【摘 要】
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随着我国经济的迅速发展,能源消耗与日俱增,而传统的化石能源不可再生,且会加剧环境污染;另一方面,我国是农业和养殖业大国,每年会产生大量的农业废弃秸秆和畜禽粪便。生物甲烷系统可利用秸秆、粪便等有机废弃物生产甲烷,既能处理农业和养殖业的废弃物,又能产生可再生能源,近20年来发展迅速,规模逐年递增。但生物甲烷系统存在原料来源复杂、有机物利用率低、沼液和沼渣等副产物产量大且组分不明等弊端,因此,明确生物甲
【基金项目】
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国家973项目（2013CB733505）； 国家自然科学基金重点项目（22038012）；
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随着我国经济的迅速发展,能源消耗与日俱增,而传统的化石能源不可再生,且会加剧环境污染;另一方面,我国是农业和养殖业大国,每年会产生大量的农业废弃秸秆和畜禽粪便。生物甲烷系统可利用秸秆、粪便等有机废弃物生产甲烷,既能处理农业和养殖业的废弃物,又能产生可再生能源,近20年来发展迅速,规模逐年递增。但生物甲烷系统存在原料来源复杂、有机物利用率低、沼液和沼渣等副产物产量大且组分不明等弊端,因此,明确生物甲烷系统中原料、沼液和沼渣的组成,并对系统进行综合评价非常关键,这对于优化生物甲烷系统、减少污染物排放都具有重要意义。本研究首先对我国27个城市典型生物甲烷系统的沼液进行分析和评价;然后建立了典型单一原料和混合原料的生物甲烷发酵系统,全面分析生物甲烷系统原料、沼气、沼液和沼渣的组分,在此基础上构建绿色度、甲烷产量、沼液沼渣重金属污染度和潜在生态风险四个指标的生物甲烷系统综合评价体系;最后对沼液和沼渣的处理技术进行绿色度评价。主要研究内容及结果如下:（1）分析和评价我国27个城市的沼气工程和家庭户用沼气池两类典型生物甲烷系统的69个沼液样品:以鸡粪为原料的沼气工程沼液COD、氨氮和磷酸根浓度都明显高于其他原料,分别达到7092±1268 mg·L-1、4609±2972 mg·L-1和172.0±78.8 mg·L-1;以猪粪为原料的沼气工程沼液抗生素浓度最高,主要为磺胺类、喹诺酮类和四环素类抗生素;沼液潜在生态风险中等,并且存在较为严重的砷污染;在发酵原料相同的情况下,家庭户用沼气池沼液的重金属污染和潜在生态风险都比沼气工程沼液更严重。经建模发现,采用二次多项式逐步回归模型可定量描述沼液中七种重金属浓度与氨氮和磷酸根浓度之间的相关性。（2）对牛粪、猪粪、秸秆、餐厨垃圾和鸡粪五种典型生物质原料的生物甲烷系统进行全面分析和综合评价:猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统较为相似,甲烷产量较高,分别为212±19 mL/g VS和183±18 mL/g VS,沼液氨氮浓度较高,分别达到1162±137 mg·L-1和1859±163 mg·L-1,沼渣的重金属污染度较高;牛粪和秸秆两种原料的生物甲烷系统较为相似,原料中纤维素和木质素的比重大,沼液COD、氨氮和磷酸根浓度都较低;猪粪和牛粪两种原料的生物甲烷系统绿色度较高,分别为0.222和0.200。（3）通过对四类混合生物质原料（猪粪+秸秆、牛粪+猪粪、秸秆+鸡粪和猪粪+鸡粪）生物甲烷系统的分析和评价,结果表明:猪粪与秸秆或牛粪混合发酵都可以弥补单一猪粪原料生物甲烷系统重金属污染度和潜在生态风险较高的缺点;牛粪与猪粪混合发酵可以提高单一牛粪原料生物甲烷系统的甲烷产量;秸秆与猪粪或鸡粪混合发酵都可以改善单一秸秆原料生物甲烷系统的绿色度和甲烷产量较低的情况;鸡粪与秸秆或猪粪混合发酵可以弥补单一鸡粪原料生物甲烷系统绿色度低、重金属污染度和潜在生态风险高的缺点。综合考察四个评价指标,四类混合原料生物甲烷系统的推荐原料混合比例分别为:猪粪与秸秆为2:1和1:1（猪粪秸秆2:1的绿色度最高,达到0.239,猪粪秸秆1:1的甲烷产量最高,达到218±18 mL/g VS）;牛粪与猪粪为2:1和1:1（牛粪猪粪2:1的沼液沼渣重金属污染度和潜在生态风险较低,牛粪猪粪1:1的绿色度和甲烷产量最高,分别为0.277和179±13 mL/g VS）;秸秆与鸡粪为2:1（甲烷产量最高,达到213±36 mL/g VS,且沼液沼渣的重金属污染度和潜在生态风险较低）;猪粪与鸡粪为3:1和2:1（猪粪鸡粪3:1的绿色度和甲烷产量最高,分别为0.263和224±32 mL/g VS,猪粪鸡粪2:1的沼液重金属污染度和潜在生态风险最低）。（4）对生物甲烷系统沼液和沼渣的典型处理技术进行绿色度分析表明:沼液用微藻处理和用作液态肥的绿色度较高;沼渣用于制备生物炭和用作肥料的绿色度评价较好;微藻+生物炭、微藻+肥料和液态肥+肥料三组沼液沼渣耦合处理工艺都能显著提高生物甲烷系统绿色度,减少环境污染。猪粪和秸秆两种单一原料的生物甲烷系统经微藻+肥料耦合处理后,系统绿色度分别提高了97%和244%;猪粪秸秆2:1混合和猪粪秸秆1:1混合的生物甲烷系统经微藻+生物炭耦合处理后,系统绿色度分别提高了 71%和88%。
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