若不加以利用还将造成资源的巨大浪费[4]。当前，粪污的安全处理已成为制约我国养殖业发展的头号难题。

以厌氧发酵技术为核心的畜禽粪污处理工艺可获得沼气、沼肥多种副产品，符合循环经济理念，解决环境污染的同时还能获取清洁的沼气能源，因此广受业内关注[5]。研究表明，粪污原料直接进行发酵时普遍存在一些制约甲烷产生的因素，以最主要的牛粪、猪粪和鸡粪三种养殖粪污为例，三种粪污中含有的木质素会抑制酶对纤维素和半纤维素的降解，导致厌氧消化困难[6]；猪粪、鸡粪中高含量的氨氮同样会抑制微生物活性，阻碍厌氧反应进程[7]。为获得更高的甲烷产量和发酵速率，在粪污原料进行厌氧发酵前通常需要进行预处理。本文综述了近年来的畜禽粪污厌氧发酵预处理研究成果，并对预处理技术机理进行分析，以便为研发可工业应用的高效畜禽粪污厌氧发酵预处理技术和促进粪污厌氧发酵产业化进程提供参考。

1 粪污中木质纤维素预处理技术

1.1 预处理的必要性

有研究表明牛粪、猪粪和鸡粪中均具有大量的木质纤维素，该三种粪污中木质纤维素干基占比依次高达67.4%、51.4%、42.1%[8]。厌氧发酵的第一步是水解作用，即将大分子有机物转化成小分子物质供微生物新陈代谢产生沼气，而该反应往往是整个厌氧反应的限速步骤，因此木质纤维素的生物降解性能是决定粪污甲烷产量的关键。

木质纤维素是木质素、纤维素和半纤维素的统称，预处理前后的木质纤维素结构如图1所示。半纤维素由多糖链组成，结构疏松易被微生物分解。纤维素为D-吡喃葡萄糖单体形成的长链糖类物质，聚合度通常1 000以上，不溶于水和有机溶剂，较难降解[9]。木质素由苯丙烷及其衍生物单体聚合而成，通过碳-碳键、醚键等多种化学键紧密相连，断键能耗非常高，具有很好的化学稳定性[10]。自然界中能对木质素进行降解的微生物种类极少，即使是在木质素分解酶催化下分解效率也同样很低，这为植物的生长构建了避免微生物侵害的屏障，但同时也让对木质素的厌氧降解难度增大。Benner等的研究表明，294天的厌氧消化只能实现草中木质素16.9%的分解转化[11]。

图1 木质纤维素预处理前后的结构[12]Fig.1 Structures of lignocellulose before andafter pretreatment[12]

此外，木质素所形成的三维不定型网状结构异常稳固，将纤维素和半纤维素紧密包裹其中。在厌氧发酵系统中，只有将大分子有机物水解成可溶性分子方能为后续微生物所利用。网状的木质素将纤维素、半纤维素与分解酶之间产生物理屏蔽作用，抑制水解进程，造成甲烷产量低。研究表明厌氧发酵过程中，木质纤维素原料的生物降解率不到50%，即甲烷产气量低于200 mL/g干物质[13]。

为此，在将畜禽粪污送入厌氧罐进行发酵之前非常有必要对猪粪、牛粪和鸡粪进行预处理，提高粪污中木质纤维素的降解性能，从而促进有机物的分解率，提升甲烷产量。

1.2 物理预处理

1.2.1 机械预处理

物理预处理法通常有机械处理、热处理等。机械处理法可通过固液分离的方式，将粪污原料分成含水率60%左右的固态粪渣和低含固率的分离液[14]。实验表明[14-15]，牛粪固液分离后近95%的木质纤维素集中在粪渣中，使得固态粪渣中木质纤维素TS占比高达82.74%，简单的固液分离可高效去除发酵原料中生物降解性低的木质纤维素。与相同VS含量的稀牛粪污相比，分离液发酵具有如下几方面优势：分离液中木质纤维素含量极低，因此加快了水解步骤速率，产沼气速率更高，可有效缩短发酵周期；同时，难以厌氧消化的木质纤维素的去除让原料利用率得到大幅提升，单位干物质沼气产量增加了36.8%；此外，COD去除率高，厌氧出水更容易达到环保标准。而分离的固态粪渣则可用于堆肥、制备压缩成型燃料等。可见，固液分离的方式为粪污厌氧发酵工艺提供了更多的衍生形式，对于沼气工程周边无大量种植面积可消纳沼液时，该方式更容易实现沼液的达标排放，减轻环保压力。

