動(dòng)物糞便沼氣化利用的研究進(jìn)展

第33卷第1期家畜生態(tài)學(xué)報Vol.33 No.12012年1月Acta Ecologiae Animalis DomasticiJan. 2012動(dòng)物糞便沼氣化利用的研究進(jìn)展胡紅偉'，徐雅蕪' ,李呂木12*,錢(qián)坤1(1.安徽農業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,安徽合肥230036;2. 安徽省畜牧生物工程技術(shù)研究中心.安徽合肥230031)[摘要]厭氧消化技術(shù)是一種有效處理動(dòng)物糞便的方式，論文綜述了微生物發(fā)酵產(chǎn)沼氣的機理和動(dòng)物糞便的熱處理、化學(xué)處理、熱化學(xué)處理、機械處理和超聲波處理等預處理方法,探討了單相和兩相厭氧消化、單級和多級厭氧消化工藝，并分析了影響沼氣產(chǎn)量的各種因素。[關(guān)鍵詞]動(dòng)物 糞便;機理;預處理方法;消化工藝[中圖分類(lèi)號] S811. 6[文獻標識碼] A[文章編號] 1005-5228(2012)01-0094-04近年來(lái),隨著(zhù)我國畜牧業(yè)的不斷發(fā)展,畜禽養殖物分解成甲烷和二氧化碳,其中二氧化碳在氫氣的造成的環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越嚴重,如何有效處理這作用下還原成甲烷。這個(gè)發(fā)酵體系龐大而又復雜，些動(dòng)物糞便,成為養殖場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。糞便通-方面產(chǎn)甲烷菌解除了非產(chǎn)甲烷菌各種生化反應的過(guò)厭氧發(fā)酵后,既產(chǎn)生了沼氣,還可作為肥料,并且抑制,另一方面，非產(chǎn)甲烷菌提供產(chǎn)甲烷菌生長(cháng)以及經(jīng)過(guò)發(fā)酵后,絕大部分寄生蟲(chóng)卵被殺死,可以改善農產(chǎn)甲烷所需的基質(zhì),并且創(chuàng )造適宜的氧化還原條件。村衛生條件,減少疾病的傳染,因此，糞便的沼氣化產(chǎn)甲烷菌群與非產(chǎn)甲烷菌群間通過(guò)互營(yíng)聯(lián)合來(lái)保證利用研究近年來(lái)取得了長(cháng)足的進(jìn)步。本文主要對沼甲烷的形成[1.2]。氣的產(chǎn)生機理、動(dòng)物糞便沼氣化利用的預處理和沼2動(dòng)物糞便預處理方法氣化利用工藝及影響沼氣產(chǎn)量的溫度、pH.C/N和發(fā)酵工藝等因素進(jìn)行了綜述。2.1熱處理 與熱化學(xué)處理熱處理是采用不同的溫度對動(dòng)物糞便進(jìn)行處1微生物發(fā)酵沼氣 的機理理。Cristina 等*用170 C蒸汽處理豬糞30 min,微生物發(fā)酵沼氣是由多種產(chǎn)甲烷菌和非產(chǎn)甲烷與對照組相比甲烷產(chǎn)率由0. 195提高到了0.236 L菌共同完成的。大致可分為三個(gè)階段,第一階段是CH,/g COD,甲烷的產(chǎn)量提高了35%。為了更準確液化階段，由于各種固體有機物不能進(jìn)人微生物體的描述不同溫度預處理對沼氣產(chǎn)量的影響,Rashad內被微生物利用，因此必須在好氧和厭氧微生物分等1用不同的溫度預處理豬糞,在100 C時(shí),沼氣產(chǎn)泌的胞外酶和表面酶(纖維素酶、蛋白酶和脂肪酶)量最高,高于100 C時(shí),雖然沼氣產(chǎn)量略有增加,但的作用下,將固體有機質(zhì)分解為分質(zhì)量較小的單糖、甲烷產(chǎn)量下降,主要原因可能是有機物在高溫下形氨基酸、甘油和脂肪酸,這些分質(zhì)量較小的可溶性物成難降解的復雜的有機和毒性復合物,導致產(chǎn)甲烷質(zhì)就可以進(jìn)入微生物細胞內被進(jìn)- -步分解利用;第菌難以利用5]。Mladenovska 等[61研究了100~140二階段是產(chǎn)酸階段，由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌群利用第-C的高溫預處理豬糞和牛糞混合物的效應,發(fā)現20階段產(chǎn)生的各種可溶性物質(zhì),氧化分解成乙酸、CO2min和40min處理的糞便的甲烷產(chǎn)量分別提高了和分子氫等,這一階段主要產(chǎn)物是乙酸,約占70%9% ~24%和10%~17%。