动物粪便沼气化利用的研究进展

第33卷第1期家畜生态学报Vol.33 No.12012年1月Acta Ecologiae Animalis DomasticiJan. 2012动物粪便沼气化利用的研究进展胡红伟'，徐雅芜' ,李吕木12*,钱坤1(1.安徽农业大学生命科学学院,安徽合肥230036;2. 安徽省畜牧生物工程技术研究中心.安徽合肥230031)[摘要]厌氧消化技术是一种有效处理动物粪便的方式，论文综述了微生物发酵产沼气的机理和动物粪便的热处理、化学处理、热化学处理、机械处理和超声波处理等预处理方法,探讨了单相和两相厌氧消化、单级和多级厌氧消化工艺，并分析了影响沼气产量的各种因素。[关键词]动物 粪便;机理;预处理方法;消化工艺[中图分类号] S811. 6[文献标识码] A[文章编号] 1005-5228(2012)01-0094-04近年来,随着我国畜牧业的不断发展,畜禽养殖物分解成甲烷和二氧化碳,其中二氧化碳在氢气的造成的环境污染问题越来越严重,如何有效处理这作用下还原成甲烷。这个发酵体系庞大而又复杂，些动物粪便,成为养殖场亟待解决的问题。粪便通-方面产甲烷菌解除了非产甲烷菌各种生化反应的过厌氧发酵后,既产生了沼气,还可作为肥料,并且抑制,另一方面，非产甲烷菌提供产甲烷菌生长以及经过发酵后,绝大部分寄生虫卵被杀死,可以改善农产甲烷所需的基质,并且创造适宜的氧化还原条件。村卫生条件,减少疾病的传染,因此，粪便的沼气化产甲烷菌群与非产甲烷菌群间通过互营联合来保证利用研究近年来取得了长足的进步。本文主要对沼甲烷的形成[1.2]。气的产生机理、动物粪便沼气化利用的预处理和沼2动物粪便预处理方法气化利用工艺及影响沼气产量的温度、pH.C/N和发酵工艺等因素进行了综述。2.1热处理 与热化学处理热处理是采用不同的温度对动物粪便进行处1微生物发酵沼气 的机理理。Cristina 等*用170 C蒸汽处理猪粪30 min,微生物发酵沼气是由多种产甲烷菌和非产甲烷与对照组相比甲烷产率由0. 195提高到了0.236 L菌共同完成的。大致可分为三个阶段,第一阶段是CH,/g COD,甲烷的产量提高了35%。为了更准确液化阶段，由于各种固体有机物不能进人微生物体的描述不同温度预处理对沼气产量的影响,Rashad内被微生物利用，因此必须在好氧和厌氧微生物分等1用不同的温度预处理猪粪,在100 C时,沼气产泌的胞外酶和表面酶(纤维素酶、蛋白酶和脂肪酶)量最高,高于100 C时,虽然沼气产量略有增加,但的作用下,将固体有机质分解为分质量较小的单糖、甲烷产量下降,主要原因可能是有机物在高温下形氨基酸、甘油和脂肪酸,这些分质量较小的可溶性物成难降解的复杂的有机和毒性复合物,导致产甲烷质就可以进入微生物细胞内被进- -步分解利用;第菌难以利用5]。Mladenovska 等[61研究了100~140二阶段是产酸阶段，由产氢产乙酸细菌群利用第-C的高温预处理猪粪和牛粪混合物的效应,发现20阶段产生的各种可溶性物质,氧化分解成乙酸、CO2min和40min处理的粪便的甲烷产量分别提高了和分子氢等,这一阶段主要产物是乙酸,约占70%9% ~24%和10%~17%。以上;第三阶段是产甲烷阶段,由严格厌氧的产甲烷在热处理的基础上添加酸或碱来处理粪便,称菌群完成,将第二阶段分解出来的乙酸等简单有机为热化学处理。热化学处理法多用于处理鸡粪和牛[收稿日期] 2011-12-05 ,修回日期:2012-01-12 :[基金项目]国家星 火计划重点项目资助(2010GA710007) ;安徽省现代农业发展项目(2011)[作者简介]胡红伟(1985-), 男，山东聊城人,硕士研究生,研究方向:动物粪便的沼气化利用.[通讯作者]李吕 木(1956-),男,安徽和县人,博士,研究员，主要从事畜牧微生物研究等。E-mail: lm56@ ahau, edu. cn第1期胡红伟,等:动物粪便沼气化利用的研究进展粪，试剂主要有NaOH、H2SO。和NH,OH等异,在单相厌氧装置中不能发挥两大菌群的作用,而Sialve等口分别研究了热处理和热化学处理的方法将产酸与产甲烷分离的两相工艺，使得两种菌群在对猪粪产沼气的影响,试验证实，温度越高,产甲烷两个不同的装置中,各自在最适的环境下生长,能显能力越强,在190 "C时产甲烷量最高(149 mL/g著提高活性。COD)。Bougrier等[8的研究用热处理法处理污泥Maritza等[4采用两相厌氧消工艺对城市固体时也在190 C获得最高的甲烷产量,这显然与废物和牛粪进行了混合消化,在固体相(产酸相)中，Rashad等[4]研究结果不同,原因尚待进一步验证。利用产 酸菌将牛粪与固体废物酸化产生VFA,然后2.2 化学处理泵人由UAF(升流式厌氧生物滤床)反应器组成的对动物粪便进行化学处理,主要利用加酸和加产甲烷相中,最终所得的沼气中甲烷含量在72.3%碱来处理。