【doc】沼液深度处理技术研究与应用现状

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1、沼液深度处理技术研究与应用现状中国农业科技导报,2011,13(1):8387JournalofAgriculturalScienceandTechnology沼液深度处理技术研究与应用现状隋倩雯,董红敏,朱志平,黄宏坤(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,农业部畜牧环境设施设备监督检验测试中心,北京100081)摘要:针对我国大中型沼气工程沼液产生量巨大,沼液还田无法广泛实施,而直接排放又会造成环境污染的问题,通过对大量的文献资料和研究结果进行分析,得出沼液处理的2种主要途径:降解其中的污染物使其能够达标排放或安全回用,浓缩并回收沼液中营养物,使沼液体积减量化.建议今后的研究应选择适合

2、的工艺,克服技术难题,以沼液高效利用为目标,以防止环境污染为前提,探索低运行费用的沼液处理方法.关键词:沼液;厌氧消化液;处理;沼气工程doi:10.3969/j.issn.1008-0864.2011.01.13中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1008-0864(2011)叭-0083-05PresentStatusofBiogasEffluentTreatmentTechnologyResearchandApplicationSUIQianwen,DONGHongrain,ZHUZhiping,HUANGHongkun(InstituteofEnvironmentandSust

3、ainableDevelopmentinAgnculture,ChineseAcademyofAg6cultureSciences;AnimalEnvironmentalFacilitySurveillance,InspectionandTestingCenter,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China)Abstract:TherearehugeamountofeffluentproducedfromlargeandmiddlescalebiogasplantsinChina.Thusitisverydifficulttoapplythemtofar

4、mland.Thedirectdischargewillbringseverepollutiontoenvironment.Basedontheanalysisonmassivedocumentsandresearchresults,2approachesofbiogaseffluenttreatmentsareobtained:(degradingthepollutanttomakeitbedischargedafterreachingthestandardorconcentratingandrecoveringthenutrientsfromtheanaerobicdigestate,an

5、dreducingtheeffluentvolume.Itissuggestedthatthefurtherresearchprogramshouldchooseappropriatetechnologytoovercomedifficultproblem,takehighefficientutilizationofbiogaseffluentasobjectivetopreventenvironmentalpollution,andtoexplorelowcostmethodsforbiogaseffluenttreatment.Keywords:biogaseffluent;anaerob

6、icdigestate;treatment;biogasengineering沼气厌氧发酵技术在我国应用历史长久,近年来随着畜禽养殖业的发展,农村废弃物污染问题加剧,可再生能源需求增加,大中小型沼气工程建设发展迅速.根据中国农村能源年鉴(20002008),截至2007年底,我国农业沼气工程数量已达8576处,总池容达到214.25万ITI.大中型沼气工程大力发展的同时,大量厌氧消化物随之产生,如得不到妥善处理,会给环境造成巨大压力,成为急需解决的问题.沼液中含有丰富的营养物,矿物质和有机质,在我国农村普遍作为肥料还田.沼液还田不仅可以减少化肥的施用,增加土地肥力,并且操作简单,费用低.此外,

7、沼液还可以将其作为叶面肥,浸种剂和饲料添加剂等使用,通常具有提高产量,预防病虫害和促进生长等作用.由于我国各地土壤,气候,降水和种植作物类型具有较大差异,尚未出台有关沼液还田的标准,加之不同沼气工程沼液浓度不尽相同,沼液成分也尚不明确,沼液还田还存在着很大的问题和风险.段然等对连续6年施用沼肥(沼渣和沼液)的土壤进行测定,发现土壤中铜,锌含量明显升高,虽未造成土壤重金属超标,但认为农田生态收稿日期:201010-26;接受日期:2010-1126基金项目:国家生猪现代产业技术体系建设项目(nycytx-O9);公益性行业(农业)科研专项(200803036);十一五国家科技支撑计划项目(200

