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,徐雅芫1,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。氣的產(chǎn)生機理、動(dòng)物糞便沼氣化利用的預處理和沼氣化利用工藝及影響沼氣產(chǎn)量的溫度、H、CN和2動(dòng)物糞便預處理方法發(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1微生物發(fā)酵沼氣的機理熱處理是采用不同的溫度對動(dòng)物糞便進(jìn)行處理。 Cristina等3用170℃蒸汽處理豬糞30min,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0.236L菌共同完成的。大致可分為三個(gè)階段,第一階段是CH4/gCOD,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)入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用不同的溫度預處理豬糞,在100℃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℃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)一步分解利用;第菌難以利用。 Mladenovska等61研究了100~140二階段是產(chǎn)酸階段,由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌群利用第一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、CO2mn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H中國煤化工[收稿日期]2011-1205,修回日期:201201-12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)CNMHG[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:llm6@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、H2SO4和NH4OH等。異,在單相厭氧裝置中不能發(fā)揮兩大菌群的作用,而Salve等η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℃時(shí)產(chǎn)甲烷量最高(149mL/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℃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)處理泵入由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,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 )厭氧消化的第一階段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3用0.25mm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)酵基本一樣;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)入后級裝置進(jìn)行發(fā)酵一樣(分別為0.251、0.257LCH4/gCOD),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( Upflow anaerobic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:21。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0.6~60pm起作用,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500kJ/kgTS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500kJ/kgTS。反應器串聯(lián)在一起,但為了降低成本一般都采用兩3動(dòng)物糞便沼氣化利用工藝級裝置。Boe等1通過(guò)研究連續消化,指出兩級裝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。后續反應的中國煤化工由于厭氧發(fā)酵過(guò)程中的產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群在在兩級消CNMH「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1以牛糞為原料對此家畜生態(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6200~8500mg/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/gTS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(1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15d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4影響沼氣產(chǎn)量的因素量過(guò)高,高濃度的氨態(tài)氮將會(huì )抑制甲烷的產(chǎn)生般沼氣發(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(0~20℃)中溫(20~42℃)和高溫(42特性的影響,表明在常溫條件,原料不同C/N都能75℃)。在中溫范圍,35℃以下每降低10℃,細迅速啟動(dòng);60d平均日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率以C/N為菌的活性和生長(cháng)率就減少一半。許多研究都證明了33/1時(shí)最高,分別達762.00mL/2500mL發(fā)酵液沼氣的產(chǎn)量與溫度有關(guān), Hobson等1認為沼氣的和0.1486m3/kg·TS,且能維持較高的產(chǎn)氣均勻產(chǎn)量在25~44℃范圍內與溫度有線(xiàn)性關(guān)系,甲烷的性。張鳴等2在35℃條件下,研究豬糞和羊糞與麥含量在0.26~0.42m3/kgTS。 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30℃和60℃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)141d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0發(fā)現豬糞發(fā)酵溫度為30℃時(shí),較35累積產(chǎn)氣量可達209mL/gC甲烷產(chǎn)量?jì)H減少3%發(fā)酵溫度為25℃,甲烷產(chǎn)5展望量減少17.4%;在20C、30℃、35℃時(shí),最終甲烷產(chǎn)量分別為327389mLCH4/g和403mLCH4/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,對沼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。Alvaro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℃發(fā)酵生產(chǎn)沼氣試驗,低溫下最1 Stams A J M. Metabolic interactions between anaerobic bacte大的有機負荷(OLR)在4到6 kg vs m3/d,所獲得ria in methanogenic environments[J]. Antonie Van Leeuwen-hoek,1994,66:271-294的甲烷產(chǎn)量在0.07~0.14m3/kgVS之間,沼氣中[2] Dong X Z, Stams A J M. Evidence for H2 and formate forma甲烷的濃度在47%~55%during syntrophic degradation of butyrate and propionate42pH值[J]. Anaerobe,1995,1:3539厭氧發(fā)酵的最適pH值在6.8~7.4,6.4以下[3] Cristina Gonzdlez-Fernandez, Cristina Leon Cofrece. Differ或7.6以上都會(huì )對沼氣產(chǎn)量有影響,pH值在5.5ent pretreatments for increasing the anaerobic biodegradability以下,產(chǎn)甲烷菌活性完全受到抑制。產(chǎn)酸階段如果中國煤化工y,200980108714.產(chǎn)生過(guò)多的VFA而不能及時(shí)利用,將會(huì )使發(fā)酵的CNMHG[4] Rashad RGP, Abdul-Sattar N, et al. Effect of thermalpH值下降。