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畜禽粪便厌氧发酵沼液的生化法处理及资源化利用

母锐敏 ,  范兵兵 ,  祁峰 ,  马桂霞 ,  潘建强 ,  孙菊悦

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (6) : 53 -57.

PDF (1633KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (6) : 53-57. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.06.010
技术进展

畜禽粪便厌氧发酵沼液的生化法处理及资源化利用

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Biochemical treatment and re-utilization of anaerobically fermented biogas slurry from livestock and poultry manure

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摘要

综述了畜禽粪便厌氧发酵沼液的特点,以及生化处理和资源化利用的研究进展,总结了这些技术的优缺点、应用场景和前景。对今后畜禽沼液处理的研究方向进行展望,将藻菌引入沼液处理并结合沼气生产,形成“三沼”联合处理的生态产业模式,实现资源的高效回收与再利用。

Abstract

The characteristics of biogas slurry from anaerobic fermentation of livestock and poultry manure are reviewed,and the advances in the technologies for biochemical treatment and re-utilization of the biogas slurry are summarized.The advantages,limitations,application scenarios,and future prospects of these technologies are analyzed and introduced.In addition,the research directions for the treatment of livestock and poultry manure biogas slurry in the future are predicted.It is suggested to integrate algae-bacteria into biogas slurry treatment,combining with biogas production to establish an ecological "Three Biogas Products " synergistic industrial model for efficient recovery and reuse.

Graphical abstract

关键词

畜禽沼液 / 三沼 / 资源化利用 / 生化处理

Key words

livestock and poultry biogas slurry / three biogas products / re-utilization / biochemical treatment

Author summay

母锐敏(1981-),女,博士,教授,研究方向为水污染防治理论与技术研究,。

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母锐敏,范兵兵,祁峰,马桂霞,潘建强,孙菊悦. 畜禽粪便厌氧发酵沼液的生化法处理及资源化利用[J]. , 2025, 45(6): 53-57 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.06.010

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当前,畜禽养殖业的蓬勃发展,为社会提供了丰富的食品资源,也对经济增长做出了重要贡献。据《中国统计年鉴—2023》数据显示,2022年全国肉猪出栏量达到69 994.8万头,大牲畜年底头数为 10 859.0万只,牧业产值达到40 652.4亿元,占农林牧渔总产值的26.05%,是我国国民经济的重要组成部分。然而,伴随产业规模扩大,养殖废弃物排放引发的环境问题也日益严峻,其中随意排放的畜禽粪便是造成污染的重要原因[1]。
畜禽粪便直接用作肥料会产生强烈的刺激性气味,扩散到水域后会引起水质污染风险。除了气味问题,堆肥还会产生硫化氢等有害气体。近年来,利用沼气工程处理畜禽粪便是控制污染的一种有效途径[1],在厌氧发酵罐内,动物粪便等有机废物被分解并混合均匀,然后添加到含有各种细菌、真菌和酵母的厌氧环境中,通过水解、酸化、产乙酸和产甲烷等一系列反应,产生大量可燃气体(如甲烷和二氧化碳)、残余的沼液和沼渣[2],即“三沼”,其数量巨大,缺乏足够的土地进行消纳。且厌氧发酵后的沼液中仍含有较高浓度的有机物、氨氮和磷,直接排放或不充分处理会造成严重的环境污染和健康风险,特别是水体富营养化、土壤污染、耐抗生素基因和雌激素活性风险等[3],同时,这也导致农业资源浪费[4]。如何在高效降解沼液污染物的同时,将其资源化利用最大化,已成为当前研究的热点和难点。因此,本文中从生化法处理和资源化利用2方面,综述了国内外针对畜禽粪便厌氧发酵沼液的研究进展,分析其技术特点、优缺点及适用场景,并展望未来发展方向,为实现沼液的高效处理和资源化提供理论依据与技术参考。

