鄧良偉， 吳有林， 丁能水， 何 婷， 劉 刈， 張?jiān)萍t

(1. 農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041； 2. 福建傲農(nóng)生物科技集團(tuán)股份有限公司， 廈門(mén) 363001)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)為人類(lèi)提供了豐富的肉、蛋、奶等生活必需品，同時(shí)也產(chǎn)生了大量糞尿污水(糞污)。根據(jù)武淑霞[1]等的測(cè)算，2015年我國(guó)全口徑畜禽糞尿產(chǎn)生量約為19.1億噸，其中豬、牛、禽和羊的糞尿產(chǎn)生量分別為6.5億噸、9.2億噸、0.9億噸和2.5億噸，如果加上沖洗污水，我國(guó)全口徑畜禽養(yǎng)殖糞污產(chǎn)生量為56.87億噸，其中豬排放糞污總量為43.7億噸，牛排污總量為9.7億噸，禽排污總量為0.963億噸，羊排污總量為2.5億噸。僅計(jì)算我國(guó)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞污產(chǎn)生量，2015年為38.34億噸，其中新鮮糞便為6.36億噸，尿液5.65億噸，污水為26.33億噸。如果這些糞污不得到妥善處理，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的極大危害。畜禽糞污不僅僅是污染物，而且包含大量潛在的能源。從畜禽糞便回收能源的主要方法有熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化。通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可以生產(chǎn)熱解氣(包括氫氣)、生物油；通過(guò)生物化學(xué)轉(zhuǎn)化可以生產(chǎn)氫氣、電、沼氣、乙醇、生物柴油等多種氣態(tài)和液態(tài)能源。

1 畜禽糞便熱化學(xué)法能源化

1.1 直接燃燒

糞便直接燃燒是傳統(tǒng)的糞便能源化利用方法，草原上的牧民至今仍有牛糞作燃料煮飯的習(xí)慣。畜禽糞便直接燃燒的現(xiàn)代化利用方法是將畜禽糞便與其他生物質(zhì)或煤的混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽用于發(fā)電和供熱。從1992年開(kāi)始, 英國(guó)Fibrowatt公司就將雞糞與煤混合燃燒，產(chǎn)生蒸汽發(fā)電, 發(fā)電機(jī)組65 MW[2]。日本巖手縣二戶(hù)市雞肉產(chǎn)品公司燃燒雞糞發(fā)電，投資65億日元，雞糞經(jīng)燃燒和處理后，每小時(shí)可傳輸6250千瓦的電力[3]。美國(guó)明尼蘇達(dá)州農(nóng)場(chǎng)將畜禽糞便與秸稈、木屑、干草(占20%～25%)燃燒發(fā)電，投資2億美元，裝機(jī)55MW,每年年處理家禽糞便70萬(wàn)噸，可供55000戶(hù)家庭用電[4]。我國(guó)圣新能源投資3.2億元建立了以圣農(nóng)發(fā)展養(yǎng)雞場(chǎng)雞糞與谷殼混合物為原料的直燃發(fā)電廠，2016年處理雞糞30萬(wàn)噸，年發(fā)電約1.3億度[5]。畜禽糞便直接燃燒主要擔(dān)心的問(wèn)題是糞便對(duì)燃燒特性、氣體排放的影響。研究表明，混入20%的雞糞對(duì)煤的燃燒及氣體排放沒(méi)有顯著影響[2]。牛糞燃燒的NOX排放量只有天然氣燃燒和煤燃燒的20%～30%，CO的排放量有所增加；牛糞的燃燒溫度比煤低100℃左右。糞便燃燒的另一個(gè)問(wèn)題是造成爐灰量劇增，雞糞與煤混燒使?fàn)t灰增加了約50%；煤∶牛糞為90∶10的試驗(yàn)中，爐灰的產(chǎn)量是純煤燃燒的2倍[6]。

1.2 畜禽糞便熱化學(xué)氣化產(chǎn)燃?xì)?/h3>

畜禽糞便氣化就是在不完全燃燒狀態(tài)下將有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為氣體燃料的熱化學(xué)過(guò)程，即將畜禽糞便加熱，高分子量的有機(jī)碳?xì)浠衔锪呀?，變成較低分子量的CO，H2，CH4等可燃?xì)怏w。反應(yīng)過(guò)程基本包括原料干燥、熱分解反應(yīng)、還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)等過(guò)程。氣化過(guò)程是碳、氫、氧3種元素及其化合物之間的反應(yīng)，反應(yīng)越充分，可燃?xì)怏w含量越高，氣化效果越好[7]，氣化溫度通常大于 700 ℃。氣化產(chǎn)品主要是合成氣和碳，前者可以直接用作生活燃料、內(nèi)燃機(jī)燃料，或者用于生產(chǎn)甲醇/氫等的原料。影響氣化的主要因素有原料特性、氣化過(guò)程操作條件和氣化反應(yīng)器的構(gòu)造。原料特性包括原料的揮發(fā)分、原料的反應(yīng)性和結(jié)渣性、原料的粒度及粒度分布等；氣化條件包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等。氣化設(shè)備主要有固定床和流化床。固定床氣化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，產(chǎn)生低熱值氣體；流化床氣化產(chǎn)生高熱值氣體，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)氣化介質(zhì)，氣化工藝分為空氣氣化、氧氣氣化、水蒸汽氣化(或稱(chēng)為水熱氣化)、空氣氧氣一水蒸汽混合氣化和氫氣氣化等，不使用氣化介質(zhì)即為熱分解氣化。以空氣為氣化劑是所有氣化技術(shù)中最簡(jiǎn)單、最普遍的一種，為自供熱系統(tǒng)。但由于空氣中氮的存在，稀釋了燃?xì)庵锌扇冀M分的含量，使產(chǎn)生的可燃?xì)鉄嶂递^低[8]。水熱氣化能處理畜禽糞便類(lèi)濕原料，需要金屬催化劑加快反應(yīng)速度，可以產(chǎn)生氨用作肥料。