8、8BADC4B17-03)资助.作者简介:隋倩雯,硕士研究生,主要研究方向为农业生物环境.Email:suiqianwen163.con.通讯作者:董红敏,研究员,博士生导师,主要从事畜禽养殖环境工程研究.Email:donghm中国农业科技导报13卷系统长期施用沼肥仍存在污染风险.另外,由于我国大中型沼气工程沼液产生量大,沼液储存与运输设施不完善;我国农田土地管理分散,农户拥有土地面积小,使得沼液还田仍无法广泛实施,而直接排放又会造成环境污染.因此,加强沼液处理技术研究显得尤为重要.本文通过介绍国内外沼液处理技术研究与应用现状,为沼液高效利用,并防止环境二次污染等问题提供解决思路.1我国沼液

9、特性分析沼气技术是一种厌氧生物处理技术,它通过降解有机物产生沼气,是一种兼具废弃物处理与能源回收利用的技术.由于沼气工程设计目标侧重点(如回收能源或降解有机物)不同,且处理原料与技术工艺各异,沼液的成分也具有很大差别.例如鸡粪含氮量高,其发酵后沼液具有很高的NH一N浓度.当畜禽养殖场采用干清粪方式分离冲洗水与粪便,只有冲栏污水进入厌氧发酵罐时,其消化液污染物浓度较低.此外,不同厌氧消化工艺,其适合的进料浓度和沼气产率也有所不同.如升流式厌氧污泥床反应器(upflowanaerobicsludgebed,UASB)是一种以环保治理为主,生产沼气为辅的沼气工程技术,其出水污染物浓度较低.然而,升流

10、式厌氧固体反应器(upflowsolidreactor,USR)和完全混合式厌氧反应器(continuousstiredtankreaetor,CSTR)则沼气产率较高,并允许较高的进料浓度,沼液中有机物浓度也相应较高.不同沼气生产工艺和污水类型,厌氧消化液特性参见表1.此外,粪便等废弃物经厌氧消化后,其中的有机物降解转化为沼气,但氮,磷等营养物的浓度变化不大,甚至稍有升高J.因此,沼液中含有丰富的氮,磷,钾等营养物质.猪粪经厌氧发酵后,产生的沼液中含有全氮0.5175kg,全磷0.367kg,全钾0.8408g/kg.除此之外,沼液中还含有多种矿物质,有机质以及生物活性物质,它们对促进植物生

11、长和抑制病虫害具有明显效果.然而,沼液中重金属含量是人们普遍关注的问题,武丽娟等对沼液中多种重金属含量进行了测定,其中含量较高的是铜和锌,浓度分别为2.18mg/L和0.48mg/L.2沼液处理研究与应用现状我国大中型沼气工程产生大量沼液,而储存与运输设备又不完善,加之土地不足与运输成本表1不同污水类型和厌氧消化工艺所产生沼液特性Table1Thecharacteristicsofbiogaseffluentfromdifferentwastewatertypesandanaerobicdigestionprocess注:表示总氮Note:meansthetotalnitrogen1期隋倩雯等

12、:沼液深度处理技术研究与应用现状85的限制,沼液还田无法广泛实施,若将沼液直接排放又会对土壤,地表以及地下水造成污染.因此,应探究适宜的沼液处理技术,使沼液高效利用,并防止环境污染.其主要途径为:降解其中的污染物使其能够达标排放或安全回用;浓缩并回收沼液中营养物,使沼液体积减量化.这两种途径可以相互结合,但通常来说,每种处理方法都有一定的侧重.2.1降解有机物污染物武汉市东西湖养殖场的沼气工程项目利用生物质吸附沼液中残留的有机质和重金属等物质,并将吸附后的生物质作为原料继续用于沼气生产,处理后的沼液可直接进入人工湿地进行深度处理,整个沼液处理工程运行简单,费用低廉.福建某生猪养殖场采用干清粪方

13、式收集粪便,生产过程所产生的冲栏污水中COD,NHj-N和TP分别为5856mg/L,306.5mg/L和92.67mg/L.该场采用USR与一体式氧化沟相结合工艺处理污水后,处理水可达标排放.在沼液处理新工艺方面,国内也进行了很多研究.邓良伟等采用序批式反应器(sequencingbatchreactor,SBR)处理猪场厌氧消化液.猪场污水经厌氧消化后,COD,BOD和N一N分别为700800mL,200300mg/L和700800mg/L.由于经厌氧消化后,污水的可生化性变差,C/N比不足,且COD去除只有10%左右,因此,采用SBR工艺直接处理厌氧消化液效果不理想.为解决上述问题,可以