1 畜禽粪便厌氧发酵沼液的特点

畜禽养殖场产出的粪便,在经过厌氧发酵处理后,产生的有机废液通常称作畜禽粪便厌氧发酵沼液[5]。其营养成分丰富但复杂,颜色为亮棕色,一般呈弱碱性至中性,pH值为6.7~9.2,因粪便种类、收集的地域等多种因素而在特定的范围内发生波动。如鸡粪发酵沼液的平均pH显著高于牛粪和猪粪,是由于鸡粪中氮含量较高,在厌氧消化过程中导致沼液偏碱性。沼液中氮、磷含量显著,尤其是高浓度的氨氮,具备资源化用作农业肥料的潜力,但直接排放易导致水体富营养化,使藻类和水生植物过度生长,造成水体溶解氧下降,水生生态系统失衡。此外,沼液中富含挥发性脂肪酸和其他未完全降解的有机质[6],增加了其生物可降解性,同时带来较高的化学需氧量(COD)。但由于碳含量偏低,导致碳氮比失衡,影响沼液处理时的生物脱氮效率。此外,沼液中可能含有残留的抗生素、激素和少量重金属,这些污染物主要源自饲料和养殖过程中的药物添加,可能对环境和健康带来潜在风险。沼液的物理和化学特性因发酵原料的差异而存在显著的不同。常见畜禽粪便发酵沼液中氮磷组分分布如表1所示[7-8]。
畜禽粪便发酵沼液中的COD、氨氮($\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$)、总磷(TP)和总氮(TN)含量显著高于普通生活污水,尤其是鸡粪沼液,各项指标远超生活污水的标准。因此,在畜禽粪污处理和资源化利用中,需采用高效的处理工艺来降低有机物、氮、磷含量,确保环保达标的同时,实现资源的有效回用。

2 生化法处理畜禽粪便厌氧发酵沼液的常见工艺

生化处理工艺是通过人工构建的设施,采用高能耗的强化措施,有效分解和去除沼液中的大量有机物,同时实现脱氮除磷,确保出水达到排放标准。常见的有两级A/O工艺、序批式生物膜反应器(SBBR)、间歇曝气序批式活性污泥法(IAMBR)等。

2.1 两级A/O工艺

传统的A/O工艺对低碳氮比的厌氧发酵沼液处理效果不佳,两级A/O工艺也称为“A1/O1+A2/O2”工艺,通过设置2个厌氧区和2个好氧区,形成硝化-反硝化的叠加,分阶段完成有机物的降解、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$的硝化和TN的反硝化去除,强化了脱氮性能[9]。Chen等[10]采用两级厌氧/好氧工艺处理猪场废水,对$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$的平均去除率达到98.7%。Liu等[11]采用步进式两级厌氧/好氧工艺处理猪场废水,COD去除率达89%,$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$去除率达97%。

2.2 序批式生物膜反应器

传统的序批式活性污泥法(SBR)污泥产量及污泥体积指数高,序批式生物膜反应器(sequencing batch biofilm reactor,SBBR)兼备SBR和生物接触氧化技术的优势[12],是一种复合式生物膜反应器,对处理厌氧发酵沼液是个很好的选择。陈彦霖等[13]采用SBBR处理猪养殖废水,COD、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$和TN去除率分别为96.5%、98.6%和96.5%。Sui等[14]采用SBBR处理猪场污水,在HRT为6.0 d时,COD、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$和TN的去除率分别高达95%、99%和93%。

2.3 间歇曝气序批式活性污泥法

间歇曝气序批式活性污泥法(intermittent aeration sequencing batch reactor,IASBR)是SBR的一种变型,通过间歇曝气,在同一反应器内形成缺氧和好氧交替的环境,更易于实现高效的短程硝化和反硝化[15]。宋小燕等[16]采用IASBR处理养猪沼液,当进水COD/TN提高到2.4±0.5且氨氮负荷不超过0.30 kg/(m3·d)时,对TN、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$和总有机碳(TOC)的去除率达到90%、95%和85%以上。Sheng等[17]采用SBR和2个IASBR并联运行处理猪场沼液,与SBR相比,IASBR对TN和$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$的去除率更高,对TN冲击负荷的耐受性也更高,分别为 77%~79%和88%~99%。

2.4 工艺比较

两级A/O工艺、SBBR及IASBR等各技术的优缺点和应用场合如表2所示。传统的生化处理工艺虽在一定程度上实现了污染物的去除,但面临高能耗、膜污染、污泥膨胀及运行复杂性等挑战,仅曝气一项就占运行费用的50%以上[18]。且传统生化方法仅将部分有机物转化为新的生物细胞生成污泥,大部分有机物被转化为稳定的无机物(如CO2、H2O),导致沼液的资源化利用程度较低,同时产生的污泥还需进一步处理。未来畜禽发酵沼液生化处理技术或呈现以下趋势:①通过优化工艺设计和运行参数,进一步降低能耗,提高对低C/N比沼液的处理效率,实现资源化利用与经济效益的平衡。②需探索与其他资源化技术的联用策略,如微藻培养和鸟粪石结晶工艺,以实现氮、磷等资源的高效回收,提升副产物价值。③引入智能化监控与动态调节技术,结合大数据分析和人工智能算法,增强工艺运行的稳定性和适应性,提高实际应用效果。

