（农业生物环境与能源工程专业论文）猪粪厌氧发酵工艺条件对产气特性及沼液营养成分的影响.pdf

沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 禽畜养殖业的迅速发展为我国城镇居民提供丰富的肉、蛋、奶等农副产品的同时， 其生产过程中产生的大量排放废弃物如果处理不当，直接排放或大量堆积，不仅会造成 资源浪费，还会严重污染周边的水体、土壤及空气，对人类和生态环境造成危害。与各 种处理方法相比，厌氧发酵技术因其具有显著的能源、生态、经济和环保效益，而广泛 地应用于处理有机废弃物。厌氧发酵是指各种有机物在厌氧条件下被各类发酵微生物分 解转化，最终生成沼气的过程，其反应机理非常复杂。本试验研究结合上海市科委重大 科技攻关项目“崇明岛生物质能循环型应用技术的研究与示范”( 0 5 d z l 2 0 1 0 ) ，以新鲜猪 粪经预处理后作为沼气发酵原料，探求不同厌氧发酵工艺条件下产气特性及发酵液中营 养元素的变化规律，以期对如何实现禽畜粪便综合利用，使其在生态系统的水平上实现 物质、能量流动的良性循环提供依据和参考。 系列试验在自行设计制作的小型沼气发酵装置上进行。该装置由发酵罐部分与集气 装置部分组成，具有操作方便，运行稳定等特点，适宜于实验室研究使用。 通过对比不同温度条件下厌氧发酵的试验发现，在以中温沼气发酵池底物为接种物 的试验中，由于环境温度的变化，室温和高温试验组中微生物的生长受到了明显的抑铡， 对产气特性影响较大。由此证明了，对于每个发酵温度段都有不同的厌氧发酵优势菌群， 其生化反应的机理也会不同。综合产气特性及营养变化结果，以中温3 7 士1 试验组效 果最好，当发酵进行到第7 天时中温试验组甲烷含量达到6 3 | 2 ，此时高温和室温试验 组甲烷含量分别为4 7 3 和3 8 6 。至发酵1 7 天( 发酵基本结束) 时，中温试验组总产 气量，全氮损失率、水溶性p 增长率及速效k 增长率分别为：7 5 1 3 m l 、l o 2 3 、2 9 5 4 和9 3 5 。 不同接种量厌氧发酵产气特性及营养成分影响的对比试验结果表明，加大接种量有 助于提高产气量及气体品质。接种量为5 0 的试验组在发酵反应第4 天时就达到了产气 高峰，第3 天时其甲烷含量达到了5 1 2 。但当料液浓度一定时，加大接种量，参与发 酵的细菌数量也相对较多，同时也意味着发酵基质的相对减少，所以至发酵1 7 天( 发 酵基本结束) 时接种量为5 0 试验组总产气量并不高，其值为5 1 1 0 m l ，且全氮损失也 最大。综合产气特性及营养成分各指标，不同接种量试验以接种量为3 0 的厌氧发酵效 果较好。 摘要 微生物的生命活动需要充足的营养和能源，发酵原料是沼气发酵微生物的主要营养 及能源的供应者。对比不同发酵料液浓度厌氧发酵产气特性及营养成分变化的试验：曰 平均产气量和总产气量随着浓度的增加而增加，以料液浓度1 2 的总产气量1 7 0 5 7 m l 和日平均产气率1 1 1 4 8 4 m l ，l ，d - 1 最高，但t s 产气率以料液浓度为9 试验组1 7 4 8 6 m l ，g 为高。综合不同料液浓度厌氧发酵产气特性及营养成分变化的各项指标，以料液浓度为 9 的处理组较适宜。至发酵1 7 天( 发酵基本结束) 时其总产气量、全氮损失率、水溶 性p 增长率和速效k 增长率分别为：1 4 1 6 4 m 1 、3 1 7 、3 9 1 4 和8 3 。 关键词：猪粪，厌氧发酵，工艺条件，产气特性，营养成分 2 沈阳农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t ag r e a td e a lo fo r g a n j cw a s t ei sp m d u c e dw h e n 血el i v e s t o c kb r e c d i n gi n d u s 廿yp r o v i d e p e o p l e 谢mm 枷，e g g s ，m i l k ，a 1 1 ds oo n i fi ti sm i s c o n d u c t e d ，s u c ha s ，d i r c c td i s c h a r g eo r s u b s t a n t i a la c c u m u l a t i o n ，r e s o u r c e sa r ew a s t e d ，w a t e r ，a i ra i l de n v i m m e n ta r ep o l l u t e d i ti s h 锄t oh u m a na j l de c o l o g i c a le n v i r o m e n t c o m p a r e dw i t ha nk i n d so fm e t h o d ，a i l a e m b i c f b r m e 玎协t i o np r o c e s si su s e di nw a s t e 廿e a 协1 e n t ，b e c a u s em a ti th a sb e n e n t se n e r g y ，e c o l o g y ， e c o n o m ya n