基于雞糞的厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)的不足與改進(jìn)

金寧奔 張瑞娜 劉澤慶

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232)

基于雞糞的厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)的不足與改進(jìn)

金寧奔 張瑞娜 劉澤慶

(上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200232)

單獨(dú)利用雞糞進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼因C/N值低、氨抑制等問(wèn)題，將不利于消化和產(chǎn)甲烷過(guò)程。采用厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)，通過(guò)添加單種或多種有機(jī)含量高但氮含量低的廢棄物與雞糞進(jìn)行混合消化，不僅平衡了消化底物的營(yíng)養(yǎng)，也提高了氨抑制的閾值，有利于提高產(chǎn)沼和產(chǎn)甲烷效率。提出了耦合氨抑制解除方法和厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)解決共消化體系中雞糞占比不高問(wèn)題的研究方向。

雞糞；共消化；營(yíng)養(yǎng)失衡；氨抑制；資源化

1 引 言

近年來(lái)，我國(guó)的畜牧業(yè)得到了大力地扶持和發(fā)展，且逐漸走向規(guī)?；图s化，大量產(chǎn)生的畜禽糞便的處理備受公眾關(guān)注[1]。對(duì)畜禽糞便進(jìn)行無(wú)害化、資源化處理，迎合了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境保護(hù)和資源危機(jī)的雙重呼吁。目前，厭氧消化產(chǎn)沼和厭氧消化產(chǎn)氫是畜禽糞便進(jìn)行減量化和資源化的主要兩種方式。其中，對(duì)于利用畜禽糞便進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼的技術(shù)研究起步較早，且發(fā)展較為成熟[2]。在我國(guó)大中型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)用于糞便處理的沼氣工程的運(yùn)行過(guò)程中普遍發(fā)現(xiàn)存在產(chǎn)氣率低、發(fā)酵溫度不高等諸多問(wèn)題[3]。尤其對(duì)于雞糞等碳氮比(C/N)相對(duì)較低的畜禽糞便，且其在厭氧消化過(guò)程中銨態(tài)氮的濃度累積較高，也不利于消化過(guò)程中產(chǎn)甲烷菌的活性[4]。因此，如何改善以雞糞作為厭氧產(chǎn)沼工程進(jìn)料而導(dǎo)致的C/N比失衡，氨抑制等問(wèn)題，關(guān)乎家禽養(yǎng)殖場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，已成為我國(guó)科學(xué)界的重要研究課題。針對(duì)上述問(wèn)題，基于雞糞的厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)得到了科研工作者廣泛的關(guān)注和研究，并就厭氧共消化的對(duì)象、運(yùn)行方式等進(jìn)行了大量的理論論證。

2 營(yíng)養(yǎng)失衡及其改善措施

通常厭氧消化產(chǎn)沼的工藝進(jìn)料中C/N比的適宜范圍為15～30[5]，而雞糞中C/N比往往低于15(如表1所示)，單獨(dú)利用雞糞進(jìn)行厭氧消化將使工藝營(yíng)養(yǎng)失衡，導(dǎo)致產(chǎn)沼率低、消化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等不利結(jié)果[6]。因此，在雞糞厭氧消化產(chǎn)沼工藝中引入C/N比較高、易降解的共消化底物(底物裂解和水解過(guò)程是共消化的限速步驟[7])或從進(jìn)料工藝上進(jìn)行優(yōu)化，將極大地改善消化過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)失調(diào)問(wèn)題，提高產(chǎn)沼效率及產(chǎn)甲烷效率。

表1 厭氧共消化常規(guī)底物初始組分[9-11，13，15，16，20]

2.1 共消化底物篩選及其改善效果

目前，圍繞雞糞厭氧消化產(chǎn)沼工藝的共消化底物的研究主要有農(nóng)作廢物、畜禽糞便、市政固體廢棄物、藻類和污泥等，從添加共消化底物組成上分又分單種組分或多種組分。