Wang等(2發(fā)現VFA的濃度在10.0chemical and thermo-chemical pretreatments to enhance meth第1期胡紅偉,等:動(dòng)物糞便沼氣化利用的研究進(jìn)展ne production[J]. Energy, 2010, 35:4 556-4 561[J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 8288-8293[5J Hendriks A T W M, Zeeman G. Pretreatments to enhance [15] Boe K Online monitoring and control of the biogas processthe digestibility of lignocellulosic biomass [J]. Bioresource[D]. Denmark: Technical University of Denmark, 2006:221Technology,2009,100:10-18.[16] Prasad Kaparaju, Lars Ellegaard, Irini Angelidaki. OptimisaL6] Mladenovska Z, Hartmann. Thermal pretreatment of the solidtion of biogas production from manure through serial diges-fraction of manure: impact on the biogas reactor performancetion lab-scale and pilot-scale studies[J]. Bioresource Technold microbial community[J]. Water Science and Technologygy,2009,100:701-7092006,53(8):59-67.[17] Kanokwan Boe, Irini Angelidaki Serial CSTr digester con-[7] Helene Carrere, Bruno Sialve. Improving pig manure conver-figuration for improving biogas production from manure[J]sion into biogas by thermal and thermo-chemical pretreatmentsWater Research, 2009, 43: 166-172[J]. Bioresource Technology, 2009, 100: 3 690-3 694[18] Hobson P, Bousfleld S. Anaerobic digestion of piggery and[8] Claire Bougrier, Jean Philippe Delgenes, Helene Carrerepoultry wastes, Anaerobic Digestion[M]. London: AppliedEffects of thermal treatments on five different waste activatedScience Publishers, 1980: 237-253udge samples solubilisation, Physical properties and Anaero- [19] Hashimoto A G, Vare V H. Ultimate methane yield frombic digestion[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 139: 236beef cattle waste: efects of temperature244ents, antibiotics and manure[J]. Agr Wastes, 1981,3: 241[9] Wei Liao, Yan Liu, Acid hydrolysis of fibers from dairy ma56nure[J]. Bioresource Technology, 2006,97:1687-1695[20]Chae K J, Jang Am, Yim S K. The effects of digestion tem[10] Campos E, Almirall M. Feasibility study of the anaerobic diperature and temperature shock on the biogas yields from thegestion of dewatered pig slurry by jeans of polyacryalmidemesophilic anaerobic digestion of swine manure [J].Biore-J. Bioresource Technology, 2008, 99: 387-395source Technology, 2008, 99: 1-6.[11] Gonze E, Pillot S, Valette E Ultrasonic treatment of an aer- [21] Rene Alvarez, Gunnar Liden. Low temperature anaerobic di-bic activated sludge in a batch reactor [J]. Chemical enggestion of mixtures of llama, cow and sheep manure for im-neering and Processing, 2003,:965-975proved methane production[J]. Biomass and Bioenergy, 2009[12] Pham TT H, Brar SK, Surampalli R Y. Influence of ultra33:527-533.sonication and Fenton oxidation pre-treatment on rheological[22] Wang YY, Zhang Y L, Liang M. Hydrogen-methane produc-characteristics of wastewater sludge [J]. Ultrasonics Sono-tion from swine manure: effect of pretreatment and VFAs ac-chemistry,2010,17:38-45cumulation on gas yield[J]. Biomass and bioenergy, 2009,33[13] Elsayed Elbeshbishy, Saad Aldin. Impact of ultrasonication of1131-1138.hog manure on anaerobic digestability[J. Ultrasonics Sono-[23]高禮安,鄧功成,趙洪,等.不同C/N對沼氣發(fā)酵均勻性影chemistry,2011,18:164-171響的研究[現代農業(yè)科技,2009(4):248-249[4] Maritza macias-Corral, Zohrab samani, Adrian hanson,[24]張鳴,高天鵬,常國華,等.豬糞和羊糞與麥稈不同配比中Anaerobic digestion of municipal solid waste andagricultural溫厭氧發(fā)酵研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2010,4(9):2131-2134.waste and the effect of co-digestion with dairy cow manureResearch Progress of Using Animal Manure to Produce BiogasHU Hong-wei, XU Ya-wu, LI Li-mu, 2, QIAN Kun'1. College of life Science, Anhui Agriculture University, Hefei, Anhui 230036. Ch2. Anhui Animal Biological Engineering Technology Research Center, Hefei, Anhui 230031, China)Abstract: Anaerobic digestion is an effective way of treating animal manure for producing biogas. Themechanism of microorganism producing biogas is introduced. Different pretreatment methods of manure arediscussed, such as thermal, chemical, thermo-chemical, mechanical and ultrasonic pretreatment. Anaerobicdigestion technologies are discussed, such as one phase and two phase anaerobic digestion, one step and ser-al digestion. At last, the factors in process of fermenting manure are analysedKey words: manure; mechanism; pretreatment methods digestionTH中國煤化工CNMHG