柯蓝婷，王远鹏，郑艳梅，李清彪，2

（1 厦门大学化学化工学院化学工程与生物工程系，福建厦门361005； 2 集美大学食品与生物工程学院，福建厦门361021）

引 言

随着我国经济的高速发展，能源消耗也与日俱增[1]，而传统的化石能源不可再生，且会加剧环境污染[2]；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[3-5]。生物甲烷系统可利用秸秆、粪便等有机废弃物生产甲烷[6]，既能处理农业和养殖业的废物，减少环境污染[7]，又能产生可再生能源[8]，是一种具有代表性的双向清洁过程[9-10]，符合绿色化学理念[11]，因此，近20年来发展迅速，规模逐年递增。据统计，2003～2013 年，全国户用生物甲烷数量从1100 万户增加到4300 万户[12]，到2020 年，户用生物甲烷系统将发展到8000万户，生物甲烷年利用量达到440亿立方米[13]。

我国生物甲烷系统的原料主要包括人类或畜禽粪便[14]、农作物秸秆[15]、树木残枝枯叶、餐厨垃圾等有机质含量较高的废弃物[16-17]，生物甲烷系统的产物包括沼气、沼渣和沼液，沼渣和沼液又统称发酵残留物或副产物。以生产500 m3·d-1沼气的生物甲烷系统为例，厌氧发酵产物中沼气仅占4.6%（质量分数，下同），其中甲烷只有1.7%，沼渣占8.1%，而沼液的占比高达87.3%[18]。可见生物甲烷系统物质的有效利用率非常低，所以目前对生物甲烷系统的研究大部分以提高甲烷产量作为重点[19-20]，也以甲烷产率作为生物甲烷系统的评价指标[21-22]。Li 等[23]评价了玉米秸秆与鸡粪不同配比的混合原料在湿法、半固态和固态三种条件下发酵产甲烷的情况，结果表明，在湿法发酵时，玉米秸秆与鸡粪3∶1混合的甲烷产量最高（218.8 ml·g-1）；在固态发酵时，玉米秸秆与鸡粪1∶1 混合的甲烷体积产量最高（14.2 L·L-1）。Akbulut 等[24]对三种原料在15 m3厌氧发酵罐中的产甲烷情况进行评价，结果表明，牛粪、75%牛粪+25%羊粪、75%牛粪+25%玉米三种原料的沼气产量分别为3816.85、3968.90 和5017.64 m3·a-1。Nasr等[25]把酒糟水用“一段法”和“两段法”工艺的产甲烷情况进行对比评价，结果发现，用“两段法”发酵的甲烷产率为0.33 L·g-1，比“一段法”的甲烷产率高了0.07 L·g-1。这些研究虽然提高了甲烷产量，但沼气在产物中的占比仍然不到20%。因此，仅以甲烷产量作为生物甲烷系统性能评价指标太片面，缺乏对占比超过80%的沼液沼渣的评价研究。

由于生物甲烷厌氧发酵过程中微生物将原料中部分的碳、氢、氧等元素转化为沼气，其余物质都保留在沼液和沼渣中[26]，所以沼液和沼渣成分十分复杂，含有大量有机质、营养成分、多种重金属[27]和少量有机污染物等[28-30]，而且生物甲烷系统的原料种类不同，会造成沼液和沼渣的组分存在差异。李祎雯等[31]测定了8 种不同原料生物甲烷系统沼液的总氮、总磷和总钾含量，结果表明，以猪粪为发酵原料的沼液的总氮、总磷和总钾含量都是最高的，以青草为发酵原料的沼液总氮和总钾含量最低，以醋糟为发酵原料的沼液总磷含量最低。靳红梅等[32]对江苏省21 个规模化养猪场和奶牛场内生物甲烷系统的沼液进行理化分析，结果表明，猪场沼液的总氮浓度集中在400～900 mg·L-1之间，高于奶牛场沼液的200～400 mg·L-1，但奶牛场沼液的总磷和总钾浓度分别集中在300 mg·L-1以上和500 mg·L-1以上，高于猪场沼液的30～100 mg·L-1和100～500 mg·L-1。柯蓝婷等[33]对我国8个省市的43个不同原料户用生物甲烷系统的沼液进行分析，结果表明，以牛粪为原料的沼液COD 浓度最高，NH4+-N 浓度最低；而以猪粪为原料的沼液COD 浓度最低，但NH4+-N 浓度最高。这些研究都表明生物甲烷系统的原料不同会导致沼液组分不同，因此，明确不同原料生物甲烷系统产物组分的差异，对生物甲烷系统的原料和产物进行全面分析及综合评价，在优化生物甲烷系统物质和能量的利用效率、提高甲烷产量、减少其污染物排放、促进沼液沼渣资源化等方面都有重要的指导意义。

