（动物营养与饲料科学专业论文）不同温度条件猪鸡粪混合厌氧消化性能的研究.pdf

摘要 随着畜牧业的迅速发展，规模化，集约化的养殖场和养殖小区不断增加。畜禽的粪便和 污水排放量也随之增加，养殖污染问题越来越突出。厌氧消化处理方法可对畜禽粪便进行集 中处理，并且处理后所产生的气体是可作为燃料的沼气，能够实现粪便的能源化利用。 本试验针对低温地区，鸡粪厌氧消化存在受抑制的现象，根据鸡粪与猪粪的c n ，将鸡 粪与发酵效果较好的猪粪进行猪鸡粪1 ：1 和猪鸡粪2 ：1 比例的混合，并与鸡粪和猪粪对照， 分别在2 5 、3 0 和3 5 下采用单因素随机分组实验设计进行消化试验，测定猪粪、鸡粪以 及其两个不同比例混合粪便在3 个温度条件下厌氧消化p h 值、产沼气性能、c o d 、乙酸及 t v f a 等指标，来确定厌氧消化中猪粪与鸡粪混合的适宜比例以及适宜温度。为高效处理畜 禽粪便提供理论依据。最终，实现减少畜牧养殖污染。畜禽粪便的能源化利用。 分析各因素在试验过程中对各指标的影响，研究内容及结果主要包括以下五方面： 1 在2 5 条件下，将各组粪便进行厌氧消化试验对各项指标的测定。试验结果表明： 猪粪组p h 值变化稳定，3 0 d 总产沼气量达到3 7 6 8 0 0 0 r a l ，c o d 3 0 d 去除率达到4 2 1 0 ；鸡 粪组受到酸的影响，产气受到抑制，c o d 3 0 d 去除率仅1 5 2 3 ，乙酸及t v f a 含量较高：猪 鸡粪1 ：1 组与猪鸡2 ：1 组p h 值变化星先降低后升高趋势，3 0 d 总产沼气量分别达到 1 9 6 7 0 0 0 m l 和3 2 0 4 3 3 3 m l ，c o d 3 0 d 去除率分别达到4 3 5 2 和4 0 5 3 猪粪及混合处理乙 酸及t v f a 含量变化差异不大从而得到结论：鸡粪在该条件下消化失败；将消化性能良好 的猪粪与鸡粪混合可改变鸡粪消化失败现象。 2 在3 0 c 条件下，将各组粪便进行厌氧消化试验，对各组物料厌氧消化性能指标的测定。 试验结果表明：猪粪组p h 值变化呈先降低后升高趋势，3 0 d 总产沼气量达到5 0 7 6 6 6 7 m l ， c o d 3 0 d 去除率达到4 5 5 7 ：鸡粪组p h 值变化趋势符合厌氧消化阶段性理论，日产沼气量 低但稳定，总产沼气量达到2 7 2 6 0 0 0 i n l ，c o d 3 0 d 去除率达到3 3 6 1 ；猪鸡粪1 ：1 组和猪鸡 粪2 ：1 组消化性能良好，p h 值变化趋势符合厌氧消化阶段性理论，3 0 d 总产沼气量分别达到 4 7 5 4 6 6 7 m l 和4 6 0 4 3 3 3 m l ，c o d 3 0 d 去除率分别达到4 5 2 5 和4 3 7 9 ；各处理乙酸及t v f a 含量变化差异不大。从而得到结论：各处理厌氧消化性能均较好，并且将猪粪与鸡粪进行混 合可提高鸡粪厌氧消化的性能。 3 在3 5 条件下，将各组粪便迸行厌氧消化试验，对各组物料厌氧消化性能指标的测定， 试验结果表明：猪粪组p h 值变化稳定且趋势符合厌氧消化阶段性理论，3 0 d 总产沼气量达到 4 1 4 6 0 0 0 m l ，c o d 3 0 d 去除率达到4 2 3 9 ：鸡粪组在厌氧消化过程中p h 值变化趋势符合厌 氧消化阶段性理论，3 0 d 总产沼气量达到3 3 4 6 3 3 3 m l ，c o d 3 0 d 去除率达到3 1 9 5 ：猪鸡粪 1 ：1 组和猪鸡粪2 ：1 组消化性能良好，p h 值变化趋势符合厌氧消化阶段性理论，日产气量稳 定，总产沼气量分别达到4 9 4 3 3 3 3 m l 和4 8 4 6 0 0 0 m l ，c o d 3 0 d 去除率分别达到4 5 9 4 和 4 3 1 3 ：各处理乙酸及t v f a 含量变化差异不大。从而得到结论：各处理厌氧消化性能均较 好，并且将猪粪与鸡粪进行混合可提高鸡粪厌氧消化的性能。 4 通过不同混合处理间的对比。鸡粪组厌氧消化在2 5 条件下受到抑制，将猪粪与鸡 分混合，可改变鸡粪受抑制的现象：在3 0 及3 5 条件下混合组厌氧消化产沼气量与c o d 3 0 d 去除率较鸡粪组均有不同程度的提高。将猪粪与鸡粪进行混合可提高鸡粪厌氧消化的性能， 并且随着猪粪添加比例的增加，厌氧消化性能提高越明显。 5 通过在2 5 ( 2 、3 0 1 2 及3 5 条件下厌氧消化的对比，鸡粪组、猪鸡粪l ：1 组和猪鸡粪 2 ：1 组在3 5 c 条件下厌氧消化性能高于3 0 及2 5 条件下的厌氧消化性能：猪粪3 0 c 条件 下厌氧消化性能高于2 5 1 2 及3 5 条件下的厌氧消化性能。鸡粪组、猪鸡粪1 ：1 组和猪鸡粪 2 ：1 组适宜选用3 5 进行厌氧清化，猪粪适宜采用3 0 进行厌氧消化。 