1.2.2 蒸汽爆破

热处理方式包括蒸汽爆破法、加热法等。蒸汽爆破法利用参数为160～260 ℃、0.69～4.83 MPa的水蒸气瞬间爆破降压的方式破坏木质纤维素晶体结构，让细胞内可溶性有机物得到释放，同时降低了木质素对纤维素和半纤维素的物理屏蔽作用，增加原料中有机物的生物降解性[16]。170 ℃的蒸汽进行爆破预处理30 min后，可将猪粪甲烷产量提升一倍，明显缩短发酵周期[17]。但蒸汽爆破法处理条件苛刻，对设备要求高，处理成本也较大。

1.2.3 加热法

加热法通过加热将纤维素和半纤维素部分溶解，破坏木质素、纤维素和半纤维素分子之间形成的相互作用，降低纤维素结晶度。在猪粪、牛粪的预处理中，将原料加热一段时间再降温后进行厌氧发酵实验可明显获得更高的甲烷产率[18-19]。加热处理温度为70～190 ℃时，可起到增加可溶有机组分占比、提升甲烷产量的作用，190 ℃时可获得最佳的产气量[20]。另外，仅从简单能量衡算来看，加热法所提升的甲烷产量可覆盖预处理额外消耗的能量[19]。但对于沼气工程项目，处理粪污量巨大，使用加热法实施难度和成本均很大。

1.3 化学预处理

化学预处理指的是通过化学试剂将粪污中的木质纤维素进行断键、溶解等处理的方法。化学预处理具有处理效率高，可有效破坏木质纤维素晶体结构，增加木质纤维素与微生物接触比表面积，加快水解进程的作用[21]。但同时化学法成本高，对设备容易造成腐蚀，还可能造成环境污染。此外，化学试剂如果选用不当也将破坏后续厌氧发酵进程，具有降低甲烷产量的风险。当前化学预处理法仍处于实验室研究阶段，而在畜禽粪污工程处理中的使用案例仍极少。常用的化学预处理法主要有酸法和碱法。

1.3.1 酸法预处理

酸法通常选用盐酸、磷酸、硫酸、醋酸等对原料进行预处理。酸处理可有效破坏纤维素和半纤维素之间较弱的醚键结构，将半纤维素分解成小分子，同时还能溶解纤维素，降低纤维素和半纤维素结晶度，预处理后纤维素和半纤维的TS占比明显减少，利于厌氧消化[22-23]。酸预处理的温度控制上，通常认为浓度大于10%的酸处理可在100 ℃下进行，而浓度低于5%的酸处理则需要将温度升至100～240 ℃[9]。但研究也表明，原料中的木质素几乎不受酸处理的影响，其TS占比和分子结构变化均不显著。同时，在酸的催化下，原料水解产生的多聚糖更加容易形成糠醛、5-羟甲基糠醛等抑制后续厌氧发酵的产物[24]。因此，酸预处理法对畜禽粪污中的木质纤维素类原料的处理效果有限，考虑到酸处理容易带来的设备腐蚀和发酵酸化的风险，在工业应用中酸法预处理将面临较大的阻碍。

1.3.2 碱法预处理

相较于酸法而言，碱法反应条件更加温和，可避免发酵系统酸化和降低设备腐蚀的风险，因此从实施条件来看具有更大的前景。常用的碱性试剂有NaOH、氨水、Ca(OH)2等。碱预处理后，羟基可作用于纤维素、半纤维素之间的氢键和皂化酯键，帮助纤维素和半纤维素脱离木质素的束缚[25]。另一方面，碱处理使得木质纤维素结构润胀，增加原料表面积和孔隙度，破坏木质素结构，促进木质纤维素水解[26]。对猪粪原料进行NaOH预处理后，原料中木质纤维素降解显著，可溶性有机物分子量提升了57%[27]，5%的Ca(OH)2预处理实验则证实能让猪粪发酵产甲烷量提升12%[28]。氨水预处理可让牛粪与秸秆混合厌氧发酵沼气产量和发酵周期分别增加和缩短20%左右[29]。

1.4 生物预处理

生物预处理有降解酶法和木质纤维素降解菌法两类。粪污中的木质纤维素虽然难以被厌氧微生物侵蚀，但却容易被真菌降解[30]。在研究中，如白腐菌[31]、褐腐菌[32]等木腐菌常用于降解木质素。生物预处理具有成本低、实施简单、条件温和、环境友好等优势，对粪污原料进行该类生物预处理还能达到降解臭气分子的效果，但生物预处理也存在处理时效长的缺点[33]。在猪粪预处理中，使用木质纤维素降解菌群处理之后纤维素和半纤维素的降解得以提升，送入发酵罐中进行厌氧消化沼气产量提升了40%，单位VS沼气产量可达355 mL/g[34]。降解酶也可用于粪污中木质纤维素的预处理，具有绿色环保、过程温和的特性，但处理时间过长。将淀粉酶用于猪粪的预处理过程中，原料中的TS、VS转化率得以明显提升，发酵产沼气量增加了13.1%[35]。