本文对五种典型生物质原料（牛粪、猪粪、秸秆、餐厨垃圾和鸡粪）的生物甲烷系统的原料、沼气、沼液和沼渣进行全面的分析，并在此基础上构建了包含绿色度、甲烷产率、沼液沼渣的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，从而定量评价五种典型原料生物甲烷系统的优势和不足。

1 实验材料和方法

1.1 原料及来源

共使用牛粪（cattle manure, CAM）、猪粪（swine manure, SM）、秸秆（straw, St）、餐厨垃圾（kitchen waste,KW）和鸡粪（chicken manure,CHM）五种典型生物质作为生物甲烷系统的原料。其中，牛粪取自福建省厦门市同安区，猪粪和鸡粪取自福建省莆田市，餐厨垃圾取自福建省厦门市集美区，秸秆来源于江苏省南京市。牛粪、猪粪、鸡粪和餐厨垃圾取回后立即用粉碎机粉碎混匀并置于-20℃冰柜冷冻保存。秸秆取回后置于50℃烘箱干燥8 h，用粉碎机粉碎后装于密封袋中保存。

1.2 实验装置及设计

所用实验装置如图1所示。在250 ml的抽滤瓶中装入原料后用橡胶塞密封，用硅胶管连接抽滤嘴和集气袋，所有接口处都缠绕五圈密封带防止装置漏气。整个装置放于生化培养箱中维持恒温。共设置了牛粪、猪粪、秸秆、餐厨垃圾和鸡粪五种原料的生物甲烷系统，原料初始浓度为20 g·L-1，生物甲烷系统反应器的有效反应体积为200 ml，每种原料做三组平行实验，发酵时间为35 d，温度为37℃。

1.3 分析测试方法

图1 实验装置示意图Fig.1 Diagrammatic drawing of experimental equipment

总固体（TS）、挥发性固体（VS）、化学需氧量（COD）、多糖、氨氮（NH4+-N）和磷酸盐（PO43-）采用标准方法检测[34]。甲烷含量采用气相色谱热导检测器（TCD）测定。半纤维素、纤维素和木质素含量用纤维素分析仪（VELP FIWE6）检测。C、H、N、S 元素含量用元素分析仪（Vario EL III）检测。原料和沼渣用浓HNO3和双氧水微波消解后，定容到100 ml，沼液用0.22 µm 水系滤膜过滤后适当稀释，用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS, Agilent 7500）分析七种重金属含量（As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn）。

测定所用试剂均为分析纯。所用玻璃器皿及聚乙烯容器均参考GB 17378.5—1998 标准，用20%的硝酸溶液浸泡24 h，用去离子清洗三遍，最后超纯水清洗一遍，烘干备用。

1.4 重金属评价方法

采用Hakanson[35]提出的潜在生态危害指数法来定量评价沼液和沼渣的重金属污染度和潜在生态风险程度。计算公式如下：

表1 重金属生物毒性系数Tri 和背景参考值Table 1 Toxic response factors and background reference level of heavy metals

表1 重金属生物毒性系数Tri 和背景参考值Table 1 Toxic response factors and background reference level of heavy metals

重金属As Cd Cr Cu Hg Pb Zn Ti r Ci R/（Ci R/（10 30 25 4 05 1沼液）(µg·L-1)10 5 50 1000 1 10 1000沼渣[35]）(mg·kg-1)15 1.0 90 50 0.25 70 175