14、将猪场原水添入沼液中,调节碳氮比,补充碱度,维持pH.试验证明当原水比例为30%时,去除效果最好,且运行稳定,处理水可达标排放.此外,对于调节猪场厌氧消化液碱度来说,添加原水比加碱更加经济可行.曹玉成等利用移动床生物膜反应器(mov.ingbedbiofilmreactor,MBBR)处理猪场废水厌氧消化液,沼液COD,BOD和NH4一N浓度分别为8921312mg/L,200500mg/L和422613mL.MBBR中填人50%的悬浮填料,通过曝气使填料处于流化状态.试验表明,通过在一定范围内延长水力停留时间(hyraulicresidencetime,HRT),可以提高COD和N一N的去除

15、率,在HRT为23.8h时,出水中COD和NH;一N浓度分别为368mg/L和70mg/L,可达标排放.此外,该试验较好地实现了同步去除COD和N一N的效果.这可能是由于填料上附着生长大量的生物膜,生物膜表面处于好氧,内部处于缺氧甚至厌氧状态,发生了同步硝化反硝化脱氮反应,且MBBR中微生物丰富,有利于有机物分解.孟海玲等采用膜生物反应器(membranebioreahor,MBR)处理猪场污水厌氧消化液,生物反应器分为间歇曝气区和膜分离区.厌氧消化液中COD,NH:一N和悬浮物(suspendedsubstrate,SS)浓度分别为1715mg/L,685mg/L和486mg/L,膜分离池中

16、污泥浓度为8.4813.1g/L,远高于普通活性污泥法.尽管COD负荷在0.412.74kg/m?d之间波动,COD去除率可以稳定在76%左右.此外,由于碳氮比不足,反硝化缺少碳源,且反应池溶解氧DO(dissoluedoxygen)<1mg/L,致使NH4-N平均去除率为73.1%,脱氮效果不佳.此外,在膜的截留作用下,出水一直未检测出SS.可以证明MBR具有污泥浓度高,抗冲击负荷能力强,运行出水稳定等优点.Waeger等副利用管式膜生物反应器处理沼液,分别采用微滤(microfihration,MF)和超滤(uhrafihration,UF)膜组件.试验表明,其他条件相同时,MF的透

17、过率比UF低30%,这主要是由于膜孔堵塞造成的,而UF膜孔较小,不易造成堵塞.此外,该试验还尝试采用FeC1作为絮凝剂,使透过率提高了47%.通过过滤,85%的COD得以去除,但NH4一N的去除却并不理想,去除率小于20%.这可能是因为经过厌氧消化后,氮主要以NH4一N的形式存在,其分子质量小,难以通过过滤去除.2.2回收营养物质沼液除作为污染物外,还可作为资源,回收其中的营养物质,并使其减量化,方便储存与运输.为了防止地下水污染,欧盟规定,粪便的最大施用量为170kgN/hm191,畜禽饲养场必须寻求经济的粪便处理方法.在荷兰,利用沼气工程技术处理大型畜禽养殖场产生的粪便,污水,并连带其他农

18、业废弃物(如秸秆,花茎杆等)进行共同发酵,回收的沼气可以用于发电,弥补沼气工程的运行费用.沼渣脱水后,可以作为肥料出售.沼液经超滤和反渗透工艺可以获得浓缩液,其中含有氮,磷和钾分别为6.8kg/t,0.6kg/t和11.586中国农业科技导报13卷kg/t,根据2006年荷兰出台的粪便施用标准用于施肥,处理后透过液可以达标排放.超滤与反渗透属于不同孔径的膜组件,利用膜技术可以使水与污染物分离,通过压力作用,透过液流出,而污染物截留在膜一侧形成浓缩液.可见,通过膜技术可以浓缩并回收沼液中的营养成分,并达到沼液减量化的目的.Kaparaju等采用筛分的方式分离奶牛粪便的厌氧消化物,并从中回收甲烷和

