生豬養殖場排泄物能源化利用技術

張總平　牛培培　王文祥　王禮偉　李平華,2　黃瑞華,2*

（1南京農業大學淮安研究院，江蘇淮安223005；2南京農業大學養豬研究所，江蘇南京210095）

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生豬養殖場排泄物能源化利用技術

張總平1牛培培1王文祥1王禮偉1李平華1,2黃瑞華1,2*

（1南京農業大學淮安研究院，江蘇淮安223005；2南京農業大學養豬研究所，江蘇南京210095）

摘要：我國生豬養殖場排泄物的資源化利用的方式主要有肥料化、能源化、飼料化、基料化等幾種形式，其中能源化利用，將是未來排泄物綜合利用的一個主要方向。

關鍵詞：生豬養殖；糞便；排泄物；能源化

中國是世界上最大的生豬養殖國，20世紀80年代，我國開始出現工廠化養豬，規模化養豬得到了較快發展，尤其是進入21世紀以來，我國生豬規模化養殖呈現出加速發展的態勢[1]，在帶來巨大經濟、社會效益的同時，也導致規模豬場排泄物的排放量逐年增多[2]。有研究報道，2010年，全國畜禽養殖業的化學需氧量、氨氮排放量分別達到1 184萬噸和65萬噸，分別占全國排放總量的45%和25%，占農業源的95%和79%，包括生豬在內的畜禽養殖污染被認為是我國環境污染的重要來源[3,4]。盡管這些報道的可信度值得商榷，但規?；B殖排泄物集中排放，導致自然自凈能力跟不上而對局部環境造成傷害的現實是不容忽視的。

生豬養殖排泄物含有氮、磷、硫化氫、病原微生物、重金屬等物質，如直接排放于環境或簡單農用，致使排泄物在水體、土壤和大氣中跨介質遷移轉化，會造成嚴重的環境污染和次生、潛在的生態影響[5]；同時，由于排泄物所含有機物屬于生物質的一種可再生資源，加以有效利用可變廢為寶，實現生豬養殖業發展與環境保護的雙贏目標。因此，研究開發排泄物資源化利用的技術工藝，推進和指導生豬養殖污染防治工作，是現代循環農業、綠色農業的重要內容。

本文從生豬規模養殖排泄物的特點、處理現狀和處理方法入手，總結排泄物能源化研究進展，以期對生豬養殖排泄物的處理提供參考。

1　生豬養殖污染及處理現狀

近年來，我國養豬業發展迅速，集約化、規?；潭瓤焖偬岣撸i排泄物造成的環境污染和不良影響日益突出。與傳統養豬模式相比，規模化豬場產生的糞尿及污水量大，一個10萬頭豬場日產鮮糞80噸、污水260噸，產生NH3-N約159 kg/小時[6]。2015年8月全國主要江河污染指標顯示（圖1），化學需氧量、總磷、氨氮等指標位居前列，是水污染的主要因素[7]，生豬排泄物如果直接排放會導致水體污染。

圖1　2015年8月全國主要江河水系污染指標統計

目前，我國生豬養殖排泄物資源化利用的方式主要有肥料化、能源化、飼料化、基料化等幾種形式。隨著人類社會能源危機的不斷加重，開發可再生能源是當前世界范圍內的研究熱點，將養殖排泄物作為生物質能源的一種，實現能源化利用，既有利于養殖排泄物的有效處理，又有利于開發能源，將成為養殖排泄物綜合利用的一個主要方向。

2　生豬養殖排泄物能源化利用工藝進展

2.1以沼氣為核心的利用模式

在能源化利用方面，以沼氣利用最多。豬排泄物中有機物含量占干物質總量的80.1%，其中易分解的有機碳約占27.3%，氮、磷含量比較高，能被利用的養分約占70%，這為厭氧發酵微生物菌群提供了良好的原料。通過添加作物秸稈等方式，適當調節C/N比，使之成為沼氣發酵的優良原料[8]。全國各地根據區域農業、商業等特點，開發出了諸多有效的利用模式。江蘇儀征市以沼氣為紐帶，綜合利用沼氣、沼液、沼渣，形成了“鴨-豬-沼-魚”的循環生態模式，在當地科技園區推廣應用[9]，山東、重慶等地開展“畜-沼-糧”模式，以農業為中心，多種技術相結合，加速了種植業、養殖業系統中物質和能量的再循環利用，減少了農業面源污染，提高了經濟效益[10-11]，此外還有“三結合養畜模式”、“四位一體養畜模式”、度假村多級利用模式等，此處不再贅述。