1.5 绿色度评价方法改进

Zhang等[36]在生命周期评价方法的基础上，提出了绿色度综合指数法，以绿色度值的形式定量出物质或过程对环境的影响，其包含九类环境影响因素，能对复杂多元的反应过程进行较为综合的环境评价。目前，绿色度综合指数法主要用于定量评价化工过程对环境的影响[37]。但与化工过程相比，生物甲烷系统的物质组成更为复杂。因此，针对生物甲烷系统的特点对绿色度综合指数法进行改进，用于定量评价生物甲烷系统及其沼液和沼渣对环境的影响。

生物甲烷系统的物质绿色度的计算公式如下：

表2 生物甲烷系统中各组分的背景参考值Table 2 Background reference level of component in biomethane system

表2 生物甲烷系统中各组分的背景参考值Table 2 Background reference level of component in biomethane system

组分As Cd Cr Cu Hg Pb Zn COD NH4+-N PO4 cRi（沼液）/(mg·L-1)0.5 0.1 1.5 2 0.05 cRi（15沼渣）/(mg·kg-1)40 1.0 300 400 1.5 500 500 3-500 25 1— —

用于计算生物甲烷系统能量绿色度的公式如下：

式中，GDeu表示输入生物甲烷系统能量的绿色度；Q表示系统运行所消耗的热量，J；ε表示与加热方式有关的系数；GDcoal表示煤的绿色度，为90.88×10-9J-1[36]；We表示系统运行所消耗的电能，J。

用于计算生物甲烷系统厌氧发酵过程绿色度的公式如下：

2 结果与讨论

2.1 原料和产物的成分分析与物料平衡

五种典型生物质原料生物甲烷系统的基本运行情况如表3 所示。餐厨垃圾原料的TS 含量最低，说明其含水率最高，但是它的VS/TS却是最大的，可以认为餐厨垃圾原料中易被利用的有机物在固体成分中占的比例最大；秸秆原料的TS含量显著高于其他四种原料，说明其含水率最低，它的VS/TS仅比餐厨垃圾原料低一些；三种粪便原料（牛粪、猪粪和鸡粪）之间的TS 含量和VS 含量差别不大。餐厨垃圾和秸秆两种原料虽然VS/TS 的值较大，但它们经过厌氧产甲烷后的TS移除率却较低；以猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统TS移除率较高；牛粪原料的生物甲烷系统TS 移除率低于猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统，高于餐厨垃圾和秸秆两种原料的生物甲烷系统。五种原料生物甲烷系统TS 移除率由高到低的排序是：猪粪>鸡粪>牛粪>餐厨垃圾>秸秆。

表3 五种原料生物甲烷系统的基本运行情况Table 3 Basic parameters of biomethane systems from five substrates

2.1.1 沼气及甲烷产率分析 五种典型生物质原料生物甲烷系统的沼气和甲烷产率如图2所示。五种原料生物甲烷系统的沼气和甲烷产率由高到低排序都是：猪粪>鸡粪>秸秆>牛粪>餐厨垃圾；而沼气中甲烷含量由高到低的排序则是：猪粪>鸡粪>牛粪>秸秆>餐厨垃圾。由此可见，猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统不论是沼气和甲烷产率，还是甲烷浓度都优于其他原料的生物甲烷系统，甲烷产率分别达到0.85 L 和0.73 L。对比表3 中五种原料生物甲烷系统TS移除率的排序，猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统TS 移除率也比较高，可以认为，TS移除率与沼气产率存在一定联系。而餐厨垃圾原料中VS占的比例虽然最高，但其生物甲烷系统的产气情况最差，沼气产率、甲烷产率和甲烷浓度都明显低于其他原料的生物甲烷系统，并且实验过程中还发现随着厌氧发酵的进行餐厨垃圾作为原料的生物甲烷系统pH 显著降低，严重酸化，导致沼气生产停止。