19、氮.试验原料为消化罐中厌氧消化物(35oC)和储存912个月后的厌氧消化物(510C).将厌氧消化物分别过2mm,1mm,0.5mm和0.25mm的筛,根据质量守恒,沼液中<0.25mm的占60%69%,>2Inn的占18%27%,剩余部分介于0.25mm到2mm之问.试验表明,在前3050d,消化罐与储存罐中>0.25mill的组分的甲烷产量分别为0.0600.085ITI./kgVS和0.0550.092113/kgVS,后200余天的甲烷产量分别为0.160.18lrn/kgVS和0.130.16ITI/kgVS,储存时间对固态厌氧消化物的甲烷产量影响不大.而在前305

20、0d,消化罐与储存罐中<0.25mm的组分的甲烷产量分别为0.20m/kgVS和0.03Ill/kgVS,后200余天的甲烷产量分别为0.41Ill/kgVS和0.051TI/kgVS,储存时问对液态厌氧消化物的甲烷产量影响较大.这同时也说明,消化罐中厌氧消化物产甲烷潜力更大,而储存罐中的产甲烷潜力主要集中于固态颗粒.此外,该试验还证明无论TN还是NH4一N,均无法通过筛分分离,这是由于用不同孔径筛分离后,各组分中NH;一N和TN的浓度相似的缘故.Yetilmezsoy等向UASB出水中加入Mg和PO一,形成鸟粪石(MgNH4PO?6H20,MAP)回收沼液中的NH4+-N(浓度为131

21、8mg/L).试验证明,在pH9时,加入MgC12?6H2O+KH2PO4效果最好,并且NH:一N,COD和色度可以同时达到最大去除率,分别为85.4%,53.5%和49.8%.之后,获得的MAP施肥用于三种不同作物,通过对比试验发现,施用MAP后作物鲜重,干重和株高分别提高了28%257%,60%402%和18%156%.Sooknah采用大型水生植物处理奶牛场冲栏厌氧消化液,水生植物无法在未经稀释的厌氧消化液中生长,沼液中的高盐分是主要的限制因素.但当以1:1比例稀释的时候,水葫芦生长效果最好,并且氮和磷去除率最高,TKN和TP去除率可分别达到91.7%和98.5%.而且在沼液中生长的水生

22、植物还可作为沼气发酵原料,与废纸进行共同发酵继续用于沼气生产.此外,试验证明这种水生植物的干物质是一种很好的缓释肥料,可以替代化肥使用.3展望针对沼气的处理途径,我国近几年的研究重点主要以去除污染物,并防止沼液对土壤,水体造成污染,以达标排放为目标.而将沼液作为一种资源,回收营养物质,使其循环利用,也是一种可行的沼液处理方法.在沼液处理的过程中,面临着诸多难题,如沼液中有机物,NH4一N浓度高,可生化性能较差及碳氮比低等问题.因此,应选择适合的工艺,克服技术难题,以防止环境污染为前提,以沼液高效利用为目标,探索低运行费用的沼液处理方法.参考文献1农业部科技教育司编.巾国农村能源年鉴(20002

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27、eSci.,2001,49(23):117134.20GebrezgabherSA,MeuwissenMPM,PrinsBAM,eta1.2011第二届工业酶工程是现代生物技术的重要组成部分.以微生物或酶为催化剂进行物质转化的工业生物技术,大规模生产人类所需的化学品,医药,能源和材料等,是解决人类目前面临的资源,能源及环境危机的有效手段.由中国医药生物技术协会主办,大连百奥泰科技有限公司承办的第二届工业酶与生物催化大会,将于2011年4月2529日在中国大连世界博览广场举行.大会除主论坛外,将设10个分会活动,为专家学者,企业精英搭建专题演讲和交流合作的平台,从中获取最前沿的科技资讯,找到最合

28、适的合作伙伴,结识最专业的客户群体,共同推动全球工业酶与生物催化领域的研制与开发,为人类创造更美好的未来做出贡献.真诚地邀请相关领域内的专家学者,企业负责人和商务代表参加本次会议,展示您的最新科研成果,产品和技术,扩大中国乃至全球的市场.Economicanalysisofanaerobicdigestion-AcaseofgreenpowerbiogasplantintheNetherlandsJ.NJASWagen.J.LifeSci.,2010,57(2):109115.21SehriderJJ,NeetesonJJ.NutrientmanagementregulationsintheN

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