2.1.1 添加單種底物共消化

玉米秸稈和雞糞均是我國(guó)十分常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物，且產(chǎn)量十分巨大，市場(chǎng)價(jià)格低廉，將兩者進(jìn)行共消化產(chǎn)沼具有良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。另外，玉米秸稈中C/N比高達(dá)60以上，可以很好的調(diào)節(jié)共消化底物中的營(yíng)養(yǎng)比例，且兩者在消化產(chǎn)沼過(guò)程中存在協(xié)同作用。在連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器中，當(dāng)進(jìn)料玉米秸稈和雞糞混合物中C/N比維持在20，進(jìn)料總固體濃度(TS)為12%，進(jìn)料有機(jī)負(fù)荷(OLR)為4g VS/L·d (VS為揮發(fā)性固體)時(shí)，產(chǎn)沼過(guò)程最穩(wěn)定且甲烷產(chǎn)量最高，產(chǎn)值為223±7mL/g VS[8]。類似的，小麥秸稈和雞糞的共消化產(chǎn)沼研究也到得了C/N比為20下產(chǎn)甲烷效果最佳的結(jié)論，產(chǎn)甲烷性能可以提高85.11%[9]。

此外，添加單種底物如食品垃圾[10]、微藻[11]、海草和芒草[12]等分別與雞糞進(jìn)行厭氧共消化產(chǎn)沼的研究報(bào)道也屢見(jiàn)不鮮。

2.1.2 添加多種底物共消化

通過(guò)優(yōu)化進(jìn)料的組分和C/N比，可以實(shí)現(xiàn)牛糞、小麥秸稈和雞糞三者的共消化產(chǎn)沼過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行，其中，尤其是小麥秸稈補(bǔ)充了混料中的碳含量及雞糞補(bǔ)充了混料中的氮含量，使得三者的協(xié)同作用十分顯著。共消化過(guò)程中，產(chǎn)甲烷的效率隨著C/N比的增長(zhǎng)呈先上升后降低的趨勢(shì)，且當(dāng)C/N比為27.2時(shí)產(chǎn)甲烷效果最佳，此時(shí)pH環(huán)境也最穩(wěn)定[13]。在微藻和雞糞的共消化產(chǎn)沼過(guò)程中少量甘油添加所起到的促進(jìn)作用也很好地驗(yàn)證了協(xié)同作用的存在[14]。

此外，雞糞分別與小麥秸稈和污泥[9]、青飼玉米和牛糞[15]、果蔬和牛糞漿[16]等混料厭氧產(chǎn)沼工藝也常見(jiàn)報(bào)道。

2.2 工藝優(yōu)化及其改善效果

厭氧共消化產(chǎn)沼的工藝設(shè)計(jì)上可分單段式和多段式，工藝運(yùn)行過(guò)程中可控制進(jìn)料順序、比例和頻次。不同的工藝設(shè)計(jì)和操作均可改善共消化過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)條件，從而使得消化過(guò)程中的產(chǎn)沼和產(chǎn)甲烷效果得到大大提升。

2.2.1 工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)

通常厭氧消化采用的是單段式的反應(yīng)系統(tǒng)，而通過(guò)兩段式的工藝路線設(shè)計(jì)，即在高溫產(chǎn)甲烷階段前設(shè)置一中溫水解階段，形成中溫-高溫兩段式消化體系，可提高雞糞的厭氧產(chǎn)沼速率和沼氣中甲烷的比值。在半連續(xù)運(yùn)行條件下，雞糞的進(jìn)料濃度為2.2g VS/L·d，系統(tǒng)的產(chǎn)沼量為554mL/g VS，甲烷含量為74%[17]。

2.2.2 工藝運(yùn)行調(diào)整

在半連續(xù)運(yùn)行條件下，雞糞和食品垃圾共消化產(chǎn)沼過(guò)程中，研究?jī)煞N底物的不同進(jìn)料順序，即雞糞和食品垃圾各一天和兩天食品垃圾配一天雞糞兩種進(jìn)料方式的產(chǎn)沼效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雞糞和食品垃圾各進(jìn)料一天的運(yùn)行方式將使得產(chǎn)沼過(guò)程失敗，而另一種方式則獲得成功，最終可獲得較高的進(jìn)料負(fù)荷，高達(dá)2.50kg/L·d，同時(shí)，甲烷產(chǎn)率可達(dá)507.58mL/g VS，容積產(chǎn)氣率可達(dá)2.1L/L·d[10]。