关键词：厌氧消化猪粪鸡粪混合化学需氧量 n r e s e a r c ho na n a e r o b i cd i g e s t i o no fp i g a n dc h i c k e nm a n u r ei nd i f f e i 通n t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t o c k b r e e d i n gi n d u s t r y , t h en u m b e ro fl a r g e s c a l ea n di n t e n s i v e b r e e d i n gf a r mi n c r e a s e p r o d u c t i o no fa n i m a ln n n n r eh a sb e c o m eas o c i a la n de n v i r o n m e n t a li s s u e p o l l u t i o no fb r e e d i n gb o a ：0 m eab i gp r o b l e m a n a e r o b i ad i g e s t i o nh a v ec a p a b i l i t yo ft r e a t i n gh i g h c o n c e n t r a t eo r g a n i cw a s t e w a t e ra n dp r o d u cb i o g a s , a n a e r o b i cc a nt u r na n i m a ln m u r r et oe n e r g y s o u r c e s b a t , t h e r ei sp r o l t i b i t i v ep h e n o m e n ai nd i g e s t i o no fc h i c k e nm a n l f f e s o , m i xc h i c k e n m a n n r ew i t hp i ge u r t r e 缸a n a e r o b i cd i g e s t i o n i nt h i st h e s i st h r e ea s p e c t sa 北s t u d i e d n ef i r s t ei st h ec a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o no n p i gn l a n u l e ，c h i c k e nm a n u r ea n dn t i x t o r eo fp i ga n dc h i k e nm 粕u 坤a t2 5 ms e c o n do n ei st h e c a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o no np i gi n 1 u r e ，c h i c k e nm a n l l r na n dm i x t u r eo fp i ga n dc h i k e n m a n r r ea t3 0 t h el a s t ei st h ec a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o no np i gm a n n r f c h i c k e n m a n o f ea n dm i x t u r eo f p i ga n dc h i k e nm a n u r ea t3 5 强| e e f f e c t o f f n c t o r s o n t h e i n d e x i s a n a l y s e & 刃缸f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s a r ca c h i e v e d 1 1 h ec a p a b i l i t y o f a n a e r o b i cd i g e s t i o n0 1 1 p i g n l r n m e c h i c k e n m a m l r o a n d m i x t u r e o f p i g a n d 曲i h n m a n u r ea t 2 5 t h er e s u l t s i n d i c a t e t h a t p h o f c h i c k e n n l a n u r e b e l o w 6 a f t e r t h e6 d a y o fa n a e r o b i cd i g e s t i o n , a n dr e s t r a i nt h eg a sp r o d u c t i o n , t h e3 0d a y s r e m o v a lo f c o da l e1 5 2 3 n e p ho fp i gm a n u r eh a v eas t e a d yp e r f o r m a n c e ，a n da c c o r dw i t ht h ep h a s i ct h e o r yo fa n a e r o b i c d i g e s t i o n c h a n g eo fd a i l yg a sp r o d u c t i o ni ss m o o t h , a n dt o t a lg a sp