图2 五种原料生物甲烷系统的沼气和甲烷产率Fig.2 Biogas and methane yield of biomethane systems from five substrates

2.1.2 沼液组分分析 五种典型生物质原料生物甲烷系统沼液的COD、多糖、氨氮和磷酸根浓度情况如图3所示。以餐厨垃圾作为原料的生物甲烷系统沼液中COD 浓度、多糖浓度和磷酸根浓度都显著高于其他四种原料的生物甲烷系统。以猪粪、鸡粪作为原料的生物甲烷系统沼液中氨氮浓度显著高于其他三种原料的生物甲烷系统，分别为1162 mg·L-1和1859 mg·L-1；而牛粪虽然也是动物粪便，却不同于猪粪和鸡粪，氨氮浓度很低。以餐厨垃圾作为原料的生物甲烷系统甲烷产率最低，但沼液的COD浓度却最高，达到5557 mg·L-1，说明餐厨垃圾中的有机物在生物甲烷系统中并不能被有效利用。五种原料的生物甲烷系统多糖浓度都约占COD 浓度的1/10。在厌氧发酵过程中多糖较容易被微生物利用，而经过35 d 的厌氧发酵，易被微生物利用的有机物基本消耗殆尽，COD 中的大部分有机物很难再被微生物利用，加大了沼液中COD的处理难度[39]。

2.1.3 原料及沼渣的组分分析 五种典型生物质原料生物甲烷系统的原料及沼渣可溶性组分、半纤维素、纤维素、木质素和灰分含量如图4所示。可以发现，以猪粪、鸡粪作为原料的生物甲烷系统，经过厌氧发酵后，可溶性组分的含量都降低了，且以猪粪作为原料的生物甲烷系统可溶性组分含量减少最多，对应了以猪粪作为原料的生物甲烷系统最高的产气量。以鸡粪作为原料的生物甲烷系统产气量仅次于猪粪，也比较高。可以认为，在猪粪、鸡粪为原料的生物甲烷系统中，可溶性组分对沼气生产的贡献较大。但是，餐厨垃圾的原料和沼渣中可溶性组分的含量都明显高于其他四种原料，产气量却是最低的，这也说明了餐厨垃圾中的可溶性组分在生物甲烷系统中没有被有效利用。以牛粪、秸秆、餐厨垃圾作为原料的生物甲烷系统，经过厌氧发酵后，半纤维素的含量下降明显，说明这三类原料的甲烷生产主要利用半纤维素。秸秆原料的纤维素含量高于其他四种原料，且厌氧发酵后纤维素含量显著减少，说明在秸秆为原料的生物甲烷系统中，纤维素的利用率较高。

图4 五种原料生物甲烷系统的原料及沼渣中可溶性组分、半纤维素、纤维素、木质素和灰分含量Fig.4 Solute,hemicellulose,cellulose,lignin and ash content of raw material and residue from biomethane systems of five substrates

可溶性组分、半纤维素和纤维素都可以在生物甲烷系统中被利用[40]，但木质素和灰分则很难被用于沼气生产[41-43]。值得注意的是，牛粪原料的木质素和灰分的含量都明显高于其他四种原料，因为牛常以新鲜秸秆为食，秸秆中的可溶性组分、半纤维素和纤维素都能被牛消化吸收，而木质素和灰分难以被牛消化积累在牛粪中，使得牛粪中木质素和灰分的含量超过了40%，在沼渣中木质素和灰分的含量更是超过了50%。因此牛粪虽然是动物粪便，但以牛粪作为原料的生物甲烷系统的特性却跟以秸秆作为原料的生物甲烷系统更为相似，而与猪粪、鸡粪为原料的生物甲烷系统差别较大。

图5 五种原料生物甲烷系统原料和沼渣中碳含量（a）、氮含量（b）、硫含量（c）、氢含量（d）、碳氮比（e）和碳氢比（f）Fig.5 C content(a),N content(b),S content(c),H content(d),C∶N(e)and C∶H(f)of raw material and residue from biomethane systems of five substrates