3 氨抑制及其解除方法

將雞糞作為底物進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼過(guò)程中，因雞糞中含氮物質(zhì)含量較高，在消化過(guò)程中將分解產(chǎn)生大量的氨氮以及游離氨，尤其是游離氨，將影響甚至抑制系統(tǒng)的消化和產(chǎn)沼過(guò)程。氨抑制的影響因素較多，有總氨氮濃度、溫度、pH和種泥馴化情況等[18]，因此，氨抑制的濃度范圍較大，可達(dá)1500～7000mg N/L[19]。通常，氨抑制的解除方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法三大類，細(xì)分又主要有稀釋(TS<3%)或干化吹脫、共消化調(diào)C/N比和生物馴化等。然而稀釋過(guò)程必然導(dǎo)致最終處理產(chǎn)物大量增多，造成處理困難；而干化吹脫和生物馴化又造成過(guò)程的復(fù)雜化和處理成本增加，并且通常產(chǎn)甲烷效果也不佳(31～104mL/g VS)[10]。因此，通過(guò)底物共消化調(diào)節(jié)C/N比，從而改善消化系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，有利于促進(jìn)產(chǎn)沼和產(chǎn)甲烷過(guò)程，是一條經(jīng)濟(jì)又有效的途徑。通過(guò)底物共消化調(diào)節(jié)C/N比解除氨抑制一般圍繞添加單種底物或多種底物進(jìn)行研究。

3.1 兩種底物共消化去氨抑制

通常情況下，調(diào)節(jié)C/N比的添加底物需要含有較高有機(jī)物含量但較低的含氮物質(zhì)比例。青飼玉米是一種有機(jī)物含量很高但含氮物質(zhì)比例相對(duì)較低的農(nóng)作廢物，其VS/TS高達(dá)94.8%，氮元素比例只占TS的2.68%；而雞糞的VS/TS為82.5%，氮元素比例則有TS的4.83%。將兩種廢棄物進(jìn)行共消化產(chǎn)沼，甲烷的產(chǎn)量可以達(dá)到309 mL/g VS，但對(duì)雞糞的摻雜比例有一定的限制，其VS占混料VS比例不應(yīng)高于20%，否則將不利于共消化的穩(wěn)定性。在該共消化體系中，總氨氮(TAN)的濃度可以高達(dá)7 g N/L而不至引起對(duì)產(chǎn)甲烷菌的嚴(yán)重抑制，此過(guò)程的主要產(chǎn)甲烷菌種為氫自養(yǎng)性產(chǎn)甲烷菌。當(dāng)TAN高達(dá)9 g N/L時(shí)，產(chǎn)甲烷過(guò)程將受到完全抑制[20]。

罌粟花的含氮量很低，相對(duì)雞糞高達(dá)4.38%～5.96% TS的總凱氏氮(TKN)含量，其TKN值僅有0.72%～0.86% TS。將罌粟花用于混合雞糞進(jìn)行消化產(chǎn)沼，在混料進(jìn)料濃度為2.78～3.56g VS/L·d條件下，產(chǎn)沼過(guò)程可以承受TAN閾值高達(dá)6650mg/L。該共消化體系產(chǎn)甲烷最大值為0.361mL/g VS，此時(shí)的TAN和游離氨濃度分別高達(dá)4000和300mg/L。當(dāng)TAN高達(dá)6100mg/L時(shí)，甲烷的產(chǎn)量仍可維持在大約281mL/g VS；而當(dāng)TAN超過(guò)6500mg/L時(shí)，甲烷的產(chǎn)量才開始顯著降低，降至141mL/g VS[21]。