以上;第三階段是產(chǎn)甲烷階段,由嚴格厭氧的產(chǎn)甲烷在熱處理的基礎上添加酸或堿來(lái)處理糞便,稱(chēng)菌群完成,將第二階段分解出來(lái)的乙酸等簡(jiǎn)單有機為熱化學(xué)處理。熱化學(xué)處理法多用于處理雞糞和牛[收稿日期] 2011-12-05 ,修回日期:2012-01-12 :[基金項目]國家星 火計劃重點(diǎn)項目資助(2010GA710007) ;安徽省現代農業(yè)發(fā)展項目(2011)[作者簡(jiǎn)介]胡紅偉(1985-), 男，山東聊城人,碩士研究生,研究方向:動(dòng)物糞便的沼氣化利用.[通訊作者]李呂 木(1956-),男,安徽和縣人,博士,研究員，主要從事畜牧微生物研究等。E-mail: lm56@ ahau, edu. cn第1期胡紅偉,等:動(dòng)物糞便沼氣化利用的研究進(jìn)展糞，試劑主要有NaOH、H2SO。和NH,OH等異,在單相厭氧裝置中不能發(fā)揮兩大菌群的作用,而Sialve等口分別研究了熱處理和熱化學(xué)處理的方法將產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷分離的兩相工藝，使得兩種菌群在對豬糞產(chǎn)沼氣的影響,試驗證實(shí)，溫度越高,產(chǎn)甲烷兩個(gè)不同的裝置中,各自在最適的環(huán)境下生長(cháng),能顯能力越強,在190 "C時(shí)產(chǎn)甲烷量最高(149 mL/g著(zhù)提高活性。COD)。Bougrier等[8的研究用熱處理法處理污泥Maritza等[4采用兩相厭氧消工藝對城市固體時(shí)也在190 C獲得最高的甲烷產(chǎn)量,這顯然與廢物和牛糞進(jìn)行了混合消化,在固體相(產(chǎn)酸相)中，Rashad等[4]研究結果不同,原因尚待進(jìn)一步驗證。利用產(chǎn) 酸菌將牛糞與固體廢物酸化產(chǎn)生VFA,然后2.2 化學(xué)處理泵人由UAF(升流式厭氧生物濾床)反應器組成的對動(dòng)物糞便進(jìn)行化學(xué)處理,主要利用加酸和加產(chǎn)甲烷相中,最終所得的沼氣中甲烷含量在72.3%堿來(lái)處理。用硫酸預處理牛糞是-一個(gè)很有效的方~73.1%,而單相工藝甲烷的含量在40%~60%。式[0],硫酸可以使纖維素類(lèi)物質(zhì)很容易的釋放單糖。在進(jìn)行兩相發(fā)酵時(shí)，首先要進(jìn)行相的分離,方法一些學(xué)者指出,向糞便里添加PAM(聚丙烯酰胺)能目前主要有化學(xué)法、物理法和動(dòng)力學(xué)控制法,目前最夠提高沼氣的產(chǎn)量，但是PAM的添加量應該在120簡(jiǎn)便最有效的方法是動(dòng)力學(xué)控制法,該方法根據產(chǎn)g/kg總干物質(zhì)(Total solid, TS)以下,否則高濃度酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)速率不同,控制兩個(gè)反應器的固體物質(zhì)會(huì )厭氧消化的第--階段[10]。的水力停留時(shí)間、有機負荷等參數,是產(chǎn)甲烷菌群與2.3機械處理產(chǎn)酸菌群分離開(kāi)來(lái)。機械處理是用小孔徑的篩子將糞便中固體基質(zhì)3.2單級發(fā)酵與 多級發(fā)酵和液體基質(zhì)分離。Cristina 等[]用0.25 mm孔徑的單級發(fā)酵工藝將產(chǎn)酸發(fā)酵和產(chǎn)甲烷發(fā)酵在同一篩子將豬糞分為液相和固相兩部分，以未經(jīng)處理的個(gè)裝置中完成，與單相發(fā)酵基本- -樣;而多級發(fā)酵是豬糞為對照,研究固相組分和液相組分產(chǎn)甲烷的能將多個(gè)發(fā)酵裝置串聯(lián)而成,第一-級主要進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)力,結果固相組分和未處理豬糞的甲烷生產(chǎn)率幾乎氣,未被利用的物料進(jìn)人后級裝置進(jìn)行發(fā)酵。.