全 文 ：发酵底物混合厌氧发酵的研究进展*
董飞青1 摇 李摇 霞2 摇 卢剑波2**
( 1浙江大学生命科学学院, 杭州 310058; 2杭州师范大学生命与环境科学学院, 杭州 310036)
摘摇 要摇 在全球气候变化的压力下,生物能源的发展受到越来越多的关注,而沼气发酵作为
一种较成熟的生物质能转化方式,得到了极大的重视和快速的发展.如何提高沼气发酵的效
率,使其规模化、产业化成为迫在眉睫的问题.混合厌氧发酵作为一种简单、低成本、高效率的
提升厌氧发酵的模式,引起了许多学者的关注.本文通过对国内外混合厌氧发酵研究的分析,
归纳了各类发酵底物特征,主要阐述了动物粪便、污水污泥及工业废弃物等混合厌氧发酵的
研究进展,总结了混合发酵的优势以及影响因素,并展望了混合厌氧发酵研究趋势及应用前
景,旨在为混合厌氧发酵的推广及其应用提供理论指导.
关键词摇 混合发酵摇 C / N摇 营养元素摇 微生物群落
文章编号摇 1001-9332(2012)07-2015-11摇 中图分类号摇 Q948. 3摇 文献标识码摇 A
Research advances in anaerobic co鄄digestion of biogas fermentation substrates. DONG Fei鄄
qing1, LI Xia2, LU Jian鄄bo2 ( 1 College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058,
China; 2College of Life and Environmental Sciences, Hangzhou Normal University, Hangzhou
310036, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2012,23(7): 2015-2025.
Abstract: With global climate change, more and more attention has been paid to the development
of bio鄄energy. Biogas fermentation, as a fairly mature technology of bio鄄matter energy transforma鄄
tion, has received considerable attention and experienced much development. How to improve the
efficiency of biogas fermentation and promote its industrialization is a pressing issue. Anaerobic co鄄
digestion is a simple, low鄄cost, and high鄄efficiency method for enhancing the efficiency of biogas
fermentation, and received increasing attention from related researchers. This paper summarized the
characteristics of various fermentation substrates, reviewed the research advances in the co鄄digestion
of animal manure, sewage sludge, and industrial waste, with the focus on the advantages of co鄄
digestion and the factors affecting the rate and efficiency of co鄄digestion, and prospected the future
research of co鄄digestion and its application, aimed to provide theoretical guidance for the promotion
and application of co鄄digestion techniques.
Key words: co鄄digestion; C / N ratio; nutrient element; microbial community.
*浙江省“三农五方冶科技协作计划项目( SN200805)和浙江省科技
厅科研项目(2009C33105)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jianbo. lu63@ gmail. com
2011鄄09鄄04 收稿,2012鄄04鄄17 接受.
摇 摇 能源需求的迅速增长和化石燃料的不可再生性
导致全球能源问题与日俱增. 而化石燃料的生产和
使用所导致的温室效应以及各种有毒气体的排放,
对人类自身以及全球环境造成巨大危害[1] . 所以人
们对于清洁可再生能源的呼声越来越高,在这样的
全球背景下,沼气发酵受到越来越多的关注.
沼气发酵作为一种环境友好型废弃物处理方
式,能够解决动物粪便、农作物秸秆、城市固体垃圾
有机质成分 ( organic fraction of municipal solid
wastes, OFMSW)、生活污水等废弃物处理问题,并
且可产生清洁的能源———沼气.沼气能够用来发电、
产热,并能够作为汽车燃料[2] . 沼气发酵作为一种
生物质能转化技术,在我国已被广泛运用,尤其是在
农村地区[3] .从 20 世纪 60 年代初开始,我国就曾兴
建农村户用沼气池,以满足农户部分能源需求[4] .
“十五冶期间,中央投资 34 亿元专项资金支持沼气
建设,直接受益农户达 374 万户.目前,我国农村户
用沼气已累计发展到 2200 万户左右,年产沼气约
90伊108 m3;建成养殖场沼气 3800 处,年产沼气约
2郾 5伊108 m3 [5] .
