生猪养殖场排泄物能源化利用技术

张总平　牛培培　王文祥　王礼伟　李平华,2　黄瑞华,2*

（1南京农业大学淮安研究院，江苏淮安223005；2南京农业大学养猪研究所，江苏南京210095）



生猪养殖场排泄物能源化利用技术

张总平1牛培培1王文祥1王礼伟1李平华1,2黄瑞华1,2*

（1南京农业大学淮安研究院，江苏淮安223005；2南京农业大学养猪研究所，江苏南京210095）

摘要：我国生猪养殖场排泄物的资源化利用的方式主要有肥料化、能源化、饲料化、基料化等几种形式，其中能源化利用，将是未来排泄物综合利用的一个主要方向。

关键词：生猪养殖；粪便；排泄物；能源化

中国是世界上最大的生猪养殖国，20世纪80年代，我国开始出现工厂化养猪，规模化养猪得到了较快发展，尤其是进入21世纪以来，我国生猪规模化养殖呈现出加速发展的态势[1]，在带来巨大经济、社会效益的同时，也导致规模猪场排泄物的排放量逐年增多[2]。有研究报道，2010年，全国畜禽养殖业的化学需氧量、氨氮排放量分别达到1 184万吨和65万吨，分别占全国排放总量的45%和25%，占农业源的95%和79%，包括生猪在内的畜禽养殖污染被认为是我国环境污染的重要来源[3,4]。尽管这些报道的可信度值得商榷，但规模化养殖排泄物集中排放，导致自然自净能力跟不上而对局部环境造成伤害的现实是不容忽视的。

生猪养殖排泄物含有氮、磷、硫化氢、病原微生物、重金属等物质，如直接排放于环境或简单农用，致使排泄物在水体、土壤和大气中跨介质迁移转化，会造成严重的环境污染和次生、潜在的生态影响[5]；同时，由于排泄物所含有机物属于生物质的一种可再生资源，加以有效利用可变废为宝，实现生猪养殖业发展与环境保护的双赢目标。因此，研究开发排泄物资源化利用的技术工艺，推进和指导生猪养殖污染防治工作，是现代循环农业、绿色农业的重要内容。

本文从生猪规模养殖排泄物的特点、处理现状和处理方法入手，总结排泄物能源化研究进展，以期对生猪养殖排泄物的处理提供参考。

1　生猪养殖污染及处理现状

近年来，我国养猪业发展迅速，集约化、规模化程度快速提高，猪排泄物造成的环境污染和不良影响日益突出。与传统养猪模式相比，规模化猪场产生的粪尿及污水量大，一个10万头猪场日产鲜粪80吨、污水260吨，产生NH3-N约159 kg/小时[6]。2015年8月全国主要江河污染指标显示（图1），化学需氧量、总磷、氨氮等指标位居前列，是水污染的主要因素[7]，生猪排泄物如果直接排放会导致水体污染。

图1　2015年8月全国主要江河水系污染指标统计

目前，我国生猪养殖排泄物资源化利用的方式主要有肥料化、能源化、饲料化、基料化等几种形式。随着人类社会能源危机的不断加重，开发可再生能源是当前世界范围内的研究热点，将养殖排泄物作为生物质能源的一种，实现能源化利用，既有利于养殖排泄物的有效处理，又有利于开发能源，将成为养殖排泄物综合利用的一个主要方向。

2　生猪养殖排泄物能源化利用工艺进展

2.1以沼气为核心的利用模式

在能源化利用方面，以沼气利用最多。猪排泄物中有机物含量占干物质总量的80.1%，其中易分解的有机碳约占27.3%，氮、磷含量比较高，能被利用的养分约占70%，这为厌氧发酵微生物菌群提供了良好的原料。通过添加作物秸秆等方式，适当调节C/N比，使之成为沼气发酵的优良原料[8]。全国各地根据区域农业、商业等特点，开发出了诸多有效的利用模式。江苏仪征市以沼气为纽带，综合利用沼气、沼液、沼渣，形成了“鸭-猪-沼-鱼”的循环生态模式，在当地科技园区推广应用[9]，山东、重庆等地开展“畜-沼-粮”模式，以农业为中心，多种技术相结合，加速了种植业、养殖业系统中物质和能量的再循环利用，减少了农业面源污染，提高了经济效益[10-11]，此外还有“三结合养畜模式”、“四位一体养畜模式”、度假村多级利用模式等，此处不再赘述。