de n v i r o 眦e mp r o t e c t i o n a n a e r o b i cf e m e n t a t i o ni s t l l ep r o c e s s 山a tv 撕o u s t y p e so fo 玛a 1 1 i c w a s t ea r ed e c o m p o s e dt o g e n c r a t eb i o g a sb ym i c r o b i a li i l a 1 1 a e r o b i c c o n d i t i o n s n sr c a c t i v em e c h a l l i s mi sc o m p l e x n l eg o a lo fe x p e r i m e m a t i o ni st os e e kt l l e v a r i e t yr u l eo ft h eg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa i l dn 嘣t i o n ni se x p e c t e dt op r 0 v i d e s u g g e s t i o nh o w t or e a l i z e 也ei n t e g r a t e du s i n go fi i v e s t o c kd 巧e c t i o n b e c a u s eo fi n o c u l a t i n gm e s o p h i l i cb a 曲嘶啪，i ti sf i n d e dt 1 1 a tt h eg r o w 血o fm i c r o b i a li s r e s t r a i n e dc l e a r l ya n d 也eb i o g a sc h a r a c t e r i s 廿c sa r ee 丘e c t e dr “h e r l yi nm e n i l o p h i l i ca 1 1 dm o m 懈m p e r a t u r e i ti sp m v e d 协a t 1 e r ea r ed i f td o m i n a n c ea i l a e r o b i cb a c t e r i u mi nd i 彘r e n t r a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dm e m e c h 姐i s mo fb i o c h e m i s n yr e a a t i o na r ed i f f e r e n t s y n t h e t i z i n g t 1 1 er e s u l 乜o fb i o g a sc h a r a c t e r i s t i ca n dv a r i a t i o no fn u m t i o n ，t h er e s u l t so fm e s o p l l i l i c t e m p e r 籼。e ( 3 7 士l ) i sb e s t n l ec o n t e n to f m e 也孤ei i lm e s o p h i l i ct e m p e r 眦er e a c h6 3 2 a tm e7 n l d a y0 ft h ea n a e r o b i cf e m e m a t i o np r o c e s s ，w l l i l et h cc o n t e n to fm e 吐l a l l ei n t h e m o p l l i l i ca n dr o o mt e m p e r 雠ea r e4 7 3 a i l d3 8 6 r e s p e c 廿v e t h et o t a lq u 孤t 时o f b i o g a sy i e l d ，m em t eo fl o s s i n go ft o t a ln ，心n g o fd i s s o l v e dpa n dm ea v a i l a b l ek a r e 7 5 1 3 m l 、1 0 2 3 、2 9 5 4 a n d9 3 5 r e s p e c t i v e l ya t t h ce n d i n go f a n a e r o b i cf 色n n e n t a t i o n i ti si 1 1 d i c a t e dt h a tt l l eq u a n t i t ya 1 1 dc h a r a c t e ro fb i o g 蹈a r ee 1 1 1 1 a 1 1 c e dw h e nt l l eq u a l l t i t yo f i n o c u l a t i o ni si n c 蜮略e d t h ee x p 耐m e mo f5 0 i n o c u l a t i o nr e a c ht h ep i i l i l a c l eo fb i o g a s y i e l da t 也e4 t i - d a yo fa