尽管目前我国沼气产业在迅速发展,但在实际
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 7 月摇 第 23 卷摇 第 7 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2012,23(7): 2015-2025
生产过程中遇到了很多困难. 现今我国沼气工程仍
处于环保公益类阶段,主要依靠国家财政补贴,经济
效益差[6] .如何提高沼气工程的发酵效率,增加其
经济产值,已经成为推进沼气发酵产业化发展的当
务之急.混合厌氧发酵,作为一种操作简单、成本低、
可操作性强、效率高的发酵技术,在近几年已经成为
沼气发酵研究的一个热点[7] . 但混合厌氧发酵技术
在我国的研究方法较单一,还没有得到大规模推广,
仍处于起步阶段.本文主要介绍了混合厌氧发酵的
理论及研究进展,希望能为其发展提供理论指导.
1摇 混合厌氧发酵的产生和概念
混合厌氧发酵概念的提出可以追溯到 20 世纪
80 年代初. Hills[8]首次尝试将牛粪和大麦秸秆混合
发酵产沼气,试验发现牛粪能提高大麦秸秆的发酵
效率.此后,混合发酵技术被逐渐引入到沼气发酵产
业中:动物粪便与农作物秸秆的混合发酵被应用于
农业和畜牧养殖业产生的废弃物处理过程中[9-12];
城市污水污泥(sewage sludge, SS)和 OFMSW 的混
合发酵被运用到城市垃圾的处理过程中[13-14];此
外,在工业生产过程中产生的各种废弃物与动物粪
便、污水污泥的混合发酵也陆续报道[15-16](图 1).
发酵底物混合厌氧发酵不是简单地把两种或两
种以上的底物混合后厌氧发酵,而要求混合的底物
(如一种主要的底物和一种次要的添加物)能够在
营养元素、pH、缓冲能力等方面相互调节,产生积极
的相互作用,并且不会导致抑制现象,提高发酵效
图 1摇 1996—2011 年混合厌氧发酵的 SCI 论文数量的变化
(检索自 Web of Science)
Fig. 1 摇 Changes in the number of SCI papers on co鄄digestion
from 1996 to 2011( results based on searches using the Web of
Science).
SS:污水污泥 Sewage sladge; OFMSW:城市固体垃圾有机质成分 Or鄄
ganic fraction of municipal solid wastes; AM:动物粪便 Animal manure;
IW:工业废弃物 Industrial waste; P:植物 Plant.
率[7] .混合发酵能够充分利用原来难以发酵的秸
秆、城市固体有机垃圾和工业废弃物等,变废为宝,
为垃圾处理及利用提供了一条更好的途径.自 2007
年以来,随着沼气研究的不断升温,混合发酵的研究
出现骤增趋势,得到了全世界不同学科和领域的广
泛关注(图 1).
2摇 混合厌氧发酵底物的种类
单一底物的厌氧发酵技术已被广泛应用,包括
动物粪便、污水污泥以及部分工业废弃物等.随着混
合发酵的发展,原先难以发酵的废弃物,如农作物秸
秆、城市固体垃圾和工业废弃物,也能够通过厌氧发
酵的方式得到有效处理. 本文介绍 5 种主要发酵底
物(动物粪便、植物废弃物、SS、OFMSW 和工业废弃
物)混合厌氧发酵的研究进展.
2郾 1摇 动物粪便
动物粪便直接排放将导致各种环境问题[17-19],
加之动物粪便富含各种营养元素[20-21],具有缓冲能
力强等优点[22],得发酵系统和产气量稳定,因此动
物粪便的厌氧发酵在我国各地得到大力推广[4] . 但
动物粪便有机质含量较低,导致其产气率并不理想,
一般为 130 ~ 200 mL·g-1 VS(volatile solid,挥发性
固体) [23-25] .动物粪便 C / N 较低,高 N 含量导致其
在单独厌氧发酵时,易发生氨抑制现象[26-29];其高
浓度的硫酸盐[30],以及规模养殖中饲料添加剂(如
喹乙醇)等[31],都可能抑制厌氧发酵过程,进一步降
低其发酵效率.
根据动物粪便有机质含量低、N含量高、含有厌
氧发酵抑制因子等特征,如果能与其他高 C 含量的
有机质垃圾混合发酵,理论上应该能提高发酵效率.
