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近年來(lái),隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,畜禽糞便產(chǎn)生量隨之增加,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2012年我國(guó)畜禽糞便排放量達(dá)32.1億噸。同時(shí),《全國(guó)畜禽養(yǎng)殖污染防治“十二五”規(guī)劃》指出,2010年畜禽養(yǎng)殖業(yè)的化學(xué)需氧量、氨氮排放量分別達(dá)到1148萬(wàn)噸和65萬(wàn)噸,占全國(guó)排放總量的比例分別為45%和25%,畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要來(lái)源。利用畜禽糞污厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有高性價(jià)比的溫室氣體減排技術(shù),它不僅能產(chǎn)生可再生能源而且能提高傳統(tǒng)畜禽糞污管理技術(shù)過(guò)程中溫室氣體平衡,對(duì)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,對(duì)解決養(yǎng)殖業(yè)污染問(wèn)題有重要意義2-31。然而傳統(tǒng)畜禽糞污

厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程中存在發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)和消化液產(chǎn)生量大的特點(diǎn),導(dǎo)致發(fā)酵效率低和厭氧消化液后處理問(wèn)題成為制約沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

氫烷是指氫氣、甲烷混合氣,其中氫氣體積含量在0%-20%,來(lái)源于生物質(zhì)的氫烷就是生物氫烷“。與傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷相比,兩階段厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物氫烷具有以下優(yōu)點(diǎn):1)能量回收率更高。梯級(jí)厭氧轉(zhuǎn)化生物氫烷的理論能量回收率分別比單獨(dú)厭氧轉(zhuǎn)化生物制氫、生物甲烷高150%和15%5);2)厭氧梯級(jí)轉(zhuǎn)化可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氫和產(chǎn)甲烷兩階段反應(yīng)和微生物菌群的優(yōu)化控制3,主要性能參數(shù)H2CH4可通過(guò)梯級(jí)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)原位調(diào)控,工藝靈活性大;

3)厭氧梯級(jí)轉(zhuǎn)化處理有毒或難降解等復(fù)雜有機(jī)物效率更高,產(chǎn)氫作為產(chǎn)甲烷前一步驟,表現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,可作為產(chǎn)甲烷的預(yù)處理步驟”;

4)相比生物甲烷,生物氫烷經(jīng)提純后作為

車(chē)用燃料更加環(huán)保和更高效

與自然生物法和生化法處理發(fā)酵液相比較,利用沼氣池微藻處理發(fā)酵液具有以下優(yōu)勢(shì):

1)依賴其較高的光合效率,吸收空氣中二氧化碳等作為碳源,能夠在一定程度上減弱溫室效應(yīng);

2)沼氣池微藻生長(zhǎng)速度快,生長(zhǎng)周期短,沼氣池微藻環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),可以在  鹽湖及非耕地中生長(zhǎng),不占用農(nóng)業(yè)用地;

3)通過(guò)沼氣池微藻處理發(fā)酵液不產(chǎn)生額外污染物且能有效回收營(yíng)養(yǎng)元素,是更環(huán)保和可持續(xù)的途徑

針對(duì)目前畜禽糞污厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程的問(wèn)題  者將構(gòu)建生物氫烷耦合微藻養(yǎng)殖的畜禽糞污利用系  統(tǒng),以兩階段厭氧發(fā)酵為主,并輔以發(fā)酵液培養(yǎng)微藻  用以解決發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)及發(fā)酵液處理難的問(wèn)題。并且  對(duì)耦合系統(tǒng)的碳元素及營(yíng)養(yǎng)元素流動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)分  析,為耦合系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論數(shù)據(jù)支撐