在養殖場沼氣工程方面，我國普遍采用常溫和中溫發酵技術，目前中常溫發酵容積產氣率往往不到1.0 m3/m3·天，產氣速率低導致發酵罐體積大和投資高。浦紹瑞等[12]通過秸稈燃燒為高溫發酵過程提供熱量，將畜禽糞便高溫發酵與秸稈熱化學燃燒耦合，變中常溫發酵為高溫發酵，提高畜禽糞便厭氧發酵的處理速率，同時避免了秸稈的浪費。當發酵溫度從30℃提高到55℃，容積產氣率由1.43 m3/m3·天提高至3.40 m3/m3·天，發酵罐容積可縮小為原體積的1/2；大幅度提高了排泄物沼氣的效率產值，為綜合解決排泄物污染與農業廢棄物資源提供了新思路。

厭氧發酵制取沼氣技術工藝也面臨諸如出水有機物濃度高、溫度等氣候因素影響大、發酵時間長、配套技術不成熟等問題，仍需進一步加強探索和改進[13-14]。

2.2生物厭氧發酵法制氫

相對于農業沼氣工程，養殖排泄物厭氧發酵制取氫氣的研究開展較晚，仍處于探索、實驗階段，但該技術發展迅速，同時也可實現養殖排泄物、農業廢棄物資源的循環利用。微生物制氫過程可分為暗發酵制氫和光生物制氫（光解水制氫和光發酵制氫）兩種類型及其耦合[15]。厭氧發酵法生物制氫多采用暗發酵技術，以微生物生長和產氫速度快、反應器設計簡單易管理、能夠利用廢棄有機物為原料等優勢，被更多的科技工作者所接受[16-17]。

豬糞富含微生物合成產氫酶所需的Fe、Mn、Mo等微量元素，能夠滿足光合產氫細菌生長的需求，是培養光合細菌等產氫微生物的良好原料[18]。發酵法生物制氫是利用異養產氫菌進行厭氧發酵，將復雜的大分子有機碳水化合物水解、發酵產生H2、揮發性脂肪酸（VFAs）和CO2等。通常根據發酵末端產物組分的不同，將厭氧發酵生物制氫分為丁酸型、丙酸型和乙醇型三種發酵類型[19]。盧怡等[20]以鮮豬糞為原料，采用批量發酵工藝，其產氫潛力為127 mL/g（TS）和158 mL/g（VS），從豬糞的產氫潛力來看，與甲烷產率相近。張全國等[21]指出，對豬糞污水進行光合產氫的最佳預處理方法為光合細菌黑暗好氧處理4天，最佳工藝條件為溫度20～35℃、接種量50%、裝料厚度小于4 cm，其產氣量是對照組葡萄糖水溶液的24.1倍。

養殖排泄物生物發酵制氫技術雖然發展較快，但除了發酵微生物菌種、生理代謝調節等因素外，豬排泄物作為廉價底物應用于暗發酵和光發酵產氫的效率、工藝等還有待于進一步研究。

2.3糞便熱化學轉化

1971年White等[22]最早開展了畜禽糞便熱化學轉化技術的研究。該技術是指在加熱條件下，利用化學法將畜禽糞便轉換成燃料類能源的技術，生產能量密度高，易儲存和運輸，且具有商業價值的固態、液態和氣態燃料，以及熱能、電能等能源產品。目前，該技術領域主要包括直接燃燒、熱裂解、氣化和液化四種方式。

2.3.1直接燃燒

目前，生物質燃燒所利用的能源約占全球生物質能利用總量的95%[23]，直接燃燒技術具有設備簡單、能量釋放迅速的特點，多數研究針對植物秸稈、鋸末及草食家畜的糞便，豬糞作為生物質能源的燃燒技術較少。許道軍等[24]研究發現，豬糞發熱量雖然低于無煙煤，但其高位發熱量在16.72～17.65 MJ/kg之間，低位發熱量在14.24～15.34 MJ/kg之間，具備了良好的燃燒性能和直接燃燒利用的可行性。