据报道,动物粪便与其他可生物降解的底物混合发
酵,一般能提高 80% ~ 400% 的沼气产量[21,32] . 20
世纪 80 年代初,混合发酵刚开始研究的热点便是动
物粪便与植物的混合[8-12,33],研究者认为两者混合
发酵,动物粪便能提供各种营养元素和一个强缓冲
的环境,而植物能提供高 C 含量的有机质,两者混
合将减少氨抑制的风险[11,33] . Vanassche 等[10]研究
猪粪与纤维素混合发酵时,在 30 益和水力停留时间
(hydraulic retention times, HRT)为 20 d 的条件下,
发酵效率比猪粪单独发酵提高了两倍.此后,陆续出
现动物粪便与 OFMSW、工业废弃物混合发酵的研
究(图 1),如 El鄄Mashad 和 Zhang[34]研究了牛粪和
食物残渣混合发酵;Li等[24]研究了猪粪与中草药生
产垃圾混合发酵.近年来,以动物粪便为混合发酵底
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物的文献越来越多,包括与食品加工业、植物废弃
物、OFMSW等的混合发酵,这些都是目前研究的热
点,说明动物粪便在混合发酵中潜力巨大.
2郾 2摇 植物
狭义上,植物废弃物仅指农作物秸秆,而广义上
还包括一些入侵物种、能源作物等.植物废弃物作为
一种高 C / N(一般为 23 ~ 37) [35-36]、高有机质含量
的废弃物,发酵潜力大.如农作物秸秆发酵产沼气的
累积产气率能达到 300 ~ 400 mL·g-1VS[37-38] .但植
物废弃物中通常含有大量的木质素、纤维素和半纤
维素,非常难以降解[39] .此外,植物废弃物往往残留
有农业生产中广泛使用的农药和除草剂,以及植物
本身产生的次生代谢产物,这些化合物都对厌氧发
酵有抑制作用[38-40] .因此尽管植物废弃物厌氧发酵
的研究起步较早,但一直没有得到很好的推广应
用[36] .
面对植物废弃物单独发酵难的问题,早期混合
发酵的研究将目光投向植物废弃物与动物粪便混合
发酵上[8-12,33] . 研究表明,植物废弃物加入动物粪
便,能增加沼气产量 (相比于植物废弃物单独发
酵),还可以提高植物废弃物的降解率[9-10] . 但也有
文献报道,植物废弃物与动物粪便混合发酵的产气
效率不如动物粪便单独发酵[11-12] . 此后,植物废弃
物混合发酵的研究一度停滞(图 1). 但随着植物废
弃物各种预处理手段的出现,以及发酵工艺的不断
改善[41],植物废弃物混合发酵的论文在近几年重新
大量出现,并在混合发酵中占据重要地位(图 1).如
张翠丽等[36]研究麦秆与动物粪便的混合发酵发现,
沼气累积产气率最高可达 467 mL·g-1 TS ( total
solid, 总固体).
近几年植物废弃物的另一个研究热点是入侵植
物物种的混合发酵. 入侵物种通常生长繁殖能力极
强,严重危害生态系统[42] . 但如果能利用入侵物种
快速生长的特点,把它们作为沼气发酵的原料,通过
混合发酵技术提高产气率,变废为宝,将会意义重
大[42-47] . 这个方向国内研究较多,包括陈广银
等[42,45,47]研究了互花米草( Spartina alterniflora)与
牛粪的混合发酵以及凤眼莲(Eichhornia crassipes)与
猪粪的混合发酵,胡萍等[46]研究了蓝藻与厌氧颗粒
污泥的混合发酵,Lu 等[44]研究了凤眼莲与猪粪的
混合发酵.入侵物种的综合利用是目前的一个研究
热点,而厌氧发酵必将在未来占据重要地位.
2郾 3摇 污水污泥
城市污水处理厂产生的污水污泥(SS)通常有
机质含量很高(60% ~70%的干物质是有机物质),
并含有丰富的营养元素[48] . SS 的单独厌氧发酵工
艺在 20 世纪 80 年代就已经普遍采用,厌氧发酵产
生的沼气能满足污水处理厂 40% ~ 60%的能源需
求,而发酵后产生的沼渣能作为农作物肥料[49] . 但
污水污泥单独厌氧发酵的产气率并不理想,在35 益
条件下,沼气产气率仅 190 mL·g-1VS[50] .这是因为
通常 SS的 C / N 较低(6 ~ 16) [51-52],并且其降解性
较差,而且往往富集了各种重金属,不利于厌氧发酵
的进行[53] .