1材料與方法

1.1耦合系統(tǒng)介紹

生物氫烷耦合沼氣池微藻養(yǎng)殖的畜禽糞污資源化系統(tǒng)  如圖1所示。畜禽糞污(如豬糞)收集后,經(jīng)預(yù)處理  進(jìn)入填充床反應(yīng)器( Packed Bed Reactor,PBR)進(jìn)行  厭氧暗發(fā)酵產(chǎn)氫,第1階段厭氧發(fā)酵結(jié)束后發(fā)酵殘  余物輸送至上流式厭氧污泥床反應(yīng)器( Upflow An  aerobic Sludge Blanket,UASB)進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲  烷,兩階段厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的生物氫烷收集后經(jīng)相應(yīng)  處理,可以用作車(chē)載燃料等。同時(shí),發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生

的發(fā)酵液和發(fā)酵副產(chǎn)物(二氧化碳)流向沼氣池微藻養(yǎng)殖  系統(tǒng),為沼氣池微藻生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)元素及碳源;發(fā)酵液凈化  后可用于灌溉或直接排放,沼氣池微藻收獲后可與畜禽糞  污經(jīng)混合預(yù)處理重新進(jìn)入到厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。

1.2耦合系統(tǒng)構(gòu)建 

耦合系統(tǒng)將在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下以6kg·d豬糞  為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì),其中豬糞TS為18%,Vs為76.17%13

1.2.1反應(yīng)器構(gòu)建  

耦合系統(tǒng)中發(fā)酵工藝為兩階段厭氧發(fā)酵,且第  1階段暗發(fā)酵產(chǎn)氫和第2階段厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷所采  用的反應(yīng)器分別為PBR和UASB。厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)  進(jìn)料濃度TS為2%,高徑比為6:1,水力停留時(shí)間  HT)為12h,裝料系數(shù)為0.8。厭氧反應(yīng)器主  要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,并假設(shè)在兩階段厭氧發(fā)酵  過(guò)程中,20%C0D在產(chǎn)氫階段降解,80%COD在產(chǎn)  甲烷階段降解。暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中,氣體產(chǎn)物氫  氣占40%,二氧化碳占60%16;在厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷  階段,氣體產(chǎn)物甲烷占60%,二氧化碳占40%N在該設(shè)計(jì)條件下,使用豬糞為原料進(jìn)行兩階段厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氫氣和甲烷分別為27.22L和374.98L。

1.2.2沼氣池微藻養(yǎng)殖模塊構(gòu)建

沼氣池微藻養(yǎng)殖模塊中,通過(guò)利用富含營(yíng)養(yǎng)元素的發(fā)酵液和較高二氧化碳濃度的氣體產(chǎn)物,不僅降低了沼氣池微藻培養(yǎng)成本,實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵液處理與沼氣池微藻能源生產(chǎn)耦合,還能去除氣體產(chǎn)物中二氧化碳。與專門(mén)的藻類培養(yǎng)基相比,發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)成分不均衡(pH值高,總氮高,總磷低)m,故發(fā)酵液中總氮和總磷含量將是沼氣池微藻培養(yǎng)過(guò)程的限制性因素。豬糞(干基)中總氮(TN)為4%,設(shè)發(fā)酵前后總氮損失率為  10%,發(fā)酵液總氮占發(fā)酵產(chǎn)物的50%131;豬糞(干  基)中總磷(TP)為3.6%,設(shè)發(fā)酵前后總磷損失率  為3%,發(fā)酵液總磷占發(fā)酵產(chǎn)物的3%9。  沼氣池微藻養(yǎng)殖階段選擇小球藻作為原料,采用立板  式光生物反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)式培養(yǎng),TN和TP去除率  為80%,停留時(shí)間為4天2),生長(zhǎng)速度假定為20  g·m2d121,且小球藻相關(guān)元素組成如表2所

示2)。在上述設(shè)計(jì)條件下,以TN為限制性因素時(shí)小球藻產(chǎn)量為254.95g·d,所需反應(yīng)器面積為3.19m2;以TP限制性因素時(shí)小球藻產(chǎn)量為113.14g·d-,所需反應(yīng)器面積為1.14m2?？紤]發(fā)酵液中營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率及系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,在沼氣池微藻養(yǎng)殖階段將以TN為限制性因素作為操作條件。

