【doc】沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

1、沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2011,13(1):8387journalofagriculturalscienceandtechnology沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀隋倩雯,董紅敏,朱志平,黃宏坤(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,農(nóng)業(yè)部畜牧環(huán)境設(shè)施設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心,北京100081)摘要:針對我國大中型沼氣工程沼液產(chǎn)生量巨大,沼液還田無法廣泛實(shí)施,而直接排放又會造成環(huán)境污染的問題,通過對大量的文獻(xiàn)資料和研究結(jié)果進(jìn)行分析,得出沼液處理的2種主要途徑:降解其中的污染物使其能夠達(dá)標(biāo)排放或安全回用,濃縮并回收沼液中營養(yǎng)物,使沼液體積減量化.建議今后的研究應(yīng)選擇適合

2、的工藝,克服技術(shù)難題,以沼液高效利用為目標(biāo),以防止環(huán)境污染為前提,探索低運(yùn)行費(fèi)用的沼液處理方法.關(guān)鍵詞:沼液;厭氧消化液;處理;沼氣工程doi:10.3969/j.issn.1008-0864.2011.01.13中圖分類號:x703文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a文章編號: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沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)在我國應(yīng)用歷史長久,近年來隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,農(nóng)村廢棄物污染問題加劇,可再生能源需求增加,大中小型沼氣工程建設(shè)發(fā)展迅速.根據(jù)中國農(nóng)村能源年鑒(20002008),截至2007年底,我國農(nóng)業(yè)沼氣工程數(shù)量已達(dá)8576處,總池容達(dá)到214.25萬iti.大中型沼氣工程大力發(fā)展的同時(shí),大量厭氧消化物隨之產(chǎn)生,如得不到妥善處理,會給環(huán)境造成巨大壓力,成為急需解決的問題.沼液中含有豐富的營養(yǎng)物,礦物質(zhì)和有機(jī)質(zhì),在我國農(nóng)村普遍作為肥料還田.沼液還田不僅可以減少化肥的施用,增加土地肥力,并且操作簡單,費(fèi)用低.此外,

7、沼液還可以將其作為葉面肥,浸種劑和飼料添加劑等使用,通常具有提高產(chǎn)量,預(yù)防病蟲害和促進(jìn)生長等作用.由于我國各地土壤,氣候,降水和種植作物類型具有較大差異,尚未出臺有關(guān)沼液還田的標(biāo)準(zhǔn),加之不同沼氣工程沼液濃度不盡相同,沼液成分也尚不明確,沼液還田還存在著很大的問題和風(fēng)險(xiǎn).段然等對連續(xù)6年施用沼肥(沼渣和沼液)的土壤進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)土壤中銅,鋅含量明顯升高,雖未造成土壤重金屬超標(biāo),但認(rèn)為農(nóng)田生態(tài)收稿日期:201010-26;接受日期:2010-1126基金項(xiàng)目:國家生豬現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(nycytx-o9);公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200803036);"十一五"國家

8、科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008badc4b17-03)資助.作者簡介:隋倩雯,碩士研究生,主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生物環(huán)境.email:suiqianwen163.con.通訊作者:董紅敏,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事畜禽養(yǎng)殖環(huán)境工程研究.email:donghm中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)13卷系統(tǒng)長期施用沼肥仍存在污染風(fēng)險(xiǎn).另外,由于我國大中型沼氣工程沼液產(chǎn)生量大,沼液儲存與運(yùn)輸設(shè)施不完善;我國農(nóng)田土地管理分散,農(nóng)戶擁有土地面積小,使得沼液還田仍無法廣泛實(shí)施,而直接排放又會造成環(huán)境污染.因此,加強(qiáng)沼液處理技術(shù)研究顯得尤為重要.本文通過介紹國內(nèi)外沼液處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀,為沼液高效利用,并防止環(huán)境二次污染等問題