n a e r o b i cf e m e n t a t i o np r o c e s s ，a i l dt 1 1 ec o n t c l l to fm e 也a n er e a c h 51 2 a tm e3 md a yo fa n a c r o b i cf e n l l e n t a t i o np m c e s s w h e n 也ec o n c e n c r a t i o no ft o t a ls o l i d s i sd e f i n i t e d ，l e r ei sm o r eq u a i i t i 够a n db r e e d so f b a c t e r i 啪a 1 1 dm em a t e r i a lo ff c n e n t a d o ni s r e d u c e d 、 r i m 仕【ei n c r e a s i n go f i l l o c l l l a t i o n s ot l l et o t a lb i o g a sy i e l di s5 1 1 0 m lm a ti sn o ta r l d t h em t eo fl o s s i n go ft o t a lni st 1 1 eh i 曲e s t h l t c g r a t i n gm er e s u l t so f b i o g a sc h 眦c t e r i s t i ca n d v a r i a t i o no fn u 廿m o n ，t h er e s u l t so f3 0 o fi n o c u l a t i o ni st h eb e s ti ne x p e r i m e n to fd i 髓r e n t 1 英文摘要 q u a n t i t yo tl n o c u l a t i o n t h em a t e 五a lp r o v i d e sm “t i o na n de n e t g yt om i c r o b ei na n a e r o b i cf e h n e n t a t i o n c o n 仃a s t m gm eb i o g a sc h a r a c t e r i s t i ca 1 1 dn u 撕t i o no fd i 丘色r e n ts o l i d sc o n c e n t r a t i o n ，i ti sn n d e d t h a tt h ea v e m g ed ：l i l yq u a n t i t ya i l d t o t a lq u a n t 时o fb i o g 踮y i e l da r ei n c r e a s e dw i t l lt h e i n c r e a s i n go fs o l i d sc o n c e n t r a t i o n t h ca v e r a g ed a i l yq u a m 时a n dt o t a lq u 卸t i t yo fb i o g a s y i e l do f1 2 ( t s ) a r el l i 酗y ，恤ev a l u ea r e1 l1 4 8 4 m m 一a n d1 7 0 5 7 m 1r e s p e c t i v e ly w h e n t l l ec o n c e n 虹a t i o no ff c r m e n t e dm a t c r a i lw 船9 ，t 1 1 ey i e l do fb i o g a sp e rt sw a st h eh i g h e s t ， r c a c h j n g1 7 4 8 6 m i n t e g r a t i n gt h er e s l l l t so f b i o g 嬲c h a m c t e r i s t i ca i l dv a r i a t i o no f n 砌t i o n ， n l er e s u l t so f9 ( t s ) i sm eb e s ti ne x p e r i m e n to fd i f f e r e n tq u a n t i t yo fi n o c u l a t i o n t h et o 诅1 q u a n t i t yo fb i o g a sy i e l d ，t h er a t eo fl o s s i n go f t o t a ln ，r i s i i l g o fd i s s o l v e dpa r l dt h ea v a i l a b l ek a r e1 4 1 6 4 脚、3 1 7 、3 9 1 4 和8 3 r e s p e c 廿v e l ya t t l l ee n d i n go f a n r o b i cf e n n e n t a t i o n k e yw o r d s ： p i g - d u g ， a n a e m b i c f e r m e n t a