r o d u c t i o ni s3 7 6 8 0 0 0 m lt h e3 0 d a y s r e m o v a lo fc o da r e4 2 1 0 ：p ho fe q u a lr a t i om a n u r ea c c o r dw i t ht h ep h a s i ct h e t n yo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n , d a i l yg a sp r o d u c t i o ni ss m o o t h , t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s1 9 6 7 0 0 0 m l , 也e3 0 d a y s r e n l o v a lo fc o da r e4 3 5 2 ：c a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o no n2 ：1n t i on 3 a n t n _ ei sw c ， p ha c c o r dw i t ht h ep h a s i ct h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s3 2 0 4 3 3 3 m l ，t b e3 0 d a y s r e m o v a lo fc o d a l e4 0 - 5 3 t h er e s u l t si n d i c a t e dc h i c k e nl n a n u r ei sf a i l e di na n a e r o b i c d i g e s t i o n m i x e dc h i c k e nm a n u r ew i t hp i gm a n u r ec a nc h a n g ep h e n o m e n ao fc h i c k e nm a n u r ef a i l e d i na n a e r o b i cd i g e s t i o n 2 1 1 地c a p a b i l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n0 1 1p i gm a n u r e , c h i c k e nn l r l l u r ga n dm i x t u r eo f p i ga n d c h i k e n 蛳n u r ea t3 0 t h er e s u l t si n d i c a t e 血a tp r lo fc h i c k e nn l a n u l 幢a c c o r dw i t ht h ep h a s i c t h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n ，d a i l yg a sp r o d u c t i o ni sl o wb u ts m o o t h ，t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s 2 7 2 6 0 0 0 m l ，t h e3 0d a y s r e l n o v a o fc o da r e3 3 6 】；p ho fp i gm r n n l i ss m o o t ha n da c c o r d w i t ht h ep h a s i ct h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n , d a i l yg a sp r o d u c t i o ni ss m o o t h , t o t a lg a sp r o d u c t i o n m i s5 0 7 6 6 6 7 m l ，1 b c3 0d a y s r e m o v a lo f c o d 4 5 5 弼：p i to f e q l l a lr a t i om a n l l l a c c o r dw i l t at h e p h a s i cl t a e o l ，, o fn n a e r o b i cd i g e s t i o n , d a i l y g a sp r o d u c t i o ni ss m o o t h , t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s 4 7 5 4 6 6 7 m 1 t h e3 0d a y s r e m o v a lo f c o da 4 5 2 5 ：p ho f 2 ：1m 越斌i l e e o r dw i l ht h ep h a s i c t h e o r yo f a n a e r o b i cc l i g e s i i o n t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s4 