畜禽糞便的元素分析結(jié)果和秸稈類(lèi)物質(zhì)基本接近，只有氮元素偏高。通過(guò)對(duì)能量輸入與產(chǎn)出的理論分析, 畜禽糞便空氣氣化過(guò)程的理論能量轉(zhuǎn)化效率能達(dá)到50%左右，具有能量轉(zhuǎn)換方面的效率優(yōu)勢(shì)[9]。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在粒徑0.5 mm，當(dāng)量比ER為0.15，起始溫度300℃的氣化操作條件下，豬糞空氣氣化所得燃?xì)鉄嶂翟?000 kJ·m-3左右，最高可達(dá)4 777.76 kJ·m-3，氣化效率最高達(dá)到59.47%。對(duì)雞糞進(jìn)行超臨界氣化，在進(jìn)料含水量高達(dá)80%時(shí)，氣化效率為70%，1 kg原料產(chǎn)出的氣體熱值為14.5 MJ[10]。

上述理論推算和試驗(yàn)結(jié)果均說(shuō)明畜禽糞便有氣化的潛力。Shen et al[11]分析了838個(gè)有代表性的畜禽糞便樣品(209 個(gè)豬糞、217個(gè)奶牛糞、139 個(gè)肉牛糞、162個(gè)蛋雞糞和 111 肉雞糞)的特性與組成，在此基礎(chǔ)上，評(píng)估了我國(guó)畜禽糞便用于氣化的能源潛力，認(rèn)為我國(guó)這五種畜禽糞便用于熱解氣化，可產(chǎn)生合成氣9834億m3[11]。畜禽糞便氣化的研究趨勢(shì)是用新催化劑(如鎳、活性炭等)氣化產(chǎn)生氫氣[12]。生物質(zhì)氣化制氫反應(yīng)速度快、效率高、環(huán)境友好。生物質(zhì)制氫主要采用超臨界水熱氣化(溫度在 374 ℃ 以上、壓力高于 22.1 MPa)，沒(méi)有催化劑下，采用流化床臨界水氣化技術(shù)，TS 9%的雞糞在620℃可以完全氣化，碳?xì)饣?99.2%。在加入活性炭催化劑后，620℃下氫產(chǎn)率為25.2 mol·kg-1。

畜禽糞便氣化具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)： 1) 氣化屬于自供熱系統(tǒng)，不需要、也不損耗其他能源； 2)屬于多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，有氣液固3種產(chǎn)品； 3)3種產(chǎn)品均可以資源化利用。固體產(chǎn)品—炭具有一定的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積，畜禽糞便炭?jī)?nèi)含有豐富的鈣、鉀等元素，有利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，可以用作土壤改良劑和緩釋肥。液體產(chǎn)品—提取液中含有氨根離子和鈣、鎂離子，這些離子分別是氨肥、鈣肥等中不可缺少的成分，液體可以作為液體肥料、葉面肥。氣體產(chǎn)品—合成氣，主要含有CO，H2，CH4等可燃成分，從發(fā)熱量看屬于低發(fā)熱值氣體，適合用于村莊集中供氣，也可以供燃?xì)忮仩t用氣。4)氣化的能量利用效率較高，投資相對(duì)較小，設(shè)備技術(shù)比較簡(jiǎn)單。

生物質(zhì)氣化的主要問(wèn)題是產(chǎn)生的氣體中焦油含量過(guò)高, 會(huì)造成氣化設(shè)備如冷凝管、輸氣管道用氣爐具阻塞， 影響了氣化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。另外，畜禽糞便的含水率和秸稈類(lèi)生物質(zhì)相比顯得非常高，氣化前需要進(jìn)一步晾干或進(jìn)行必要的干燥處理，將含水率降到適合的范圍，干燥需要消耗大量的能量，對(duì)其氣化過(guò)程的能耗和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響[7]。因此，畜禽糞便氣化技術(shù)還處于試驗(yàn)研究階段。

1.3 畜禽糞便熱化學(xué)液化產(chǎn)燃油

熱化學(xué)液化又稱(chēng)裂解，是在隔絕空氣或通入少量空氣的條件下，利用熱能切斷生物質(zhì)大分子中的化學(xué)鍵，使之轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿右后w燃料的過(guò)程。熱化學(xué)法液化又分為快速熱解技術(shù)和高壓液化(直接液化)技術(shù)?？焖贌峤庖夯m用于低含水生物質(zhì)，高壓液化適用于高含水生物質(zhì)。生物質(zhì)快速熱解是一種高溫處理過(guò)程，生物質(zhì)在隔絕空氣的情況下快速加熱， 通過(guò)熱化學(xué)方法，將原料直接裂解為粗油，反應(yīng)速度快，處理量大，原料廣泛，生產(chǎn)過(guò)程幾乎不消耗水。生物質(zhì)高壓液化又稱(chēng)直接液化，在合適的催化劑、溶劑介質(zhì)存在下，反應(yīng)溫度200℃～400℃，反應(yīng)壓力5～25 MPa，反應(yīng)時(shí)間從2 min 至數(shù)小時(shí)條件下液化，生產(chǎn)生物油、半焦和干氣。若使用水或水溶性溶劑，常稱(chēng)水熱液化；若使用的溶劑為循環(huán)溶劑油，則稱(chēng)直接液化或加氫液化。由于水安全、環(huán)保、易得，因此高壓液化常用水作為溶劑(即水熱液化)[13]。水熱液化可用于水分達(dá)到76%的糞便，水分作為反應(yīng)介質(zhì)，可以避免糞便干燥脫水[14]。水熱液化獲得的生物油氧含量在10%左右，熱值比快速熱解的生物油高50%，物理和化學(xué)穩(wěn)定性更好。

熱化學(xué)液化獲得的液體燃料稱(chēng)為生物油, 既可以直接作為燃料使用, 也可以再轉(zhuǎn)化為品位更高的液體燃料。由于液體能源在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及利用方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，所以生物質(zhì)液化技術(shù)備受重視，受到國(guó)際上的廣泛關(guān)注[13]。

對(duì)于含水率高的畜禽糞便類(lèi)生物質(zhì)(含水率通常高于70%)，采用比較成熟的快速熱解液化技術(shù)需要干燥，能耗過(guò)大，因而增加了生產(chǎn)成本。采用水熱液化無(wú)需進(jìn)行脫水和粉碎等高耗能步驟，還避免了水汽化，反應(yīng)條件比快速熱解溫和。因此，在畜禽糞便液化產(chǎn)油的研究中主要采用水熱液化技術(shù)。

