1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究背景

受市场经济影响，近年来，我国生猪养殖业越来越呈现出扩大化、规模化的特点。中国的生猪养殖具有明显的区域性，主要分布于长江流域以及东南沿海。而随着农村经济的发展和农业结构的调整, 畜禽养殖由过去的农户分散养殖逐步过渡为集中养殖 ,并大多集中在城市附近。因此向江河湖水和城市周边排放大量的畜禽粪便及污水 , 使畜禽粪便污染成为极突出的环境问题, 严重威胁城乡环境质量^[1]，据报道，畜牧业COD排放总量约是生活污水和工业废水COD排放总量的2倍，BOD甚至高达3倍^[2]。换言之，养猪业可视为一个巨大的有机污染源，猪排泄物处理不当不仅会对人畜的健康造成危害，而且对生态环境也将造成巨大威胁。与此同时，我国作为世界第二大能源消费国，由于消费人口数量庞大，存在严重的能源短缺问题，日益成为制约我国社会经济发展的瓶颈。寻求经济发展的新动力被视为解决能源问题的重要途径而提上日程。

沼气作为生物质新能源为解决农村能源问题开辟了新的有效途径^[3]。利用厌氧消化技术转化处理猪粪等畜禽粪便已被证明是一种经济、有效的生物转化方式，这种方法不仅能防止在转化过程中原有的氮、磷、钾及其他各种养分产生的负面影响，而且能产生清洁能源沼气。

废弃生物质有机物厌氧发酵转化为生物燃气的过程，被认为是生物转化中最为复杂、最为困难的过程，因为它涉及多菌群、多反应、多相（固-液-气共存），该过程可分成水解、酸化-乙酸化-产甲烷3个阶段。

将畜禽粪便有机废弃物（如猪粪）进行厌氧发酵产生沼气，可替代农村生活能源， 并可用于供热及发电， 有利于缓解中国能源供求紧张的形势， 拓展解决中国能源问题的途径；同时沼渣可以部分代替化肥、 农药， 减少化肥农药的使用量，保证农产品安全生产， 提高农产品质量和市场竞争力。实现了猪粪的的能源化转换, 减少化石燃料的消耗和环境污染。因此 ,实施畜禽粪便厌氧发酵对于发展再生能源和保护环境有重大意义^[4] 。

厌氧发酵受到诸多因素影响，如接种物、碳氮比、水力停留时间、氨氮浓度、有害物质控制等。其中温度是影响厌氧过程的重要因素之一。发酵温度升高 , 能加速沼气生产, 但维持温度恒定的能耗也大大提升 。如何兼顾畜禽粪便消化效率和产能的关系成为重要的课题。一般来说，大多数甲烷菌在10~30℃（低温）、30~40℃（中温）和50~60℃（高温）^[5]条件下均能生存，相应的厌氧处理工艺也得到广泛研究。与中温发酵相比，高温厌氧发酵具有诸多显著优势，如更好的灭菌效果、更高的产气效率、以及更快的有机物降解速率^[6]而备受青睐。对于高温发酵相关的研究也与日俱增#8212;#8212;2002年，丹麦VEGGER沼气实验常以牛粪为主，实验得在50度高温发酵条件下产气率为5mshy;shy;shy;^3.m^-3d^-1.刘荣厚等进行猪粪常温、中温、高温厌氧发酵实验，由于选用的接种物为中温发酵沼气池底物，并未经过驯化，高温和失稳实验组中微生物的活性因环境因素而受到明显抑制，在发酵初、中期，中温实验组显现出明显的优势，但在发酵后期，高温实验组日产气量上升，并显著高于室温和中温实验组^[7]。同时研究发现，高温厌氧消化过程中，氨氮浓度始终处于合适的浓度范围内，极少出现氨氮抑制现象，但与中温发酵相比，高温条件下则相对更易发生氨抑制作用。

图2- 中、高温猪粪发酵产气情况对比

图3- 中、高温发酵pH、氨氮、VFA及TS/VS去除率对比

对于畜禽粪便的厌氧发酵，高温条件具有明显的消化动力学优势^[8]。与中温发酵相比，高温发酵在原料利用率、产气量和TS、VS去除率等方面均效果更优。且高温发酵能承受更高的OLR，但发酵系统中氨氮浓度较高，易发生氨抑制现象。虽然高温发酵优势显著，但由于技术限制和经济成本问题，我国的猪粪发酵基本都采用中温发酵技术，但高温发酵的普遍化必是大势所趋。