在养殖场沼气工程方面，我国普遍采用常温和中温发酵技术，目前中常温发酵容积产气率往往不到1.0 m3/m3·天，产气速率低导致发酵罐体积大和投资高。浦绍瑞等[12]通过秸秆燃烧为高温发酵过程提供热量，将畜禽粪便高温发酵与秸秆热化学燃烧耦合，变中常温发酵为高温发酵，提高畜禽粪便厌氧发酵的处理速率，同时避免了秸秆的浪费。当发酵温度从30℃提高到55℃，容积产气率由1.43 m3/m3·天提高至3.40 m3/m3·天，发酵罐容积可缩小为原体积的1/2；大幅度提高了排泄物沼气的效率产值，为综合解决排泄物污染与农业废弃物资源提供了新思路。

厌氧发酵制取沼气技术工艺也面临诸如出水有机物浓度高、温度等气候因素影响大、发酵时间长、配套技术不成熟等问题，仍需进一步加强探索和改进[13-14]。

2.2生物厌氧发酵法制氢

相对于农业沼气工程，养殖排泄物厌氧发酵制取氢气的研究开展较晚，仍处于探索、实验阶段，但该技术发展迅速，同时也可实现养殖排泄物、农业废弃物资源的循环利用。微生物制氢过程可分为暗发酵制氢和光生物制氢（光解水制氢和光发酵制氢）两种类型及其耦合[15]。厌氧发酵法生物制氢多采用暗发酵技术，以微生物生长和产氢速度快、反应器设计简单易管理、能够利用废弃有机物为原料等优势，被更多的科技工作者所接受[16-17]。

猪粪富含微生物合成产氢酶所需的Fe、Mn、Mo等微量元素，能够满足光合产氢细菌生长的需求，是培养光合细菌等产氢微生物的良好原料[18]。发酵法生物制氢是利用异养产氢菌进行厌氧发酵，将复杂的大分子有机碳水化合物水解、发酵产生H2、挥发性脂肪酸（VFAs）和CO2等。通常根据发酵末端产物组分的不同，将厌氧发酵生物制氢分为丁酸型、丙酸型和乙醇型三种发酵类型[19]。卢怡等[20]以鲜猪粪为原料，采用批量发酵工艺，其产氢潜力为127 mL/g（TS）和158 mL/g（VS），从猪粪的产氢潜力来看，与甲烷产率相近。张全国等[21]指出，对猪粪污水进行光合产氢的最佳预处理方法为光合细菌黑暗好氧处理4天，最佳工艺条件为温度20～35℃、接种量50%、装料厚度小于4 cm，其产气量是对照组葡萄糖水溶液的24.1倍。

养殖排泄物生物发酵制氢技术虽然发展较快，但除了发酵微生物菌种、生理代谢调节等因素外，猪排泄物作为廉价底物应用于暗发酵和光发酵产氢的效率、工艺等还有待于进一步研究。

2.3粪便热化学转化

1971年White等[22]最早开展了畜禽粪便热化学转化技术的研究。该技术是指在加热条件下，利用化学法将畜禽粪便转换成燃料类能源的技术，生产能量密度高，易储存和运输，且具有商业价值的固态、液态和气态燃料，以及热能、电能等能源产品。目前，该技术领域主要包括直接燃烧、热裂解、气化和液化四种方式。

2.3.1直接燃烧

目前，生物质燃烧所利用的能源约占全球生物质能利用总量的95%[23]，直接燃烧技术具有设备简单、能量释放迅速的特点，多数研究针对植物秸秆、锯末及草食家畜的粪便，猪粪作为生物质能源的燃烧技术较少。许道军等[24]研究发现，猪粪发热量虽然低于无烟煤，但其高位发热量在16.72～17.65 MJ/kg之间，低位发热量在14.24～15.34 MJ/kg之间，具备了良好的燃烧性能和直接燃烧利用的可行性。