6 0 4 3 3 3 m 1 t h c3 0c l a y s r e m o v a lo f c o d 眦 4 3 7 9 1 1 砖r e s u l t si n d i c a t e dc h i c k e nm l u l l l l ti sf i t i l li n 锄扯b i cd i g e s t i o n m i x e dc h i c k e n i n 1 u t ew i t l ap i g 籼啪i m p r o v e1 b cc a p a b i l i t yo f a r a m o b i ed i g e s t i o no n c h i c k e n1 3 a a m u t 3 t h ee a p a b i l i t yo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n0 1 1p i gm 锄i n 瓴c h i c k e n 皿m 哪a n dm i x t mo f p i ga n d c h i k e l lm 锄l 】a t3 0 1 2 硼砖r e s u l l si n d i c a t et h a tp i to fc h i c k e nm , m l l l r ea c c o r dw i t ht l a ep h a s i c t h e o r yo f a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s3 3 4 6 3 3 3 m l ，t i l e3 0 也驴r e m o v a lo f c o da 3 1 9 5 ；阴o fp i gl l l a m l t en e e o r dw i 也t h ep h a s i ct h e o r yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n d a i l yg a s p r o d u c l j o i li ss m o o t h t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s4 1 4 6 0 o o m l t h e3 0d a y s r m o v a lo f c o d 4 2 3 舛缸 p i - io e o q i l a lr a t i om i a c c o r dw i t ht h ep h a s i ct h e o r yo f a n n e r o b i ed i g e s t i o n , d a i l yg a sp r o d u c l j o l l i ss m o o l h , t o t a lg a sp r o d l l c t j o l t li s4 9 4 3 3 3 3 m l ，t h e3 0d a y s r e m o v a lo f c o da r c4 5 9 4 ：p ho f 2 ：1 r a t i on l a n l a c c o r dw i t ht h ep l a a s i ct h e o r yo fa n a 捌 o b i cd i g e s t i o n t o t a lg a sp r o d u c t i o ni s 4 8 4 6 0 0 0 m l , t b e3 0d a y s r e m o v a lo fc o d 躺4 3 1 3 n 砖r e s u l t si n d i e a 蜘c h i c k e nm a n l j i s f a i l e di na n a e r o b i cd i g 蒯o n m i x e dc h i c k e nn l a m 眦w i t hp i gm a n u 他c 锄i m p r o v e1 l l ec a p a b i l i t yo f n e r o b i e d i g e s t i o o n e k i e k e mn l a m 弛 4 c o m p a r ew i t hd i t f e r c r i tm i x i n gr a t i oo f p i ga n dc h i c k e nm a n u r e , t h ec a o a b i l i t yo f a n a r e o b i c d i g e s t i o n0 1 1c h i c k e nn l a n l l l mi sb a d ，伽翻p a b i l i t yo f a n a e r o b i ed i g c s t i o p i g 删m l ei sw e l l t h ee a p a l i t yo f a n a e r o b i c d i g e s t i o no i lm i x t u r eo f p i gi n , a n t l a n dc h i c k e nm 钿n ea 糟p l a c e di nt h e m i d d