SS混合发酵的研究最早可追溯到 20 世纪 80
年代,Stephenson等[54]尝试在含有氮川三乙酸的厌
氧发酵罐中加入污泥,结果发现能提高氮川三乙酸
的去除率.此后,SS 作为一种营养元素丰富的发酵
底物[48],成为研究混合发酵时的常用添加物. SS 与
OFMSW混合发酵的研究一直没有中断过,技术越
来越成熟. SS和 OFMSW 是城市最主要的两种废弃
物,近几年对两者混合发酵的研究更加细化,包括
SS与食物残留[55-56]、水果蔬菜垃圾( fruit and vege鄄
table waste, FVW)等的混合发酵[57] . SS和工业废弃
物混合发酵的研究也一直在进行,并且近年来增长
迅速,成为众多混合发酵底物中研究最多的一类
(图 1).
2郾 4摇 城市固体垃圾
城市固体垃圾中有机质成分(OFMSW)的厌氧
发酵不仅能使生活垃圾无害化、减量化,还能产生清
洁能源,产生的沼渣能作肥料[58-62] . 据郑祥等[59]报
道,2006 年中国城市垃圾如果全部厌氧发酵产沼
气,甲烷潜在产量为 41郾 86伊108 m3 .但是 OFMSW成
分复杂,生物降解性差,水溶性低,C / N 低,易导致
氨抑制现象[63-66] .此外,OFMSW可能含有一定量的
重金属和异型化合物(xenobiotic compounds) [67-68],
也会抑制厌氧发酵过程.
OFMSW的巨大潜力和单独发酵效率不高迫使
研究人员将目光转向混合发酵,早期 SS 与 OFMSW
混合发酵的目的也是为了解决这个问题. 近几年,
OFMSW 和 SS 的研究热度仍然不减. 为了提高
OFMSW厌氧发酵的效率, Montusiewicz 和 Lebioc鄄
ka[69]尝试将垃圾填埋渗透液与 SS 混合发酵,发现
这样不仅能增加沼气产量和沼气中甲烷含量,而且
能缩短 HRT,增加发酵系统有机质负载率( organic
loading rate, OLR)处理能力. 近几年 OFMSW 与其
他底物(如与动物粪便、工业废弃物)的混合发酵的
研究逐渐增多. 如 Ponsa 等[63]根据 OFMSW 氮含量
71027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 董飞青等: 发酵底物混合厌氧发酵的研究进展摇 摇 摇 摇 摇
高的特征,将其与植物油、动物脂肪、纤维素、蛋白分
别混合发酵,最后得出植物油是 OFMSW 最佳的混
合发酵底物;Zhang 等[23]研究认为,OFMSW 与猪场
废水混 合 发 酵 的 沼 气 累 积 产 气 率 可 达 396
mL·g-1VS;Nayono 等[70]研究了 OFMSW 与印染废
水的混合发酵.
2郾 5摇 工业废弃物
尽管工业生产产生大量废水、固体废弃物,其处
理已广泛使用厌氧发酵技术,但工业废弃物通常成
分单一,营养元素缺失,并含有高浓度的有毒化合
物[71-76],使其作为单一底物厌氧发酵很困难.因此,
越来越多的学者把目光投向混合发酵,希望借此来
实现营养元素的互补,稀释有毒化合物,提高厌氧发
酵的效率.近年来,工业废弃物混合发酵的研究如火
如荼,有关它的论文数占据了所有混合发酵的半数
以上(图 1).特别要指出的是,工业废弃物在行业间
的整合处理、混合发酵初见成效,研究越来越多,如
食品加工业内部不同废弃物的混合(图 1).
食品加工业(包括水果和蔬菜罐头、食用油精
炼、奶制品生产、淀粉和糖生产、酿造与发酵等)产
生的废弃物通常有较高含量的有机质,而厌氧发酵
是一种很理想的处理方式.如橄榄加工行业,橄榄的
脱苦和洗涤废水 ( table olive debittering & washing
effluent, DWE)中富含 NaOH和多酚,厌氧处理非常
困难[77] . Zarkadas和 Pilidis[77]尝试将 DWE 与牛粪、
猪粪混合发酵,发现产气率提高了 50% ,同时有
30%的苯酚和 80%的有机碳被降解.
肉类加工业产生的废弃物包括油脂、血液以及
一些很难分解的有机质,如毛发[78] . 在其为单一底
物厌氧发酵过程中,蛋白和油脂会导致氨和长链脂
肪酸(LCFAs)的积累,严重抑制发酵过程[79] .此外,
肉类加工业的废弃物中往往含有高度浓缩的杀菌剂
和消毒剂如次氯酸钠,会抑制厌氧发酵过程[80] .
Bouallagui等[81]尝试把屠宰场废弃物与 FVW 混合
发酵,发现沼气累积产气率可达 850 mL·g-1 TS;
Alrawi等[82]尝试把棕榈油工厂污水与屠宰场废弃物
的混合发酵.