t i o n ，p a r a m e t e r s ，g a s c h a r a c t e r i s t i c s ， c o m p o n e n to fn u t r i t i o n 2 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不 包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 导师签名：勺， 翻主友 l 纯 时间：“年f 月，日 盹同t 6 卑乞黾t | 黾 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文a 同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 “呆密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：矗巾0 欠 导师签名：锄 时间：妒年月日 啦圊t g 辱6 黾l l 日 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章前言 1 1引言 随着我国农业产业结构的调整和菜篮子工程的推进，农村副业，尤其是禽畜养殖业 迅速发展。与发达国家相比，我国禽畜养殖业具有自身的一些特点： ( 1 ) 逐渐由家庭副业发展成为一个独立的行业，并目益成为农村经济的支柱产业 1 9 9 4 年我国主要禽畜产品出口近2 0 亿美元，肉类在全世界所占份额达2 3 ，其中 猪肉占4 2 8 ，禽蛋产量占世界的3 0 ( 边炳鑫，赵由才，2 0 0 5 ) ；1 9 9 5 年畜牧业产值 达6 0 4 5 亿元，畜牧业在发展农村经济中的作用越来越来为各级政府所重视。目前，我 国禽畜养殖业总产值超过l 万亿元，占农业总产值的3 0 以上，有的地区达到6 0 以上， 已经成为我国农业和农村经济中的一个重要支柱产业( 张守家，刘昀，2 0 0 3 ) 。 ( 2 ) 禽畜养殖业饲养规模和经营方式发生了重大变化 过去我国的禽畜养殖业多以分散经营为主，在农村经济中仅作为生产副业，禽畜饲 养量少、规模小，禽畜废弃物能及时得到处理，对周边环境造成的污染不严重。然而， 从8 0 年代开始，我国禽畜养殖业迅速发展，逐渐由原来的分散式养殖开始转向现在的 集约化饲养方式，规模也逐渐扩大。且禽畜的集约化养殖在大中城市的经济富裕地区发 展尤为迅速，如上海、北京、南京、广州等地已先后建成一批万头猪场。以上海为例， 到2 0 0 0 年已有1 6 3 2 个大中型禽畜养殖场，达到奶牛6 万头、生猪5 0 0 万头、鸡1 4 亿 羽的饲养规模。据中国农业年鉴2 0 0 2 年统计，2 0 0 1 年底我国全年生猪存栏4 5 7 4 3 0 万 头，比2 0 0 1 年增长了2 4 ( 钱午巧等，2 0 0 3 ) 。 ( 3 ) 禽畜饲养场由农业区、牧业区转向交通便利的城镇郊区 随着我国城市的发展和“菜篮子工程”的推进，各级政府高度重视畜牧业的发展。一 批集约化养殖场、大型养殖企业由原来人口相对较少的地区或城乡结合地区向交通便利 的城市近郊和人口密集的地区转移，极大地丰富了居民的菜篮子，提高了城镇居民的生 活水平。 禽畜养殖业由原来的庭院式生产方式转向现在的集约化、规模化、商品化生产模式： 一方面，这种集约化的生产方式可大大提高禽畜养殖场的饲养技术、防疫水平、饲料利 用率和管理水平，与传统的分散饲养方式相比，还可以降低生产成本，提高生产率；另 一方面，在生产过程中因禽畜粪污过度集中和冲洗水大量增加所引发的环境污染问题也 l 日0舀 越来越突出。由于部分禽畜养殖场在设计之初，或未考虑禽畜粪便的处理和利用而就近 排入坑塘和河流，或因处理工艺不当而不符合排污要求，再加上城市周围又没有充足的 土地放置养殖场产生的大量禽畜粪便，这使得大中城市周边地区和郊区农村单位面积土 地的粪便承载量过高，造成水体严重污染。此外，随着我国化肥工业的发展，化肥广泛 应用于农业生产中，大量有机粪肥被闲置不能及时还田，这样不仅造成了资源的极大浪 费，也加剧了禽畜粪污对周边环境的污染。 1 2国内、外禽畜粪便资源及污染状况 1 2 1 我国禽畜粪便资源及污染状况 自我国改革开放以来，随着菜篮予工程的全面开展，我国禽畜养殖业规模和产值都 有了很大的增长，肉类、奶类和禽蛋年产量递增率均在1 0 以上。1 9 8 6 年，我国的禽 蛋产量首次超过美国，1 9 9 1 年肉类产量也超过了美国，此后连年保持世界第一。据联合 国粮农组织的数据统计显示，1 9 9 8 年我国的肉类总产量占世界肉类总量的2 6 ，居世 界首位( 姚向君等，2 0 0 2 ) 。2 0 0 0 年，我国肉类产量达到了6 1 2 5 4 万t ，禽蛋产量达到 了2 2 4 3 t 3 万t ，奶产量达到了9 1 9 1 万t ( 边炳鑫，赵由才，2 0 0 5 ) 。然而畜牧养殖业在 为人类提供丰富的肉、蛋、奶的同时，也带来了严重的环境污染问题。 据资料介绍，饲养一头猪每年所产生的粪尿、污水和臭气的污染负荷，其人口当量 为8 1 0 人；一个年产万头肥猪的现代化养殖场每天排放的粪污可达1 0 0 1 5 0 t ，b o d 5 高达4 0 0 0 6 0 0 0 m 胡，相当于一个5 万人口城镇的排污量。