l e , a n d t h e c a p a l i t y o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n j s i n c r e a s e w i t h t h e r a t i o o f p i g l l a m l u t o i n m i 】出| l e 5 c o m p a r ew i t hd i f f c r o n tt e m l k r - m r oo fa n a e r o b i cd i g 口 - l i o n t h ee a p a l i t yo fa n a e r o b i c d i g e s t i o na t3 0 ci sh i g h e rt h a nt h eo 越2 5 。t h e , = p a l i t yo fa n a e r o b i cd i g e s t i o n a t3 5 i s h i g h e rt h a nt h eo a t3 0 ，b u tf i n i t e , c o s i a e r i n g 出越i ti sn e e da d d i t i o n a l e l | 盯t ob e p t e m p e r a t u ra t3 5 1 2 3 0 i st h eb e s tt e m p e r a l u r ei na n a e r o b i cd i g e s t i o n i , 畸w o r d s ：m m r o b i e a i g c s t i 0 i l ；p i g m a n u r e ；c h i e k m m a n t u - e ；m i x ；c h e m i c a l o x y g e n d e m a n d i v ( 2 , , a d | d l t e ：w a n gy o n g e h e n g s p e c i a l i t y ：a n i m a ln u t r i t i o n m df e e ds c i e n c e s l l p e r v l a l o r p r o l ij i o 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 垫遗壹基宣嚣墨挂别童明酸：奎拦互窒) 或其它教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王，莨获日期：m 7 年月，g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：j q 咳 导师 签名：至袭 日期：如7 年月廖日 日期：j 刁年6 月谚日 1 引言 近年来，随着我国人民生活水平的提高，畜禽产品需求量在不断增长。带来了养殖业的 快速发展，规模化，集约化的养殖场和养殖小区不断增加，畜禽的粪便和污水排放量剧增。 养殖污染问题越来越突出。目前已成为农村及城市周边污染的主要来源，在许多地区畜禽污 染物排放量已超过居民生活、农业，乡镇工业、餐饮业甚至工业的污染物排放量。目前，这 些规模养殖场绝大多数未进行无害化处理，严重污染了周围的环境。据不完全统计，, 2 0 0 4 年 全国1 0 0 0 头以上的猪场、1 0 0 头以上的牛场、1 0 万只以上的鸡场共计近1 5 0 0 0 家，这些养 殖场每年排放畜禽粪便超过1 7 亿t ，有机物排放量约7 0 0 万t ，比全国工业废水有机物排放 高1 0 0 多万t ；若加上冲洗水，估计每年实际排放污水总量超过2 0 0 亿t ，相当于全国工业和 城镇生活污水排放量总和的一半( 刘文强，2 0 0 4 ) ，如何在合理发展规模养殖、调整养殖结构 与布局的同时治理养殖污染，是各级主管部门都十分关心的问题。养殖污染问题能否得到有 效处理。已成为制约畜牧业可持续发展的关键所在。因此，加强畜禽养殖业的污染防治和环 境管理是现阶段农村环境保护的重要内容和紧迫任务 我国在处理畜禽粪便污染的途径除了将畜禽粪便进行肥料化、饲料化、自然堆沤处理和 好氧发酵处理外。还采用厌氧消化处理的方法。厌氧消化处理方法克服了恶臭熏天，蚊蝇满 天、病菌滋生、需要高成本、实现达标排放难度大等缺点，可以对高浓度污水进行集中处理。 厌氧消化能解决有机物的初发酵，并大大减低化学需氧量( c o d ) 和生化需氧量( b o d ) ( 吴 锦瑞，2 0 0 7 ) 。这种处理方式一般不需消耗能源。处理后所产生的气体是可作为燃料的气体， 更重要的是可实现粪便的能源化，变废为宝、化害为利。厌氧消化处理是实现集约化养殖粪 便污染防治、对畜禽粪便污水进行工程化治理的一条主要途径。 1 1 畜禽粪便污染及危害 集约化大规模生产方式的应用，使这些污染物危害性更大、数量更多，而且又很集中， 使自然生态系统很难消纳。据粗略估算，一个万头猪场每年排放3 万t 粪尿，其中粪1 2 6 万 t ，尿1 7 4 万t ，全年将向猪场周围排放1 叻氮( 相当于3 7 5 t 尿素) 和3 1 t 磷( 相当于1 】8 t 过磷酸钙) ，按最高水平施肥量来计算，也至少需要1 3 0 - 4 0 0 公顷农田，面积如此之大，自然 消化是很不容易的( 吴锦瑞，2 0 0 7 ) 。