基于鸡粪的厌氧共消化产沼技术的不足与改进

金宁奔 张瑞娜 刘泽庆

(上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232)

基于鸡粪的厌氧共消化产沼技术的不足与改进

金宁奔 张瑞娜 刘泽庆

(上海环境卫生工程设计院有限公司，上海 200232)

单独利用鸡粪进行厌氧消化产沼因C/N值低、氨抑制等问题，将不利于消化和产甲烷过程。采用厌氧共消化产沼技术，通过添加单种或多种有机含量高但氮含量低的废弃物与鸡粪进行混合消化，不仅平衡了消化底物的营养，也提高了氨抑制的阈值，有利于提高产沼和产甲烷效率。提出了耦合氨抑制解除方法和厌氧共消化产沼技术解决共消化体系中鸡粪占比不高问题的研究方向。

鸡粪；共消化；营养失衡；氨抑制；资源化

1 引 言

近年来，我国的畜牧业得到了大力地扶持和发展，且逐渐走向规模化和集约化，大量产生的畜禽粪便的处理备受公众关注[1]。对畜禽粪便进行无害化、资源化处理，迎合了当前国内外对环境保护和资源危机的双重呼吁。目前，厌氧消化产沼和厌氧消化产氢是畜禽粪便进行减量化和资源化的主要两种方式。其中，对于利用畜禽粪便进行厌氧消化产沼的技术研究起步较早，且发展较为成熟[2]。在我国大中型畜禽养殖场用于粪便处理的沼气工程的运行过程中普遍发现存在产气率低、发酵温度不高等诸多问题[3]。尤其对于鸡粪等碳氮比(C/N)相对较低的畜禽粪便，且其在厌氧消化过程中铵态氮的浓度累积较高，也不利于消化过程中产甲烷菌的活性[4]。因此，如何改善以鸡粪作为厌氧产沼工程进料而导致的C/N比失衡，氨抑制等问题，关乎家禽养殖场的可持续发展和新农村建设的稳步推进，已成为我国科学界的重要研究课题。针对上述问题，基于鸡粪的厌氧共消化产沼技术得到了科研工作者广泛的关注和研究，并就厌氧共消化的对象、运行方式等进行了大量的理论论证。

2 营养失衡及其改善措施

通常厌氧消化产沼的工艺进料中C/N比的适宜范围为15～30[5]，而鸡粪中C/N比往往低于15(如表1所示)，单独利用鸡粪进行厌氧消化将使工艺营养失衡，导致产沼率低、消化时间过长等不利结果[6]。因此，在鸡粪厌氧消化产沼工艺中引入C/N比较高、易降解的共消化底物(底物裂解和水解过程是共消化的限速步骤[7])或从进料工艺上进行优化，将极大地改善消化过程中营养失调问题，提高产沼效率及产甲烷效率。

表1 厌氧共消化常规底物初始组分[9-11，13，15，16，20]

2.1 共消化底物筛选及其改善效果

目前，围绕鸡粪厌氧消化产沼工艺的共消化底物的研究主要有农作废物、畜禽粪便、市政固体废弃物、藻类和污泥等，从添加共消化底物组成上分又分单种组分或多种组分。

2.1.1 添加单种底物共消化

玉米秸秆和鸡粪均是我国十分常见的农业废弃物，且产量十分巨大，市场价格低廉，将两者进行共消化产沼具有良好的经济基础。另外，玉米秸秆中C/N比高达60以上，可以很好的调节共消化底物中的营养比例，且两者在消化产沼过程中存在协同作用。在连续搅拌釜式反应器中，当进料玉米秸秆和鸡粪混合物中C/N比维持在20，进料总固体浓度(TS)为12%，进料有机负荷(OLR)为4g VS/L·d (VS为挥发性固体)时，产沼过程最稳定且甲烷产量最高，产值为223±7mL/g VS[8]。类似的，小麦秸秆和鸡粪的共消化产沼研究也到得了C/N比为20下产甲烷效果最佳的结论，产甲烷性能可以提高85.11%[9]。