Vardon et al[15]在300 ℃，最大壓力12 MPa下進(jìn)行豬糞水熱液化30 min，獲得生物油產(chǎn)率為30.2%, 熱值34.7 MJ·kg-1。 在另一個(gè)批式豬糞水熱液化試驗(yàn)中，采用的溫度 為340 ℃，氮?dú)庾鳛楣に嚉?，初始?jí)毫?.69MPa，時(shí)間15min，最大生物油產(chǎn)率24.2%，熱值36.05 MJ·kg-1[16]。對(duì)牛糞進(jìn)行水熱液化批式試驗(yàn)中，采用溫度 310 ℃，壓力 34.5 MPa，CO 作為工藝氣(0.1 MPa)時(shí)獲得的48.8% 生物油產(chǎn)率，最高熱值35.53 MJ·kg-1[14]。

美國(guó)伊利諾斯州立大學(xué)在糞便液化產(chǎn)油方面做了大量研究。首先建立了批式小型試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了豬糞轉(zhuǎn)化成液體燃料的可行性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)溫度為275℃～350℃，壓力5.5～18 MPa，停留時(shí)間15～30 min，在不需要降低畜禽糞便水分的條件下，生物油產(chǎn)率高達(dá)80%，熱值32000～36700 kJ·kg-1, COD含量平均減少了75.4%，固體產(chǎn)物只有進(jìn)料的3.3%。對(duì)液化過(guò)程能量平衡進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示豬糞水熱液化是凈產(chǎn)能過(guò)程[17]。研究顯示最佳操作溫度為 295 ℃ ～305 ℃ ，停留時(shí)間為 15 min～30 min[18]。繼而考察了進(jìn)料pH值、起始還原劑CO的添加量和原料總固體含量三個(gè)因素對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響。在生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，高pH值有利于生物油的產(chǎn)生，進(jìn)料 pH值為10時(shí)，生物油產(chǎn)率最高。CO/VS 從0.07增加到0.25， CO分壓從 0.69 MPa增加到2.76 MPa，生物油產(chǎn)量從55%增加到 70%， 但是COD 減少率降低到50%，推薦 CO/ VS不高于 0.1。 進(jìn)料總固體(TS)越高，產(chǎn)油率和COD減少率越高[19]。試驗(yàn)前添加幾種處理(工藝)氣體是熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)油過(guò)程的關(guān)鍵，還原性氣體如 CO， H2和惰性氣體如 CO2，N2，壓縮空氣) 都可以作為處理氣體，添加還原性氣體如 CO，H2可以獲得質(zhì)量更好的生物油，并且油產(chǎn)量更高[20]。豬糞熱解獲得的生物油含碳71.1%，氫8.97%，氮4.12%，硫0.2%， 灰分3.44%，水分 11.3%～15.8%，高位熱值 34760 kJ·kg-1，其成分與木屑及其它生物質(zhì)液化油相似[21]。在批式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，又于2006年開(kāi)發(fā)了連續(xù)進(jìn)料式的水熱液化小試裝置，每天可以處理豬糞污 48 kg，每次試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行了16 h， 獲得了生物油產(chǎn)率 62.0% ～ 70.4% ，最高生物油熱值25 176 kJ·kg-1～31 095 kJ·kg-1[22]。

目前，畜禽糞便熱化學(xué)液化技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室小試研究階段，需要解決連續(xù)進(jìn)料、提高產(chǎn)率、試驗(yàn)的放大以及生物油的精制等問(wèn)題。

2 畜禽糞便生物化學(xué)法能源化

2.1 畜禽糞污微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)電

畜禽糞污可以通過(guò)微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs) 技術(shù)直接轉(zhuǎn)化為電能。微生物燃料電池(Microbial fuel cells，MFCs)是以電化學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用微生物作為催化劑將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)電池結(jié)構(gòu)，MFCs 可以分為單室型MFCs，雙室型MFCs和堆棧型MFCs。電極材料可以采用石墨、碳紙、碳布、鉑、鉑黑、網(wǎng)狀玻碳等。常見(jiàn)的雙室MFCs 裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括陽(yáng)極室、陰極室和中間的分隔膜。典型的有質(zhì)子交換膜的雙室微生物燃料電池的工作原理如下[23]。

圖1 雙室微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖

(1)在陽(yáng)極區(qū)，微生物生長(zhǎng)代謝，通過(guò)呼吸作用將有機(jī)底物氧化并釋放電子和質(zhì)子(NADH) 。

(2)釋放的電子在微生物作用下通過(guò)電子傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極表面，并通過(guò)連接陽(yáng)極與陰極的外導(dǎo)線輸送至陰極。

(3)釋放的質(zhì)子透過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極區(qū)。在陰極區(qū)，電子、質(zhì)子和氧氣反應(yīng)生成水，這樣就形成電子回路，最終輸出電能。隨著陽(yáng)極區(qū)有機(jī)物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，在外電路持續(xù)產(chǎn)生電流。

影響MFCs 產(chǎn)電性能及污水處理效果的因素很多，主要有溫度，pH 值，產(chǎn)電菌性能，電極材料，反應(yīng)器構(gòu)型等[24]。

微生物燃料電池(Microbial fuel cells)在豬場(chǎng)廢水、牛場(chǎng)廢水處理中，有較多的研究報(bào)道[25-27]。以布陰極組為空氣陰極的單室微生物燃料電池處理豬糞廢水時(shí)，產(chǎn)電輸出功率密度達(dá)到2.10 W·m-3，COD 去除率和氨氮去除率也分別達(dá)到86.7% 和92.8%[28]。采用單級(jí)空氣陰極微生物燃料電池處理豬場(chǎng)廢水，最大功率密度37.5 W·m-3，氨去除速率269.2 g·m-3d-1(氨氮去除率99.1%)[29]。而采用碳刷作陽(yáng)極的微生物燃料電池處理豬場(chǎng)廢水，獲得了 880 m·Wm-2的能量密度，熱前處理的電刷可以增加能量密度20%，到達(dá)1056 m·Wm-2[27]。采用單級(jí)微生物燃料電池處理牛糞水時(shí)，動(dòng)力密度達(dá)到 163 W·m-3。

畜禽糞污微生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)電具有以下優(yōu)勢(shì)，在缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的局部地區(qū)，微生物燃料電池具有廣泛應(yīng)用的潛力。

(1)微生物能將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，具有高的能量轉(zhuǎn)化效率；

(2)不同于現(xiàn)有的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，微生物燃料電池能夠在常溫環(huán)境條件下有效運(yùn)行；