一樣(分別為0. 251、0.257 L CH4/g COD) ,生物降傳統的單級CSTR反應器操作簡(jiǎn)單,但與其它.解率也基本一樣(分別為82 %和84%),甲烷含量反應器如升流式伏氧污泥床(Upflowanaerobic分別為67.3%和71.9%,而液相組分甲烷生產(chǎn)率為sludge blanket,UASB)相比,其效率非常低。由于0.272LCH4/gCOD,生物降解率提高到89.2%,甲糞便中顆粒性物質(zhì)和粘性太大,使得UASB反應器烷的含量為75. 4%。不適合處理動(dòng)物糞便,而兩相系統對高的有機負荷2.4超聲波處理非常敏感,并且相的分離過(guò)程花費較大,盡管兩相系在厭氧消化過(guò)程中,超聲波已廣泛應用于提高統對難降解物質(zhì)的生物降解率提高了,但是產(chǎn)酸菌生物固體物質(zhì)的水解效率11.12]。超聲波主要對豬群與產(chǎn)甲烷菌群互養的關(guān)系被破壞了,這是這個(gè)系糞顆粒直徑在0. 6~60 μm起作用[13]，豬糞與活性統的局限性,能夠引起產(chǎn)物對產(chǎn)酸相的抑制,例如，污泥相比對超聲波更加敏感,僅需要消耗3000kJ/乙酸鹽能夠抑制丙酸鹽的降解,高濃度的氫氣能夠kgTS能量就能增加15%的溶解率，而活性污泥則導致VFA比乙酸鹽積累的快。需要25000kJ/kgTS能量。生物細胞在超聲波能為了克服單級CSTR與兩相消化系統的存在量為500 kJ/kg TS時(shí)開(kāi)始破裂,從經(jīng)濟角度考慮，的問(wèn)題,可以采用連續消化的方式,就是將多個(gè)甲烷最適的能量為500 kJ/kg TS.反應器串聯(lián)在一起,但為了降低成本一般都采用兩級裝置。Boe等[5]通過(guò)研究連續消化,指出兩級裝3動(dòng)物糞便沼氣化利用工藝置的體積分配比率為90/10和80/20時(shí),與單級3.1 單相發(fā)酵與兩相發(fā)酵CSTR相比沼氣的產(chǎn)量提高11%, 同時(shí)，此研究也按發(fā)酵階段可以將發(fā)酵工藝分為單相發(fā)酵工藝證實(shí)了后級反應器的停留時(shí)間越長(cháng),整個(gè)系統的甲和兩相發(fā)酵工藝，單相發(fā)酵工藝將產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階烷產(chǎn)量越高,主反應器(連續消化時(shí)的第一個(gè)反應段在同一個(gè)裝置中完成。兩相發(fā)酵工藝是將水解、器 )必須保證有較低濃度的VFA的含量,才能保證產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段分別安排在兩個(gè)不同的裝置中。后續 反應的正常進(jìn)行。由于厭氧發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群在在兩級消化裝置中不同的工作體積體積比例對沼營(yíng)養要求、生理代謝、pH等方面都存在很大的差氣產(chǎn)量有很大影響,Prasad等[16]以牛糞為原料對此06家畜生態(tài)學(xué)報第33卷進(jìn)行了研究,試驗時(shí)所采用的體積比為70/30、50/g/L時(shí),產(chǎn)甲烷菌的活性將很大程度被抑制,但當50、30/70.13/87,從VFA含量和甲烷產(chǎn)量上可以VFA的濃度下降到6200~8 500 mg/L時(shí)，VFA看出,體積比為30/70,13/87的兩級CSTR,要比體的抑制效應就會(huì )減弱,平均的甲烷產(chǎn)率在4~12.5積比為70/30的兩級CSTR的性能低,在連續消化mL/d/g TS之間。如果水解發(fā)酵階段與產(chǎn)酸階段裝置中,第一級反應器的工作體積足夠大才能保持的反應速度超過(guò)產(chǎn)甲烷階段,會(huì )導致pH值降低,此很低的VFA含量。時(shí)需要采取措施進(jìn)行調節,使之恢復正常,常用的調Kanokwan等[7]以牛糞為原料研究了HRT節方法有稀釋發(fā)酵液中的揮發(fā)酸提高pH值,加適(水力停留時(shí)間)都為15 d單級CSTR和兩級量氨水或用石灰水調節pH值。