厌氧生物发酵技术在农业废物治理中的应用探讨

摘要：介绍了农业固体废物的来源及对环境的影响，阐述了厌氧消化原理、过程、条件等，并对其在农业废物治理中的应用进行了探讨。

关键词：农业废物；厌氧生物；发酵技术；高温堆肥；沼气生产

中图分类号：X712 文献标识码：A

1 引言

厌氧生物发酵处理，是一种利用微生物自身的新陈代谢作用而实现有机固体废弃物处理的方法。与好氧生物处理法相比，厌氧发酵法具有耗能低、占地面积小、处理效率高等优点，更重要的是厌氧发酵的产物为高热值的能源——沼气，可在一定程度上缓解农村能源紧张的矛盾。同时，可利用厌氧发酵技术进行快速堆肥，为农业生产的绿色化提供优质的有机肥料。

2 农业废物的来源及对环境的影响

2.1 农业废物的来源

农业固体废物原料来源非常广泛，而且可以就地取材。如人畜粪便、作物秸杆、植物的枯枝落叶、污泥、垃圾、含有机物的日常生活废水、废渣等，它们均可作为厌氧生物发酵的原料。

2.2 农业废物对环境的影响

由于农村人口多、居住分散，农业固体废物种类繁多，数量大，所以对环境的影响不容忽视。特别是收获季节，农民喜欢将固体废物就地焚烧，产生大量的烟气，使沿线的交通受到影响，同时，在自然条件影响下，固体废物中的一些有害成分转入大气、水体和土壤，参与生态系统的物质循环，具有潜在的、长期的危害性。因此，对农业固体废物进行综合治理是十分必要的。

3 厌氧生物处理技术在农业废物治理

中的应用3.1 厌氧生物处理机理

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，主要依靠水解产酸菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌的联合作用来完成。因此可以初略地将厌氧消化过程划分为3个连续阶段，即：水解酸化阶段，产酸菌将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的脂肪酸；产氢产乙酸阶段，专性产氢产乙酸菌将各种有机酸分解转化成为H2和CH3COOH等；产甲烷阶段，一组甲烷菌将H2和CO2转化为甲烷，一组甲烷菌将乙酸或乙酸盐脱羧为甲烷。

3.2 厌氧消化技术处理农业固体废物应用实例

3.2.1 农业固体废物高温堆肥

（1）高温堆肥技术特点。

高温堆肥是实施“沃土工程”、提高土壤肥力的主要内容之一，是秸秆还田的重要途径。高温积肥具有取材广泛、简便易行、净化环境、减少污染、改良土壤、培肥地力、成本低、养分全等诸多优点，深受农民朋友的欢迎。

（2）高温堆肥影响因素。

①温度。厌氧发酵根据温度不同可分为常温发酵（自然温度）、中温发酵（30～40℃）和高温发酵（50～60℃）。农业固体废物厌氧消化一般在中温或高温下进行，中温的最佳温度为35℃左右，高温为55℃左右。我们国家通常采用的是中温消化。

②pH值。产甲烷菌对pH值的要求非常严格，甲烷菌生长最适宜的pH值为6.8～7.2，水分含量为90%～96%时产甲烷速率较高，pH值低于6或高于8时，产甲烷菌正常消化就遭到破坏，原材料进入厌氧消化系统时pH值应调节到7左右，并在运行过程中密切关注pH值变化，采取适当的控制措施。

③接种物。有机固体废弃物的厌氧发酵由多种微生物共同作用，因此，在发酵底物中添加一定量的微生物作为接种物是实现厌氧发酵快速启动、提高沼气产量的重要措施。目前，农村沼气池大多采用经过驯化的污泥作为接种物，驯化污泥主要来自厌氧消化池、化粪池和池塘，也有人直接利用畜禽粪便作接种物。

（3）高温堆肥方法。

目前广大农村一般采用的是地面堆肥法。高温堆肥即选择距水源较近、运输方便的地方，把地面捶实后依次铺上一层干细土、一层未切碎的玉米秆作为通气床，然后在床上分层堆积农业固体废弃物，根据不同的季节可选择玉米秆、稻草、高粱杆及各种青草等材料，并逐层浇入人粪尿（下少上多），堆料前可按一定距离垂直插入木棍，堆料后取掉木棍作为通气孔，堆料完成后，调节水分时，一般以手握材料有液滴出为宜，最后用塑料薄膜覆盖肥堆，在四周挖沟培土，防止粪液流失。3～7d，温度显著上升，堆体逐渐下陷，当堆内温度慢慢下降时，进行翻堆，把边缘腐熟不好的材料与内部的材料混合均匀，重新堆起，如发现材料有白色菌丝体出现，要适量加水，然后重新用泥封好，待达到半腐熟时压紧密封待用。