(3)微生物燃料電池不需要進(jìn)行廢氣處理，因?yàn)樗a(chǎn)生的廢氣的主要組分是二氧化碳，一般條件下不具有可再利用的能量；

(4)微生物燃料電池不需要輸入較大能量，因?yàn)槿羰菃问椅⑸锶剂想姵貎H需通風(fēng)就可以被動(dòng)地補(bǔ)充陰極氣體；

目前，微生物燃料電池(MFCs))的主要問(wèn)題是輸出功率密度較低，電極組件價(jià)格昂貴使其發(fā)展受到限制。

2.2 畜禽糞污微生物發(fā)酵產(chǎn)氫

氫氣因其能量密度大、潔凈燃燒、用途廣，可以再生，被視為頗具潛力的替代能源之一，在石油、化工、航天、冶金、醫(yī)藥、交通等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。氫氣的制取主要有化學(xué)法和生物法兩種?；瘜W(xué)方法制氫是目前較為成熟的技術(shù)，是以天然氣、石油為原料進(jìn)行高溫裂解、催化重整等方式制取氫氣，該方法對(duì)化石能源依賴(lài)性較強(qiáng)，同時(shí)在制氫過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染。電解水制取氫氣是目前獲取高純氫氣的主要技術(shù)，雖然不依賴(lài)化石能源，但是生產(chǎn)過(guò)程中需要消耗大量電能，生產(chǎn)成本較高。以風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能為代表的新能源制氫目前已受到廣泛關(guān)注。

生物制氫是利用微生物代謝活動(dòng)釋放氫氣，產(chǎn)氫條件溫和，原料來(lái)源豐富，是未來(lái)氫能生產(chǎn)的主要替代形式。利用生活污水、工農(nóng)業(yè)有機(jī)廢水(廢棄物)作為制氫原料，既可實(shí)現(xiàn)廢棄生物資源化，減少環(huán)境污染，又能開(kāi)發(fā)可再生能源，因此生物制氫是一種發(fā)展前景廣闊、環(huán)境友好的制氫新方法。根據(jù)制氫時(shí)是否需要光能，生物制氫分為光合生物制氫、 非光合生物制氫(也稱(chēng)暗發(fā)酵制氫)、 光發(fā)酵-暗發(fā)酵混合制氫[30-31]。

光合生物制氫是利用產(chǎn)氫藻類(lèi)或光合細(xì)菌將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能，前者稱(chēng)為光解水產(chǎn)氫，后者稱(chēng)為光發(fā)酵產(chǎn)氫。幾種生物產(chǎn)氫的特點(diǎn)如下。

(1)藻類(lèi)光水解產(chǎn)氫：是在厭氧環(huán)境及光照的條件之下，綠藻和藍(lán)細(xì)菌分解水而產(chǎn)生氫氣。原料僅用水即可，可利用太陽(yáng)能，光轉(zhuǎn)化效率不高。光合系統(tǒng)較為復(fù)雜，既產(chǎn)生氫氣，又產(chǎn)生O2，容易爆炸或使氫酶失活。

(2)光合細(xì)菌產(chǎn)氫：是在厭氧環(huán)境及光照的條件下，光合細(xì)菌將有機(jī)物進(jìn)行分解產(chǎn)生氫氣，研究報(bào)道的產(chǎn)氫光合細(xì)菌類(lèi)群包括紅螺菌科、紅硫菌科、綠菌科等。光合細(xì)菌產(chǎn)氫可利用太陽(yáng)能，并可利用葡萄糖和有機(jī)酸等多種底物，產(chǎn)氫的速率比藻類(lèi)快，能量利用率比發(fā)酵細(xì)菌高。在產(chǎn)氫過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生氧氣，不需要考慮氧氣的抑制效應(yīng)。光合細(xì)菌產(chǎn)氫能將產(chǎn)氫與光能利用、有機(jī)物去除結(jié)合起來(lái)。另外，光合細(xì)菌利用廢水中有機(jī)物能夠?qū)崿F(xiàn)菌體自身的增殖，菌體含有豐富的蛋白質(zhì)，可作為肥料、飼料、餌料。其缺點(diǎn)是需要光照，廢水及菌體容易影響透光率，生產(chǎn)成本高，光轉(zhuǎn)化效率較低。

(3)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫：是在厭氧、黑暗的環(huán)境之中，產(chǎn)氫菌將大分子的有機(jī)物水解、發(fā)酵，進(jìn)而被轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)(如揮發(fā)酸、氫氣和二氧化碳等) 并被合成細(xì)胞物質(zhì)。根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物組分含量的不同，發(fā)酵法生物制氫通常分為：丁酸型發(fā)酵、乙醇型發(fā)酵和丙酸型發(fā)酵3種類(lèi)型。厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氫的厭氧細(xì)菌種類(lèi)多，有無(wú)光照都能產(chǎn)氫。發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫能力高，設(shè)備簡(jiǎn)單, 操作容易而且可利用的原料來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉。但是，發(fā)酵型細(xì)菌將廢水中所含有機(jī)物分解不完全，反應(yīng)產(chǎn)物除了少量氫之外，大多轉(zhuǎn)化為乙酸、丁酸、乙醇、丙酸、乳酸等揮發(fā)性脂肪酸，出水需要進(jìn)一步的處理，原料的轉(zhuǎn)化效率也不夠高。

(4)光發(fā)酵和暗發(fā)酵耦合產(chǎn)氫

光發(fā)酵和暗發(fā)酵耦合制氫技術(shù)是將兩種發(fā)酵方法結(jié)合在一起，相互交替，相互利用，相互補(bǔ)充，可提高氫氣的產(chǎn)量。有機(jī)廢水存在許多適合光合生物與發(fā)酵型細(xì)菌共同利用的底物，理論上可以利用光合細(xì)菌和發(fā)酵細(xì)菌共同制取氫氣，進(jìn)而提高產(chǎn)氫的效率。但是，實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，混合細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)氫過(guò)程中彼此之間的抑制、發(fā)酵末端產(chǎn)物對(duì)細(xì)菌的反饋抑制等現(xiàn)象的存在使得效果不明顯甚至出現(xiàn)產(chǎn)氫效率偏低的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多利用光合細(xì)菌與發(fā)酵細(xì)菌處理畜禽糞便制取氫氣的試驗(yàn)研究。