此外，添加单种底物如食品垃圾[10]、微藻[11]、海草和芒草[12]等分别与鸡粪进行厌氧共消化产沼的研究报道也屡见不鲜。

2.1.2 添加多种底物共消化

通过优化进料的组分和C/N比，可以实现牛粪、小麦秸秆和鸡粪三者的共消化产沼过程的稳定进行，其中，尤其是小麦秸秆补充了混料中的碳含量及鸡粪补充了混料中的氮含量，使得三者的协同作用十分显著。共消化过程中，产甲烷的效率随着C/N比的增长呈先上升后降低的趋势，且当C/N比为27.2时产甲烷效果最佳，此时pH环境也最稳定[13]。在微藻和鸡粪的共消化产沼过程中少量甘油添加所起到的促进作用也很好地验证了协同作用的存在[14]。

此外，鸡粪分别与小麦秸秆和污泥[9]、青饲玉米和牛粪[15]、果蔬和牛粪浆[16]等混料厌氧产沼工艺也常见报道。

2.2 工艺优化及其改善效果

厌氧共消化产沼的工艺设计上可分单段式和多段式，工艺运行过程中可控制进料顺序、比例和频次。不同的工艺设计和操作均可改善共消化过程中的营养条件，从而使得消化过程中的产沼和产甲烷效果得到大大提升。

2.2.1 工艺设计改进

通常厌氧消化采用的是单段式的反应系统，而通过两段式的工艺路线设计，即在高温产甲烷阶段前设置一中温水解阶段，形成中温-高温两段式消化体系，可提高鸡粪的厌氧产沼速率和沼气中甲烷的比值。在半连续运行条件下，鸡粪的进料浓度为2.2g VS/L·d，系统的产沼量为554mL/g VS，甲烷含量为74%[17]。

2.2.2 工艺运行调整

在半连续运行条件下，鸡粪和食品垃圾共消化产沼过程中，研究两种底物的不同进料顺序，即鸡粪和食品垃圾各一天和两天食品垃圾配一天鸡粪两种进料方式的产沼效果。结果发现，鸡粪和食品垃圾各进料一天的运行方式将使得产沼过程失败，而另一种方式则获得成功，最终可获得较高的进料负荷，高达2.50kg/L·d，同时，甲烷产率可达507.58mL/g VS，容积产气率可达2.1L/L·d[10]。

3 氨抑制及其解除方法

将鸡粪作为底物进行厌氧消化产沼过程中，因鸡粪中含氮物质含量较高，在消化过程中将分解产生大量的氨氮以及游离氨，尤其是游离氨，将影响甚至抑制系统的消化和产沼过程。氨抑制的影响因素较多，有总氨氮浓度、温度、pH和种泥驯化情况等[18]，因此，氨抑制的浓度范围较大，可达1500～7000mg N/L[19]。通常，氨抑制的解除方法主要有物理法、化学法和生物法三大类，细分又主要有稀释(TS<3%)或干化吹脱、共消化调C/N比和生物驯化等。然而稀释过程必然导致最终处理产物大量增多，造成处理困难；而干化吹脱和生物驯化又造成过程的复杂化和处理成本增加，并且通常产甲烷效果也不佳(31～104mL/g VS)[10]。因此，通过底物共消化调节C/N比，从而改善消化系统营养结构，有利于促进产沼和产甲烷过程，是一条经济又有效的途径。通过底物共消化调节C/N比解除氨抑制一般围绕添加单种底物或多种底物进行研究。

