畜禽养殖废弃物能源化利用研究进展.pdf

畜牧生态环保972023.100 引言随着我国生活水平的提高，畜禽养殖业不断发展。从散养和自然放牧向规模化舍饲养殖转变，已经成为畜禽养殖业发展趋势。同时也让畜禽养殖业环境压力与日俱增1。畜禽养殖废弃物中的污染物排放到土壤、水体和空气中会造成污染环境，破坏生态同时随着生物链的循环会威胁到人类的健康2-3。本文从畜禽养殖废弃物的化学成分出发，综述利用养殖废弃物制备沼气、氢气、乙醇和生物燃油等能源化利用的研究，并讨论国内外畜禽养殖废弃物的先进处理技术，为畜禽养殖废弃物的资源化利用提供参考。1 养殖废弃物成分及危害1.1 目前养殖废弃物形势国家统计局的最新数据表明，2022年全国猪牛羊禽肉产量9 227万t，比去年增加339万t，增长3.8%。全国畜禽养殖业大力发展的同时，养殖废弃物（畜禽粪污）收稿日期：2023-07-07基金项目：内蒙古自治区科技计划项目（2020GG0158）；内蒙古科技大学基本科研业务费专项资金资助（2022年度）*作者（通信作者）简介：马力通（1979-），男，教授，博士，主要从事低阶煤炭和生物质转化工作。马力通，孙慎光，李丽萍，等畜禽养殖废弃物能源化利用研究进展J现代畜牧科技，2023，101（10）：97-101doi：10.19369/ki.2095-9737.2023.10.026MA Litong，SUN Shenguang，LI Liping，et alResearch Progress on Energy Utilization of Livestock and Poultry Breeding WastesJModern Animal Husbandry Science&Technology，2023，101（10）：97-101畜禽养殖废弃物能源化利用研究进展马力通1，2，3*，孙慎光，李丽萍1，于淼4（1.内蒙古科技大学化学与化工学院，内蒙古 包头 014010；2.生物煤化工综合利用内蒙古自治区工程研究中心，内蒙古 包头 014010；3.内蒙古科技大学低阶煤炭碳中和实验室，内蒙古 包头 014010；4.内蒙古华蒙科创环保科技工程有限公司，内蒙古 呼和浩特 011527）摘要：规划化养殖的迅速发展使养殖废弃物的排放量急速上涨，造成严重的环境污染。养殖废弃物传统资源化利用有肥料化、沼气化和饲料化，养殖废弃物有污染物与投入品的双重属性，难以保证传统模式的盈利性和可持续性，依赖政府专项资金、优惠政策扶持。养殖废弃物能源化利用，有望通过工艺创新与模式完善，创造最大的经济效益与环境效益。关键词：畜禽养殖；废弃物；能源化；经济；环保中图分类号：X713文献标识码：Bdoi：10.19369/ki.2095-9737.2023.10.026Research Progress on Energy Utilization of Livestock and Poultry Breeding WastesMA Litong1，2，3*，SUN Shenguang1，LI Liping1，YU Miao4（1.School of Chemistry and Chemical Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China；2.Inner Mongolia Engineering Research Center of Comprehensive Utilization of Bio-coal Chemical Industry，Baotou Inner Mongolia 014010，China；3.Laboratory of Low Rank Coal Carbon Neutralization，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou Inner Mongolia 014010，China；4.Inner Mongolia Huameng Kechuang Environmental Protection Technology Engineering Co.，Ltd，Hohhot Inner Mongolia 011527，China）Abstract：With the rapid development of planned aquaculture，the discharge of aquaculture waste has increased rapidly，causing serious environmental pollution.The traditional resource utilization of aquaculture waste includes fertilizer，biogas and feed.The aquaculture waste has the dual properties of pollutants and inputs，so it is difficult to ensure