一个饲养万羽鸡的规模养鸡场每d 产鸡粪约1 t ，每年 产鸡粪约3 6 0 t ( 管妙东，2 0 0 2 ) 。国家环保总局1 9 9 9 年调查结果显示，1 9 9 9 年我国畜禽粪便 产量总量约1 9 亿t ，是工业固体废物产量( 7 s 亿t ) 的2 4 倍( 翁伯琦，2 0 0 2 ) 集约化养殖 场大量粪便污水和恶臭有毒有害污染物集中在有限的土地上。这些污染物对生态环境造成了 严重的损害，使生态恢复周期大大延长 畜牧业对生态的破坏是很严重的。畜禽粪便如不加妥善处理即排入环境，将会对地表水， 地下水，土壤。空气造成严重的污染，并危及畜禽本身和人体健康，特别是大城市郊区的集 约化大型畜禽养殖场，畜禽粪便由于没有合适的出路，长期堆放致使空气恶臭，蚊蝇滋生， 污染周围环境，因此已经成为重要的环境污染。畜禽排泄废弃物对环境的危害主要有以下四 点： 一是水质污染：据调查，2 0 0 1 年我国畜禽粪便总c o d 的排放量已经达到7 1 1 8 万i ，远 远超过工业废水和生活污水c o d 之和1 3 8 8 9 万t ；而且畜禽粪便尿中的一部分氮通过物理的、 化学的、生物的反应过程转化成各类氮化物，随地表径流流入江河湖泊，使水体发生富营养 化，由于畜禽粪便的随意排放，导致地下水污染，最终影响人及畜禽饮用水和冲洗水 ( d e m i s a ，2 0 0 1 ) 。畜禽粪便一般通过两种途径进入水体：一是在饲养过程中直接排放进 入水环境；二是在堆放储存过程中因降雨和其它原因进入水体。规模养殖场对水体的污染源 主要是腐败的c 、n ，p 、有机物、微生物、有害物质和致癌物等。 二是空气污染：畜禽排泄物含有大量有机物，大量的畜禽粪便捧出体外后，如果不及时 处理，在高温下迅速腐败发酵，产生硫化氢、氨，胺硫醇、苯酸、挥发性有机酸、吲哚、粪 臭素、乙醇及乙醛等有毒有害气体( 冯勐，2 0 0 6 ) 家畜粪尿堆肥处理产生的臭气成分复杂， 目前，已识别出的气体有1 6 8 种之多( 李秀金，2 0 0 1 ) ，其中最主要的有氨、含硫化物、胺类 和一些低级脂肪酸类等1 9 种化学物质( 臭气对策研究协会，日本中央畜产会) 。其中氨气含 量最高，氨气的挥发不仅给操作人员带来不快感，引起人和家畜的呼吸道疾病，而且进入大 气后可造成酸雨和增加自然生态系统中氮的负荷( a p s i m o n h m ，1 9 8 7 ) 由畜舍或工作问经风 机排出，或由舍外的粪便出口、粪坑以及堆肥场等直接散发，从而污染了附近大气环境，造 成空气中含氧量相对下降，使动物及人的免疫力下降，呼吸道疾病频发，影响畜禽产品质量。 三是土壤污染：畜禽粪便长期堆放， 粪便中所含大量含氮化合物在土壤微生物的作用 下，通过氨化、硝化等生物化学反应过程，导致土壤中硝酸盐含量日渐增高，而硝酸盐是潜 在豹致癌物；磷、铜等吸附在土壤表面与土壤中的钙、铜、铝等元素结合生成不溶性的复合 物t 造成土壤板结使土壤的通透性降低，危害植物，饲料中过量添加微量元素以及有机砷制 剂，过量砷的摄入会使人体内巯基酶失活。导致细胞代谢紊乱，影响身体健康。所以如果农 田长期大量使用未经处理的畜禽粪肥，最终会通过食物链给人类的健康造成潜在的危害。 四是寄生虫、病菌等微生物的传播；据测定，每毫升畜禽场污水中有8 3 万个大肠杆菌、 胡万个肠球菌( 李远，2 0 0 2 ) 。畜禽粪便中的病原菌随意传播，危害人和畜禽的健康( d e n n i s a b u k e ，2 0 0 1 ) 养殖场的畜禽粪尿及污水若处置不当，不仅对土壤、水体、大气产生严重的污染，而且 还严重危害人类的健康和畜禽养殖业的生产安全。 1 2 畜禽粪便处理的方法 目前，我国集约化养殖粪便污水处理主要有以下几种方式。 一是自然堆沤处理。即通过简单的沉淀、人工分离将粪便中干物质进行自然堆沤，发酵 后作有机肥返田，分离后的污水集中储存，经自然耗氧处理后，部分用作农田肥料，其余外 排。目前全国大部分的集约化养殖场畜禽粪便是通过这种方式进行处理的。粪便堆存这种方 2 式造成恶臭熏天、蚊蝇满天、病菌滋生；同时由于农业生产用肥的季节性，一年中有8 - 9 个 月粪便废水直接外排 二是好氧生物处理。即利用好氧微生物活动将有机物分解成二氧化碳和水a 这种方式一 般只适用于处理有机物含量为3 0 0 m g l 左右的低浓度污水( 如城市生活污水) ，而且处理费 用平均约为1 元，i 左右，要处理超标数十倍的畜禽粪便污水，需要更高的成本，实现达标捧 放的难度也非常大。 三是肥料化处理。包括土地还原法、腐熟堆肥法、生物处理等肥料化技术，均是利用各 种方法将粪便转化为肥料，在改良土壤、提高农作物产量方面起着重要的作用。土壤在获得 肥料的同时净化粪便，节省了粪便的处理费用。但是，畜禽粪便作为有机肥直接施用，其最 大的障碍是含水量高、有恶臭，而且氨的大量挥发造成肥效降低，病原微生物还会对环境构 成威胁( 马强，2 0 0 7 ) 。 四是饲料化处理。也是畜禽粪便综合利用的一种重要途径。