CN103319061A - 一种提高养殖粪便厌氧消化处理综合效果的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高养殖粪便厌氧消化处理综合效果的方法，其特征是将煅烧菱镁矿、铁氧化物按照一定的比例投加到养殖粪便厌氧沼气池中混合均匀，在投加矿物的协同作用下，改善厌氧沼气池中酸碱平衡和营养状态，提高沼气池中厌氧微生物活性，促进沼液中N、P、S形成磷酸铵镁、硫化铁沉淀固定，提高养殖粪便厌氧消化产甲烷效率和产气中甲烷浓度，提高厌氧能源转化效率和能源质量，降低沼液中残存COD、氨态氮、磷酸盐浓度，提高厌氧消化出水水质，可以降低沼液后处理污染物负荷和处理成本。

Description

一种提高养殖粪便厌氧消化处理综合效果的方法

一、技术领域

本发明涉及有机废弃物可再生能源利用和废弃物处理技术。

二、背景技术

随着我国社会、经济发展，蓄禽养殖方式、结构、模式正在发生根本性的变化。一方面越来越多的农村劳动力进城务工，农民收入提高，导致农村蓄禽散养越来越少；另一方面，随着饲料价格的上涨，瘟疫频繁发生，农民散养蓄禽的风险、成本加大，也导致农村散养逐渐减少。近年来，我国农业科学技术的进步，特别是蓄禽产品价格持续上涨，引起社会资金大量转向养殖业投资，推动了蓄禽养殖快速向专业化、规模化转变，引起了我国蓄禽养殖模式发生根本性的转变。集约化养殖已经成为我国畜牧业发展的主导方向。

集约化养殖不同于农民散养得模式，引起的环境问题也不同。散养模式蓄禽产生的粪便都直接作为农家肥回到了田里，环境问题相对较少。集约化养殖导致养殖废物大量集中产生，存在很多环境问题难以处理。蓄禽集约化养殖业的快速发展过程中，严重忽视了养殖污染的综合治理，治理技术研发相对滞后，致使众多养殖场成为一个不可忽视的污染源。畜禽养殖过程中会对大气环境、水环境、生态环境造成一定程度的污染。国家环保总局组织的全国23个省、自治区、直辖市进行规模化畜禽养殖业污染情况调查结果显示，规模化畜禽养殖业污染呈现三大突出问题：一是粪便排放量大，总量大约每年35亿吨，是工业固体废弃物的3倍多。二是畜禽污染物波及面广且危害大，畜禽粪便的COD排放量已达1亿多吨，远远超过工业与生活污水的排放量之和。三是呈现较为严重的生态压力。要实现养殖业持续发展，必须改善生态环境，无害化处理及资源化利用畜禽废弃物，实现养殖生产与环境保护的协调。

集约化养殖场环境污染包括粪便、污水、恶臭、粉尘、病原微生物等，处理利用不当会对大气、水源和土壤造成严重的污染。粪污的污染物主要是有机物、恶臭和病原微生物。畜禽粪便中各类药物、化学物质、重金属、生物激素残留和污染也对环境产生巨大危害。

由于我国集约化畜禽养殖业正处于发展之中，集约化畜禽养殖业环境污染问题是养殖也发展中出现的新问题，集约化畜禽养殖业环境污染控制技术相对滞后。养殖业粪便、废水同时含有高浓度氮、磷、重金属是其特有的现象，套用其他各类行业现行的污染控制措施在技术、经济、效果方面都不尽如人意。尚缺少专门的针对集约化畜禽养殖业环境污染防治的集成技术。

目前国内畜禽养殖业粪便、废水的处理的方法包括土地净化法、粪便堆肥利用、厌氧消化法。土地净化法是以土地消纳畜禽粪便，通过土层的过滤、土壤粒子和植物根系的吸附、生物氧化、离子交换、土壤微生物间的拮抗，使进入土壤的粪肥水中的有机物降解、病原微生物失去生命力或被杀灭，从而得到净化；同时，还可改良土壤，增加土壤肥力，而提高作物产量，实现资源化利用。

粪便堆肥利用是依靠简单设备，将畜禽粪便干湿分离，将其中干物质进行堆肥发酵，生产商品有机肥，再利用天然或人工湿地、厌氧消化系统对污水进行净化处理。目前的粪便堆肥利用措施没有固氮、固硫措施，产生大量的氨气、硫化氢气体，污染大气的同时，对养殖场动物产生一定的危害，并对设备设施产生较大的腐蚀，同样存在重金属污染、病原菌污染等风险。