造纸业产生废弃物的 C / N 非常高,通常在 30
以上[83],其废弃物中还可能含有硫化物、鞣酸类、树
脂酸和卤代化合物等,抑制厌氧发酵的化合
物[73-76] . Lin等[83]尝试用味精生产的废液当作纸浆
与造纸污泥混合发酵的添加物,混合后 C / N 为 20,
甲烷累积产气率可达 200 mL·g-1VS.
3摇 混合厌氧发酵的影响因素
混合厌氧发酵带来的底物之间的协同效应,能
使微生物群落有更理想的生长和代谢环境,包括更
合适的 C / N,更理想的营养和水分含量;稀释了抑制
因子,如自由氨、脂肪酸和重金属等;提高了废弃物
降解率;增加了沼气产量[84] .并且在大多数情况下,
混合发酵获得的沼气总量高于各种底物单独发酵的
总和[7] .混合厌氧发酵为何具有这么多优势? 本文
从 C / N、营养元素、微生物群落等方面介绍混合发酵
给发酵系统带来的改变.
3郾 1摇 C / N
在厌氧发酵中,C / N 一直被认为是一个重要指
标. C / N 过低,会导致 pH 过高,发生氨抑制现象;
C / N过高,会导致 pH过低,发生脂肪酸累积现象. N
作为一种微生物群落必须的营养元素,通常低于
200 mg·L-1时,有利于厌氧发酵[85-86] .当丙酸 /乙酸
小于 1郾 4,乙酸和丁酸盐浓度小于 200 mg·L-1或丙
酸盐小于 100 mg·L-1时,有利于厌氧发酵[87-88] .植
物废弃物中 C / N 过高(富含木质素、纤维素和半纤
维素的成分),还会造成降解困难.
混合发酵的试验中,绝大多数都是低 C / N 废弃
物与高 C / N废弃物的混合发酵,如植物废弃物与动
物粪便的混合,高 C 含量的工业废弃物与 SS、动物
粪便、肉类加工厂废弃物的混合(表 1).而混合两种
高 N 含量的废弃物会恶化厌氧发酵过程. 如
Callaghan等[89]尝试牛粪、FVW 以及鸡粪的混合发
酵时,发现当 FVW的比例从 20%增加到 50%时,甲
烷累积产气率从 230 mL · g-1 VS 增加到 450
mL·g-1VS;但如果增加鸡粪的比例,不但不会增加
沼气产量,还会破坏系统的稳态,并持续恶化.
在混合发酵的试验中,最优 C / N会因为发酵底
物的差异,各有不同. 从表 1 可以看出,C / N 的范围
大致是 15 ~ 23. 而对于植物废弃物而言,混合发酵
除可调节 C / N,还能增强微生物群落纤维素酶的活
性,提高植物纤维的降解率[90-92] .此外,混合发酵还
能提高发酵系统对氨的耐受性,如 Zhang 等[93]研究
发现,两种高 N含量的废弃物家禽粪便和乳制品的
混合发酵能提高发酵效率.
3郾 2摇 营养元素
混合发酵除了能够解决发酵过程中 C、N两种元
素浓度和比例问题,还对其他营养元素有互补作用.
大量元素(Na、Mg、K、Ca、Mn、Fe)、微量元素(Co、Mo、
Ni、Se)都是微生物群落生长与代谢所必需的[94-95] .