此外，雞糞分別與象草[22]、椰子廢料、木薯廢料和咖啡渣[23]等進(jìn)行共消化產(chǎn)沼均能得到良好的提高氨抑制閾值的作用，從而促進(jìn)了產(chǎn)沼和產(chǎn)甲烷效率。

3.2 多種底物共消化去氨抑制

在雞糞和牛糞的中溫厭氧共消化體系中加入青飼玉米，可有效緩解氨抑制，最終產(chǎn)甲烷效率和產(chǎn)能效率可提高1.2倍。盡管如此，該共消化體系的混料中雞糞仍需控制在一定的比例，且系統(tǒng)的pH值最好控制在8.3以下，否則將對(duì)厭氧產(chǎn)沼過(guò)程帶來(lái)不利[15]。無(wú)獨(dú)有偶，小麥秸稈對(duì)雞糞和牛糞的共消化產(chǎn)沼體系也起到了異曲同工的效果。通過(guò)添加小麥秸稈調(diào)節(jié)混料中C/N值，當(dāng)C/N值為25或30時(shí)，體系的pH水平較為穩(wěn)定，TAN和游離氨濃度均較低，消化效果較好。同樣，混料中雞糞的占比和C/N值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[13]。

4 結(jié)論與展望

利用雞糞進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)沼既解決了家禽養(yǎng)殖場(chǎng)的污染問(wèn)題，也對(duì)家禽糞便進(jìn)行了資源化利用，是雞糞處理技術(shù)發(fā)展的主要方向。然而，雞糞作為消化底物因其含有較高比例的含氮物質(zhì)，將不利于產(chǎn)沼過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)平衡；同時(shí)，大量分解產(chǎn)生的氨氮累積后將對(duì)產(chǎn)沼過(guò)程產(chǎn)生抑制作用。利用厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)，可通過(guò)引入單種或多種有機(jī)含量高、含氮物質(zhì)比例低的廢棄物，調(diào)節(jié)消化過(guò)程中的C/N值，既均衡了消化底物營(yíng)養(yǎng)的同時(shí)，也提高了氨抑制的閾值，極大地促進(jìn)了產(chǎn)沼和產(chǎn)甲烷效率，是雞糞資源化的一個(gè)重要的研究方向。

然而，通過(guò)厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)回收雞糞中的可資源化部分的同時(shí)，對(duì)于混料中雞糞的比例控制較嚴(yán)，如何有效提高進(jìn)料中雞糞的占比，對(duì)于提高雞糞的處理和資源化效率至關(guān)重要。對(duì)于氨抑制的解除方法，單獨(dú)的厭氧氨氧化、磷酸鎂銨沉淀法等研究較多。耦合氨抑制解除方法和共消化產(chǎn)沼技術(shù)，能有效提高氨抑制閾值的同時(shí)，降低氨氮的累積濃度，具有十分廣闊的研究前景。

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ShortageandImprovementofAnaerobicCo-digestionBasedonChickenManure

JIN Ningben ZHANG Ruina LIU Zeqing

(Shanghai Environmental Sanitation Engineering Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200232，China)

Anaerobic digestion of chicken manure alone will be unfavourable to processes of digestion and methane production because of low C/N value and ammonia inhibition.The anaerobic co-digestion technology，by adding one or more waste substances of high organic content but low content of nitrogen to chicken manure，not only balance the nutrition of digestion system，but also improve the threshold of ammonia inhibition，which is conducive to improving the efficiency of biogas and methane production.A method of coupling ammonia suppression and anaerobic co-digestion was proposed to solve the problem of low proportion of chicken manure in co-digestion system.

chicken manure；co-digestion；nutritional imbalance；ammonia suppression；recycling

X21

A

1673-288X(2017)05-0053-03

項(xiàng)目資助：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD24B01)

金寧奔，博士，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物處理

文獻(xiàn)格式：金寧奔 等.基于雞糞的厭氧共消化產(chǎn)沼技術(shù)的不足與改進(jìn)[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(5)：53-55.