1 9 9 8 年我国出栏的猪、牛、 羊等牲畜排放的污染人口当量约5 0 亿人，是全国人口生活污染负荷的4 倍左右( 边炳 鑫，赵由才，2 0 0 5 ) ：1 9 9 9 年我国畜禽产生粪便量为1 9 0 3 万t ，进入水体的c o d 量， b o d 量，氨氮、总磷量，总氮量分别为：7 9 7 3 l 万t ，5 8 0 8 7 万t ，1 5 5 8 8 万t ，4 6 7 6 万t ，4 0 7 1 4 万t ( 张守家，刘昀，2 0 0 3 ) ：2 0 0 0 年资料显示，全国禽畜粪便年产量约1 7 3 亿t ，是工业废物的2 7 倍，其中各种污染成分的年产量：氮约为1 5 9 7 万t ，磷约为3 6 3 万t ，c o d 约为6 4 0 0 万t ，b o d 约为5 4 0 0 万t 。禽畜粪便进入水体流失率高达2 5 3 0 ， c o d 排放总量、粪便中的氮、磷流失量已经超过化肥。2 0 0 2 年全国畜禽粪便年排放量 达1 8 8 4 亿t ，相当于工业废物排放量的3 4 倍( 边炳鑫，赵由才，2 0 0 5 ) 。截至2 0 0 1 年， 上海市全市全市郊县( 区) 规模化猪、禽、奶牛饲养场年畜禽粪便的排放量高达7 1 1 多 万t ，远远超过了农田承受的上限，据估算，全年进入水环境的粪尿量为2 0 6 万t ，占总 沈阳农业大学硕士学位论文 量的3 0 ( 陈振楼等2 0 0 2 ) 。 1 2 2 国外禽畜业发展状况 自5 0 年代起，发达国家畜禽养殖业的规模、形式已经开始向大型化、专业化及高 效化方向发展。9 0 年代后，畜禽集约化养殖场更是呈现集中化、大型化的发展趋势。 如在美国北卡罗纳州，养猪场的数量急剧降低，但单个养猪场的数量却成倍的增长。 美国从7 0 年代初到9 0 年代末，猪饲养数量从2 0 0 万头增加到约9 8 0 万头，而养猪场的 数量却从约6 4 万个减少到约4 千个。在欧洲情况也是如此，1 9 8 0 年欧洲各国有3 4 0 万 个猪场，到9 0 年代末仅有1 7 0 万个，下降了一倍( c h b u n o n ，1 9 9 7 ) 。而且随着集约 化养殖的快速发展，绝大多数养殖场没有土地和采取相应的粪污处理技术来处理每天产 生的大量粪便和污水，造成了养殖场周边地区的地表水、 地下水和空气严重的环境污 染。因此美国联邦水污染法规定，1 0 0 0 标准头或超过l o o o 标准头的工厂化畜牧场 必须得到许可才能建场。 图1 1 所示的是1 9 8 0 1 9 9 9 年间日本养猪业饲养头数及饲养户数的变化。由图可 以看出，其每户饲养量呈显著上升趋势。1 9 9 2 年度日本家畜粪便的年排放量为7 6 0 0 万 t ，约占当年产业废弃物的2 0 ( 陈梅雪等，2 0 0 5 ) 。 围1 1 日本弊猪业饲弊规模的变化 f i g 1 - ln 蚰do f b r e e d i 唱s c i eo f s w i n ei n d u s t r yi nj a p a “ 1 2 3 禽畜养殖业对环境的污染 禽畜养殖业的大量排放物如果处理不当，对环境造成的主要污染主要有以下几点 前言 ( 1 ) 对水环境的污染。禽畜养殖场污水中含有大量的污染物质，其污水生化指标极 高。据调查，2 0 0 1 年我国禽畜粪便中化学需氧量c 0 d 的排放量已达7 1 1 8 万t ，远远超 过工业废水和生活污水化学需氧量之和( 1 3 8 8 9 万t ) 。目前，禽畜饲养场所排放的大量 废物已经成为我国水体污染的主要源头之一； ( 2 ) 对土壤环境及农业生态环境的污染。禽畜粪便中含有大量的有机质及丰富的氮、 磷、钾等营养物，所以一直以来被作为农作物宝贵的有机肥而利用。对于小规模、分散 的饲养场产生的禽畜粪便就近还田，既为农田增加了有机肥，也不会对环境产生负面影 响。但对于大规模、集约化养殖场，禽畜粪便大量集中排放，当排放量超过当地土地的 消化能力时，就会给土壤环境及农业生态环境造成极大的压力； ( 3 ) 对大气环境的污染。禽畜粪便中含有氨、硫化氢和胺等有害气体，如不及时处 理，其臭味会成倍增加，并产生甲基硫醇、二甲二硫醚、甲硫醚、二甲胺及低级脂肪酸 等恶臭气体，这些恶臭气体会对养殖场及周围的大气环境产生不良影响： ( 4 ) 病菌传播。禽畜粪便污染物中含有大量的病原微生物、寄生虫卵等，如不能及 时妥善处理，会孳生蚊蝇，使环境中病原种类增多、菌量增大，出现病原菌和寄生虫的 大量繁殖，造成人、畜传染病的蔓延。据测定，每毫升禽畜场污水中有8 3 万个大肠杆 菌、6 9 万个肠球菌( 何丽红，2 0 0 4 ) 。 l - 3禽畜粪便资源化技术 我们通常所说的废弃物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般 不再具有原使用价值而被丢弃的物质。然而，从具体生产环节来看，在某一环节中被丢 弃的这部分废弃物质，在另一生产环节中，它们往往又是可以作为另外产品的生产原料 来加以利用，作为一种资源在可持续发展农业中发挥作用，从而促进生态农业的良性循 环。