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動物糞便沼氣化利用的研究進展胡紅偉,徐雅芫1,李呂木12‘,錢坤1(1.安徽農(nóng)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(yù)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]動物糞便;機理;預(yù)處理方法;消化工藝[中圖分類號]S811.6[文獻標識碼]A文章編號]1005-5228(2012)01-0094-04近年來,隨著我國畜牧業(yè)的不斷發(fā)展,畜禽養(yǎng)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)境污染問題越來越嚴重,如何有效處理這作用下還原成甲烷。這個發(fā)酵體系龐大而又復(fù)雜,些動物糞便,成為養(yǎng)殖場亟待解決的問題。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(yīng)的過厭氧發(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)甲烷菌生長以及經(jīng)過發(fā)酵后,絕大部分寄生蟲卵被殺死,可以改善農(nóng)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(wèi)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)甲烷菌群間通過互營聯(lián)合來保證利用研究近年來取得了長足的進步。本文主要對沼甲烷的形成。氣的產(chǎn)生機理、動物糞便沼氣化利用的預(yù)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動物糞便預(yù)處理方法發(fā)酵工藝等因素進行了綜述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物糞便進行處理。 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入微生物體的描述不同溫度預(yù)處理對沼氣產(chǎn)量的影響, Rashad內(nèi)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(yù)處理豬糞,在100℃時,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,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(fù)雜的有機和毒性復(fù)合物,導(dǎo)致產(chǎn)甲烷質(zhì)就可以進入微生物細胞內(nèi)被進一步分解利用;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(yù)處理豬糞和牛糞混合物的效應(yīng),發(fā)現(xiàn)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(chǔ)上添加酸或堿來處理糞便,稱菌群完成,將第二階段分解出來的乙酸等簡單有機為熱化學(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]國家星火計劃重點項目資助(2010GA710007);安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)CNMHG[作者簡介]胡紅偉(1985-),男,山東聊城人,碩士研究生,研究方向:動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:動物糞便沼氣化利用的研究進展糞,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,溫度越高,產(chǎn)甲烷兩個不同的裝置中,各自在最適的環(huán)境下生長,能顯能力越強,在190℃時產(chǎn)甲烷量最高(149mL/g著提高活性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也在190℃獲得最高的甲烷產(chǎn)量,這顯然與廢物和牛糞進行了混合消化,在固體相(產(chǎn)酸相)中,Rashad等研究結(jié)果不同,原因尚待進一步驗證。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(yīng)器組成的對動物糞便進行化學(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%堿來處理。用硫酸預(yù)處理牛糞是一個很有效的方~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物質(zhì)很容易的釋放單糖在進行兩相發(fā)酵時,首先要進行相的分離,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(yīng)該在120簡便最有效的方法是動力學(xué)控制法,該方法根據(jù)產(chǎn)g/kg總干物質(zhì)( Total solid,TS)以下,否則高濃度酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長速率不同,控制兩個反應(yīng)器的固體物質(zhì)會厭氧消化的第一階段10的水力停留時間、有機負荷等參數(shù),是產(chǎn)甲烷菌群與2.3機械處理產(chǎn)酸菌群分離開來。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)甲烷的能將多個發(fā)酵裝置串聯(lián)而成,第一級主要進行發(fā)酵產(chǎn)力,結(jié)果固相組分和未處理豬糞的甲烷生產(chǎn)率幾乎氣,未被利用的物料進入后級裝置進行發(fā)酵一樣(分別為0.251、0.257LCH4/gCOD),生物降傳統(tǒng)的單級CSTR反應(yīng)器操作簡單,但與其它解率也基本一樣(分別為82%和84%),甲烷含量反應(yīng)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(yīng)器烷的含量為75.4%不適合處理動物糞便,而兩相系統(tǒng)對高的有機負荷2.4超聲波處理非常敏感,并且相的分離過程花費較大,盡管兩相系在厭氧消化過程中,超聲波已廣泛應(yīng)用于提高統(tǒng)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(yǎng)的關(guān)系被破壞了,這是這個系糞顆粒直徑在0.6~60pm起作用,豬糞與活性統(tǒng)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(dǎo)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(tǒng)的存在量為500kJ/kgTS時開始破裂,從經(jīng)濟角度考慮,的問題,可以采用連續(xù)消化的方式,就是將多個甲烷最適的能量為500kJ/kgTS。反應(yīng)器串聯(lián)在一起,但為了降低成本一般都采用兩3動物糞便沼氣化利用工藝級裝置。Boe等1通過研究連續(xù)消化,指出兩級裝置的體積分配比率為90/10和80/20時,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,此研究也按發(fā)酵階段可以將發(fā)酵工藝分為單相發(fā)酵工藝證實了后級反應(yīng)器的停留時間越長,整個系統(tǒng)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(yīng)器(連續(xù)消化時的第一個反應(yīng)段在同一個裝置中完成。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不同的裝置中。后續(xù)反應(yīng)的中國煤化工由于厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群在在兩級消CNMH「體積比例對沼營養(yǎng)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卷進行了研究,試驗時所采用的體積比為70/30、50/g/L時,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,VFA看出,體積比為30/70,13/87的兩級CSTR,要比體的抑制效應(yīng)就會減弱,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(xù)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(yīng)器的工作體積足夠大才能保持的反應(yīng)速度超過產(chǎn)甲烷階段,會導(dǎo)致pH值降低,此很低的ⅤFA含量時需要采取措施進行調(diào)節(jié),使之恢復(fù)正常,常用的調(diào)Kanokwan等(1以牛糞為原料研究了HRT節(jié)方法有稀釋發(fā)酵液中的揮發(fā)酸提高pH值,加適(水力停留時間)都為15d單級CSTR和兩級量氨水或用石灰水調(diào)節(jié)pH值。CSTR反應(yīng)器,其中兩級反應(yīng)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自后級反應(yīng)器。素的含量的比例關(guān)系。在發(fā)酵過程中,如果N的含4影響沼氣產(chǎn)量的因素量過高,高濃度的氨態(tài)氮將會抑制甲烷的產(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調(diào)節(jié)C/N,采用厭氧消化過程受溫度影響較大,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;60d平均日產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率以C/N為菌的活性和生長率就減少一半。許多研究都證明了33/1時最高,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(nèi)與溫度有線性關(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、消化時間和最優(yōu)C/N的影認為以牛糞在30℃和60℃發(fā)酵時,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)量沒有影響,只不過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(dǎo)致了沼氣產(chǎn)量的下mL/g;羊糞與麥稈中溫厭氧發(fā)酵時,所需的最優(yōu)降,因為隨著溫度的升高將會產(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(xiàn)豬糞發(fā)酵溫度為30℃時,較35累積產(chǎn)氣量可達209mL/gC甲烷產(chǎn)量僅減少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,最終甲烷產(chǎn)量分別為327389mLCH4/g和403mLCH4/g揮隨著我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化以及畜禽養(yǎng)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(yǎng)殖場沼氣工程的需求將不隨著溫度的升高而升高,但是升高的幅度是很低的。斷加大,動物糞便沼氣化利用的技術(shù)將會得到更大溫度越高,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)生過多的VFA而不能及時利用,將會使發(fā)酵的CNMHG[4] Rashad RGP, Abdul-Sattar N, et al. Effect of thermalpH值下降。Wang等(2發(fā)現(xiàn)VFA的濃度在10.0chemical and thermo-chemical pretreatments to enhance meth第1期胡紅偉,等:動物糞便沼氣化利用的研究進展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. 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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