1.2.3徵藻兩階段厭氧發(fā)酵模塊  

研究表明。,與秸稈等生物質(zhì)相比,沼氣池微藻具有  較低的木質(zhì)素含量,是一種很有前途的厭氧發(fā)酵底  物。沼氣池微藻厭氧發(fā)酵繞過(guò)了藻類集中和提取油脂過(guò)  程,能顯著降低成本及能量消耗;通過(guò)后續(xù)處理可  營(yíng)養(yǎng)元素(N,P和K)回收再利用2)。與其他生物  燃料的生產(chǎn)過(guò)程相比,沼氣池微藻培養(yǎng)與沼氣生產(chǎn)相結(jié)合  具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。在本模塊中,收獲的小球藻  與豬糞混合進(jìn)行兩階段厭氧發(fā)酵,操作條件如上所  述,沼氣池微藻養(yǎng)殖與兩階段發(fā)酵耦合使氫氣和甲烷產(chǎn)量  分別增加6.42L·d和88.52L·d-1。沼氣池微藻養(yǎng)殖  過(guò)程中每生產(chǎn)1kg小球藻,可額外獲得氫氣24.48  L,甲烷33,.471;故與其它發(fā)酵液處理方式相比  該耦合系統(tǒng)產(chǎn)生1kg小球藻后經(jīng)兩階段厭氧發(fā)酵可額外獲得能量12.33MJ

2結(jié)果與分析

2.1碳元素流動(dòng)

利用豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)碳元素流動(dòng)情況所示。該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),根據(jù)上述數(shù)據(jù)有投入豬糞6kg,碳元素含量為7.8%31,豬糞中含碳468g;投入小球藻254.95g,碳元素含量為36.7%則小球藻中含碳93.57g,沼氣池微藻培養(yǎng)過(guò)程中對(duì)通入的

氧化碳利用率約為50%。厭氧發(fā)酵過(guò)程中共產(chǎn)生甲烷579.37L,其中微藻貢獻(xiàn)110.65L,占全部甲烷19%。氫烷耦合微藻系統(tǒng)碳元素流動(dòng)情況如  圖3所示,該系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中產(chǎn)生氫氣3.64L,其中沼氣池微藻貢獻(xiàn)6.42L,占全部氫氣19.08%;厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷過(guò)程中產(chǎn)生甲烷463.5L其中微藻貢獻(xiàn)8852L,占全部甲烷23.61%。  與單一的豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷(或產(chǎn)生物氫  烷)相比,養(yǎng)殖系統(tǒng)通過(guò)微藻養(yǎng)殖不僅處理了發(fā)酵液且氣體經(jīng)過(guò)沼氣池微藻利用二氧化碳后達(dá)到初步凈化的

效果,減少了溫室氣體的排放;培養(yǎng)后微藻經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生更多的可燃?xì)怏w,使畜禽糞污得到更加充分的利用,由此可見(jiàn)耦合系統(tǒng)更具可持續(xù)性。利用豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷耦合微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)比豬糞僅厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的能量回收率提高23.61%;而厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物氫烷耦合沼氣池微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)比僅厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物氫烷系統(tǒng)的能量回收率提高23.61%。根據(jù)林源)等對(duì)全國(guó)畜牧業(yè)糞污的測(cè)算,2009年共產(chǎn)生約21.83億t豬糞當(dāng)量,在采用生物氫烷耦合微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)處理糞污時(shí)其中厭氧發(fā)酵糞污產(chǎn)生9.91×10°m3氫氣和1.43×10"m3甲烷,而厭氧發(fā)酵微藻產(chǎn)生2.34×10°m3氫氣和3.22×10°m3甲烷;即采用生物氫烷耦合沼氣池微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)處理糞污時(shí)共產(chǎn)生187.45×10°m3生物氫烷。