猪粪厌氧消化过程中，微生物产生的中间代谢物对厌氧消化产能有严重的抑制作用，如氨抑制和酸抑制等问题^[9-10]。猪粪等畜禽粪便中含有丰富的有机生物质（表1-1），在厌氧发酵过程中，氮平衡是极其重要的因素。尽管进入消化系统中的硝酸盐能被还原为氮气，但其仍将存在于系统中。由于厌氧微生物细胞增殖很少，只有很少部分的氮转化为细胞所需的物质，大部分可生物降解的有机氮都被还原为消化液中的N H 4 -N，因此消化液中氨氮浓度均高于进料的氨氮浓度，系统中总氮是守恒的^[11]。氨氮是发酵所需微生物的重要氮源，但如果其浓度过高，则会快速抑制产甲烷菌的活性。一般认为游离氨才是产生抑制的主要原因，这是因为它能自由透过微生物细胞膜，导致质子失衡和钾的缺乏^[12]，从而降低微生物活性。不同类型和来源的菌种对氨氮的耐受性不同，其中产甲烷菌对氨的耐受性最差。Kayhanian M等研究表明，当氨质量浓度从4041mg/l升到5734mg/l时，产甲烷菌活性下降了56.5%，但对产酸菌活性没有明显的影响^[13]。

目前对厌氧消化中间产物抑制的控制主要通过基质调配或过程调控等手段实现，如通过进行多物料混合厌氧消化、调节碳氮比、添加调节因子或微量营养盐、接种特定功能微生物驯化污泥等。与欧洲等国家的大型沼气工程不同，我国畜禽养殖场沼气工程发酵原料单一且有机负荷低。多原料混合厌氧消化操作和过程控制较为复杂，对于厌氧消化原料较为单一的养猪场较难应用。

与此同时，不同反应温度对氨氮的抑制也有影响。有机废物的厌氧发酵大多是在中温下进行。在中温发酵情况下，当氨氮积累到一定浓度时，甲烷菌也会失去反应活性。高温条件对于有机废物降解和病原菌的杀灭更为有效，但高温条件下，发酵液中自由NH3的浓度也比中温条件下要高，毒性抑制也更为显著^[16].

因此，要提高猪粪等畜禽粪便厌氧发酵产气效率，必须找到有效途径解除氨氮对发酵微生物的抑制以及合适的反应温度。

研究表明，微生物的代谢是去除氮的主要作用。而常用的吸附基质有活性炭、 沸石、 竹炭等，其中以绿色无污染、经济廉价的活性炭和沸石应用最为广泛。活性炭因其具有发达孔隙结构， 且来源广、 价格低、 吸附容量大、 吸附性能好，在环境领域应用广泛且效果显著^[14]。有实验结果表明，活性炭对水体中氨氮的等温吸附符合 Freundlich 等温式，其拟合度为 0.9783 。

活性炭具有丰富的孔隙结构和巨大比表面积, 对水中的色、臭味问题以及水体中的 COD 、BOD 、重金属离子、悬浮有机物都有很好的吸附效果, 对于氨氮也有一定的吸附^[15]。因此可在猪粪厌氧发酵体系中添加活性炭，以期吸附过多的氨氮而达到解除氨氮抑制的目的，进而提高厌氧发酵速度和产气效率。

图4- 活性炭用量对氨氮去除率的影响

由图 4可知 ,活性炭的吸附效果随用量的增加并无明显提高 ,活性炭对（水体中）氨氮的去除效果基本稳定在 10 %左右 。产生这一现象的原因是活性炭属于非极性吸附材料, 对于水体中极性氨氮的吸附效果并不十分理想。因此后续实验可考虑添加多种吸附剂协同作用以提高吸附效果。

在厌氧发酵体系中，产甲烷菌需要乙酸作为底物，但其耐酸性却很差。产甲烷菌在pH为6.8-7.2时活性最高，当pH低于6.2时，其生长明显被抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致pH降至4.5-5.0，这种酸化状态对产甲烷菌有很大的毒害作用甚至导致菌群的死亡。而添加活性炭不但不会造成系统的酸化，反而能够缓解酸化程度。此外，活性炭发达的孔隙结构便于微生物的富集，增加了微生物的密度，提高了甲烷菌的单位密度和群体活性，对产甲烷菌起驻留作用，从另一方面提高了猪粪厌氧发酵的反应速率以及产气效率。

综和文献及论述分析，活性炭不仅可以吸附发酵过程中产生的氨氮，解除氨抑制；同时也能缓解消化液酸化，富集微生物，降低反应发生能垒以提高反应速率。在猪粪发酵系统中添加活性炭，考察其在中温和高温条件下对产气效果的影响，找出最适反应条件以增加发酵体系产气量、提高产气速率，不仅可以缓解我国能源危机，也有利于资源的最大化利用以及解决畜禽粪便带来的环境污染问题。

二．参考文献

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1实验材料及主要设备

2.1.1实验原料

猪粪、接种物沼液、活性炭