五种典型生物质原料生物甲烷系统的原料和沼渣的碳、氮、硫、氢含量以及碳氮比和碳氢比如图5 所示。五种原料碳含量由高到低依次是：餐厨垃圾>牛粪>鸡粪>秸秆>猪粪。餐厨垃圾和牛粪两种原料不仅碳含量高，而且从原料到沼渣碳含量明显减少，但是这两种原料的产气量和甲烷产量都不尽如人意。与之相反，猪粪原料的碳含量最低，但其产气量和甲烷产量都是最好的；说明猪粪原料中的碳被利用得更为充分，并且被利用的碳更有效地转化成沼气和甲烷。鸡粪原料的氮含量高于其他四种原料，秸秆原料的氮含量最低，因此秸秆原料的碳氮比最高，达到77.6%，而鸡粪原料的碳氮比最低，仅有16.2%。五种原料硫含量由高到低依次是：鸡粪>猪粪>牛粪>秸秆>餐厨垃圾，其中三种粪便原料的硫含量比较接近，且都明显高于秸秆和餐厨垃圾两种原料。硫含量在一定程度上可以表明蛋白质的含量，之前的研究对原料蛋白质含量进行检测也得到了类似的排序[44]。秸秆和餐厨垃圾两种生物甲烷系统沼渣的硫含量几乎是原料硫含量的两倍，这是由于生物甲烷系统运行后固体的质量会减少将近一半（表3），说明秸秆和餐厨垃圾两种原料的生物甲烷系统反应前后硫的质量基本没有减少，可以认为这两种原料在厌氧发酵过程中蛋白质的利用率很低；而其他三种粪便原料的生物甲烷系统反应前后硫的质量差不多减少了一半，说明三种粪便原料的蛋白质在厌氧发酵过程中被利用，可能用于生产甲烷，也可能用于微生物自身的生长和繁殖。与碳和氮类似，五种原料的生物甲烷系统反应前后氢的质量都减少，说明厌氧发酵过程碳、氮和氢都被利用；而反应前后碳氢比都有所降低，说明碳的消耗量比氢的消耗量更大。

2.1.4 重金属含量分析 五种典型生物质原料生物甲烷系统原料、沼液和沼渣的砷、镉、铬、铜、汞、铅、锌等七种重金属浓度情况如表4 所示。可以发现不同种类重金属的浓度有很大差异，五种原料都是锌浓度最高，其次是铜和铬；砷、镉、汞和铅四种重金属的浓度均在1 mg·kg-1以下。沼液和沼渣中的重金属浓度与原料中的重金属浓度类似，浓度最高的重金属也是锌，其次是铜和铬。

2.1.5 碳、氮和磷的物料平衡 碳、氮和磷在产物中的分布情况及反应前后的质量平衡是生物甲烷系统的基础数据，也是后续对生物甲烷系统进行评价的理论依据。五种典型生物质原料生物甲烷系统碳、氮和磷的物料平衡如图6 所示。以猪粪作为原料的生物甲烷系统，碳元素在沼气中的占比达到42.8%，而且猪粪原料中24.9%的碳转化为甲烷，是五种原料中碳转化率最高的。以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统，碳转化率最低，碳在沼气中的占比仅有20.2%，只有8.7%的碳转化为甲烷；并且以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统，碳在沼液中的占比达到31.7%，而其他四种原料的生物甲烷系统碳在沼液中的占比都低于20%。以牛粪为原料的生物甲烷系统，碳在沼渣中的占比高达62.7%，说明牛粪原料中难利用的有机物含量最多，这与图4 中牛粪原料木质素和灰分含量最多的结果一致。以秸秆为原料的生物甲烷系统，氮的总量最少，而且氮在沼液中的占比也仅有12.9%，说明秸秆原料中易溶解的氮含量较少。而以鸡粪为原料的生物甲烷系统，氮的总质量最多，同时氮在沼液中的占比高达69.4%，说明鸡粪原料不仅氮含量高，而且大部分是易溶解的氮。以秸秆为原料的生物甲烷系统，磷的总质量最少，但是磷在沼液中的占比达到33.3%，而其他四种原料的生物甲烷系统磷在沼液中的占比都低于10%，这说明秸秆原料虽然磷的总质量较少，但可溶解的磷质量并不比其他四种原料低；而以猪粪为原料的生物甲烷系统，虽然磷的总质量最多，但可溶解的磷极少。