the profitability and sustainability of the traditional model，which depends on the special funds and preferential policy support of the governmentThe energy utilization of aquaculture waste is expected to create the greatest economic and environmental benefits through technological innovation and model improvementKeywords：livestock and poultry breeding，manure treatment，energy conversion，economic，environmental protection畜牧生态环保98 2023.10的处理问题也受到越来越多人的重视。我国第2次全国污染源普查测算发现，目前我国的养殖废弃物年产量在30.5亿t，但是由于畜禽养殖废弃物收集较难，按照70%的收集率计算，年需处理的养殖废弃物量达到21.35亿t4。从2018年国家发展改革委发布的乡村振兴战略规划（20182022年）以来，截止到2022年养殖废弃物的综合利用率已经达到76%。同时“联合国粮食及农业组织”根据畜牧业为供给链提供的蛋白质，对全球畜牧业总产量及其分布情况做出统计，见图15。图1 世界畜牧业总产量及分布情况1.2 养殖废弃物化学成分畜禽养殖废弃物不仅仅只是污染物，还含有大量的有机质。畜禽养殖废弃物主要有粗纤维、粗脂肪、粗蛋白等，并含有畜禽未食用的饲料、饮用水中含有的抗生素、药物残留物及通过食物链中食用的生物病原体等6。研究表明牛粪比猪粪和鸡粪中的木质纤维素干基要高，依次分别为67.4%、51.4%、42.1%7，畜禽养殖废弃物产能源性能的强弱与木质纤维素的降解性能息息相关。木质纤维素包括木质素、纤维素和半纤维素，纤维素和半纤维素相比较于木质素较易降解，因为木质素中存在C-C、醚键等多种化学键，化学性质稳定，降解木质素的微生物也较少，因此针对性的研究降解木质纤维素的微生物也有待解决。1.3 养殖废弃物的危害在有限土地或空间内进行规模化养殖，集中产生的养殖废弃物得不到及时有效处理，将对周边环境造成水体污染、土壤污染、大气污染，不利于养殖业的可持续发展。养殖废弃物的成分较为复杂，分离难度大，尤其是畜禽的固体粪便和尿液以及未食用后残余的饲料等；且随着对畜禽产品需求量的增加以及规模化程度的扩大，养殖废弃物对土壤、环境、水体等污染程度不断扩大8。养殖废弃物散发的刺激性气味会引起苍蝇、害虫和啮齿动物的注意，除病原体的繁殖和抗生素滥用外，废弃物排放到水体后，导致水体富营养化，对水质造成污染，大量生物死亡9。养殖废弃物中还含有铜、铬、锌、锰等重金属会使土壤酸化，同时重金属在土壤中也不易被降解，导致土壤养分主要是氮和磷的损失，随着时间的积累，在食物链的循环过程中最终也会危及到人类的生活环境。中国各省畜禽养殖产污系数见表1。表1 中国各省畜禽养殖产污系数10省份奶牛（kg/头d）肉牛（kg/头d）猪（kg/头d）肉鸡（kg/只d）蛋鸡（kg/只d）役用牛（kg/头d）北京42.39324.4324.2880.1070.16025.345天津48.01325.3693.8500.1200.16525.345内蒙古48.01025.3684.8630.1200.16525.345河北42.02021.5553.2150.1200.16525.345山西42.02021.5553.2150.1200.16525.345辽宁45.15022.6234.6650.1400.13325.285吉林47.05723.0994.3030.1400.12025.285黑龙江47.74523.2714.3030.1400.12025.285上海45.23823.1643.6030.1650.13324.785江苏46.47823.4743.5470.1970.12324.785浙江44.58123.0003.7470.1700.15024.785安徽42.47522.4742.7700.2200.13324.785福建48.29323.9283.8840.1970.12524.785山东41.46722.2222.7700.2200.12524.785江西43.30022.3354.1300.0600.12327.650河南42.15722.0494.4770.0770.11727.650湖北51.26726.2184.0930.0600.12027.650湖南53.45027.4364.4000.0600.12027.650广东46.06523.0264.3150.0880.12127.650广西51.26726.2185.1300.0600.12027.650海南46.90023.2353.4900.0600.12027.650重