畜禽粪便和粪水厌氧消化技术分析与展望

专题畜禽粪便和粪水厌氧消化技术分析与展望www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）4948www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）乔玮，副教授，博士生导师，长期从事农业废弃物的厌氧生物处理、有机废水的厌氧膜生物反应器等研究工作，是国际水协会（IWA）污泥管理分会青年专家、国际标准化组织沼气工作组ISO-TC255成员、国际标准化组织污泥工作组ISO-TC275成员、日本水环境学会国际会员；是农业部可再生能源洁净化利用技术重点实验室和国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心的科研骨干。E-mail：qiaowei@cau.edu.cn畜禽粪便和粪水厌氧消化技术分析与展望1.中国农业大学工学院，北京1000832.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发（实验）中心，中国农业大学，北京1000833.山东中农三月环保科技股份有限公司，烟台2640064.中国农业大学烟台研究院，烟台264670摘要：随着我国畜禽养殖集约化程度的不断提高，畜禽粪污导致的环境污染已成为畜禽养殖业发展面临的重要制约因素。粪污通过厌氧消化可回收能源、生产沼肥和消灭病原菌，避免对环境产生危害，是畜禽粪污处理和资源利用技术链条的核心环节。根据原料性质的差异，将粪污区分为畜禽粪便与养殖废水，分别探讨了这两种处理对象厌氧消化处理的不同技术难点和发展方向。针对畜禽粪便，重点探讨了高含氮粪便厌氧消化过程中存在的氨抑制问题及解除氨抑制的方法；针对养殖废水，介绍了废水处理与回用标准，比较分析了升流式厌氧污泥床、厌氧膜生物反应器、厌氧折流板反应器和自搅拌厌氧折流板反应器等几种代表性的和新型的废水厌氧处理工艺，并展望了技术的创新发展，旨在为畜禽粪便和养殖废水的厌氧消化及废水回用技术的发展提供参考。关键词：粪便；粪水；厌氧消化DOI:10.3969/j.issn.1674-0319.2019.02.006通讯作者：董仁杰，教授，主要研究方向为生物质废物的能源化。E-mail：rjdong@cau.edu.cn基金项目：北京自然科学基金（6182017）我国拥有全球最大的畜禽养殖业，每年产生畜禽粪便和粪水约38亿吨，生猪、奶牛和家禽是三大主要畜种，其产生的粪污量占畜禽粪污总量的73%，是主要的处理对象[1]。厌氧消化具有处理废物和回收清洁沼气能源双重特点，是畜禽粪污资源化利用和能源化利用的主要途径之一。畜禽养殖粪污主要包括高浓度的畜禽粪便和低浓度的畜禽粪水。以家禽粪便为主的畜禽粪便，厌氧消化基质浓度通常在8%（总固体）以上，有机质含量高，产气潜能也较高[2]。但是，家禽粪便中含氮量高，氨氮抑制导致厌氧消化产气效率降低，沼液中有机酸残留浓度高，沼液还田存在不利于作物生长等风险[3]。因此，缓解氨抑制成为高含氮家禽粪便厌氧消化工艺中的技术关键。另外，养殖过程中产生大量粪尿水、冲洗水和生活废水等组成的养殖废水，其产生量大、能乔玮1,2，尹冬敏1,2，姜萌萌1,2，毕少杰1,2，鞠鑫鑫3，董仁杰1,2,4专题www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）5150www.biobusiness.com.cn生物产业技术2019.02（3月）表1几种畜禽粪便的特性[5-6]原料C/NTS/%（VS/TS）/%CH4/%BMP/（mL/gVS）牛粪6～208～1275～8555～75200～300猪粪5～205～2578～8070～80250～500鸡粪3～1010～3070～8060～80350～600鸭粪10～1515～3070～8065～75200～450注：TS（totalsolid），总固体。表2高浓度鸡粪厌氧消化的产气特性反应器温度/℃VS/%氨氮/（g/L）VFA/（g/L）甲烷产量/（mL/gVS）BMP/（mL/gVS）参考文献CSTR3610.8>7.226.1120—[11]CSTR4024.07.09.6160250[12]CSTR357.5>6.02165～180—[13]CSTR3610.86.018.9170—[14]注：CSTR（continuouslystirredtankreactor），全混式厌氧反应器；VFA（volatilefattyacid），挥发性脂肪酸。源价值低、处理成本较高，厌氧处理存在诸多的技术难点。1高含氮畜禽粪便氨抑制分析与解除1.1主要畜种粪便发酵特性与瓶颈牛饲料中的大部分有机物可被动物瘤胃消化[4]，且牛属于草食性动物，粪便中纤维含量较高，厌氧消化中难以完全利用，一般牛粪比鸡粪和猪粪的产甲烷潜能（bio-methanepotential，BMP）要低，约为200～300mL/gVS[VS（volatilesolid