CSTR反應器,其中兩級反應器的體積分配比為4.3 碳氮比80/20和90/10,兩級CSTR要比單級CSTR多產(chǎn)發(fā)酵原料的碳氮比,是指原料中有機碳素和氮11%的沼氣,所增加的沼氣主要來(lái)自后級反應器。素的含量的比例關(guān)系。在發(fā)酵過(guò)程中,如果N的含量過(guò)高,高濃度的氨態(tài)氮將會(huì )抑制甲烷的產(chǎn)生。-4影響沼氣產(chǎn)量的因素般沼氣發(fā)酵所需的碳氮比為20~30:1。高禮安4.1發(fā)酵溫度等[23])利用稻草和豬糞的不同比例來(lái)調節C/N,采用厭氧消化過(guò)程受溫度影響較大,厭氧消化的溫批量發(fā)酵方法,研究C/N對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣度可分為低溫(0~20C )中溫(20~42C )和高溫(42特性的影響,表明在常溫條件,原料不同C/N都能~75C)。在中溫范圍,35 C以下每降低10 C,細迅速啟動(dòng);60 d平均日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率以C/N為菌的活性和生長(cháng)率就減少--半。許多研究都證明了33/1時(shí)最高,分別達762. 00 mL/2 500 mL發(fā)酵液沼氣的產(chǎn)量與溫度有關(guān),Hobson等[18]認為沼氣的和0.1486 m'/kg. TS,且能維持較高的產(chǎn)氣均勻產(chǎn)量在25~44C范圍內與溫度有線(xiàn)性關(guān)系,甲烷的性。張鳴等[21] 在35C條件下,研究豬糞和羊糞與麥含量在0. 26~0. 42 m3 /kg TS。Hashimoto 等[19]稈的不同配比對產(chǎn)氣量、消化時(shí)間和最優(yōu)C/N的影認為以牛糞在30C和60C發(fā)酵時(shí)，溫度對甲烷的響,表明豬糞與麥稈的最優(yōu)C/N為21,且經(jīng)141 d產(chǎn)量沒(méi)有影響,只不過(guò)是高溫加快了降解速度。其就可充分發(fā)酵,最大干物質(zhì)累積產(chǎn)氣量可達369. 53他研究人員認為溫度的升高導致了沼氣產(chǎn)量的下mL /g;羊糞與麥稈中溫厭氧發(fā)酵時(shí)，所需的最優(yōu)降,因為隨著(zhù)溫度的升高將會(huì )產(chǎn)生游離的氨氣。C/N值為24,且經(jīng)96d就可充分發(fā)酵,最大干物質(zhì)Chae等[20]發(fā)現豬糞發(fā)酵溫度為30 C時(shí),較35累積產(chǎn)氣量可達209 mL/g.C甲烷產(chǎn)量?jì)H減少3%,發(fā)酵溫度為25 C,甲烷產(chǎn)5展望量減少17.4%;在20 C、30 C、35C時(shí),最終甲烷產(chǎn)量分別為327389mLCHa/g和403mLCH/g揮隨著(zhù)我國農村城鎮化以及畜禽養殖的集約化發(fā)發(fā)性有機物(Volatile solid,VS)。盡管甲烷的含量展,對招氣集中供氣及養殖場(chǎng)沼氣工程的需求將不隨著(zhù)溫度的升高而升高,但是升高的幅度是很低的。斷加大,動(dòng)物糞便沼氣化利用的技術(shù)將會(huì )得到更大.溫度越高,能耗也就越高,所以要綜合考慮能量要求的發(fā)展。和所提高甲烷產(chǎn)量的平衡。Alvarez等2以駱駝糞、羊糞和牛糞的混合物參考文獻:為原料,在18~25 C發(fā)酵生產(chǎn)沼氣試驗,低溫下最[1] Stams A J M. 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Anaerobicdigestion technologies are discussed, such as one phase and two phase anaerobic digestion ,one step and ser-ial digestion. At last, the factors in process of fermenting manure are analysed.Key words: manure; mechanism;pretreatment methods; digestion technology