在利用光合細(xì)菌處理畜禽糞便污水產(chǎn)氫方面。篩選光合細(xì)菌PSB1，PSB2，PSB3，PSB4處理豬糞廢水，產(chǎn)生的氣體中氫氣含量分別為60%，50%，58%，42%，COD轉(zhuǎn)化率分別為75.4%，59.8%，80%，54.8%[32]。另一項(xiàng)光合細(xì)菌紅假單胞菌(Rhodobactersphaeroides)利用豬糞水產(chǎn)氫研究表明，豬糞污水COD 為5687，3500，1214 mg·L-1時(shí)的體積產(chǎn)氫率分別為23.7，18.5，15.0 mL·L-1d-1，產(chǎn)氫結(jié)束后COD 值分別降至3586，2135，723 mg·L-1，但是氫氣含量低于6%[33]。利用光合細(xì)菌處理牛糞水，最大容積產(chǎn)氣率可達(dá)28.3 mL ·L-1h-1, 平均容積產(chǎn)氣率11.65 mL·L-1h-1, 平均氫氣濃度55%，原料利用率為71.48%，均原料轉(zhuǎn)化率為52.60 mL·g-1COD[34]。溫度是影響產(chǎn)氫量的最顯著因素，其他因素的影響程度順序依次為光照強(qiáng)度→原料pH值→PSB初期活性，各因素中較佳的水平條件即較好的產(chǎn)氫條件組合是溫度為30℃，光照強(qiáng)度為1600 lux，原料pH值為7.0，PSB初期活性為對(duì)數(shù)生長(zhǎng)后期60 h[35]。

在利用發(fā)酵細(xì)菌處理畜禽糞便污水產(chǎn)氫方面。采用乳酸調(diào)控發(fā)酵pH 值在4.7～5.5，牛糞和雞糞產(chǎn)氫潛力分別為32.33 mL·g-1TS，33.58 mL·g-1TS[36]， 李倬[37]以牛糞為產(chǎn)氫底物厭氧產(chǎn)氫，獲得的最大累積產(chǎn)氫量為19 mLH2·g-1TVS，最大氫濃度為38.6%。豬糞的產(chǎn)氣潛力可以達(dá)到0.5 L H2·L-1manur[38]。半連續(xù)試驗(yàn)表明，在pH值 5.5，HRT 12 h，負(fù)荷96.2 kgVS·m-3d-1條件下，產(chǎn)氣率102.1 mLH2·h-1，氫氣濃度23.6%[39]。

厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫雖然在我國(guó)取得較大進(jìn)步，但是產(chǎn)氫的穩(wěn)定性和連續(xù)性問(wèn)題一直是困擾產(chǎn)氫工業(yè)化的一個(gè)很大障礙。

2.3 畜禽糞污厭氧消化產(chǎn)沼氣

畜禽糞污厭氧消化是在無(wú)氧的條件下，厭氧微生物、兼性厭氧微生物將糞污中有機(jī)物轉(zhuǎn)化成沼氣(甲烷和二氧化碳)的過(guò)程。畜禽糞污產(chǎn)沼氣是最為成熟的畜禽糞便能源化利用技術(shù)。我國(guó)畜禽糞便資源豐富，沼氣生產(chǎn)潛力巨大。據(jù)測(cè)算，2015年我國(guó)畜禽糞便的沼氣最大潛力為963.77億m3。考慮了畜禽糞便易收集類(lèi)別和收集系數(shù)后，2015年我國(guó)畜禽糞便的沼氣可開(kāi)發(fā)潛力為510.13億m3，其中牛的沼氣可開(kāi)發(fā)潛力為208.62 億m3，其次是雞和豬，分別為173.27 億m3和128.24億m3[40]。

幾乎所厭氧消化工藝，包括傳統(tǒng)消化工藝(如地下戶(hù)用沼氣池、黑膜沼氣池)、高效的厭氧反應(yīng)器(如完全混合式厭氧反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧擋板反應(yīng)器、厭氧復(fù)合反應(yīng)器、上流式厭氧污泥床、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器)在畜禽養(yǎng)殖糞污沼氣化處理利用中都有應(yīng)用[41]。由于畜禽糞污含有高濃度的懸浮物和氨氮，影響了高效厭氧反應(yīng)器的效率。徐潔泉等對(duì)比研究過(guò)厭氧復(fù)合反應(yīng)器(UBF)、上流式厭氧污泥床(UASB)和上折流厭氧反應(yīng)器(APBR)處理豬場(chǎng)廢水的性能，結(jié)果表明反應(yīng)器及工藝對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化產(chǎn)沼氣各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)的影響不明顯，溫度對(duì)反應(yīng)器性能的影響更大。在溫度10℃段，裝置容積沼氣產(chǎn)率平均0.32～0.51 L·L-1d-1，COD平均去除率82.2%～91.0%，平均甲烷含量達(dá)72.2%～76.7%。在15℃段，裝置產(chǎn)氣率0.57～0.59 L·L-1d-1，COD去除率為91.6%～91.9%,CH4%為68.1%～68.4%。在25℃段，裝置產(chǎn)氣率1.93～2.01 L·L-1d-1，COD去除率為90.7%～90. 8%, 平均甲烷含量為68.9%～69.8%。楊紅男和鄧良偉[42]在35℃條件下又對(duì)厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)、厭氧復(fù)合反應(yīng)器(UBF)、升流式固體厭氧反應(yīng)器(USR)3種厭氧消化工藝處理豬場(chǎng)廢水的性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。在有機(jī)負(fù)荷8 gTS·L-1d-1時(shí)，3種反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率達(dá)到最大值，ASBR，UBF和UASB容積沼氣產(chǎn)氣率分別為2.503，2.447和1.916 L·L-1d-1，COD去除率分別為78.1%，79.2%，67.6%, 甲烷含量分別為67.1%，68.2%，59.8%。ASBR和UBF的產(chǎn)氣效率接近，優(yōu)于USR工藝[43]。 關(guān)于溫度對(duì)豬場(chǎng)糞污厭氧消化產(chǎn)氣效率的影響，楊紅男和鄧良偉做過(guò)系統(tǒng)研究，獲得了10℃，15℃，20℃，25℃，30℃和35℃條件下豬場(chǎng)糞污最大容積產(chǎn)氣率分別為0.071，0.271，1.173，1.948，2.196和2.871 L沼氣·L-1d-1。COD 去除負(fù)荷分別為0.760，0.943，3.053，4.010和4.693 gCOD·L-1d-1，COD 去除率分別為71.8%，82.6%，80.3%，87.9%，88.1% 和88.8%。甲烷含量分別為49.8%，51.7%，66.9%，67.0%，69.5%和68.0[42]。