2.3.2熱裂解

畜禽糞便的熱裂解是指糞便在無氧或缺氧條件下熱降解，最終生成生物油、木炭或可燃性氣體等，按其裂解過程可分為低溫慢速熱裂解、中溫快速熱裂解和高溫閃速熱裂解三種方式。低溫慢速熱裂解主要形成活性炭產品[25-27]，中溫快速熱裂解產物以生物油為主[28]，高溫閃速裂解方式研究較少。車德勇等[29]、史長東等[30]研究表明豬糞熱解活化能在52～113 kJ/mol之間，低于木屑、稻殼、椰殼等物質熱解的活化能，說明豬糞較其他生物質易受熱分解，適于熱裂解轉化。

2.3.3液化

畜禽糞便液化是將其轉換成液體燃料的熱化學過程，主要有超臨界液化和兩步法液化兩種處理方法。⑴畜禽糞便的超臨界液化研究始于20世紀90年代，伊利諾斯州大學科研人員對豬糞的超臨界液化進行了大量研究[31-32]，在10 MPa壓力、300℃停留15～30分鐘條件下，生物油產率最高可達80%。⑵兩步法液化技術是先將生物質進行氣化，再液化合成液體燃料。Koger等[33]對豬糞進行了氣流攜帶床（BKT）初步試驗。目前，畜禽糞便液化技術還處于實驗室起步研究階段，國內還未見生豬排泄物液化利用的相關報道。

2.3.4氣化

畜禽糞便氣化是指畜禽糞便轉化為氣體燃料的熱化學過程，該法設備技術比較簡單，能量利用效率較高。Koger等[34]以氧化鎂為床料，以水蒸氣和CO2作為氣化劑，在800℃下利用鼓泡流化床進行豬糞氣化試驗，獲得了最佳的技術條件。何小民等[35]使用200 kg/小時的下吸式氣化爐，進行了不同條件下牛糞的氣化特性研究，結果表明，原料含水量為20%時氣體熱值最大，且H2和CH4含量最多。張守玉等[36]利用TG及小型固定床反應器對不同類型畜禽糞便的熱解特性及催化氣化過程進行了研究，結果表明，畜禽糞便的主要熱解溫度在473～823 K之間，豬糞由于有機物組分復雜，熱解經歷兩個明顯的失重過程，每克豬糞低溫催化氣化過程氫的產量為960 mL。

綜上所述，畜禽糞便的熱化學轉化方法各異，直接燃燒設備較簡單、技術成熟，但其中的堿金屬在高溫下易結渣；熱解和液化技術目前多數處于機理研究階段，缺少成熟的理論基礎和實際應用經驗；氣化技術相對比較簡單，并在其他生物質上應用廣泛，但畜禽糞便的氣化研究還需要深入分析與探索。

2.4培養微藻生產生物柴油

微藻是指一類單細胞或簡單多細胞的可進行光合作用的微生物，利用微藻進行油脂生產具有周期短、速率快、產油量高、不受季節和土地的限制等優點。微藻個體小、木質素含量很低，易干燥和粉碎，用微藻來生產液體燃料所需的后處理條件相對較低；更為重要的是，微藻在培養過程可利用廢水中的N、P等營養元素，所產的油脂成分與植物油類似；因此微藻被認為是最具潛力的生產生物柴油的替代原料[37]，利用養豬排泄物作為培養基培育能源微藻，也是一種排泄物能源化的間接利用方式。

目前，能源微藻的研究很多，但是以養豬廢水作為培養基的研究是近幾年才逐步興起的。Canizares[38]等利用豬糞配成的營養液培養螺旋藻，在培養第6天，螺旋藻生物量達最高值，培養基中NH4+-N去除率達75%，總磷、PO43--P去除率分別達到53%和98%；Chang[39]等利用預處理之后的生活污水+養豬場廢水培養雨生血球藻，稀釋4倍的廢水培養基與普通培養基培養效果相當，氮、磷去除效果也較好；Elizabeth[40]等研究了豬糞廢水投加量與微藻的生長速率、營養成分、去除效率等的關系，當廢水投加量為0.40 L/m2·天時，藻生長量為9.4 g/m2·天，氮、磷去除率分別達90%以上和68%～78%。An[41]等利用豬場廢水培養布朗葡萄藻，其最大藻體密度高達7.8 g/L，葡萄藻生長良好，這表明利用養豬廢水培養葡萄藻也具有可行性。