此外，考虑到厌氧发酵过程中产酸菌和产甲烷菌所需最优反应条件的不同，有学者提出将产酸和产气反应由在单一反应器中进行转变为在不同反应器中进行的思路，即两相厌氧发酵反应[15,36]。如此便可调控各阶段反应均处于最适宜条件之中，提升甲烷产气量，在工程实践中得到了较多应用。研究表明[37-38]，产酸菌最适宜的pH为5.5～7.0，最佳温度为20～35 ℃，所需水力停留时间约为3 d左右，相较而言产甲烷菌适宜的pH、反应温度以及水力停留时间均更高，通过产酸菌预处理可显著提升甲烷产量。

1.5 联合预处理

在解决粪污中木质纤维素降解难的问题上，单种预处理方式总存在一定局限性。例如，化学法对环境有污染、成本较高、生物法处理周期长、物理法能耗大等。事实证明，多方法耦合在许多情景中均能起到发挥协同优势，同时避免各方法劣势的效果。热处理和化学处理联合对粪污进行预处理，可通过加热的方式加快化学反应速率，增加木质纤维素的降解度，对于减少化学试剂的使用也有帮助。例如，在对猪粪预处理时，NaOH处理和加热法耦合，可让沼气产量得到明显提升，并在预处理条件为pH=10、温度150～190 ℃时，获得最优的预处理条件[39]。而当使用Ca(OH)2在不同温度下加热进行猪粪预处理时，原料产气量均得以提升，优化后的加热温度为70 ℃，较之空白组，该预处理方法可让原料转化率提升，最高甲烷产量增加86%[40]。

2 粪污中高浓度氨氮预处理技术

2.1 预处理的必要性

动物粪便中氮含量普遍偏高，鸡粪便全氮含量达43.5 g/kg，C/N比为7.65[41]，猪粪C/N比为13。厌氧发酵过程中，微生物可将蛋白质、尿素、尿酸、核酸等含氮有机物中的绝大部分有机氮代谢成氨氮。而氨氮质量浓度的增加易产生氨抑制作用，降低厌氧消化效率，甚至导致厌氧发酵系统崩溃[42]，称为氨抑制。事实上，氨抑制普遍存在于富氮有机物厌氧发酵过程中，如猪粪、鸡粪、城市污泥等的厌氧发酵。

研究表明[43]，发酵原料TS>15.6%的中温发酵和TS>7.4%的高温发酵均可能发生氨抑制，初始抑制质量浓度约为1 100 mg/L。猪粪厌氧发酵的甲烷产率与氨氮浓度之间的关系式为：y=410-5x2-0.361 8x+1 283(R2=0.984 6)，甲烷产率与氨氮浓度之间呈明显负相关性[44]。也有研究表明，当猪粪中氨氮浓度400 mg/L以上便会降低乙酸营养型产甲烷菌活性，减少甲烷产量[45]。氨抑制的现象在鸡粪厌氧发酵中也同样普遍存在。高浓度鸡粪厌氧发酵中，氨氮浓度<200 mg/L时有利于微生物生长，而氨氮浓度超过1 500 mg/L则对微生物起到抑制作用，当氨氮浓度继续增加至4.05～5.73 g/L时可减弱产甲烷微生物56.5%的活性[46]。

2.2 物理预处理

2.2.1 发酵物浓度稀释

粪污发酵原料尤其是鸡粪通常含固率较高，通常TS均在20%以上，在该浓度下进行厌氧发酵氨抑制的问题难以避免。由于氨抑制的决定因素是总氮浓度(TAN)，因此在预处理阶段，通过简单加水稀释降低TAN浓度的方法便可取到很好的氨抑制解除效果。一般鸡粪发酵底物浓度需要稀释至TS=0.5%～3.0%[49]。通过将鸡粪浓度从44.3%降至10%后，并采取气提氨预处理新鲜鸡粪，可在发酵温度35 ℃时获得单位VS甲烷产量为0.25 L/g[50]。

但加水稀释底物浓度的弊端也非常明显，一方面需消耗水量，增加运行成本，同时还会大幅增加沼液产量，造成沼液消纳的难题。另一方面，底物浓度低意味着减小了容积负荷，往往需要建设更大的发酵罐，增加项目投资成本。