9、提供解決思路.1我國沼液特性分析沼氣技術(shù)是一種厭氧生物處理技術(shù),它通過降解有機(jī)物產(chǎn)生沼氣,是一種兼具廢棄物處理與能源回收利用的技術(shù).由于沼氣工程設(shè)計(jì)目標(biāo)側(cè)重點(diǎn)(如回收能源或降解有機(jī)物)不同,且處理原料與技術(shù)工藝各異,沼液的成分也具有很大差別.例如雞糞含氮量高,其發(fā)酵后沼液具有很高的nh一n濃度.當(dāng)畜禽養(yǎng)殖場采用干清糞方式分離沖洗水與糞便,只有沖欄污水進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵罐時(shí),其消化液污染物濃度較低.此外,不同厭氧消化工藝,其適合的進(jìn)料濃度和沼氣產(chǎn)率也有所不同.如升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflowanaerobicsludgebed,uasb)是一種以環(huán)保治理為主,生產(chǎn)沼氣為輔的沼氣工程技術(shù),其出水污

10、染物濃度較低.然而,升流式厭氧固體反應(yīng)器(upflowsolidreactor,usr)和完全混合式厭氧反應(yīng)器(continuousstiredtankreaetor,cstr)則沼氣產(chǎn)率較高,并允許較高的進(jìn)料濃度,沼液中有機(jī)物濃度也相應(yīng)較高.不同沼氣生產(chǎn)工藝和污水類型,厭氧消化液特性參見表1.此外,糞便等廢棄物經(jīng)厭氧消化后,其中的有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化為沼氣,但氮,磷等營養(yǎng)物的濃度變化不大,甚至稍有升高j.因此,沼液中含有豐富的氮,磷,鉀等營養(yǎng)物質(zhì).豬糞經(jīng)厭氧發(fā)酵后,產(chǎn)生的沼液中含有全氮0.5175kg,全磷0.367kg,全鉀0.8408g/kg.除此之外,沼液中還含有多種礦物質(zhì),有機(jī)質(zhì)以及生物活

11、性物質(zhì),它們對促進(jìn)植物生長和抑制病蟲害具有明顯效果.然而,沼液中重金屬含量是人們普遍關(guān)注的問題,武麗娟等¨對沼液中多種重金屬含量進(jìn)行了測定,其中含量較高的是銅和鋅,濃度分別為2.18mg/l和0.48mg/l.2沼液處理研究與應(yīng)用現(xiàn)狀我國大中型沼氣工程產(chǎn)生大量沼液,而儲存與運(yùn)輸設(shè)備又不完善,加之土地不足與運(yùn)輸成本表1不同污水類型和厭氧消化工藝所產(chǎn)生沼液特性table1thecharacteristicsofbiogaseffluentfromdifferentwastewatertypesandanaerobicdigestionprocess注:""表示總氮no

12、te:"''meansthetotalnitrogen1期隋倩雯等:沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀85的限制,沼液還田無法廣泛實(shí)施,若將沼液直接排放又會對土壤,地表以及地下水造成污染.因此,應(yīng)探究適宜的沼液處理技術(shù),使沼液高效利用,并防止環(huán)境污染.其主要途徑為:降解其中的污染物使其能夠達(dá)標(biāo)排放或安全回用;濃縮并回收沼液中營養(yǎng)物,使沼液體積減量化.這兩種途徑可以相互結(jié)合,但通常來說,每種處理方法都有一定的側(cè)重.2.1降解有機(jī)物污染物武漢市東西湖養(yǎng)殖場的沼氣工程項(xiàng)目利用生物質(zhì)吸附沼液中殘留的有機(jī)質(zhì)和重金屬等物質(zhì),并將吸附后的生物質(zhì)作為原料繼續(xù)用于沼氣生產(chǎn),處理后的沼液可直

13、接進(jìn)入人工濕地進(jìn)行深度處理¨,整個(gè)沼液處理工程運(yùn)行簡單,費(fèi)用低廉.福建某生豬養(yǎng)殖場采用干清糞方式收集糞便,生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的沖欄污水中cod,nhj-n和tp分別為5856mg/l,306.5mg/l和92.67mg/l.該場采用usr與一體式氧化溝相結(jié)合工藝處理污水后,處理水可達(dá)標(biāo)排放¨.在沼液處理新工藝方面,國內(nèi)也進(jìn)行了很多研究.鄧良偉等采用序批式反應(yīng)器(sequencingbatchreactor,sbr)處理豬場厭氧消化液.豬場污水經(jīng)厭氧消化后,cod,bod和n一n分別為700800ml,200300mg/l和700800mg/l.由于經(jīng)厭氧消化后,污水的可生化性變