8102 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 1摇 典型底物混合发酵的参数
Table 1摇 Parameters of co鄄digestion of typical substrates
混合底物类型
Substrates
混合比例
Mixing ratio
C / N 反应容器
大小
Reactor
size (L)
温度
Temperature
(益)
pH 水力停留
时间
Time
(d)
有机物负
载率
OLR
(g VS·
L-1·d-1)
产气率
Biogas
productivity
(mL·g-1 VS)
文献
References
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玉米秸秆和土豆 4 颐 1(TS比) - 2郾 5 35 - 58 439 biogas [37]
稻草和猪粪 3 颐 1(TS比) - 5 35 6郾 8 ~ 7郾 3 45 - 330 CH4 [36]
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OFMSW和植物油 17 颐 83(TS比) - 1 37 - 21 - 699 CH4 [63]
OFMSW和动物油 67 颐 33(TS比) - 1 37 - 21 - 508 CH4 [63]
OFMSW和印染废水 3 颐 1(湿质量比) - 8 - - 7 22郾 2(COD) 6000 ~ 7000 mL·L-1·d-1 [70]
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OFMSW和皮革生产废弃物 - 15 - - 6郾 5 31 - 150 [118]
SS和 OFMSW 3 颐 1(湿质量比) 14 40 55,35 - 36 9(VSS) 400 ~ 600 mL biogas · g
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SS和填埋场渗滤液 20 颐 1(湿质量比) - 40 35 - 25 1郾 51 1430 biogas [69]
SS和肉类加工废弃物 1 颐 3(湿质量比) - 5 35 7郾 4 ~ 7郾 6 20 2郾 9 410 CH4 [120]
溶气浮选法污泥和猪粪 1 颐 1(TS比) - 14 54郾 5 10 4郾 68 470 CH4 [108]
糖加工废弃物和牛粪 9 颐 1(TS比) - 4郾 5 55 7郾 5 ~ 8郾 0 47 3郾 03 280 CH4 [100]
干酪乳清和奶牛粪便 2 颐 1(湿质量比) - 26郾 6 34 - 5 - 1510 mL·L-1·d-1 [121]
屠宰场废弃物和 FVW 7 颐 3(湿质量比) 22郾 5 2 55 - 20 1郾 28 850 mL biogas·g-1 TS [81]
油脂厂废弃物和污泥 16 颐 9(VS比) 16 4 37 - 15 2郾 34 598 [99]
纸浆污泥和味精厂污水 - 20 10 37依2 6 ~ 8 33 - 200 [83]
木薯酒糟和剩余污泥 3 颐 1(VS比) - 1 35 ~ 37 5郾 65 3 ~ 5 - 350 [122]
橄榄加工厂废水和其固体废物 - - 22 37依2 7郾 5 12 4郾 67 (COD) 950 mL·L-1·d-1 [123]
棕榈油厂污水和屠宰场污水 9 颐 1(湿质量比) - 2 37依3 6郾 8 ~ 7郾 2 6 40郾 6 (COD) - [82]
摇 摇 在混合发酵过程中,如果有营养缺失的情况,添
加微生物营养液可以增加厌氧发酵的效率[96-98] .但
这种方法只适用于实验室水平,在实际生产中成本
太高.实际生产中,可以把营养元素含量非常高的废
弃物当作添加剂,进行混合发酵. 如动物粪便和 SS
均含有丰富的营养元素(包括微量元素)(表 2),两
者都是很受欢迎的混合发酵添加物.而厨房垃圾、工
业废弃物、植物垃圾等的营养元素一般比较匮乏
(表 2) [99-102] . Wan 等[99]研究活性污泥和油脂废弃
物的混合发酵发现,油脂废弃物在加入活性污泥后,
沼气产量增加 137% ,而再加入微生物营养液,对其
发酵效率无明显影响. Zhang 等[23]研究食物残渣和
猪舍污水的混合发酵发现,食物残渣加入微生物营
养液也能达到加入猪舍污水类似的效果,即提高了
沼气产量,抑制了脂肪酸的积累.
除了营养缺失的情况,当某种营养元素相对过剩
时,营养失调,也会对发酵产生影响.如大量元素钠、
钾过量,分别超过时11和28 g·L-1时,会对发酵过程
产生抑制[100] .在发酵底物的营养元素充足的情况下,
如果再继续添加微生物营养液,对发酵效率的提升不
明显,甚至会产生负作用[94,99] .面对营养过剩或有其
他毒害物质时,一般用水或其他底物来稀释,但这样
会造成排放的污水量增大,不经济[100] .而用植物废弃
物、厨房垃圾或工业废弃物等营养元素含量较低的废
弃物混合稀释(表 2),既可增加垃圾处理量,又提高
了沼气产气效率,更加经济与环保.