以农业废弃物禽畜粪便为例，禽畜粪污在禽畜生产环节中是作为没有使用价值 的废弃物质被排放，而且随着这一行业的发展，其排放量对全球环境也造成了巨大的压 力；然而，禽畜粪便对于农业生产来说，无论过去、现在和将来，都又是一种优质的有 机肥料，它除了包含农作物所必需的氮、磷、钾等多种营养成分，还含有大量有机物， 易于进行生化处理并产生使用价值很高的清洁能源，同时还可施用于农田有助于改良土 壤结构，可以提高土壤的有机质含量，促进农作物增产。因此，如果能充分利用禽畜粪 便，不仅可以缓解资源和环境危机，还能带来可观的经济效益和社会效益。目前，我国 沈阳农业大学硕士学位论文 禽畜粪便处理的目的是控制、减少其造成的危害，开展综合利用，最终实现减量化、资 源化和无害化的目标。 1 3 1 饲料化技术 早在1 9 2 2 年，m c l u l l u m s 就提出了以动物粪便为饲料营养成分的观点。一般认为禽 畜粪便中所含的氮素、矿物质、纤维素等能作为取代饲料中某些营养成分的物质。各类 粪便的价值如表1 1 所示。禽畜粪便的营养成分除表中列出的之外，还存在大量维生素 b 1 2 ，干猪粪中维生素b 1 2 含量高达1 7 6 “g ( 卞有生，2 0 0 1 ) 。目前禽畜粪便饲料化的方 法有：新鲜粪便直接做饲料、青贮法、干燥法、分解法和热喷技术。但由于禽畜粪便携 带病原菌，且饲料化技术的环境效益和经济效益不是十分明显，所以发展受到一定的限 制。 表1 1各类粪便的营葬价值 i h b 1 - l t h e u t r i 6 0 nv “u eo f d e j e c i o “ 1 3 2 肥料化技术 禽畜粪便中含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质，是农业可持续发展 的宝贵资源。过去我国农村常采用填土、垫圈的方法或堆肥方式将禽畜粪便制成农家肥。 但常规堆肥处理过程中存在氨的损失大；不能完全控制臭气；堆肥处理需要量的场地大； 处理所需要的时间长等问题。随着集约化养殖场的发展，禽畜粪便肥料化已不再局限于 某种单一的方法，目前发展的方法还有：厌氧发酵法、快速烘干法、微波法、膨化法、 充氧动态发酵法。 前言 1 3 3 能源化技术 禽畜粪便转化为能源，在草原上多是采用直按燃烧的方法。但集约化养殖场多以水 冲式清除禽畜粪便，所以粪便含水量较高，对这种高浓度有机废水，常采用厌氧消化法 来处理。 厌氧消化法是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物( 碳水化合物，蛋白质和脂肪) 转化为甲烷( c h 4 ) 和二氧化碳( c 0 2 ) ，使畜禽场废水经处理后得以资源化利用。厌氧 消化法具有生物多功能性，能与肥料化技术及饲料化技术结合起来，在厌氧消化处理过 程中，不仅可以营造良性的生态环境、治理环境污染，还能够开发新能源，提供燃气作 为农民的炊事能源，在无电或缺电地区也可用于沼气发电。同时由于厌氧消化过程是在 密闭条件下进行，不仅减少了臭气逸散，发酵后出料的碳素含量降低，氮、磷、钾及各 种微量元素也都得到保留，并且发酵过程中还可以生成氨基酸、维生素及生长素类等有 益于作物生长的生物活性物质，可以为农户提供优质无害的肥料，从而取得良好的综合 利用效益。 表1 2 所示的为畜禽粪污水的处理方式比较( 周盂津，2 0 0 5 ) 。 表l - 2 畜禽粪污水的处理方式比较 t 曲1 2c 0 m p a r i s o no “h ep o u l 订y 戗c r e m e n ts e w 4 9 ep r o c 髓s i n gm e t h o d 目前，我国处理禽畜粪污的方法以好氧处理法和厌氧处理法为主。以好氧处理方法 处理禽畜粪污的过程中，微生物以有氧呼吸来氧化有机物，产生二氧化碳和水，嗣对获 得能量使微生物本身进行生长繁殖。由于微生物从有机物的氧化中获得大量能量，微生 物生长很快，并使大部分有机物转化成微生物的新细胞。这样就使得在好氧处理过程中 得到了大量的固体废物，人们又必须对这种固体废物再进行处理。因此，除了好氧处理 过程中所需通气设备消耗大量能源外，对这种很快积累的生物固体废物的处理也是一个 不忽视的问题。相反，在厌氧处理系统中，没有空气参与，在这种条件下，微生物转化 有机物为甲烷和二氧化碳产生相当少的能量。所以这些微生物的生长率较低，而且只有 少量的有机物转化成细菌新细胞，有机物主要部分被转化为甲烷。因此，与好氧处理相 比，厌氧生物处理具有可减少污泥积累，产生可利用的能源，保留营养成分，厌氧污泥 6 沈阳农业大学硕士学位论文 可保存相当长时间而不失其活性等优点( 杨秀山，1 9 8 9 ) 。 由表1 2 可以看出，与其它各种处理方法相比，厌氧发酵技术处理禽畜粪便具有可 回收能量、投资少、成本低、管理方便、处理效果好等优点。而且，从生物质能的合理 利用来说，一方面，沤肥或直接还田，虽可利用它的肥料成分，却损失了可以利用的热 量；另一方面，直接燃烧生物质，只能部分地利用它的热量，而不能充分地利用它的营 养成分。所以两者都不是有效合理利用生物质能源的方式。利用厌氧消化处理系统，则 不仅可以处理废弃物、净化环境，同时还能得到燃气和有机肥料，并进一步由此制取化 工产品，使生物资源得到多次和综合利用。因此，从能源利用角度来讲，厌氧消化技术 是生物质能源最有效、合理地转换方式。 1 4厌氧发酵技术研究的现状 1 4 。