14、差,c/n比不足,且cod去除只有10%左右,因此,采用sbr工藝直接處理厭氧消化液效果不理想.為解決上述問題,可以將豬場原水添入沼液中,調(diào)節(jié)碳氮比,補(bǔ)充堿度,維持ph.試驗(yàn)證明當(dāng)原水比例為30%時(shí),去除效果最好,且運(yùn)行穩(wěn)定,處理水可達(dá)標(biāo)排放¨.此外,對于調(diào)節(jié)豬場厭氧消化液堿度來說,添加原水比加堿更加經(jīng)濟(jì)可行.曹玉成等利用移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(mov.ingbedbiofilmreactor,mbbr)處理豬場廢水厭氧消化液,沼液cod,bod和nh4一n濃度分別為8921312mg/l,200500mg/l和422613ml.mbbr中填人50%的懸浮填料,通過曝氣使填料處于流化狀態(tài)

15、.試驗(yàn)表明,通過在一定范圍內(nèi)延長水力停留時(shí)間(hyraulicresidencetime,hrt),可以提高cod和n一n的去除率,在hrt為23.8h時(shí),出水中cod和nh;一n濃度分別為368mg/l和70mg/l,可達(dá)標(biāo)排放.此外,該試驗(yàn)較好地實(shí)現(xiàn)了同步去除cod和n一n的效果.這可能是由于填料上附著生長大量的生物膜,生物膜表面處于好氧,內(nèi)部處于缺氧甚至厭氧狀態(tài),發(fā)生了同步硝化反硝化脫氮反應(yīng),且mbbr中微生物豐富,有利于有機(jī)物分解.孟海玲等¨采用膜生物反應(yīng)器(membranebioreahor,mbr)處理豬場污水厭氧消化液,生物反應(yīng)器分為間歇曝氣區(qū)和膜分離區(qū).厭氧消化液中c

16、od,nh:一n和懸浮物(suspendedsubstrate,ss)濃度分別為1715mg/l,685mg/l和486mg/l,膜分離池中污泥濃度為8.4813.1g/l,遠(yuǎn)高于普通活性污泥法.盡管cod負(fù)荷在0.412.74kg/m'?d之間波動(dòng),cod去除率可以穩(wěn)定在76%左右.此外,由于碳氮比不足,反硝化缺少碳源,且反應(yīng)池溶解氧do(dissoluedoxygen)<1mg/l,致使nh4-n平均去除率為73.1%,脫氮效果不佳.此外,在膜的截留作用下,出水一直未檢測出ss.可以證明mbr具有污泥濃度高,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),運(yùn)行出水穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).waeger等

17、8;副利用管式膜生物反應(yīng)器處理沼液,分別采用微濾(microfihration,mf)和超濾(uhrafihration,uf)膜組件.試驗(yàn)表明,其他條件相同時(shí),mf的透過率比uf低30%,這主要是由于膜孔堵塞造成的,而uf膜孔較小,不易造成堵塞.此外,該試驗(yàn)還嘗試采用fec1作為絮凝劑,使透過率提高了47%.通過過濾,85%的cod得以去除,但nh4一n的去除卻并不理想,去除率小于20%.這可能是因?yàn)榻?jīng)過厭氧消化后,氮主要以nh4一n的形式存在,其分子質(zhì)量小,難以通過過濾去除.2.2回收營養(yǎng)物質(zhì)沼液除作為污染物外,還可作為資源,回收其中的營養(yǎng)物質(zhì),并使其減量化,方便儲存與運(yùn)輸.為了防止地下水

18、污染,歐盟規(guī)定,糞便的最大施用量為170kgn/hm191,畜禽飼養(yǎng)場必須尋求經(jīng)濟(jì)的糞便處理方法.在荷蘭,利用沼氣工程技術(shù)處理大型畜禽養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞便,污水,并連帶其他農(nóng)業(yè)廢棄物(如秸稈,花莖桿等)進(jìn)行共同發(fā)酵,回收的沼氣可以用于發(fā)電,彌補(bǔ)沼氣工程的運(yùn)行費(fèi)用.沼渣脫水后,可以作為肥料出售.沼液經(jīng)超濾和反滲透工藝可以獲得濃縮液,其中含有氮,磷和鉀分別為6.8kg/t,0.6kg/t和11.586中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)13卷kg/t,根據(jù)2006年荷蘭出臺的糞便施用標(biāo)準(zhǔn)用于施肥,處理后透過液可以達(dá)標(biāo)排放.超濾與反滲透屬于不同孔徑的膜組件,利用膜技術(shù)可以使水與污染物分離,通過壓力作用,透過液流出,而污染物