以養豬排泄物為基質培養微藻，實現了養豬排泄物的無害化處理及資源化利用，同時降低了能源微藻生產生物柴油的成本，將水質凈化與高附加值生物燃料生產相結合，實現廢水由處理工藝向生產工藝的轉變，帶來了良好的經濟和環境效益。如果可以將經過沼氣發酵后的沼液作為培養微藻的基質，則將是更加高效的循環利用工藝，但這方面尚有待研究。

2.5燃料電池研究

微生物燃料電池（Microbial Fuel Cells,MFCs）是一種廢水資源化技術，其原理是利用微生物作為催化劑，在實現排泄物化學能轉化成電能的同時，將光能轉化為電能，可用于生活污水、豬場廢水、食品加工廢水及垃圾滲濾液等，因而受到越來越多的重視[42-43]。

MFC通常由陽極、膜和陰極組成，厭氧產電微生物在陽極室將有機排泄物氧化，釋放出電子和質子，然后通過細胞外膜的電子載體傳遞到陽極，再經過外部電路轉移到陰極，釋放出產生的能量，產生了電流，MFC可以在常溫常壓進行難降解物質的降解和能量的轉換[44]。

Min等[45]首先將畜禽廢水用于MFC產電研究中。在雙室MFC系統的預實驗中，SCOD為8 320±190 mg/L時，最大功率密度為45 mW/m2；隨后在外電阻為200 Ω的單室MFC系統中，最大功率密度達到261 mW/m2。Kim等[46]研究了利用MFC技術對畜禽廢水的除臭效果，臭味氣體和有機酸去除率分別達到了99.76%和99%。Xu等[47]利用陽極-陰極連續MFC系統處理養豬廢水，將陽極室生物氧化處理和陰極生物電芬頓相結合，在最佳有機負荷下，系統COD去除效率分別達到62.2%和76.7%，得到的最大體積功率密度分別為3.1 W/m3和7.9 W/m3。鄭宇[48]等考察了陽極pH值對MFC處理養豬廢水產電能力的影響，其結果表明在pH=10時，整體效果最好，COD和氨氮去除效率分別達到86.7%和92.8%，電池功率密度達到了2.10 W/m3。

利用MFC去除養殖廢水COD等污染物的同時獲得電能，實現廢棄資源的能源化利用，是一種具有良好發展前景的技術。目前MFC仍處于實驗室研究階段，生物催化活性弱、電子轉移速率緩慢、電極材料價格昂貴等因素限制了目前該技術實際應用的可能性，相信隨著技術的不斷進步，這項技術一定可以克服技術瓶頸，在養殖廢水的能源化處理領域發揮重要作用。

2.6生物質能的原料

能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，20世紀70年代以來，為了應對能源危機，世界紛紛開展生物質能應用技術的研究，并取得許多研究成果，部分產業已達到工業化應用的規模。生物質廣義概念包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物為食物的動物及其生產的廢棄物。生豬養殖排泄物是其他形態生物質（主要是糧食、農作物秸稈和牧草等）的轉化形式，包括畜禽排出的糞便、尿及其與墊草的混合物。

目前，生物質能開發主要集中在農作物方面，利用玉米、甘蔗以及農作物秸稈等生產燃料乙醇、生物柴油和生物質燃氣等。前述利用豬排泄物生產沼氣等技術就屬于生物質利用的一個典型代表，但是，目前多數研究者將注意力集中在農林廢棄物這類生物質資源上，作為生物質的一種，生豬養殖排泄物的能源化隨著生物能源的發展，也必將更多地融入到該領域中，變身為生物質能的原料，實現排泄物清除、環境保護、能源供給的綜合利用。

3　結語

目前，我國生豬養殖排泄物的能源化利用方式主要以厭氧發酵產沼氣為主，生產實踐中多與肥料化、生態農業有機結合，在一定程度上緩解了排泄物處理壓力。作為一種可再生的生物質資源，在當今大力開展新能源研究的時代背景下，積極探索能源化利用技術并加以應用，將成為未來生豬養殖排泄物綜合處理研究課題的一個重要組成部分。

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*通訊作者：黃瑞華，教授，研究方向為豬健康生產學與遺傳育種，E-mail：hrh2002@163.com

作者簡介：張總平，技術員，研究方向為畜禽健康生產與遺傳育種

基金項目：江蘇省農業三新工程項目（SXGC[2014]138，SXGC[2015]319）；淮安市科技支撐計劃（HAC2015019）

收稿日期:2016-02-15

中圖分類號：X713

文獻標識碼：A

文章編號：1673-4645(2016)03-0069-06