厌氧消化法是把粪便、废水加入厌氧消化池，在对废物进行处理的同时，消化产生甲烷气获得能源。16头肥猪的粪便产生的沼气即相当于1L汽油的能源，沼气中CH₄的含量达55%~65%，相当于天燃气CH₄含量的70%左右，是一种清洁型能源。养殖废物厌氧消化回收能源是很有发展前景的处理方式。目前厌氧消化存在的缺陷是没有很好的把粪便和废水分别处理，现有的厌氧消化技术采取没有固磷固氮措施，导致大量氮素、磷进入消化液，没有对厌氧消化液进行深度脱氮、除磷处理，因而不能解除畜禽养殖对环境的污染。虽然归显扬论文“赤铁矿和氧化镁对养殖粪污厌氧发酵气体中H₂S的抑制” 和周跃飞等的论文“针铁矿和菱苦土强化养殖粪污厌氧发酵液中氮、磷固定的研究”对上述矿物添加到养殖废物中固硫、磷、氮的作用进行了探讨，但是并没有发现其对产甲烷的增强作用。

三、发明内容

本发明为了避免上述现有技术的不足之处，提供一种方法简单、成本低廉的提高养殖粪便厌氧消化处理综合效果的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

将工业产品煅烧菱镁矿、纳米铁氧化物矿石同时投加到养殖粪便厌氧沼气池中混合均匀，在所投加矿物的协同作用下，调节和改善厌氧沼气池中酸碱平衡和营养状态，通过矿物与微生物交互作用和电子的传导作用，同时提高沼气池中厌氧微生物代谢活性、促进沼液中营养元素（N、P、S）形成磷酸铵镁、硫化铁沉淀固定，从而提高养殖粪便厌氧消化产甲烷效率和产气中甲烷浓度、厌氧能源转化效率和能源质量，降低沼液中残存COD、氨态氮、磷酸盐浓度，提高厌氧消化出水水质，可以降低沼液后处理污染物负荷和处理成本。所述方法的具体步骤为：

选市售煅烧菱镁矿工业产品，其中氧化镁含量不小于80%，碳酸盐矿物小于5%，破碎得到过320目粉体；

选择低品位铁矿石褐铁矿或鲕状赤铁矿，其中的铁氧化物矿物具有纳米粒度特征，铁品位40-60%，破碎得到过320目粉体；

根据养殖粪便含水率按照养殖粪便、煅烧菱镁矿、纳米铁氧化物矿石质量比500:1:1~100:5:5比例混合均匀，加入到厌氧沼气池中；

厌氧沼气池内设置潜水泵，通过潜水泵的水力循环动力使沼气池内物料流动混合。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明的方法向进行厌氧消化的养殖粪便中投加煅烧菱镁矿，其有益的作用和效果具体包括：作为碱性物质中和粪便厌氧消化过程中酸化产生的有机酸，稳定沼气池始终处于适宜产甲烷菌代谢的弱碱性pH条件；向沼液中提供适当的镁离子，促进磷酸镁铵的沉淀，固定沼液中的氨氮和磷酸盐，降低沼液中的无机氮磷浓度；沉淀进入沼渣的磷酸镁铵是一种有效的缓释氮磷复合肥，不是形成钙磷、铁磷、铝磷等难以生物利用的磷；煅烧菱镁矿来源丰富、价格低廉、化学活性高、安全无毒。

2、本发明向进行厌氧消化的养殖粪便中投加纳米铁氧化物，包括纳米针铁矿和鲕状赤铁矿，其有益的作用和效果具体包括：纳米铁氧化物包括纳米针铁矿和赤铁矿生物活性高，可以被厌氧微生物缓慢还原分解，为厌氧微生物提供铁离子，提高产甲烷微生物的酶活性；纳米铁氧化物颗粒细小比表面积大，与微生物直接接触或电子传递媒介接触的机会高，提高矿物-微生物以及厌氧体系中微生物种间的电子传递效率，提高甲烷菌的产甲烷效率；纳米铁氧化物高活性使得其可以与厌氧体系代谢产生的硫离子结合，减低沼液中硫化物的含量，消除硫化物对厌氧体系微生物的毒害和抑制作用，降低沼气中的硫化物浓度，提高沼气质量，消除沼气输送利用系统的腐蚀、沼气中硫化氢燃烧产生的环境污染问题；天然纳米铁氧化物包括针铁矿、鲕状赤铁矿，一般为低品位铁矿石，储量丰富，价格低廉。