19、截留在膜一側(cè)形成濃縮液.可見,通過膜技術(shù)可以濃縮并回收沼液中的營養(yǎng)成分,并達(dá)到沼液減量化的目的.kaparaju等采用篩分的方式分離奶牛糞便的厭氧消化物,并從中回收甲烷和氮.試驗(yàn)原料為消化罐中厭氧消化物(35oc)和儲存912個(gè)月后的厭氧消化物(510c).將厭氧消化物分別過2mm,1mm,0.5mm和0.25mm的篩,根據(jù)質(zhì)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之問.試驗(yàn)表明,在前3050d,消化罐與儲存罐中>0.25mill的組分的甲烷產(chǎn)量分別為0.0600.085iti./kgv

20、s和0.0550.092113/kgvs,后200余天的甲烷產(chǎn)量分別為0.160.18lrn/kgvs和0.130.16iti/kgvs,儲存時(shí)間對固態(tài)厭氧消化物的甲烷產(chǎn)量影響不大.而在前3050d,消化罐與儲存罐中<0.25mm的組分的甲烷產(chǎn)量分別為0.20m/kgvs和0.03ill/kgvs,后200余天的甲烷產(chǎn)量分別為0.41ill/kgvs和0.051ti/kgvs,儲存時(shí)問對液態(tài)厭氧消化物的甲烷產(chǎn)量影響較大.這同時(shí)也說明,消化罐中厭氧消化物產(chǎn)甲烷潛力更大,而儲存罐中的產(chǎn)甲烷潛力主要集中于固態(tài)顆粒.此外,該試驗(yàn)還證明無論tn還是nh4一n,均無法通過篩分分離,這是由于用

21、不同孔徑篩分離后,各組分中nh;一n和tn的濃度相似的緣故.yetilmezsoy等向uasb出水中加入mg¨和po一,形成鳥糞石(mgnh4po?6h20,map)回收沼液中的nh4+-n(濃度為1318mg/l).試驗(yàn)證明,在ph9時(shí),加入mgc12?6h2o+kh2po4效果最好,并且nh:一n,cod和色度可以同時(shí)達(dá)到最大去除率,分別為85.4%,53.5%和49.8%.之后,獲得的map施肥用于三種不同作物,通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),施用map后作物鮮重,干重和株高分別提高了28%257%,60%402%和18%156%.sooknah采用大型水生植物處理奶牛場沖欄厭氧消化液,水生

22、植物無法在未經(jīng)稀釋的厭氧消化液中生長,沼液中的高鹽分是主要的限制因素.但當(dāng)以1:1比例稀釋的時(shí)候,水葫蘆生長效果最好,并且氮和磷去除率最高,tkn和tp去除率可分別達(dá)到91.7%和98.5%.而且在沼液中生長的水生植物還可作為沼氣發(fā)酵原料,與廢紙進(jìn)行共同發(fā)酵繼續(xù)用于沼氣生產(chǎn).此外,試驗(yàn)證明這種水生植物的干物質(zhì)是一種很好的緩釋肥料,可以替代化肥使用.3展望針對沼氣的處理途徑,我國近幾年的研究重點(diǎn)主要以去除污染物,并防止沼液對土壤,水體造成污染,以達(dá)標(biāo)排放為目標(biāo).而將沼液作為一種資源,回收營養(yǎng)物質(zhì),使其循環(huán)利用,也是一種可行的沼液處理方法.在沼液處理的過程中,面臨著諸多難題,如沼液中有機(jī)物,nh4

23、一n濃度高,可生化性能較差及碳氮比低等問題.因此,應(yīng)選擇適合的工藝,克服技術(shù)難題,以防止環(huán)境污染為前提,以沼液高效利用為目標(biāo),探索低運(yùn)行費(fèi)用的沼液處理方法.參考文獻(xiàn)1農(nóng)業(yè)部科技教育司編.巾國農(nóng)村能源年鑒(20002008年)m.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2008.2駱林平,張妙仙,單勝道.沼液肥料及其利用研究現(xiàn)狀j.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,5:977.3董保成,路旭,馬慶華.豬場沼氣工程沼渣,沼液的利用j.中國沼氣,2005,23(增刊):263265.4段然,王剛,楊世琦,等.沼肥對農(nóng)田土壤的潛在污染分析j.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2008,30(3):310315.5謝勇麗,鄧仕槐,段莎麗,等.uasb