完全腐熟时作物秸秆的颜色为黑褐色至深褐色，秸秆等植株很软或混成一团，残体不明显，就可以作为农家肥使用了。

农民朋友还可在乡镇农科所技术员的指导下，加入一定量的“快速腐熟剂”调节营养素、接种发酵菌剂等进行高温堆肥，同时还可以适当添加磷、镁等元素以增加复合肥效。

3.2.2 农业固体废物生产沼气

（1）人工制取沼气的条件。

①发酵原料：沼气发酵原料是沼气微生物赖以生产的物质基础和产生沼气的营养物质。农村人畜粪便、生活污水以及农作物残渣等就是很好的原材料。

②微生物：沼气微生物主要存在于沼气池、厕所、池塘底部、阴沟污泥、屠宰场阴沟之中。新建沼气池一般要加入以上物料进行接种。

③厌氧环境：沼气菌只能在严格厌氧的环境中才能生长。所以，修建沼气池，要严格密闭、不漏水、不漏气。

④适宜的温度：在10～60℃范围内，沼气池均能正常发酵产气。低于10℃或高于60℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气。微生物对温度变化十分敏感，温度突升或突降，都会影响微生物的生命活动，使产气状况恶化。所以农村的沼气池多修建在地下，原因即冬暖夏凉的环境保证了消化池的温度。

⑤适宜的酸碱度：沼气微生物的生长、繁殖，要求发酵原料的酸碱度保持中性或偏碱性（即pH值为6.5～7.5），过酸、过碱都会影响产气。

⑥碳氮比：农业废物的碳氮比（C/N）对消化过程有较大的影响，一般C/N为（10～20∶1）。农村沼气池含氮量过高，必须添加杂草、秸杆等以补充碳源，才能维持厌氧生物正常的新陈代谢作用。

（2）沼气生产技术能源生态模式。

农村新建沼气池一般是以农户庭院为基本单元，利用房前屋后的山地、水面、庭院等场地，主要建设是以畜禽舍、沼气池、厕所相结合的形式，形成养殖—沼气—种植三位一体的庭院经济格局，达到生态良性循环、增加农民收入的目的。

根据不同的季节和产生的沼气量的多少，农民朋友可以方便地应用于燃气、照明等。既合理利用了资源，大大节约了能源，又实现了可持续发展的绿色生态模式。

（3）沼液、沼渣的综合利用。

①沼液的利用：用以浸种，可以提高种子的发芽率和粮食产量；用沼液代替农药，能有效防治农作物病虫害；用沼液对果蔬进行叶面施肥，能促进果实膨大，提高产量和质量；用沼液养殖猪、牛、鸡、鱼等，能大大提高产量和品质。

②沼渣的利用：用沼渣栽培食用菌，成本低，品质好，产量高；用沼渣养殖蚯蚓、黄鳝、泥鳅，投资少，效益大。

4 厌氧发酵技术应用范围扩展

厌氧生物处理技术加速和强化了自然界中污染物的循环转化和降解，充分发挥微生物降解、转化污染物的巨大潜力，使环境中的资源得到再生，并消除了一些人类活动对环境的污染。厌氧生物处理技术的应用能够有效改善人类的生存环境和消除环境污染，有利于人类身心健康和社会可持续发展。

厌氧生物技术的不断发展扩大了厌氧处理应用范围，该处理技术不仅适用于处理固体废弃物，而且还广泛应用于处理生活污水、污泥、高浓度有机废水，通过改进生产工艺，即使在低温条件下，采用颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器，可以处理非常低浓度（COD=100mg/L）的有机废水，在处理介质和获得产物方面，也在不断扩展。例如，新的厌氧反应器可以从含SO2废气中回收S，从金属尾矿废水中回收金属和各种生物质产生氢。生物质是一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质，包括除化石燃料外的植物、动物和微生物及其排泄与代谢物等。合理的工艺还可以利用多余能量额外分解水，得到更多的氢。生物质能是低硫和二氧化碳零排放的洁净能源，可避免化石能源制氢过程对环境的污染，从能源上控制二氧化碳排放，因此这种基于可再生能源的氢能路线是真正意义上环境友好的洁净能源技术。

参考文献：

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[2]廖 莉，冯 华，王松林.固体废物处理与处置[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[3]边炳鑫，赵由才.农业固体废物的处理与综合利用[M].北京：化学工业出版社，2005.