庆44.98323.8975.1350.0600.12024.785四川48.31726.1194.8030.0600.12024.785贵州51.23827.4555.0630.0600.12024.785云南53.79329.0523.9470.0670.13024.785西藏48.31726.1194.9830.0600.12024.785甘肃39.24723.3485.0300.1800.09522.335新疆39.24723.3485.0300.1800.09522.335陕西42.72323.2205.0980.1530.11322.335青海39.24723.3485.0300.1800.09522.335宁夏36.93522.9635.0980.1700.10322.335平均45.46424.0304.2670.1230.12625.1752 养殖废弃物能源化利用针对养殖废弃物产生的过程及地点，处理方式主要从养殖源头、养殖过程中和养殖后期的综合利用3方面进行研究3。养殖源头主要是集中养殖、减量养殖等，从而提高饲料的利用率，减少剩余饲料对于环境的危害；养殖过程中主要是当养殖废弃物产生时要及时进行处理，进行规定放置，同时尽量保证养殖废弃物能够干湿分离，提高处理效率的；养殖后期将收集的养殖废弃物根据不同的物化性质经过不同的处理方式进行综合利用，主要包括能源化、饲料化、肥料化和种养结合的方式，其中养殖废弃物的综合利用见图2。规模化、工程化厌氧发酵制备沼气和通过生物化学转化的方式制备氢畜牧生态环保992023.10气、乙醇、生物柴油等气态和液态能源已经成为当今社会和未来主流的研究趋势。图2 养殖废弃物的综合利用2.1 养殖废弃物制备沼气沼气是燃烧时产生的二氧化碳远少于其它化石燃料，同时价格低于可再生能源，在能源转型中发挥重要作用，还可提纯为天然气，作为制氢气的原料。可在厌氧条件下分解养殖废弃物中的有机物生产，可分为4个阶段，分别为发酵、产酸、产乙酸和产甲烷11，厌氧发酵产甲烷的过程中又可以分为2条途径，分别为氢营养型途径和乙酸营养途径，氢营养型是H2/CO2消耗转化为甲烷，乙酸营养型是将乙酸分解为甲烷12。同时产生的沼液和沼渣也可被进一步利用做肥料，养殖废弃物微生物厌氧发酵制备沼气并工厂化运营已经成为当今和未来的主流趋势。Meegoda J N等13研究厌氧消化过程发现，氢氧性产甲烷菌可以消耗厌氧系统中的H2并进一步转化为甲烷。Dong L L等14采用东北双城的牛粪，使用大型活塞流反应器（PFR）在3740，底物浓度为7%10%，工作体积为3.85104 m3条件下，平均处理粪污速率为1 504 m3/d，平均月产沼气量达到7.45104 m3，通过3年的实验运行，进一步阐明了牛粪制备沼气的潜力和工业应用前景。Chuenchart W等15发现鸡粪中的C/N较高，但厨余垃圾的C/N较低，不利于厌氧发酵产沼气，两者混合后可共同厌氧发酵，使用连续搅拌罐式反应器系统进行实验，结果表明，当有机负荷率最高时，混合发酵系统比单发酵系统甲烷产率提高了89.9%。Chen F等16测定山西省的鸡、猪和牛粪的最大甲烷潜力，在55 嗜热厌氧条件下培养，其研究结果表明牛、猪和鸡粪的最大甲烷潜力分别为292.0、272.0 mL/gVS和266.4 mL/gVS，并且发现甲烷潜力随粗蛋白和粗脂肪的含量的增加而降低，随粗纤维和碳水化合物含量的增加而提高。Ye J Q等17采用广州的稻草与厨余垃圾和猪粪配比为0.41.61时，此时的C/N为21.7，甲烷含量为45.9%70.0%，VS去除率为55.8%。Li Y等18采用江西的猪粪和中药残渣厌氧产沼气，研究结果表明当50%中药残渣和3.5 g挥发性固体下，产生的甲烷含量最高为294 mL/gVS，表明猪粪和中药残渣提取物混合厌氧发酵能够显著提高沼气产量。Nitsche M等19对马粪进行了研究，其结果表明纯马粪厌氧发酵甲烷产量为（222.3313.60）mL/gVS，当马粪与秸秆混合后发酵产甲烷量为（233.0131.32）mL/gVS，与Dobre P等20的结果不同，其研究发现，鸡粪、牛粪、猪粪和马粪的甲烷产量分别为520、260、280、480 mL/gVS和200300 mL/gVS，可能是由于不同地区的畜禽食用的饲料、蓄养条件不同而导致的养殖废弃物化学组分不同。研究发现不止秸秆、稻草等可提高沼气产量，金属元素也可增强微生物的厌氧消化能力提高沼气产量，Hou Y Q等21将零价铁用于增强猪粪的厌氧消化能力，提高沼气循环能力，并使沼气产量提高53.84%，氢营养型甲烷杆菌和甲烷菌在沼气循环过程中分别富集38.81%和26.41%；Taha A M A等22在牛粪发酵体系中加入镍元素，当添加2 mg/L镍元素时，沼气产量比未添加组提高70.46%，并且总固体和挥发性固体的去除率提高19.2%和12.1%。2.2 养殖废弃物制备氢气氢气是最清洁的绿色燃料，燃烧的产物只有水，是未来构建无碳、清洁能源为主的多元能源供给系统的重要能源载体。作为能源，氢能具有零碳排放、能量密度高、清洁无污染等诸多优点受到广泛关注，尤其是应用于氢燃料汽车领域。