任何畜禽粪便都是由未消化 的饲料养分、体内代谢产物，消化道粘膜、分泌物、肠道微生物及其分解产物等共同组成， 畜禽粪便含有大量未消化的蛋白质、b 族维生素、矿物质元素、粗脂肪和一定数量的碳水化 合物，特别是粗蛋白质含量较高，经过加工处理后可成为较好的畜禽饲料资源( 张红骥，2 0 0 7 ) 。 但是农业部信息中心报道畜禽粪便的成分比较复杂，它含有多种对动物健康不利的成分，极 易造成畜禽交叉感染或传染病的爆发。 五是厌氧生物处理( 大中型厌氧沼气工程) 即利用厌氧微生物活动将有机物分解为甲 烷、二氧化碳和水。一般通过建设厌氧消化工艺的大中型沼气工程，对高浓度污水进行集中 处理。这种处理方式一般不需消耗能源，处理后废水也可达标排放，更重要的是可实现废弃 物的综合利用，变废为宝、化害为利。利用沼气工程处理畜禽粪便污水，每去除一公斤有机 物可获得一定的清洁沼气燃料( 可发0 6 度电) ；沼液是可用于生产绿色食品的优质农田有 机肥；沼渣经处理后可制成商品化的有机肥料，部分还可作为饲料用于养鱼等。 几种处理方式相比较不难看出，厌氧清化处理克服了恶臭熏天、蚊蝇满天、病菌滋生、 需要高成本、实现达标排放难度大等缺点，可以对高浓度污水进行集中处理。人工厌氧消化 的速度大大超过自然界中自发的厌氧消化过程。与传统的卫生填埋相比，将厌氧消化过程由 几年缩短到1 5d 左右；与好氧堆肥相比改变了占地大、处理时间长、管理复杂和有气味的问 题，厌氧消化处理具有可控制、易操作、降解快、生产过程封闭，产量可计量和再利用等特 点。这种处理方式一般不需消耗能源，处理后所产生的气体是可作为燃料的气体，更重要的 是可实现废弃物的综合利用，变废为宝、化害为利。厌氧消化是实现集约化养殖粪便污染防 治、对畜禽粪便污水进行工程化治理的一条主要途径。沼气池、生化塘能解决有机物的初发 酵( 可杀死细菌、寄生虫) ，可大大减低c o d 和生物需氧量( 吴锦瑞，2 0 盯) ，是实现集约 化养殖粪便污染防治、对畜禽粪便污水进行工程化治理的一条主要途径。目前全国集约化 养殖场中尤其是北方地区采用大中型厌氧消化工程来治理粪便污水的数量较少 3 1 3 畜禽粪便厌氧消化阶段性理论 畜禽粪便厌氧消化又称畜禽粪便厌氧发酵，或畜禽粪便厌氧生物处理。对厌氧消化阶段 有两阶段、三阶段和四阶段等理论( 杨琦，1 9 9 7 ：陈坚，1 9 9 9 ：r u i h o n gz h a n g ，1 9 9 9 ) ，其 中被认可的是厌氧三阶段理论。根据b r y a n t 的厌氧三阶段理论，可将厌氧过程分为三阶段， 如图1 - 1 所示。对其深入的探讨有助于了解厌氧的基本原理并充分发挥厌氧消化的作用。 一阶段：水解发酵阶段 粪便中的有机污染物多为有机大分子，特点为不可溶性的，分子量大，不能透过细胞膜 为微生物作用的固形物。这类物质必须被水解菌胞外酶分解为可溶性小分子，进入细胞膜为 细菌所利用。 从动力学角度来看，水解速度通常比较缓慢，对高分子有机物和悬浮物废液的厌氧消化 而言是限速阶段。水解进行的快慢和程度直接影响下两个阶段的进行。胞外酶能否有效接触 到被分解的底物对水解速率影响很大。另外，温度、p h 值、停留时间、有机物组成、性质、 氨的浓度均对水解速率产生影响。 有搬物 j 笈酵性细藩 黯睹酸t 两酸1 + 醺。乳黢譬) 、醇典 厶虢 c h - 图1 - 1 有机物厌氧消化三阶段理论 f i g a 1t h r e es t a g e sm o d e lo fo r g a m ca n a e r o b i cd e g r a d a t i o n 发酵是有机化合物即作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在这个过程中，在发 酵细菌( 酸化细菌) 作用下。溶解性的有机物被转化为挥发性的脂肪酸，醇、乳酸、二氧化 碳氢气、甲烷和硫化氢等。同时酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，使酸化细菌增 殖。酸化过程由各种发酵细菌参加完成的。其中主要由梭状芽孢杆菌( c l o s t r i d i u m ) 和拟杆 菌( b a c t e - r o i d e s ) 其均为严格厌氧菌。酸化末端产物组成与厌氧降解条件，底物种类，微生 物种群有关。酸化过程常独立在一个专门的反应器中进行，以糖为主要的底物，经酸化作用 4 将产生丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氢气的混合物。该过程在酸化与产甲烷化同 反应器中进行。则主要生成乙酸、二氧化碳和氢气，生成的氢气被产甲烷菌利用，也可以为 硫酸盐还原菌和脱氮菌所利用。氨基酸的分解是通过氨基酸偶联进行氧化脱氮反应。其中一 个氨基酸分子进行氧化脱氮，另两个氨基酸分子还原。除这种偶联降解之外也有一些氨基酸 被单独降解。酸化过程产生大量v f a ，导致系统中p h 值的下降，氨基酸的氨生成有利于提 高碱度，提高p h 值，增加溶液的p h 值缓冲能力。 二阶段：产乙酸阶段 水解酸化段产出的v f a 与酵等物质在产乙酸阶段在产乙酸菌的作用下转化为乙酸、氢 气和二氧化碳。 