根據(jù)進(jìn)料總固體(TS)含量，沼氣發(fā)酵可分為濕式發(fā)酵(TS<15%)、半干式發(fā)酵(TS 介于15%～20%)和干式發(fā)酵(TS介于20%～40%)[44]。濕發(fā)酵物料流動(dòng)性好，較少產(chǎn)生抑制，工藝成熟，目前絕大多數(shù)畜禽糞污處理沼氣工程都采用濕發(fā)酵工藝。但是畜禽糞便濕發(fā)酵需要加水稀釋?zhuān)右毫看?，很難完全資源化利用。干發(fā)酵技術(shù)因?yàn)楣?jié)約用水，管理方便，發(fā)酵后的沼液養(yǎng)分濃度高，容易資源化利用，已經(jīng)成為沼氣發(fā)酵領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

豬糞在25℃下干式沼氣發(fā)酵，進(jìn)料TS (w/w) 的20%，25%，30%和35%的原料, 穩(wěn)定條件下獲得了容積沼氣產(chǎn)率2.40，1.92，0.911和0.644 L·L-1d-1，原料沼氣產(chǎn)率0.665，0.532，0.252和0.178 L·g-1VS，TS 去除率分別為46.5%，45.4%，53.2%和55.6%[48]。溫度對(duì)豬糞干發(fā)酵影響試驗(yàn)表明，進(jìn)料負(fù)荷3.46 kgVS·m-3d-1，溫度15 ℃，25 ℃，35 ℃下容積產(chǎn)氣率分別為 0.220，1.33，1.421 L沼氣L·L-1d-1，原料沼氣產(chǎn)率0.074，0.383，0.411 L沼氣·g-1VS 添加，甲烷含量分別為49.4%，59.7%，59.5%[49]。

雞糞含水率低，適合采用干式發(fā)酵產(chǎn)沼氣，但是雞糞蛋白質(zhì)含量高，沼氣發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氨抑制[50]。對(duì)于氨抑制，研究者們?cè)囼?yàn)了很多方法，主要是添加微量元素和微生物強(qiáng)化。在氨氮濃度7200 mg·L-1時(shí)，添加元素硒，甲烷產(chǎn)率從0.12 m3·kg-1VS提高到了0.26 m3·kg-1VS[51]。在氨氮濃度5000 mg·L-1時(shí)，采用微生物Methanoculleusbourgensis強(qiáng)化完全混合式反應(yīng)器(CSTR)， 甲烷產(chǎn)率增加了31.3%[52]。

畜禽糞污厭氧消化生產(chǎn)沼氣是目前主要的能源化技術(shù)。濕式發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)工程上大量應(yīng)用，但是存在冬季產(chǎn)氣效果差、沼液量大，難以完全還田利用，沼液達(dá)標(biāo)處理技術(shù)要求高，管理復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。糞便干式沼氣發(fā)酵是以后的發(fā)展方向，需要解決抑制，原料輸送以及發(fā)酵過(guò)程有效攪拌等問(wèn)題。

2.4 畜禽糞污發(fā)酵產(chǎn)乙醇

畜禽糞便中不僅含有纖維素和半纖維素等碳水混合物，而且氮源豐富，是生產(chǎn)燃料乙醇潛在的資源。纖維素和半纖維素經(jīng)過(guò)物理化學(xué)方法預(yù)處理、纖維素酶酶解后，纖維素和半纖維素降解產(chǎn)生的糖可轉(zhuǎn)化為乙醇。一項(xiàng)研究表明，畜禽糞便通過(guò)稀酸(3.5% H2SO4, 121°C, 30 min)糖化后再進(jìn)行酶解，牛糞、豬糞、雞糞總糖回收率分別達(dá)到230.16，160.40和98.40 mg·g-1干物質(zhì)；獲得的糖再用酵母發(fā)酵，牛糞的乙醇產(chǎn)率為56.32 mg·g-1干物質(zhì)(約為理論產(chǎn)率的52.59%)，豬糞乙醇產(chǎn)率27.98 mg·g-1干物質(zhì)(約為理論產(chǎn)率的88.66%)，雞糞乙醇產(chǎn)率12.69 mg·g-1干物質(zhì)(約為理論產(chǎn)率的31.32%)[53]。牛糞通過(guò)堿預(yù)處理、酶水解和運(yùn)動(dòng)發(fā)酵單胞菌發(fā)酵后，發(fā)酵液最大乙醇濃度達(dá)到10.55 g·L-1，1噸牛糞可生產(chǎn)36.9 kg乙醇[54]。

目前研究更多是利用畜禽糞污發(fā)酵后沼渣、沼液產(chǎn)乙醇，因?yàn)樾笄菁S污沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼渣沼液中纖維素含量較高[55-56]。沼氣發(fā)酵過(guò)程相當(dāng)于乙醇生產(chǎn)的預(yù)處理。沼氣發(fā)酵作為畜禽糞便產(chǎn)乙醇預(yù)處理有幾個(gè)好處，一是沼渣富含容易被乙醇發(fā)酵微生物利用的纖維素；二是沼氣發(fā)酵預(yù)處理時(shí)間比較短；沼氣發(fā)酵比機(jī)械研磨預(yù)處理的能耗低。但是，厭氧消化后的纖維，存在物理化學(xué)障礙，如存在木質(zhì)素會(huì)抑制碳水化合物的可利用性和降解性能。在酶解和發(fā)酵前需要進(jìn)行預(yù)處理，例如用稀堿、稀酸處理，將纖維素從木質(zhì)纖維素中溶解出來(lái)。Yue et al[57]對(duì)牛糞沼渣進(jìn)行稀硫酸、稀氫氧化鈉處理后，再進(jìn)行酶解發(fā)酵產(chǎn)乙醇，試驗(yàn)表明稀堿預(yù)處理效果最好，在最適條件下，完全混合式反應(yīng)器(CSTR)和推流式反應(yīng)器(PFR)沼渣的乙醇產(chǎn)率分別為26 g·kg-1，23 g·kg-1干牛糞，CSTR的沼渣優(yōu)于PFR，因?yàn)榍罢哒釉睦w維素含量為357 g·kg-1干沼渣，后者為322 g·kg-1。沼渣與糞便原料相比，半纖維素少11%，但是纖維素多32%。用稀堿處理后(2%氫氧化鈉，130℃，2 h)，酶水解處理后的沼渣(10% 干物質(zhì))可產(chǎn)生51 g·L-1葡萄糖，轉(zhuǎn)化率90%。對(duì)酶水解產(chǎn)物進(jìn)行乙醇發(fā)酵，產(chǎn)率達(dá)72%。研究估算，美國(guó)每年1.2億噸牛糞干物質(zhì)可產(chǎn)生0.63 億噸干沼渣，可產(chǎn)生16.7加侖的乙醇[58]。