3 畜禽沼液的资源化利用

3.1 直接农田施用

沼液中富含氮、磷、钾等无机元素、微量元素及氨基酸、维生素和有益细菌等有机成分[19],具有农业利用潜力。研究表明,适量施用沼液不仅能提高作物产量,还能改善土壤肥力。Li等[20]考虑到黄瓜植株的干重和黄瓜枯萎病的发病率,施用3%的沼液对促进生长和抑制病害的效果最好,且无土壤盐碱化风险。Tang等[21]通过实验发现水稻施用 480 m3/ha沼液,小麦施用9.00~11.25 m3/ha沼液时,可使土壤有效氮磷平衡供应,促进作物生长。

3.2 沼液培养微藻

微藻在生长过程中对氮、磷等营养成分需求巨大,因此,利用这些元素对沼液进行净化和资源再利用被认为是一种高效的方法。在沼液环境下,氨氮主要以铵态氮的方式存在,为微藻提供了快速增长的条件。此外,沼液中的COD主要由挥发性脂肪酸和碳酸氢盐组成,可促进混合营养的代谢,加快微藻的生长速度。同时沼液富含多种微生物、酶系及丰富的营养元素(例如锰、钾和硫)和微量元素(例如硼、钴、铜、铁、钼、镍和锌)[22],是微藻培养的重要养分来源。目前,采用沼液进行微藻养殖的方法已经受到了众多的关注。叶美锋等[23]研究了4种耐高污染的微藻用于处理畜禽养殖场沼液废水,其中小球藻的生长状况最佳,微藻生物量提高了34.8%,COD、TP、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$的去除率达到80.8%、75.7%、91.3%。Zhou等[24]采用微藻-微藻联合体系处理高氨氮沼液,其中Chlorella vulgaris FACHB-31与Chlorella pyrenoidosa FACHB-10共培养体系对TN、$\text{NH}_{4}^{+}-\text{N}$和TP去除效果最好,去除率分别为(80.23±0.45)%、(80.40±0.57)%和(68.54±0.20)%。

3.3 沼液回流回用

沼液回流是将排出的沼液替代稀释用水重新引入发酵系统。微生物和未完全分解的营养物质返回系统,能提升产气效率,常被用于沼气工程中减少沼液的排放[25]。冉文娟等[26]认为沼液回流可以有效提高牛粪和玉米秸的产甲烷率和总固体含量(TS)、挥发性固体(VS)去除率,以100 g/L进料浓度和100%沼液回流比时系统产气效果最好。陈广银等[27]认为以秸秆和猪粪混合物为发酵原料进行沼液全量回流半连续进料135 d后,沼液全量回流的处理日产气量仍维持在10 L左右,日均产气量较沼液不回流的处理提高了37.45%。

3.4 资源化技术比较

沼液直接农田施用、沼液培养微藻和沼液回流回用等技术的优缺点及应用场合如表3所示。直接将沼液作为肥料还田施用是农村户用沼气工程中最简单、最常用的资源化利用方式。但沼液的使用仍存在一定的风险,一般来说,沼液对土壤和作物的危害主要是施用不当造成的。沼液的应用较为粗糙,缺乏完整的沼液浓度检测和施肥机制,无法实现沼液的浓度及养分含量始终保持在最佳范围内。因此,选择适当的灌溉技术,包括适当的浓度、混合比例和灌溉方法,通常可以减少碳足迹,实现最佳作物产量。
沼液回用在一定程度上减少了沼液排放,但安全性和效率仍存在研究空白。沼液回用过程中其处理和输送设备自动化水平较低,无法实现精确的流量控制和均匀分布,这可能导致局部污染或营养物质浪费。应深入研究沼液回流比、回流方式和关键物料调控对系统的影响;建立完善的监测体系,对氮、磷、有机物及有害物质进行实时检测;开发精确的自动化沼液输送系统,实现对回流沼液用量和分布的精准控制。
微藻技术有望实现沼液中污染物处理与资源化,但单一微藻技术在不同季节或批次的沼液处理中表现可能不稳定,且微藻通过光合作用释放的氧气(O2)可能过度积累,引发光呼吸效应,降低生物质产量。研究表明,与单独培养微藻相比,细菌与微藻共培养在沼液处理中的优势显著。与沼液直接农田施用、回流回用相比,菌藻共生系统不仅能高效去除氨氮、磷酸盐和溶解性有机物,避免环境中氮磷流失,还能通过微藻生产高附加值生物质,实现资源的深度利用。同时减少抗生素和重金属等有害物质的残留污染,为环境保护提供创新解决方案。这种方法兼具环境效益和经济价值,是传统方式难以实现的突破性进展。