3、本发明的技术方法，同时向养殖粪便厌氧沼气池中投加煅烧菱镁矿和纳米铁氧化物，发挥它们在调节沼气池中酸碱平衡和营养状态、矿物与微生物交互作用和促进电子传导作用，同时提高沼气池中厌氧微生物代谢活性，促进沼液中营养元素N、P、S沉淀固定，从而提高养殖粪便厌氧消化产甲烷效率和产气中甲烷浓度、厌氧能源转化效率和能源质量，并降低沼液中残存COD、氨态氮、磷酸盐浓度，提高厌氧消化出水水质。

 

四、附图说明

图1. 投加矿物对养殖粪便厌氧消化反应体系中pH值的稳定作用

图2投加矿物对养殖粪便厌氧消化反应体系中CO₂累计产量的增强作用

图3投加矿物对养殖粪便厌氧消化反应体系中CH₄累计产量的增强作用

图4投加矿物对养殖粪便厌氧消化沼气中硫化氢含量抑制作用

 五、具体实施方式

非限定性实施例，具体步骤和实验效果如下：

从市场购买320目的轻烧菱镁矿产品，测定氧化镁含量为82.5%，含少量的菱镁矿、石英和滑石杂质，菱镁矿等碳酸盐矿物含量小于5%；

从矿山采取低品位铁矿石褐铁矿，其中针铁矿晶体直径60-100nm，具有纳米粒度特征，铁品位47%，含有少量石英、粘土矿物，破碎得到过320目粉体；

从养猪场采集粪便，分析测得含水率75.13%、总磷0.583%、总硫0.485%、总碳7.87%；

在2L厌氧消化罐中加入600g猪粪和600mL蒸馏水，接种含甲烷的混合厌氧菌液20mL，作为空白对照组；

在空白对照组的基础上向厌氧发酵罐中再加入5g上述褐铁矿粉和7.3g轻烧菱镁矿粉。每组实验设置2个重复，分装完毕后放入35℃恒温水浴锅中进行培养。反应过程中每隔2天用排水法（排水水溶液pH<2）测定气体产量，从集气瓶中抽取气体测定CO₂、CH₄和H₂S。为测定各个反应器内溶液的pH值变化趋势，在各反应器侧面开孔（位于液面以下），每2天取出少许发酵液进行测定。

监测结果表明投加矿物的消化罐中溶液的pH值在8.65-9.43之间（图1），变化很小，稳定地维持在弱碱性条件；未加矿物的消化罐中溶液的pH值在5.4-7.44之间，变化很大，说明消化罐中发生了微弱的酸化。

投加矿物的厌氧发酵罐产CO₂与CH₄的速率仅在前5d内低于空白组，5d后其产气速率明显高于空白组。实验结束时，投加矿物的消化罐中CO₂与CH₄产气量与空白组相比提高了3倍（图2、图3），显示本发明都增强厌氧发酵产气效果十分明显。

投加矿物的厌氧发酵罐产气中H₂S在总气体产量中所占比例比为未加矿物厌氧发酵罐产气降低2-3倍（图4）。

实验结束时未投加矿物的厌氧发酵罐沼液中溶解磷酸盐为48.70mg/L，投加矿物的厌氧发酵罐沼液中溶解磷酸盐为3.73mg/L，相比之下要低10倍。表明投加矿物在降低沼液中磷酸盐含量方面效果十分明显。

Claims (1)

1.一种提高养殖粪便厌氧消化处理综合效果的方法，其特点在于：将工业产品煅烧菱镁矿、纳米铁氧化物矿石同时投加到养殖粪便厌氧沼气池中混合均匀，在所投加矿物的协同作用下，调节和改善厌氧沼气池中酸碱平衡和营养状态，通过矿物与微生物交互作用和电子的传导作用，提高沼气池中厌氧微生物活性，促进沼液中N、P、S形成磷酸铵镁、硫化铁沉淀固定，提高养殖粪便厌氧消化产甲烷效率和产气中甲烷浓度，提高厌氧能源转化效率和能源质量，降低沼液中残存COD、氨态氮、磷酸盐浓度，提高厌氧消化出水水质，可以降低沼液后处理污染物负荷和处理成本；

所述方法的具体步骤为：

选择市售煅烧菱镁矿工业产品，其中氧化镁含量不小于80%，碳酸盐矿物小于5%，破碎得到过320目粉体；

选择低品位铁矿石褐铁矿或鲕状赤铁矿，其中的铁氧化物矿物具有纳米粒度特征，铁品位40-60%，破碎得到过320目粉体；

按照养殖粪便、煅烧菱镁矿、纳米铁氧化物矿石质量比500:1:1~100:5:5比例混合均匀，加入到厌氧沼气池中；

厌氧沼气池内设置潜水泵，通过潜水泵的水力循环动力使沼气池内物料流动混合。

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