另一種利用畜禽糞污產(chǎn)乙醇的途徑是采用糞污沼氣發(fā)酵后的沼液替代乙醇發(fā)酵過(guò)程的新鮮水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，沼氣發(fā)酵過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如氮、磷、鉀、鎂、鋅、銅等溶解在沼液中，這些物質(zhì)是乙醇發(fā)酵微生物生長(zhǎng)代謝所必須的營(yíng)養(yǎng)物。用沼液作乙醇發(fā)酵培養(yǎng)基的另一好處是，因?yàn)檎託獍l(fā)酵過(guò)程的降解作用，沼液含有更少的抑制物質(zhì)，如呋喃、酚類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)抑制產(chǎn)乙醇過(guò)程的酶水解、乙醇發(fā)酵等[59]。在沼液代替乙醇發(fā)酵新鮮水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的研究中，用沼液和離心后沼液作軟質(zhì)作為小麥(24%)培養(yǎng)基產(chǎn)生的乙醇濃度分別為79.60 g·L-1和78.33 g·L-1，乙醇生產(chǎn)效率比水作培養(yǎng)基提高18%[60]。用沼液代替乙醇發(fā)酵新鮮水和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可降低纖維素乙醇酒精生產(chǎn)費(fèi)用10%～20%[61]。

2.5 畜禽糞污養(yǎng)藻產(chǎn)燃油

畜禽糞污或其沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液，含有大量氮磷，是微藻生長(zhǎng)的良好基質(zhì)。微藻作為一種水環(huán)境凈化生物，很早就被應(yīng)用于廢水中氮、磷以及金屬元素等污染物質(zhì)的去除。微藻生長(zhǎng)速率快、收獲期短、光合利用效率高。據(jù)估計(jì)，藻的油脂合成效率達(dá)到每年 58700～136900 L·ha-1，藻類(lèi)比油料作物高10～20 倍，油菜籽只有1190 L·年-1ha-1、油棕櫚5950 L·年-1ha-1[62]，微藻作為一種可持續(xù)的生物柴油原料受到了人們的關(guān)注。

在進(jìn)行大規(guī)模微藻培養(yǎng)時(shí)需要大量的水資源以及營(yíng)養(yǎng)素(氮和磷)，如果只靠淡水培養(yǎng)藻類(lèi)，會(huì)消耗大量的水資源，同時(shí)氮肥和磷肥的使用也會(huì)增加培養(yǎng)成本。利用含有營(yíng)養(yǎng)成分的廢水培養(yǎng)微藻，不僅可以大大降低微藻培養(yǎng)成本，還可以同時(shí)去除廢水中的氮、磷，降解有機(jī)物和吸附重金屬，具有顯著環(huán)境效益和能源效益。

廢水養(yǎng)藻制取生物柴油過(guò)程包括微藻的培養(yǎng)與采收、油脂提取及生物柴油轉(zhuǎn)化。微藻的培養(yǎng)是微藻生物柴油生產(chǎn)的基礎(chǔ)。進(jìn)行微藻培養(yǎng)之前需要對(duì)微藻種類(lèi)進(jìn)行篩選。選擇的微藻菌株必須具有高生產(chǎn)力和高的油脂含量，有較強(qiáng)的抗污能力，并且能夠適應(yīng)環(huán)境的變化。研究表明，適合在污水中生長(zhǎng)的高含油藻種主要有小球藻、柵藻、布朗葡萄藻、鹽藻、螺旋藻等幾種類(lèi)型。小球藻是綠藻小球藻科中的一個(gè)重要屬，可以在不同的環(huán)境里生長(zhǎng)。研究者利用含油小球藻分別進(jìn)行了凈化糞便污水、豬場(chǎng)廢水、牛場(chǎng)廢水、發(fā)酵污水、牛奶廢水等的研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所用小球藻在高效凈化廢水的同時(shí)，藻體也積累了大量的油脂，油脂含量為25.68%～51.4%，脂肪酸組分含量符合生物柴油生產(chǎn)的原料要求標(biāo)準(zhǔn)。柵藻是一種耐污性高的微藻品種，由于對(duì)氮、磷的利用率高以及生長(zhǎng)快速、高生物量產(chǎn)率等特點(diǎn)，也經(jīng)常被用于廢水培養(yǎng)的試驗(yàn)研究。除小球藻和柵藻外，也有學(xué)者進(jìn)行了布朗葡萄藻、鹽藻、螺旋藻等含油微藻處理廢水的研究[63]。

從微藻生物質(zhì)中可以提取3種主要成分：油脂(包括三酰甘油酯和脂肪酸)、碳水化合物及蛋白質(zhì)。油脂和碳水化合物是制備生物能源(如生物柴油、生物乙醇等)的原料、蛋白質(zhì)可以用作動(dòng)物和魚(yú)類(lèi)的飼料。

以牛糞液作為培養(yǎng)基培養(yǎng)小球藻生產(chǎn)生物柴油，得到了25.65 g·m-2的最大生物量以及2.31 g·m-2的脂肪酸產(chǎn)量。并且收獲后附著在泡沫上的微藻作為種子再次進(jìn)行培養(yǎng)，能得到更高的藻生長(zhǎng)量，油產(chǎn)量達(dá)到了2.59 g·m-2，總氮和總磷的去除率分別達(dá)到了61%～79%和62%～93%[64]。