2.3.2热裂解

畜禽粪便的热裂解是指粪便在无氧或缺氧条件下热降解，最终生成生物油、木炭或可燃性气体等，按其裂解过程可分为低温慢速热裂解、中温快速热裂解和高温闪速热裂解三种方式。低温慢速热裂解主要形成活性炭产品[25-27]，中温快速热裂解产物以生物油为主[28]，高温闪速裂解方式研究较少。车德勇等[29]、史长东等[30]研究表明猪粪热解活化能在52～113 kJ/mol之间，低于木屑、稻壳、椰壳等物质热解的活化能，说明猪粪较其他生物质易受热分解，适于热裂解转化。

2.3.3液化

畜禽粪便液化是将其转换成液体燃料的热化学过程，主要有超临界液化和两步法液化两种处理方法。⑴畜禽粪便的超临界液化研究始于20世纪90年代，伊利诺斯州大学科研人员对猪粪的超临界液化进行了大量研究[31-32]，在10 MPa压力、300℃停留15～30分钟条件下，生物油产率最高可达80%。⑵两步法液化技术是先将生物质进行气化，再液化合成液体燃料。Koger等[33]对猪粪进行了气流携带床（BKT）初步试验。目前，畜禽粪便液化技术还处于实验室起步研究阶段，国内还未见生猪排泄物液化利用的相关报道。

2.3.4气化

畜禽粪便气化是指畜禽粪便转化为气体燃料的热化学过程，该法设备技术比较简单，能量利用效率较高。Koger等[34]以氧化镁为床料，以水蒸气和CO2作为气化剂，在800℃下利用鼓泡流化床进行猪粪气化试验，获得了最佳的技术条件。何小民等[35]使用200 kg/小时的下吸式气化炉，进行了不同条件下牛粪的气化特性研究，结果表明，原料含水量为20%时气体热值最大，且H2和CH4含量最多。张守玉等[36]利用TG及小型固定床反应器对不同类型畜禽粪便的热解特性及催化气化过程进行了研究，结果表明，畜禽粪便的主要热解温度在473～823 K之间，猪粪由于有机物组分复杂，热解经历两个明显的失重过程，每克猪粪低温催化气化过程氢的产量为960 mL。

综上所述，畜禽粪便的热化学转化方法各异，直接燃烧设备较简单、技术成熟，但其中的碱金属在高温下易结渣；热解和液化技术目前多数处于机理研究阶段，缺少成熟的理论基础和实际应用经验；气化技术相对比较简单，并在其他生物质上应用广泛，但畜禽粪便的气化研究还需要深入分析与探索。

2.4培养微藻生产生物柴油

微藻是指一类单细胞或简单多细胞的可进行光合作用的微生物，利用微藻进行油脂生产具有周期短、速率快、产油量高、不受季节和土地的限制等优点。微藻个体小、木质素含量很低，易干燥和粉碎，用微藻来生产液体燃料所需的后处理条件相对较低；更为重要的是，微藻在培养过程可利用废水中的N、P等营养元素，所产的油脂成分与植物油类似；因此微藻被认为是最具潜力的生产生物柴油的替代原料[37]，利用养猪排泄物作为培养基培育能源微藻，也是一种排泄物能源化的间接利用方式。

目前，能源微藻的研究很多，但是以养猪废水作为培养基的研究是近几年才逐步兴起的。Canizares[38]等利用猪粪配成的营养液培养螺旋藻，在培养第6天，螺旋藻生物量达最高值，培养基中NH4+-N去除率达75%，总磷、PO43--P去除率分别达到53%和98%；Chang[39]等利用预处理之后的生活污水+养猪场废水培养雨生血球藻，稀释4倍的废水培养基与普通培养基培养效果相当，氮、磷去除效果也较好；Elizabeth[40]等研究了猪粪废水投加量与微藻的生长速率、营养成分、去除效率等的关系，当废水投加量为0.40 L/m2·天时，藻生长量为9.4 g/m2·天，氮、磷去除率分别达90%以上和68%～78%。An[41]等利用猪场废水培养布朗葡萄藻，其最大藻体密度高达7.8 g/L，葡萄藻生长良好，这表明利用养猪废水培养葡萄藻也具有可行性。