91027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 董飞青等: 发酵底物混合厌氧发酵的研究进展摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 几种典型发酵底物的营养元素含量
Table 2摇 Nutrient contents of several typical fermentation substrates (mg·L-1)
元素
Element
猪粪
Pig manure
猪舍污水
Piggery
wastewater
厨房垃圾
Food
waste
活性污泥
Activated
sludge
油脂
Fat, oil and
grease
初级污泥
Primary
sludge
活性污泥
Activated
sludge
互花米草
S郾 alterniflora
(伊10-6)
大量元素 Na 155 919郾 2 1528郾 8 65郾 9 220郾 0 148郾 0 109郾 0 14892
Macronutrient Mg 551 1018郾 4 62郾 5 291郾 0 13郾 3 77郾 9 29郾 3 2754
Al - 62郾 6 4郾 3 0 0 - - -
K 501 5995郾 2 546郾 7 321郾 6 61郾 3 70郾 9 60郾 3 2709
Ca 2659 2689郾 4 118郾 2 1432郾 0 320郾 4 418郾 0 108郾 0 2462
Mn 45 37郾 8 1郾 0 54郾 3 0 2郾 1 1郾 7 87
Fe 178 149郾 9 3郾 2 628郾 0 29郾 6 - - 194
微量元素 Co - 0郾 2 - 0 0 - - -
Micronutrient Ni 0郾 6 0郾 7 0郾 2 5郾 7 0郾 6 - - -
Cu 13郾 7 59郾 4 3郾 1 17郾 8 0郾 6 - - 2郾 8
Zn 133郾 2 234郾 2 8郾 3 54郾 5 2郾 5 3郾 4 1郾 3 10郾 1
Mo - 0郾 6 0郾 03 0 0 0郾 1 0郾 1 -
Cd 0郾 1 0郾 02 0郾 02 - 0 - - 摇 -
Cr - 0郾 3 0郾 2 - 0 - - 摇 -
Pd - 0郾 5 0郾 2 - 0 - - 摇 -
文献 Reference [108] [23] [23] [99] [99] [101] [101] [124]
3郾 3摇 微生物群落
Wang等[103]研究不同植物与牛粪混合发酵时
发现,微生物群落的种类会随着混合底物的不同而
发生变化. Supaphol 等[104]研究发现,不同的发酵底
物以及环境因素能够影响发酵罐中微生物群落组
成,其中主要是发酵底物水解以及酸化阶段的微生
物种类会发生改变,并进一步影响发酵效率.
很多学者都发现,植物废弃物的混合发酵能增
强微生物群落纤维素酶的活性,提高植物纤维的降
解率,并提出可能是混合发酵为纤维素分解的细菌
提供了更加充足的营养[90-92] . Cuetos 等[105] 研究
OFMSW与屠宰场废弃物混合发酵时发现,用较低
的 OLR和较长的 HRT,让厌氧污泥中的微生物群落
适应了发酵体系中高浓度的氨和脂肪含量后,OFM鄄
SW与屠宰场废弃物混合发酵形成的高氨和脂肪酸
浓度的发酵体系能稳定运行.
厌氧发酵微生物群落的差异也会改变整个发酵
系统的效率.如氨耐受性好的微生物群落的氨耐受
能力比普通微生物群落高 6郾 2 倍[106] . 混合厌氧发
酵为微生物群落的研究提供了一个契机,希望能成
为厌氧发酵效率提升的一个突破口.
3郾 4摇 其他因素
混合发酵试验中,研究的不仅仅是如何获得最
高产气效率,还需要考虑其他因素,如 OLR、HRT 及
VS、COD的去除率和温度等,这些都关系到沼气池
的实际运行效率.
发酵系统的 OLR有一个上限,因为随着有机质
的不断加入,会不断地增加发酵系统的脂肪酸和氨
的浓度,一些营养元素或有毒化合物的浓度也会达
到上限,从而破坏发酵系统的稳定性.而混合厌氧发
酵能提高 OLR的上限,如 Zhang 等[93]发现,家禽粪
便与乳制品废弃物混合发酵的 OLR 上限增加了
50% ,并提高了沼气产量;Fang 等[100]研究糖分提取
物与牛粪混合发酵时发现,系统的 OLR上限有所提
高.这可能是因为混合发酵能增加发酵系统的缓冲
能力,并改善了发酵系统对一些敏感环境变化的耐
受能力[94,107-110] .
混合发酵不仅能增加发酵系统的 OLR 能力,还
可以缩短 HRT,提高 VS 和 COD 的去除率,这都将
提高发酵池垃圾处理能力[92] . 据 Luostarinen 等[111]
报道,油脂分离器中的污泥虽然有很高的沼气生产
潜力(918 mL·g-1VS),但发酵的启动很慢,而与污
水污泥混合发酵可以加速启动. 酒厂废水与猪粪的
混合发酵,当酒厂废水占 40%时,底物的 CODT(总
COD)、CODS(溶解性 COD)和 VSS(挥发性悬浮物)
的去除率最高[58] .