3.1 两种底物共消化去氨抑制

通常情况下，调节C/N比的添加底物需要含有较高有机物含量但较低的含氮物质比例。青饲玉米是一种有机物含量很高但含氮物质比例相对较低的农作废物，其VS/TS高达94.8%，氮元素比例只占TS的2.68%；而鸡粪的VS/TS为82.5%，氮元素比例则有TS的4.83%。将两种废弃物进行共消化产沼，甲烷的产量可以达到309 mL/g VS，但对鸡粪的掺杂比例有一定的限制，其VS占混料VS比例不应高于20%，否则将不利于共消化的稳定性。在该共消化体系中，总氨氮(TAN)的浓度可以高达7 g N/L而不至引起对产甲烷菌的严重抑制，此过程的主要产甲烷菌种为氢自养性产甲烷菌。当TAN高达9 g N/L时，产甲烷过程将受到完全抑制[20]。

罂粟花的含氮量很低，相对鸡粪高达4.38%～5.96% TS的总凯氏氮(TKN)含量，其TKN值仅有0.72%～0.86% TS。将罂粟花用于混合鸡粪进行消化产沼，在混料进料浓度为2.78～3.56g VS/L·d条件下，产沼过程可以承受TAN阈值高达6650mg/L。该共消化体系产甲烷最大值为0.361mL/g VS，此时的TAN和游离氨浓度分别高达4000和300mg/L。当TAN高达6100mg/L时，甲烷的产量仍可维持在大约281mL/g VS；而当TAN超过6500mg/L时，甲烷的产量才开始显著降低，降至141mL/g VS[21]。

此外，鸡粪分别与象草[22]、椰子废料、木薯废料和咖啡渣[23]等进行共消化产沼均能得到良好的提高氨抑制阈值的作用，从而促进了产沼和产甲烷效率。

3.2 多种底物共消化去氨抑制

在鸡粪和牛粪的中温厌氧共消化体系中加入青饲玉米，可有效缓解氨抑制，最终产甲烷效率和产能效率可提高1.2倍。尽管如此，该共消化体系的混料中鸡粪仍需控制在一定的比例，且系统的pH值最好控制在8.3以下，否则将对厌氧产沼过程带来不利[15]。无独有偶，小麦秸秆对鸡粪和牛粪的共消化产沼体系也起到了异曲同工的效果。通过添加小麦秸秆调节混料中C/N值，当C/N值为25或30时，体系的pH水平较为稳定，TAN和游离氨浓度均较低，消化效果较好。同样，混料中鸡粪的占比和C/N值对系统的稳定运行至关重要[13]。

4 结论与展望

利用鸡粪进行厌氧消化产沼既解决了家禽养殖场的污染问题，也对家禽粪便进行了资源化利用，是鸡粪处理技术发展的主要方向。然而，鸡粪作为消化底物因其含有较高比例的含氮物质，将不利于产沼过程的营养平衡；同时，大量分解产生的氨氮累积后将对产沼过程产生抑制作用。利用厌氧共消化产沼技术，可通过引入单种或多种有机含量高、含氮物质比例低的废弃物，调节消化过程中的C/N值，既均衡了消化底物营养的同时，也提高了氨抑制的阈值，极大地促进了产沼和产甲烷效率，是鸡粪资源化的一个重要的研究方向。

然而，通过厌氧共消化产沼技术回收鸡粪中的可资源化部分的同时，对于混料中鸡粪的比例控制较严，如何有效提高进料中鸡粪的占比，对于提高鸡粪的处理和资源化效率至关重要。对于氨抑制的解除方法，单独的厌氧氨氧化、磷酸镁铵沉淀法等研究较多。耦合氨抑制解除方法和共消化产沼技术，能有效提高氨抑制阈值的同时，降低氨氮的累积浓度，具有十分广阔的研究前景。

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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

项目资助：国家科技支撑计划项目(2014BAD24B01)

金宁奔，博士，研究方向为固体废弃物处理

文献格式：金宁奔 等.基于鸡粪的厌氧共消化产沼技术的不足与改进[J].环境与可持续发展，2017，42(5)：53-55.