l我国厌发酵技术研究现状 我国的厌氧发酵技术始于1 9 3 0 年前后，1 9 8 0 年以后开始蓬勃发展。至2 0 0 2 年，我 国户用沼气池已经发展到l 0 0 0 万户，大中型沼气工程1 l o o 多处，总池容6 4 万m 3 ( 周 孟津，2 0 0 5 ) ，建成4 0 0 5 0 0 个不同类型工艺处理工业废水的沼气工程和6 0 0 多个大中 型处理畜禽废水及废渣的沼气工程，年产沼气近1 0 亿m 3 ，相当于标准煤1 0 0 多万t ( 贺 亮，1 9 9 7 ) 。近年来，国家科委、农业部在近几个五年计划中都组织了攻关，许多研究 者对沼气发酵的科学原理和应用技术进行了大量研究工作，并取得了出色的研究成果。 厌氧消化新工艺被广泛应用于酒精、食品、制药、禽畜养殖场及化工等行业的废物处理 工程中，且先后开发了单相、多相或多种工艺联合处理( 段文霞等，1 9 9 4 ：周岳溪等， 1 9 9 6 ；刘建荣，1 9 9 6 ；张晓健等。1 9 9 6 ；吴香强等，1 9 9 6 ：周律，张孟青，1 9 9 6 ；李刚， 欧阳峰，2 0 0 l ：) 。 ( 1 ) 在反应器的研究领域方面：在u a s b ( u p a l l a e m b i cs l u d g eb e d ) 的基础上进 行了i c ( i n t e m a lc i r c u l a t i o n ) 内循环、u b f ( u pn o w b l a i l l 【e tf i l t e r ) 上流污泥床一过滤 器、a s b r ( a m e r o b i cs e q u e n c i n g b a f c hr e a c t o r ) 厌氧序批间歇式等系统的优化与开发。 例如；清华大学环境与工程学院的研究人员对生产性u a s b 在中温和高温条件下的启动 进行了试验，研究表明，该反应器可在中温和高温条件下交替启动运行，且高温厌氧颗 粒污泥的生物活性及分解有机物能力均高于中温厌氧颗粒污泥( 周岭，李文哲，2 0 0 2 ) ； 刘志杰( 1 9 9 3 ) 等用u a s b 处理啤酒废水进行了生产性试验研究；徐培等( 1 9 9 3 ) 开展 前言 了用厌氧消化床( a f b ) 反应器处理酒精废水的研究：梅翔( 1 9 9 4 ) 等用厌氧附着膜膨胀 ( a a j f e b ) 工艺处理垃圾浸出液制取沼气的试验研究；徐沽泉( 1 9 9 7 ) 等用上流式厌氧 污泥床反应器和厌氧过滤器( u a s b + a f ) 处理养猪场粪便污水；周盂津( 1 9 9 5 ) 等用 上流式固体反应器和增设软性填料的u a s b + a f r 的反应器处理高浓度的鸡粪废水，进 行了中温厌氧消化的研究等。 ( 2 ) 在厌氧消化机理等方面的研究：刘双江( 1 9 9 2 ) 等对厌氧污泥颗粒化过程中 不同营养类群细菌的消长规律进行了研究；竺建荣等利用两相u a s b 对其工艺微生物生 态学进行了研究( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) ：辽宁大学生物系的莫韵玑对厌氧发酵液对植物病菌的 抑菌作用作了研究；1 9 9 1 年李顺鹏发现厌氧发酵液对甘薯软腐病有明显防治作用，并对 其抑制作用机理作了研究；郭养浩等( 1 9 9 7 ) 和郭晓磊等( 2 0 0 2 ) 对颗粒污泥机理进行 了研究；柯益华，杨新凯( 1 9 9 7 ) 对厌氧消化过程中菌群抑制竞争关系进行了研究；赵 一章等( 1 9 9 4 ) 对厌氧颗粒污泥微生物特性及形成机理进行了研究；合肥工业大学资源 与环境科学系的张仁泉等( 1 9 9 6 ) 研究了活性碳、硫酸亚铁、膨润土三种厌氧促进剂对 亚铵废液厌氧发酵的影响，结果表明3 种促进剂作用强弱为：膨润土，活性碳，硫酸皿 铁；李亚新等( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 和陈朝猛等( 2 0 0 4 ) 在对工业废水和城市垃圾进行 的研究表明，在厌氧生物反应器中投加微量金属元素可以提高甲烷产率及反应器的处 理效率；云南师范大学张无敌等( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) 就不同配方的酶制剂对猪粪沼气发酵产 气率进行了研究，结果表明，糖化酶有利于提高猪粪沼气发酵的产气量，而较高蛋白酶 活则相反降低了沼气产量； ( 3 ) 在厌氧发酵工艺方面的研究：方德华，庞江春等( 1 9 9 7 ) 在对农村混合原料 沼气发酵条件研究的结果表明，适当加大接种量是防止发酵瓶内有枫酸积累，保证发酵 正常的关键；潘云霞，李文哲( 2 0 0 4 ) 进行的接种物浓度对厌氧发酵产气特性影响的研 究表明，在接种物浓度为6 、物料浓度与接种物浓度之比为1 ：1 的情况下，反应器启 动速度快，c o d 降解率和产气量都相对较高，平均产速度也快；清华大学王治军等( 2 0 0 5 ) 就热水解预处理对污泥的厌氧消化性能进行了研究，结果表明热水解预处理可促使污泥 固体溶解和水解，从而提高污泥的厌氧消化性能，其最适宜热水解条件为1 7 0 、3 0 m i n ； 潘安君( 1 9 9 7 ) 就高浓度氨氮对牛粪厌氧消化反应的影响进行了研究，结果表明高浓度 氨氮会对细菌的生长有抑制作用，导致反应器的产气率下降，然而高浓度氨氮并不影响 沼气的组份：河南农业大学张运真等( 2 0 0 4 ) 对不同厌氧发酵工艺条件下发酵液全氮含 沈阳农业大学硕士学位论文 量进行了测试，结果表明温度和原料浓度是影响发酵液全氮含量的关键因素。 