4 沼液与沼气、沼渣的联合处理与利用

将“三沼”进行综合利用,即将沼气建设与产业发展相结合,是一种行之有效的循环经济模式。西峡县木寨村采用了沼气、沼渣、沼液“三沼”综合利用模式,通过用沼气供能、沼液养鱼、沼渣栽培食用菌,形成了以沼气为纽带,种植、养殖与加工相结合的生态产业模式[28]。淮安市对成片蔬菜大棚尾菜进行资源化利用[29],通过分散建设沼气池处理尾菜,沼气用于提供增温、照明,沼液用于直接喷洒或者接入滴灌系统施肥,沼渣洒施到田间作为优质有机肥使用,为推进设施生态循环农业提供借鉴。然而,当前“三沼”利用的实际推广仍面临沼气品质偏低,沼液高氮磷易污染土壤和水体,沼渣处理成本高且利用率有限等问题。将藻菌系统与“三沼”利用相结合是一种具有高度协同性的创新思路。藻菌系统通过微藻和细菌的协同作用,不仅能高效处理沼液中的各类污染物,还能实现废弃物资源化和产品高值化,构建农业生态闭环。
藻菌系统与“三沼”的资源闭环利用如图1所示。在藻菌系统中,利用细菌代谢产生的二氧化碳(CO2)供给微藻,同时通过微藻的光合作用为好氧细菌提供O2,实现双向协同作用。畜禽粪便发酵过程中产生的沼气可通过燃烧来发电,但沼气中含有杂质CO2,进而使甲烷(CH4)含量降低,导致沼气品质下降[30],燃烧效率和能源利用率受限。在沼气升级或热电联产过程中将CO2废气分离出来,导入藻菌培养系统处理沼液,可减少碳排放并提升沼气中CH4的含量。沼气经过纯化后可转化为生物甲烷,作为交通运输工具的燃料或工业用途(如化肥生产、食品加工等),进一步提高经济价值。同时,沼液中含有丰富的氮磷营养物,是藻菌系统的理想培养基。微藻能够高效吸收沼液中的氨氮和磷酸盐,而细菌通过代谢活动进一步稳定营养物浓度,使处理后的出水达到环保排放标准。此外,微藻固定的氮磷以生物质形式储存,可用于高价值化合物的提取,如虾青素、类胡萝卜素、β-胡萝卜素和omega-3脂肪酸等;也可转化为生物燃料,如生物柴油和生物乙醇等。沼渣常用于农田有机肥,但肥效有限。通过将藻菌系统产生的微藻生物质与沼渣混合,可显著提升沼渣的有机质和养分含量,改善土壤微生物环境,增强农田生态效益。
尽管将藻菌系统与“三沼”构建形成资源闭环利用体系具有多方面优势,但推广应用仍面临着挑战:①碳源的高效利用问题。从沼气中提取的CO2是一种理想的无机碳源,可以增强微藻的光合作用。但如何提升CO2传递效率和利用率尚需优化,包括开发高效吸收CO2的微藻菌株和改进培养系统设计等,从而实现更高的碳固定率和资源化利用效益。②处理高浓度氮磷沼液的技术瓶颈。畜禽沼液中的高氨氮和磷浓度可能导致营养过剩或毒性效应,需对沼液进行适当预处理。未来,需对藻菌系统的能耗、温室气体排放及经济效益进行系统分析,以推动其大规模应用。
“三沼”与藻菌系统的结合为农业废弃物资源化利用提供了全新的技术路径。这一闭环模式在提升废弃物处理效率的同时,兼顾了环境保护和经济效益,具有广阔的应用前景。通过持续的技术创新和政策支持,三沼-藻菌系统融合有望成为农业生态循环体系的重要组成部分。

5 结论

随着社会经济的发展,为提高畜禽养殖的生产效率,养殖规模将进一步扩大,粪便和废水的排放量也将增加,未来畜禽粪便厌氧发酵沼液的处理与资源化利用将面临更大的挑战,同时也蕴含着重要的机遇。
(1)优化生化处理技术。生化处理技术尽管在处理效果上具有显著优势,但高昂的运行成本和复杂的管理需求限制了实际应用。且将畜禽粪便发酵沼液作为废水处理,资源的回收利用较为有限,部分有价值的营养元素可能在处理过程中被消耗或损失。因此,未来需着力优化工艺流程,降低运行成本,同时提高资源回收效率,提升技术的经济性和实用性。
(2)加强资源化利用,推动藻菌系统处理技术发展。将微藻引入畜禽粪便厌氧发酵沼液的处理具有显著的环境和经济潜力,通对过沼液、沼渣和沼气的联合处理与利用,可以建立农业生产和废物资源化的闭环,实现农业废弃物的“零排放”,并增强减污减碳的协同效应,推动生态循环体系的建设。
(3)提升技术经济性与应用适应性。未来需要开发高效、低成本、易操作的沼液处理技术,提高中小规模养殖场的应用适应性。结合本地资源条件和农业需求,量身定制技术解决方案,推动沼液处理技术在不同区域的推广与落地。

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