2.2營(yíng)養(yǎng)元素流動(dòng)  豬糞利用系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)元素流動(dòng)情況如圖4所示,  筆者文中生物質(zhì)兩階段厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物氫烷的營(yíng)養(yǎng)  元素流動(dòng)的相關(guān)參數(shù)將參考生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷  過(guò)程的參數(shù);故營(yíng)養(yǎng)元素流動(dòng)情況主要包括豬糞直  接還田、豬糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷(或生物氫烷)及豬糞  厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷(或生物氫烷)耦合微藻養(yǎng)殖3個(gè)場(chǎng)景。  利用豬糞直接還田時(shí),氮元素?fù)p失27.95g,農(nóng)  作物能利用部分僅占豬糞中所有氮元素的  35.3%2),該利用過(guò)程中豬糞所含營(yíng)養(yǎng)元素利用不  充分。利用豬糞厭氧產(chǎn)甲烷(生物氫烷)時(shí),氮元素  損失12.35g,氮元素利用率達(dá)71.4%,比豬糞直接

還田場(chǎng)景高出36.1%。利用豬糞厭氧產(chǎn)甲烷(生物氫烷)耦合微藻養(yǎng)殖時(shí),通過(guò)沼氣池微藻養(yǎng)殖循環(huán)利用豬糞原料中的氮元素,該系統(tǒng)中氮元素僅在厭氧過(guò)程中損失4.32g,其利用率高達(dá)90%,比其他兩個(gè)場(chǎng)景均高出不少。從氮元素流動(dòng)情況來(lái)看,利用豬糞厭氧發(fā)酵耦合微藻養(yǎng)殖可使氮元素在其系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),能更有效利用氮元素。磷元素的流動(dòng)過(guò)程,由于其在還田過(guò)程中并未有較大損耗,因此3個(gè)場(chǎng)景中,磷元素的利用效率差異不大。

3結(jié)論

筆者針對(duì)目前畜禽糞污厭氧產(chǎn)甲烷過(guò)程的發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)和發(fā)酵液處理難等問(wèn)題,提出生物氫烷耦合微藻養(yǎng)殖的畜禽糞污利用系統(tǒng),并通過(guò)對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量流分析,得到以下結(jié)論。

(1)生物氫烷耦合沼氣池微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)主要包括了兩  階段厭氧發(fā)酵反應(yīng)器(PBR反應(yīng)器和UASB反應(yīng)  器)和微藻培養(yǎng)模塊;耦合系統(tǒng)通過(guò)兩階段厭氧發(fā)  酵減少了發(fā)酵時(shí)間,并獲得生物氫烷;通過(guò)微藻養(yǎng)殖  利用發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的發(fā)酵液和二氧化碳,并利用  培養(yǎng)的沼氣池微藻為兩階段厭氧發(fā)酵提供原料,使耦合系  統(tǒng)產(chǎn)出更多生物氫烷,使畜禽糞污得到更充分利用。  理論上,該耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),通過(guò)兩階段厭氧發(fā)  酵處理6kg豬糞,能產(chǎn)生生物氫烷497.14L。通過(guò)  該耦合系統(tǒng)處理全國(guó)畜禽糞污則共產(chǎn)生187.45  103m3生物氫烷。  

(2)生物氫烷耦合微藻養(yǎng)殖系統(tǒng)質(zhì)量流分析結(jié)  果表明,耦合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),暗發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程微藻  貢獻(xiàn)氫氣6.42L,占全部氫氣19.08%;厭氧發(fā)酵產(chǎn)

甲烷過(guò)程沼氣池微藻貢獻(xiàn)甲烷88.52L,古全部甲烷  23.61%。與僅厭氧發(fā)酵產(chǎn)生物氫烷相比,耦合系統(tǒng)  能量回收率提高了23.61。氮元素流動(dòng)分析表明  耦合系統(tǒng)由于氮元素在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),故更有效利用氮元素。

摘自《中國(guó)沼氣》2018第一期 李嘉銘 劉志丹 屈埴 司哺春

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