由于微藻具有固定CO2，能吸收氮和磷作為生長(zhǎng)養(yǎng)料等特點(diǎn)，以沼液作為藻類(lèi)培養(yǎng)基，通入脫硫后的沼氣，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)沼液和沼氣提純和生物質(zhì)能藻類(lèi)增殖。例如，用豬場(chǎng)廢水沼液培養(yǎng)斜生柵藻 (Scenedesmusobliquus)，沼液中COD，TN，TP去除率達(dá)到61.58%～75.29%, 58.39%～74.63%, 70.09%～88.79%, 沼氣中CO2去除率54.26%～73.81%。

采用沼液養(yǎng)藻還存在一些問(wèn)題。一是藻類(lèi)在沼液培養(yǎng)基的生長(zhǎng)(0.01～0.8 d-1)比合成培養(yǎng)基(1～3 d-1)慢，主要是因?yàn)檎右褐腥芙庑院蛻腋⌒晕镔|(zhì)產(chǎn)生的濁度影響光輻射。目前主要采用沉淀、微濾、離心等方法去除顆粒物質(zhì)。二是氨抑制，微藻以氨氮為氮源，但是高氨濃度會(huì)有抑制作用，原殼小球藻(Chlorella protothecoides )在氨氮80 mg·L-1以上就受到抑制，柵藻(Scenedesmusspp.) 的最大氨氮耐受濃度為100 mg·L-1。因?yàn)檎右褐邪钡獫舛葹?00～1500 mg·L-1，所以一般需要稀釋到20～200 mg·L-1。三是有機(jī)物的影響，沼液少量溶解性有機(jī)物會(huì)促進(jìn)異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)，也有可能導(dǎo)致細(xì)菌污染[59]。作者研究團(tuán)隊(duì)利用鳥(niǎo)糞石沉淀技術(shù)預(yù)處理沼液，取得了良好的預(yù)處理效果。優(yōu)化了鳥(niǎo)糞石沉淀?xiàng)l件，通過(guò)添加KH2PO4和 MgCl2將N∶P∶Mg比例調(diào)解到1∶1.2∶1.2，在攪拌過(guò)程添加NaOH調(diào)節(jié)pH值到8.5后停止攪拌。鳥(niǎo)糞石沉淀在降低沼液中的銨態(tài)氮的濃度的同時(shí)通過(guò)絮凝作用提高沼液的透光率，有利于微藻的生長(zhǎng)。鳥(niǎo)糞石沉淀沉淀后上清液用于膠網(wǎng)藻的培養(yǎng)，在培養(yǎng)箱中膠網(wǎng)藻的生物質(zhì)的生產(chǎn)力可以達(dá)到120～200 mg·L-1d-1。

糞污或其沼液培養(yǎng)生產(chǎn)的藻類(lèi)還可以作為沼氣發(fā)酵的原料。 牛糞水培養(yǎng)色球藻(Chroococcussp.1)，獲得了80%以上的營(yíng)養(yǎng)物去除，產(chǎn)生的藻類(lèi)再與牛糞共發(fā)酵，獲得了甲烷產(chǎn)率291.83 mL CH4·g-1VS添加(C/N為13.0)，而單獨(dú)藻類(lèi)的甲烷產(chǎn)率只有202.49 mL·g-1VS添加 (C/N為9.26)，單獨(dú)牛糞甲烷產(chǎn)率141.70 mL CH4·g-1VS 添加 (C/N為31.56/1)。以100頭成年奶牛場(chǎng)糞污處理進(jìn)行測(cè)算，每天可以產(chǎn)能源333.79～576.57 kWh·d-1[65]。

目前用廢水或沼液進(jìn)行微藻培養(yǎng)在技術(shù)上還不成熟，存在一些亟待解決的問(wèn)題。首先，某些廢水或沼液中存在大量抑制微藻生長(zhǎng)的有害物質(zhì)，不能直接用于微藻的培養(yǎng)，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。其次，微藻在處理廢水后難以與廢水或沼液分離。第三，不是每一種微藻都能在廢水或沼液中生長(zhǎng)，所以需要通過(guò)篩選、誘導(dǎo)出生長(zhǎng)率高、嗜污能力強(qiáng)的藻種。另外，由于微藻培養(yǎng)及其制備生物柴油的過(guò)程中資源消耗高、能源回報(bào)低。也有學(xué)者認(rèn)為微藻產(chǎn)油的評(píng)估過(guò)于樂(lè)觀，實(shí)際產(chǎn)率只能達(dá)到10 ～20 g·m-2d-1，只能達(dá)到理論值的10%～30%[59]。這些因素限制了微藻生物燃料的商業(yè)化應(yīng)用[66]。

3 結(jié)論與展望

畜禽糞便熱化學(xué)轉(zhuǎn)化回收能源的條件要求苛刻，雖然目前還難以產(chǎn)業(yè)化，卻是最可能產(chǎn)生顛覆性技術(shù)的方法，需要開(kāi)發(fā)新型催化劑，優(yōu)化工藝條件與設(shè)備構(gòu)型。畜禽糞便生物化學(xué)轉(zhuǎn)化法技術(shù)門(mén)類(lèi)多，反應(yīng)條件溫和，是已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化或接近產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件，開(kāi)發(fā)新型裝備，提高能源轉(zhuǎn)化效率，降低工程投資。畜禽糞便不僅含有大量潛在的能源，而且富含有機(jī)質(zhì)以及氮磷養(yǎng)分，在進(jìn)行糞便能源化利用時(shí)，最好的方式是在能源化利用的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分資源化，并且投入少，不產(chǎn)生二次污染。厭氧消化產(chǎn)沼氣、沼渣沼液還田利用的技術(shù)路線是最接近這個(gè)目標(biāo)的處理利用方法。盡管畜禽沼氣化利用具有明顯的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，也已經(jīng)在工程上大量應(yīng)用，但是我國(guó)畜禽糞污處理沼氣工程仍然存在許多問(wèn)題，一些工程的正常運(yùn)行率不高，生態(tài)環(huán)境效益發(fā)揮不充分。需要研究開(kāi)發(fā)穩(wěn)定高效的物料輸送、混合攪拌以及自動(dòng)控制設(shè)備，優(yōu)化工藝系統(tǒng)和加熱方式，提升沼渣沼液的利用價(jià)值，降低工程投入、降低工程運(yùn)行故障率，提高工程運(yùn)行穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。特別是需要有行之有效的政策刺激手段，拓寬收入渠道，使畜禽糞污能源化利用企業(yè)建立起盈利模式，維持企業(yè)生存與正常盈利。