用硫酸预处理牛粪是-一个很有效的方~73.1%,而单相工艺甲烷的含量在40%~60%。式[0],硫酸可以使纤维素类物质很容易的释放单糖。在进行两相发酵时，首先要进行相的分离,方法一些学者指出,向粪便里添加PAM(聚丙烯酰胺)能目前主要有化学法、物理法和动力学控制法,目前最够提高沼气的产量，但是PAM的添加量应该在120简便最有效的方法是动力学控制法,该方法根据产g/kg总干物质(Total solid, TS)以下,否则高浓度酸菌和产甲烷菌的生长速率不同,控制两个反应器的固体物质会厌氧消化的第--阶段[10]。的水力停留时间、有机负荷等参数,是产甲烷菌群与2.3机械处理产酸菌群分离开来。机械处理是用小孔径的筛子将粪便中固体基质3.2单级发酵与 多级发酵和液体基质分离。Cristina 等[]用0.25 mm孔径的单级发酵工艺将产酸发酵和产甲烷发酵在同一筛子将猪粪分为液相和固相两部分，以未经处理的个装置中完成，与单相发酵基本- -样;而多级发酵是猪粪为对照,研究固相组分和液相组分产甲烷的能将多个发酵装置串联而成,第一-级主要进行发酵产力,结果固相组分和未处理猪粪的甲烷生产率几乎气,未被利用的物料进人后级装置进行发酵。.一样(分别为0. 251、0.257 L CH4/g COD) ,生物降传统的单级CSTR反应器操作简单,但与其它.解率也基本一样(分别为82 %和84%),甲烷含量反应器如升流式伏氧污泥床(Upflowanaerobic分别为67.3%和71.9%,而液相组分甲烷生产率为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%,甲粪便中颗粒性物质和粘性太大,使得UASB反应器烷的含量为75. 4%。不适合处理动物粪便,而两相系统对高的有机负荷2.4超声波处理非常敏感,并且相的分离过程花费较大,尽管两相系在厌氧消化过程中,超声波已广泛应用于提高统对难降解物质的生物降解率提高了,但是产酸菌生物固体物质的水解效率11.12]。超声波主要对猪群与产甲烷菌群互养的关系被破坏了,这是这个系粪颗粒直径在0. 6~60 μm起作用[13]，猪粪与活性统的局限性,能够引起产物对产酸相的抑制,例如，污泥相比对超声波更加敏感,仅需要消耗3000kJ/乙酸盐能够抑制丙酸盐的降解,高浓度的氢气能够kgTS能量就能增加15%的溶解率，而活性污泥则导致VFA比乙酸盐积累的快。需要25000kJ/kgTS能量。生物细胞在超声波能为了克服单级CSTR与两相消化系统的存在量为500 kJ/kg TS时开始破裂,从经济角度考虑，的问题,可以采用连续消化的方式,就是将多个甲烷最适的能量为500 kJ/kg TS.反应器串联在一起,但为了降低成本一般都采用两级装置。Boe等[5]通过研究连续消化,指出两级装3动物粪便沼气化利用工艺置的体积分配比率为90/10和80/20时,与单级3.1 单相发酵与两相发酵CSTR相比沼气的产量提高11%, 同时，此研究也按发酵阶段可以将发酵工艺分为单相发酵工艺证实了后级反应器的停留时间越长,整个系统的甲和两相发酵工艺，单相发酵工艺将产酸与产甲烷阶烷产量越高,主反应器(连续消化时的第一个反应段在同一个装置中完成。两相发酵工艺是将水解、器 )必须保证有较低浓度的VFA的含量,才能保证产酸和产甲烷阶段分别安排在两个不同的装置中。后续 反应的正常进行。由于厌氧发酵过程中的产酸菌群和产甲烷菌群在在两级消化装置中不同的工作体积体积比例对沼营养要求、生理代谢、pH等方面都存在很大的差气产量有很大影响,Prasad等[16]以牛粪为原料对此06家畜生态学报第33卷进行了研究,试验时所采用的体积比为70/30、50/g/L时,产甲烷菌的活性将很大程度被抑制,但当50、30/70.13/87,从VFA含量和甲烷产量上可以VFA的浓度下降到6200~8 500 mg/L时，VFA看出,体积比为30/70,13/87的两级CSTR,要比体的抑制效应就会减弱,平均的甲烷产率在4~12.5积比为70/30的两级CSTR的性能低,在连续消化mL/d/g TS之间。如果水解发酵阶段与产酸阶段装置中,第一级反应器的工作体积足够大才能保持的反应速度超过产甲烷阶段,会导致pH值降低,此很低的VFA含量。时需要采取措施进行调节,使之恢复正常,常用的调Kanokwan等[7]以牛粪为原料研究了HRT节方法有稀释发酵液中的挥发酸提高pH值,加适(水力停留时间)都为15 d单级CSTR和两级量氨水或用石灰水调节pH值。CSTR反应器,其中两级反应器的体积分配比为4.3 碳氮比80/20和90/10,两级CSTR要比单级CSTR多产发酵原料的碳氮比,是指原料中有机碳素和氮11%的沼气,所增加的沼气主要来自后级反应器。素的含量的比例关系。在发酵过程中,如果N的含量过高,高浓度的氨态氮将会抑制甲烷的产生。-4影响沼气产量的因素般沼气发酵所需的碳氮比为20~30:1。