乙醇转化：a b a 2 0 h + h 2 d - 一c h 3 c o o h + 2 h 2f ； 丙酸转化：c h 3 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 a ，c o o h + 3 h zf + c 0 2f ； 丁酸转化：c h 3 c h 2 c h 2 c o o 啊+ 2 h 2 g 2 c h 3 c o o h + 2 h 2t ； 戊酸转化：c h 3 c h 2 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 3 c o o 旧+ c h 3 c o o h + 2 h 2t ； 三阶段：产甲烷阶段 在产甲烷阶段，由产甲烷菌作用于乙酸的羧基使其与乙酸分子分离，其中甲基转化为 a b 而羧基转化为二氧化碳，据报道7 0 的甲烷是由乙酸歧化菌产生的。 2 a 3 a 硅2 c h if + 2 c 0 2f + 3 1 o k j m o l 在中性溶液中二氧化碳班碳酸氢盐形式存在，并从乙酸形成甲烷的过程中产生 3 1 0 k j t o o l 的能量。这个能量可被用于合成a t i ( 三磷酸腺苷) 。 利用乙酸产甲烷菌主要是索氏甲烷丝菌( m e t h a n o l i x s o e h n g o l i i ) 和巴氏甲烷八叠球菌 ( m e t h a n o s a r i n ab a r k e r i ) 两种菌生成速度不同，取决于底物浓度。 利用氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌为嗜氢甲烷菌，在正常的条件下，约占产甲烷菌的 3 0 嗜氢甲烷菌也可以利用甲酸。 即4 ( 飘o h _ c h dt + 3 c 0 2t + 2 h 2 0 4 h = , + c 0 2t o i - f + 2 h ：o 甲醇可被巴氏甲烷八叠球菌直接转化为甲烷，甲醇也可以由援状芽孢杆菌转化为乙酸， 然后再由乙酸甲烷化生成甲烷。 4 ( m 3 0 h a c h 4t + c 0 2f + 2 h 2 0 粪便厌氧消化工艺是用人工的方法创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件，使设 备内积累高浓度的厌氧微生物，以加速发酵过程，使粪便迅速转化为甲烷和二氧化碳人工 厌氧消化的速度大大超过自然界中自发的厌氧消化过程，所以在发酵过程中要严格控制其各 条件及影响因素，以保证厌氧消化的快速、高效进行。 1 4 影响畜禽粪便厌氧消化的因素 厌氧消化是一种普遍存在于自然界的生物学过程，是一个复杂的过程。工业化的厌氧消 化工艺是指人工控制厌氧消化所需要的环境条件和营养条件，使整个发酵过程快速、高效、 s 稳态的进行。这可使自然厌氧消化的时间降低几十倍( 张希衡，1 9 9 6 ) 。决定甲烷生成的环境 条件主要有温度( 介质温度或热度) 、p n 值( 7 0 左右) 、厌氧条件( 氧化还原电位) 、c n ( 氨密度平衡) 、微生物营养( 如：n i 、c o 、m o ) 、有毒物质和抑制剂的多少、有机负荷率、 含水率、搅拌装置、破碎程度等( 陈洪章，1 9 9 9 ) 。 厌氧消化的温度与有机物的厌氧分解过程有密切的关系，主要因为不同的温度范围内存 在不同类型的微生物。2 0 世纪3 0 年代b u s w e l l 和其他学者普遍认为厌氧微生物有3 个活力 最适的菌群：嗜低温菌( 低于1 5 ) ；嗜中温菌( 3 7 左右) ，嗜热菌( 5 5 左右) 。研究表 明，嗜热菌对有机物的降解能力要优于中温菌和低温菌( v a v i l i nv r a ，2 0 0 0 ) 。研究者根据产 甲烷菌在不同温度下的最佳活性将厌氧消化分为：高温消化( 5 0 - - 5 5 ) ；中温消化( 3 0 - - 3 5 ) ；低温消化( 1 5 - 2 0 ( 2 ) ( 陈世和，1 9 9 2 ) 在厌氧消化设计时，低温厌氧消化过程缓慢； 高温能有效提高厌氧消化的速度，但需要消耗一定的能量。 在厌氧消化过程中。p h 值有其变化的规律。在发酵初期，由于产酸菌的活动，沼气池内 会生成大量有机酸，导致p r 值下降。但随着发酵继续进行，氨化作用产生的氨可以中和一 部分有机酸，同时随着产甲烷菌的活动，大量的挥发性脂肪酸酸被利用，这样就可使p h 值 回升。在厌氧消化处理废弃物过程中，厌氧系统的p h 值是影响微生物的主要因素，进而影 响产气效率、消化程度等处理效果，如果原料配制不当。或缺乏正常操作管理，也会使挥发 性脂肪酸大量积累，p h 值下降。甲烷菌的最佳生长p h 值范围在6 8 - 7 2 之间，而当p h 值低 于6 时，甲烷菌无法存活( p a r k i ng ，1 9 8 6 ) 。 碳( c ) 是厌氧消化微生物能量的主要来源，并用于构成微生物细胞结构，氮( n ) 是微 生物合成蛋白质的必需成分，因此原料的碳氮比是影响生物转化的重要因素一般认为c n 比以2 0 ：1 至3 0 ：1 为宜。如果a n 比过大，微生物会氧化多余的碳，这样不仅会延长处理时 间，而且会降低有机碳的转化率。如果过小，系统内就会形成铵盐的积累而有害于产甲烷菌， 抑制消化过程( 乔玮，2 0 0 2 ) 国外许多学者，普遍认为当氨氮浓度高于2 0 0 0 m g l ，甲烷菌的活动就会被抑制。h a n