以养猪排泄物为基质培养微藻，实现了养猪排泄物的无害化处理及资源化利用，同时降低了能源微藻生产生物柴油的成本，将水质净化与高附加值生物燃料生产相结合，实现废水由处理工艺向生产工艺的转变，带来了良好的经济和环境效益。如果可以将经过沼气发酵后的沼液作为培养微藻的基质，则将是更加高效的循环利用工艺，但这方面尚有待研究。

2.5燃料电池研究

微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells,MFCs）是一种废水资源化技术，其原理是利用微生物作为催化剂，在实现排泄物化学能转化成电能的同时，将光能转化为电能，可用于生活污水、猪场废水、食品加工废水及垃圾渗滤液等，因而受到越来越多的重视[42-43]。

MFC通常由阳极、膜和阴极组成，厌氧产电微生物在阳极室将有机排泄物氧化，释放出电子和质子，然后通过细胞外膜的电子载体传递到阳极，再经过外部电路转移到阴极，释放出产生的能量，产生了电流，MFC可以在常温常压进行难降解物质的降解和能量的转换[44]。

Min等[45]首先将畜禽废水用于MFC产电研究中。在双室MFC系统的预实验中，SCOD为8 320±190 mg/L时，最大功率密度为45 mW/m2；随后在外电阻为200 Ω的单室MFC系统中，最大功率密度达到261 mW/m2。Kim等[46]研究了利用MFC技术对畜禽废水的除臭效果，臭味气体和有机酸去除率分别达到了99.76%和99%。Xu等[47]利用阳极-阴极连续MFC系统处理养猪废水，将阳极室生物氧化处理和阴极生物电芬顿相结合，在最佳有机负荷下，系统COD去除效率分别达到62.2%和76.7%，得到的最大体积功率密度分别为3.1 W/m3和7.9 W/m3。郑宇[48]等考察了阳极pH值对MFC处理养猪废水产电能力的影响，其结果表明在pH=10时，整体效果最好，COD和氨氮去除效率分别达到86.7%和92.8%，电池功率密度达到了2.10 W/m3。

利用MFC去除养殖废水COD等污染物的同时获得电能，实现废弃资源的能源化利用，是一种具有良好发展前景的技术。目前MFC仍处于实验室研究阶段，生物催化活性弱、电子转移速率缓慢、电极材料价格昂贵等因素限制了目前该技术实际应用的可能性，相信随着技术的不断进步，这项技术一定可以克服技术瓶颈，在养殖废水的能源化处理领域发挥重要作用。

2.6生物质能的原料

能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础，20世纪70年代以来，为了应对能源危机，世界纷纷开展生物质能应用技术的研究，并取得许多研究成果，部分产业已达到工业化应用的规模。生物质广义概念包括所有的植物、微生物以及以植物、微生物为食物的动物及其生产的废弃物。生猪养殖排泄物是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。

目前，生物质能开发主要集中在农作物方面，利用玉米、甘蔗以及农作物秸秆等生产燃料乙醇、生物柴油和生物质燃气等。前述利用猪排泄物生产沼气等技术就属于生物质利用的一个典型代表，但是，目前多数研究者将注意力集中在农林废弃物这类生物质资源上，作为生物质的一种，生猪养殖排泄物的能源化随着生物能源的发展，也必将更多地融入到该领域中，变身为生物质能的原料，实现排泄物清除、环境保护、能源供给的综合利用。

3　结语

目前，我国生猪养殖排泄物的能源化利用方式主要以厌氧发酵产沼气为主，生产实践中多与肥料化、生态农业有机结合，在一定程度上缓解了排泄物处理压力。作为一种可再生的生物质资源，在当今大力开展新能源研究的时代背景下，积极探索能源化利用技术并加以应用，将成为未来生猪养殖排泄物综合处理研究课题的一个重要组成部分。

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*通讯作者：黄瑞华，教授，研究方向为猪健康生产学与遗传育种，E-mail：hrh2002@163.com

作者简介：张总平，技术员，研究方向为畜禽健康生产与遗传育种

基金项目：江苏省农业三新工程项目（SXGC[2014]138，SXGC[2015]319）；淮安市科技支撑计划（HAC2015019）

收稿日期:2016-02-15

中图分类号：X713

文献标识码：A

文章编号：1673-4645(2016)03-0069-06