氢气不能直接开采，自然界中没有可以开采的单质氢气，需要利用其它能源制取。要发展氢能，就需要研究高效、廉价、低碳的制氢技术。氢气的产生可由微生物将养殖废弃物中的纤维素、半纤维素分解为糖类、氨基酸、有机酸，进而产生挥发性脂肪酸（VFA）23-24。VFA产氢气和二氧化碳，在高浓度VFA下会提高氢气产量25。Shen X L等26从552个采集点采集838份畜禽养殖废弃物样品（猪粪、奶牛粪、蛋鸡粪、肉鸡粪和肉牛粪），通过对样品的工业分析、元素分析和矿物分析后，计算出5种畜禽粪便可产合成气（一氧化碳和氢气）约983.40109 m3。为提高从畜禽粪污中制备氢气，有研究表明添加催化剂可提高氢气得率。Ahamd T等27使用鸡粪采用流化床临界水气化技术制备氢气，研究发现在620 条件下，TS9%的鸡粪可以完全气化，并且碳气化达到99.2%，当加入多孔炭催化剂后，氢产率为25.2 mol/kg，说明催化剂有助于促进鸡粪制备氢气。Wang Y等28对牛粪污水采用光合细菌进行处理，研究发现平均容积产气率为11.65 mL/（Lh），氢气浓度达到55%，原料转化率为52.60 mL/g COD。Nanda S等29对马粪在600，生物质水=110的条件下进行研究，马粪与2 wt%的Na2CO3超临界水气化45 min，氢气产率达到最高畜牧生态环保100 2023.10为5.31 mmol/g，总气体产率为20.8 mmol/g，表明超临界水气化技术是畜禽养殖废弃物资源转化利用的一种有效制备富氢气体的技术。2.3 养殖废弃物制备燃料乙醇酸、碱预处理能破坏畜禽养殖废弃物中的纤维素和半纤维素结构中的醚键和氢键，能够进一步使木质素结构溶胀，增加畜禽养殖废弃物的比表面积和孔隙率，但是酸预处理对木质素结构的影响程度远不及碱预处理，同时碱预处理条件反应更为温和，避免酸的腐蚀风险30。Bona D等31采用3.5%H2SO4在121 条件下对牛、猪和家禽的粪便酶解30 min，发现牛粪的总糖回收率最高为230.16 mg/g，再通过微生物对发酵糖处理，结果表明牛粪产生的乙醇产率最高为56.32 mg/g。Ramesh D等32利用酿酒酵母对来自印度的猪粪进行厌氧发酵，实验发现从猪粪中得到0.7651.02 g/200 mL 89.59%生物乙醇。2.4 养殖废弃物制备其他能源Malgorzata H等33对鸡粪进行水热炭化法实验，研究发现当处理温度为300，时间为180 min时鸡粪的热值会显著提高，达到（23 880.6734.56）J/g，相比较于未处理鸡粪提高8 329 J/g，但考虑到成本等因素，在240 下处理30 min得到的水热炭的效益更高。Azmi N M等34研究预处理马来西亚鸡粪对微生物燃料电池产电性能的影响，发现当预处理条件为140、20 KHz和pH值为10时，COD的去除率最高为80.68%，生物量最高为7.853 9 mg/L，功率密度最高为220 mW/m2，明显高于未预处理的鸡粪制备燃料电池的产电性能。Ali S A等35对猪粪和污泥等有机废弃化合物水热处理，当把含有80%的猪粪和20%的污泥按照不同比例进行反应，结果发现当80%猪粪和20%污泥比例为11时，生物油产率最高为42.38%，最佳热值为36 MJ/kg，表明共液化可以提高生物油的产量，有利于生物油的回收和利用。3 结论养殖废弃物含有大量的有机质，包括脂肪、蛋白质、淀粉以及难降解的木质素、纤维素、半纤维素，充分利用畜禽养殖废弃物中的有机质成为转化和利用亟需解决的问题。虽然畜禽养殖废弃物的资源化利用已经取得一定的研究进展，但是处理方式较为单一，存在成本高利用率低的缺点，并且对于养殖废弃物中病原体和重金属的去除还处于初级的阶段。对养殖废弃物进行资源化利用，需要对传统技术进行筛选、整合与升级，在科学合理利用养殖废弃物资源的基础上，进行深入的综合开发利用，解决养殖废弃物经济和环境利益的排序差异和错位问题，通过工艺创新与模式完善，最大限度地提升养殖废弃物处理效率，创造最大的经济效益与环保效益。参考文献1赵馨馨，杨春，韩振我国畜禽粪污资源化利用模式研究进展J黑龙江畜牧兽医，2019（4）：4-72Seglah P A，Wang Y J，Wang H Y，et alSustainable Biofuel Production from Animal Manure and Crop Residues in GhanaJEnergies，2022，15：5 8003Zhang J H，Liu J Y，Evrendilek F，et alKinetics，thermodynamics，gas evolution and empirical optimization of cattle manure combustion in air and oxy-fuel atmospheres（Article）JApplied Thermal 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