高礼安4.1发酵温度等[23])利用稻草和猪粪的不同比例来调节C/N,采用厌氧消化过程受温度影响较大,厌氧消化的温批量发酵方法,研究C/N对厌氧发酵产气量和产气度可分为低温(0~20C )中温(20~42C )和高温(42特性的影响,表明在常温条件,原料不同C/N都能~75C)。在中温范围,35 C以下每降低10 C,细迅速启动;60 d平均日产气量和产气率以C/N为菌的活性和生长率就减少--半。许多研究都证明了33/1时最高,分别达762. 00 mL/2 500 mL发酵液沼气的产量与温度有关,Hobson等[18]认为沼气的和0.1486 m'/kg. TS,且能维持较高的产气均匀产量在25~44C范围内与温度有线性关系,甲烷的性。张鸣等[21] 在35C条件下,研究猪粪和羊粪与麦含量在0. 26~0. 42 m3 /kg TS。Hashimoto 等[19]秆的不同配比对产气量、消化时间和最优C/N的影认为以牛粪在30C和60C发酵时，温度对甲烷的响,表明猪粪与麦秆的最优C/N为21,且经141 d产量没有影响,只不过是高温加快了降解速度。其就可充分发酵,最大干物质累积产气量可达369. 53他研究人员认为温度的升高导致了沼气产量的下mL /g;羊粪与麦秆中温厌氧发酵时，所需的最优降,因为随着温度的升高将会产生游离的氨气。C/N值为24,且经96d就可充分发酵,最大干物质Chae等[20]发现猪粪发酵温度为30 C时,较35累积产气量可达209 mL/g.C甲烷产量仅减少3%,发酵温度为25 C,甲烷产5展望量减少17.4%;在20 C、30 C、35C时,最终甲烷产量分别为327389mLCHa/g和403mLCH/g挥随着我国农村城镇化以及畜禽养殖的集约化发发性有机物(Volatile solid,VS)。尽管甲烷的含量展,对招气集中供气及养殖场沼气工程的需求将不随着温度的升高而升高,但是升高的幅度是很低的。断加大,动物粪便沼气化利用的技术将会得到更大.温度越高,能耗也就越高,所以要综合考虑能量要求的发展。和所提高甲烷产量的平衡。Alvarez等2以骆驼粪、羊粪和牛粪的混合物参考文献:为原料,在18~25 C发酵生产沼气试验,低温下最[1] Stams A J M. Metabolic interactions between anaerobic bacte-大的有机负荷(OLR)在4到6 kg VS m2 /d,所获得ria in methanogenic environments[J]. Antonie Van Leeuwen-hock,1994,66 :271 294.的甲烷产量在0.07~0.14 m3/kg VS之间,沼气中[2] Dong X z, Stams A J M. Evidence for H2 and formate forma甲烷的浓度在47% ~55%。tion during syntrophic degradation of butyrate and propionate4.2 pH值[J]. Anaerobe, 1995,1:35-39.厌氧发酵的最适pH值在6.8~7.4,6.4以下[3] Cristina Gonzalez Fernandez, Cristina Leon CoCofreces. Differ-或7.6以上都会对沼气产量有影响,pH值在5. 5ent pretreatments for increasing the anaerobic biodegradabilityin swine manure[J]. Bioresource Technology, 2008,99;8 710-以下,产甲烷菌活性完全受到抑制。产酸阶段如果8 714.产生过多的VFA而不能及时利用,将会使发酵的[4] Rashad R, Tjalfe G P,Abdul Sattar N,et al. Effect of thermal,pH值下降。Wang等([2) 发现VFA的浓度在10.0 .chemical and thermo-chemical pretreatments to enhance meth-第1期胡红伟,等:动物粪便沼气化利用的研究进展97ane production[J]. Energy ,2010,35 :4 556-4 561.[]. Bioresource Technology ,2008.99;8 288-8 293.[5] HendriksA 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]. 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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