为解决加水稀释带来的诸多问题，有研究人员提出使用沼液进行回流来稀释底物的方法，事实上该法在秸秆发酵中已较为常见。但粪污发酵沼液中由于氨浓度很高，为避免氨抑制需先采取降氨处理后方可使用。有研究表明，在屠宰场和餐厨垃圾的厌氧发酵系统中，将部分沼液气提氨后用于稀释底物浓度可解决发酵系统氨抑制问题[51]。

2.2.2 原料混合发酵

混合发酵通常是通过添加如秸秆等含氮低的原料与粪污进行充分混合，稀释粪污中氨氮浓度的同时可调整发酵系统整体C/N比至20～30之间[52]。该C/N比的原料适合于微生物新陈代谢，可避免厌氧发酵氨抑制问题。而当C/N比过低时，意味着原料中含有多余的含N物质无法被微生物吸收，被转化成氨氮后便很可能会对系统造成氨抑制。

高N含量粪污通常需与玉米秸秆、水稻秸秆等富碳原料进行共发酵[53-54]。共发酵是当前使用最为广泛的避免氨抑制的方法，但由于生物质原料受地区和季节制约，因此也会让发酵原料的保障难度更大。

2.2.3 气提脱氨法

气提法脱氨是基于亨利定律提出的，针对易挥发的氨组分，使用惰性气体降低溶液表面氨气分压，从而促使溶液中的氨挥发出来，降低溶液中的氨浓度。在鸡粪发酵中，有研究使用沼气作为介质进行沼液气提氨，来降低鸡粪中温发酵罐内沼液的氨浓度避免氨抑制的产生，可使得沼气产量增长14%[55]。

气提脱氨法也存在一定的局限性，即有机氮含量高的粪污原料的气提脱氨效果并不明显。对新鲜猪粪进行气提脱氨的实验表明[56]，只有将pH提升至11.5，温度高达80 ℃时方能让氨氮彻底脱出，因此在新鲜粪污中不具备应用条件。

2.3 化学预处理

但离子交换法也存在一些弊端，实际运用中需混入大量的黏土或分子筛，导致管道和发酵罐底部沉积现象更加严重。另外，过多的Ca2+、Mg2+离子浓度会对微生物活性产生抑制。

2.4 生物预处理

硝化细菌是一类可将底物中的含氮物质转化成硝酸根离子的微生物，常与反硝化细菌共同作用于废水氨氮处理系统中。在30 ℃时将质量占比为3%的硝化细菌用于新鲜鸡粪污预脱氨处理5 d，而后与秸秆混合至TS为12%后可大幅降低原料初始氨氮浓度，始终控制在安全水平。该方法可缩短厌氧发酵启动时间，促进VS降解，增强原料产气率[59]。

也有报道指出[60]，可通过驯化厌氧菌群的氨耐受能力来解除氨抑制，在以鸡粪污为原料的大型沼气工程中，TS浓度可增加至8%～10%，氨耐受浓度提升至5 500 mg/L。

3 结 论

近年来，研究人员在畜禽粪污厌氧发酵预处理方面进行了众多探索，并取得了一定的研究成果。但总体来看，木质纤维素预处理的方法均存在一些劣势：化学法成本高，存在腐蚀设备且可能破坏发酵环境等问题；物理加热法耗能巨大；生物法则处理效率低。这些方式在大规模粪污沼气工程中实行难度均较大，与实际工业化应用尚存在一定差距。在当前沼气工程中基本尚未对粪污中的木质纤维素进行预处理。事实上，即使在以高木质纤维素含量的秸秆为原料的发酵预处理中，工业应用的也仅仅是粉碎和好氧堆沤两种容易实现的方式。另外，在畜禽粪污厌氧发酵解除氨抑制方面，工业上则普遍采取混合发酵和调控TS浓度两种简便易行的方法，其他预处理方法限于技术成熟性和经济性尚无工业应用。

针对当前粪污原料的厌氧发酵预处理研究进展，需从工程应用角度出发，探索低成本、高效率、操作简便易行、投资省、环境友好型的新型预处理技术。生物预处理技术具有成本低、能耗小、环境友好、条件温和等一系列优点，在粪污厌氧发酵的木质纤维素和氨氮预处理过程中，筛选培育高效的生物预处理菌种，开发以生物预处理为主，多种预处理手段相结合的处理技术。在解除氨抑制方面，还可进一步从筛选培育高活性的耐氨厌氧微生物菌群入手，提高反应物TS浓度和发酵容积负荷，从而在保证甲烷产量的同时减少发酵设施规模和沼液产生量。

高效预处理技术的研发和工业化应用，将有效提升畜禽粪污厌氧发酵的甲烷产量和有机物去除率，提高我国畜禽粪污沼气工程产业化进程技术水平。