24、的啟動(dòng)及其對畜禽廢水處理的試驗(yàn)研究j.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué),2007,26(增刊):423.426.6孟海玲,陶秀萍,董紅敏,等.豬場厭氧出水后續(xù)處理效果的測定j.農(nóng)業(yè)工程,2006,22(增刊):2312347張曉軍,史殿林,聞世常,等.北郎中村沼氣t程運(yùn)行淺析j.中國沼氣,2007,25(6):3842.8陳亮,楊仁斌,李歡,等.奶牛養(yǎng)殖場廢水處理工程的設(shè)計(jì)與調(diào)試運(yùn)行j.給水排水,2007,33(10):7173.9劉明軒,杜啟云,王旭.usr在養(yǎng)殖廢水處理中的實(shí)驗(yàn)研究j.天津工業(yè)大學(xué),2007,26(6):3638.1o陳智遠(yuǎn),蔡昌達(dá).大型沼氣工程運(yùn)行分析j.可再生能源,2009,27(6):1

25、02104.11武麗娟,劉榮厚,王遠(yuǎn)遠(yuǎn).沼氣發(fā)酵原料及產(chǎn)物特性的分析隋倩雯等:沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀87j.農(nóng)機(jī)化研究,2007,7:183186.12李冰冰,肖波,宋燦輝,等.武漢東西湖區(qū)養(yǎng)殖場固廢循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)j.可再生能源,2007,25(5):102109.13鄭育毅.usr/一體式氧化溝處理養(yǎng)豬場污水j.中國給水排水,2006,22(2):6870.14鄧良偉,鄭平,李淑蘭.添加原水改善sbr工藝處理豬場廢水厭氧消化液性能j.環(huán)境科學(xué),2005,26(6):105109.15鄧良偉,操衛(wèi)平,孫欣.原水添加比例對豬場廢水厭氧消化液后處理的影響j.環(huán)境科學(xué),2007,28(3)

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27、ensplcm,keulenhv.mineralpolicyinthenether-landsandnitratepolicywithintheeuropeancommunityj_.njaswagen.j.lifesci.,2001,49(23):117134.20gebrezgabhersa,meuwissenmpm,prinsbam,eta1.2011第二屆工業(yè)酶工程是現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分.以微生物或酶為催化劑進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的工業(yè)生物技術(shù),大規(guī)模生產(chǎn)人類所需的化學(xué)品,醫(yī)藥,能源和材料等,是解決人類目前面臨的資源,能源及環(huán)境危機(jī)的有效手段.由中國醫(yī)藥生物技術(shù)協(xié)會主辦,大連百奧泰科技有限

28、公司承辦的第二屆工業(yè)酶與生物催化大會,將于2011年4月2529日在中國大連世界博覽廣場舉行.大會除主論壇外,將設(shè)10個(gè)分會活動(dòng),為專家學(xué)者,企業(yè)精英搭建專題演講和交流合作的平臺,從中獲取最前沿的科技資訊,找到最合適的合作伙伴,結(jié)識最專業(yè)的客戶群體,共同推動(dòng)全球工業(yè)酶與生物催化領(lǐng)域的研制與開發(fā),為人類創(chuàng)造更美好的未來做出貢獻(xiàn).真誠地邀請相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的專家學(xué)者,企業(yè)負(fù)責(zé)人和商務(wù)代表參加本次會議,展示您的最新科研成果,產(chǎn)品和技術(shù),擴(kuò)大中國乃至全球的市場.economicanalysisofanaerobicdigestion-acaseofgreenpowerbiogasplantinthenetherlandsj.njaswagen.j.lifesci.,2010,57(2):109115.21sehriderjj,neetesonjj.nutrientmanagementregulationsinthenetherlandsj.geoderma,2008,144(34):418425.22kaparajupln,rintalaja.effectsofsolidliquidseparationonrecoveringresidualmetha