温度作为影响厌氧发酵的一个重要因素,也是
厌氧发酵的一个研究热点.张翠丽等[36]研究牲畜粪
便与麦秆的混合厌氧发酵发现,厌氧发酵时间并不
总是随着温度的升高而缩短,最佳的混合发酵温度
为 30 益 .
混合发酵并不能保证总能同时提升发酵系统在
各个方面的能力,它会强化系统某些方面的能力,也
会有弱化系统另一方面能力的风险. 如在棕榈油工
0202 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
厂污水与屠宰场废弃物的混合发酵试验中,当 OLR
为 16郾 5 g COD·L-1·d-1、HRT 为 20 d 时,COD 的
去除率最高达 96郾 5% ,但甲烷含量最高是出现在
OLR为 40郾 6 g COD·L-1·d-1、HRT 为 6 d 的试验
组,为 61郾 8% [82] .研究酿酒厂污水与猪粪混合厌氧
发酵时,当酿酒厂污水占 85郾 4%时,甲烷产气率最
高为 348 mL·g-1COD,但是 COD 及 VSS 去除率最
高是在酿酒厂污水占 40%的时候[58] . 在猪粪和猪
舍污水与蔬菜垃圾混合发酵的试验中,增加蔬菜的
比例能更好地提高 VS 去除率,但会导致有机酸的
累积,对系统产生抑制,同时使系统的缓冲能力变
差[112] .当面临这种情况时,需要研究者通过严谨的
试验,给出混合厌氧发酵最佳的配比、最佳的 HRT、
最佳的 OLR,以达到最高的发酵效率.
4摇 混合厌氧发酵的发展现状及前景
近 4 年是混合发酵研究蓬勃发展的一个时期,
有关文献数量较 2006—2007 年增长了近 4 倍(图
1).现在国际上混合发酵研究的焦点围绕在城市垃
圾之间的混合处理、农村垃圾之间的混合处理以及
工业废弃物的混合处理. 影响废弃物混合厌氧发酵
的主要因素包括不同废弃物的特性以及运输成本.
在城市垃圾处理过程中,研究主要集中在 SS 与
OFMSW的混合发酵;在农村垃圾处理过程中,研究
主要集中在动物粪便与植物废弃物;对于工业废弃
物,由于行业间的差别很大,造成废弃物的成分各
异,分布区域多样,混合发酵也因不同地区的特定条
件而有很大差异,有与动物粪便、SS 的混合发酵,也
有工业垃圾之间的混合发酵.
全球气候变化的大背景推动了混合发酵研究的
迅速发展.混合发酵是一种非常有效的提高沼气发
酵效率的手段,它能有效地推动沼气发酵产业的发
展,带来明显的生态效益和经济价值.但混合发酵的
研究仍然面临许多挑战,如如何因地制宜地根据当
地特定的废弃物,使混合发酵能在提升沼气发酵效
率的同时物尽所用;采用何种发酵条件(如混合底
物的配比、温度、pH、HRT、OLR),才能在提升发酵
效率的同时又最大程度地降解废弃物;如何让实验
室里的成果在工程上得到应用与推广,这些都有待
进一步研究.
尽管现在混合厌氧发酵的报道很多,但大部分
处于实验室水平.而在现实生产中,需要考虑的因素
更多,如成本、生态效益和野外因素(温度、气候)
等.这就要求有大规模混合厌氧发酵的试验,以利于
示范和推广. Lu 等[44]在浙江省海宁市同仁养殖场
尝试猪粪与凤眼莲的混合发酵(15%的凤眼莲)发
现,沼气产量提高了 46郾 1% (相比于猪粪单独发
酵).
我国现有的混合厌氧发酵研究较少,主要为植
物废弃物的混合厌氧发酵,这与我国大力推广农村
沼气工程有关[35,37,42,45,47,113-114] . 我国作为一个人口
众多、农业发达、工业迅猛发展和快速城市化的国
家,垃圾处理问题严峻.对于城市垃圾和农业垃圾的
处理方式还停留在传统的填埋、焚烧和堆肥等粗放
式处理方法上.混合厌氧发酵技术的研究、推广及应
用将有助于我国更合理、有效地处理垃圾问题,变废
为宝,为我国的生物质能产业化提供技术支持.
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作者简介摇 董飞青,男,1985 年生,硕士研究生.主要从事农
业生态学及沼气工程研究. E鄄mail: dongfeiqing2001@ 163.
com
责任编辑摇 肖摇 红
52027 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 董飞青等: 发酵底物混合厌氧发酵的研究进展摇 摇 摇 摇 摇