1 4 2国外厌氧发酵技术研究现状 国外的沼气技术开发是从上世纪7 0 年代末期开始的，现在己有了很大发展。由于有 机农场的推广，加上标准化与模式组织化的设计及能源原因，使得厌氧发酵技术在德国 得以推广( 刘英等，2 0 0 1 ) ，目前己建成大中型畜禽养殖场沼气工程1 8 3 处，约9 0 的 沼气用于发电，如德国迪巴乐钦古乌丹利用高速沼气发酵工艺系统处理畜禽粪污，回收 的甲烷气体进行高浓度高压处理作低公害汽车燃料，沼气发酵后的残渣进行堆肥处理 ( 张焕芬，1 9 9 9 ) 美国在1 9 7 3 年的能源危机后建立了大批处理畜禽粪污的工厂，已拥 有2 4 处利用微生物发酵的能量转化工程，如爱德花华州建立了可日处理1 5 0 0 头牲畜废弃 物的沼气工程( d a n i e l ，c u l l e n ，1 9 9 7 ；j o h ns t u m b o s ，2 0 0 1 ) ；丹麦是集约化生产型农业 国家，从1 9 9 6 年起已有1 8 个集中厌氧发酵厂。这些运行的沼气工程己达到稳产、高产水 平，其中最大的一个每天可以从畜禽粪便为主的生物质中加收到5 0 0m 3 的沼气，年产量 超过2 0 0 万m 3 ；荷兰l e m n g a 教授的u a s b 装置在国际上得到了较普遍的应用( 彭武厚， 1 9 9 7 ) ；在加拿大约有处理工业废水的发酵工程2 5 座；英国也已建立了甲烷自动化工厂 ( t u a i l c h il i u ，1 9 9 7 ) ；在巴西，应用厌氧滤池处理居民小区生活污水已有多年时间， 这类厌氧装置是在传统化粪池的基础上开发的。但是近1 0 年来，全国己建成1 4 套大、中 型厌氧处理城市生活污水系统；墨西哥从1 9 8 7 年建成第一座厌氧装置起，到1 9 9 6 年一共 建成了7 5 项沼气工程，其中，用于处理城市生活污水的装置有3 4 项：又如发展中国家尼 泊尔，由于国民所得减少与自产能源的不足，沼气仍占有重要地位，沼气可提供村民来 做炊事、照明用途。在1 9 9 2 年至1 9 9 8 年期间，尼泊尔总共建成3 7 0 0 0 座小型沼气池，供 应2 0 万人使用：日本在6 0 年代使用厌氧消化技术集中处理人粪尿曾达到处理一的9 0 ( 胡启春，1 9 9 8 ) ，至1 9 9 1 年，仍占到2 6 。1 9 9 7 年起，日本开始利用厌氧发酵技术处 理禽畜粪污，生产的用于垃圾收集车或地区公用车燃料( 张焕芬，1 9 9 9 ) ，日本横滨市 建有总容积6 8 0 0 0m 3 的卵型处理罐，用于处理下水污泥，可产沼气2 3 3m 3 ( 彭武厚， 1 9 9 7 ) 。 国外厌氧消化技术的基础研究主要体现在3 个方面：( 1 ) 菌体对物料的适应能力及竞 争机制的探讨( s r j e n k i n s ，1 9 9 l ：b g o e l ，2 0 0 1 ) ；( 2 ) 产甲烷动态过程生化监测方法的 研究( j e n se s c h m i d t ，1 9 9 6 ；s g h o s te ta l ，1 9 9 5 ) ；( 3 ) 探讨水解步骤降解高分子物质降解机 制及生物调控机理( d a n i e l ，c u l l e n ，1 9 9 7 ；j r a y l l a l ，1 9 9 8 ；s g h o s t ，d c t a y l o r ，1 9 9 9 ) 。为7 前言 适应不同畜禽养殖废水处理的要求，在原料预处理装置、固液分离装置、厌氧发酵装置、 沼气净化装置等方面也有广泛的研究。 1 5 研究的目的及意义 我国产业结构的调整使得禽畜饲养业迅速发展，养殖业在丰富了城乡居民的菜蓝子 的同时，其生产过程中产生的有机废弃物对我国的环境也造成很大的压力。随着我国政 府对集约化养殖场所造成的污染问题的逐步重视、人民生活水平不断提高和环境意识的 逐濒增强，对禽畜粪污进行无害化、资源化、减量化处理利用已经成为十分紧迫的任务。 由于厌氧发酵技术具有多功能性，在治理环境污染、开发新能源的同时还可以为农 户提供优质的肥料，因此利用厌氧消化来处理禽畜粪污对维持我国农业生产体系的可持 续发展，从而取得综合治理效益有着深远的意义。 夺环境治理：厌氧发酵技术可使得禽畜粪污中的不溶有机物转变为溶解性有机 物，实现无害化生产，从而达到净化环境的目的。如禽畜粪污进入沼气池，经密封发酵 后，可直接杀死病菌和寄生虫，控制疾病传播；减少生物污泥量，温室气体的排放和臭 气逸散；降低水，土地及环境污染。 夺能量回收：厌氧发酵产生的生物气体，其用途广泛，可用作生活燃料，生产用 能及沼气发电。而且随着我国城乡经济的发展，沼气利用范围也日益广泛，已由过去单 纯用于炊事、燃料和照明的生活领域向生产领域发展，扩大为用于动力、孵化、养蚕、 育秧、烘干、除虫、保鲜、环保等领域，如除直接发电或油气混烧发电，亦可用于焊接、 熨烫、储粮、灭虫以及保鲜等： 夺综合利用：