表4 五种原料生物甲烷系统的重金属含量Table 4 Heavy metals content of biomethane systems from five substrates

图6 五种原料生物甲烷系统碳（a）、氮（b）、磷（c）的物料平衡Fig.6 C(a),N(b)and P(c)mass balance of biomethane systems from five substrates

2.2 生物甲烷系统的综合评价

从绿色度、甲烷产率、沼液沼渣重金属污染度和沼液沼渣潜在生态风险四个方面对五种典型生物质原料的生物甲烷系统进行综合评价，其中绿色度反映了生物甲烷系统对环境的影响，甲烷产率反映了生物甲烷系统的产能情况，沼液沼渣的重金属污染度和潜在生态风险则反映了生物甲烷系统副产物的重金属风险。五种典型生物质原料生物甲烷系统的综合评价如图7所示。

五种典型生物质原料生物甲烷系统绿色度组成情况如表5 和图7（a）所示，其中原料绿色度由EUP 和ECP 两部分组成，产物绿色度由GWP、EUP和ECP 三部分组成。三种粪便类原料（牛粪、猪粪和鸡粪）的EUP 明显高于秸秆和餐厨垃圾两种原料，说明三种粪便类原料的富营养化潜值更高；而猪粪原料的ECP 则明显高于其他四种原料，有更高的生态毒性潜值，餐厨垃圾原料的ECP 最低。产物的EUP 来源于沼液和沼渣两个部分。以鸡粪为原料的生物甲烷系统沼液的EUP 是沼渣EUP 的三倍，而以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统沼液的EUP几乎是沼渣EUP 的四倍，这是由于富营养化成分溶于沼液中会造成更大的影响。另外还发现，牛粪原料和猪粪原料的生物甲烷系统从原料到产物EUP显著减少，EUP 的移除率分别为58.6%和35.5%；秸秆原料和鸡粪原料的生物甲烷系统EUP 的移除率较低，分别为13.1%和15.3%；而以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统从原料到产物EUP 反而增加了，这是因为以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统厌氧发酵过程中较多富营养化成分溶于沼液中，造成EUP的影响更大。产物的ECP 也来源于沼液和沼渣两个部分，但沼液的ECP远小于沼渣的ECP，这是由于生态毒性成分不易溶于沼液，大部分仍存留于沼渣中。除餐厨垃圾外，其他四种原料的生物甲烷系统从原料到产物ECP 都有明显减少，猪粪原料的生物甲烷系统ECP 减少最多，减少率达到57.1%。以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统绿色度为负值，表明其会造成环境污染；其余四种原料的生物甲烷系统绿色度均为正值，对环境友好。五种原料生物甲烷系统绿色度的排序为：猪粪>牛粪>鸡粪>秸秆>餐厨垃圾，猪粪和牛粪两种原料的生物甲烷系统绿色度较高，分别达到0.222和0.200。

由表4 可知，不同种类的重金属在沼液中浓度的数量级不同，如果只关注重金属的浓度就比较片面。Hakanson[35]的潜在生态危害指数法考虑了不同重金属毒性差异，并与背景值进行比较，反映多种重金属对环境生态风险的综合效应。因此，选用该方法定量评价沼液和沼渣的重金属污染度和潜在生态风险程度。

表5 五种原料生物甲烷系统绿色度情况Table 5 Green degree of biomethane systems from five substrates

生物甲烷系统沼液和沼渣重金属污染指数和污染度情况如图7（c）所示。根据重金属污染度等级评价标准（表1），五种原料的生物甲烷系统的沼液和沼渣，Cd都小于7，重金属污染程度较低。五种原料生物甲烷系统沼渣中的重金属污染度高于沼液中的重金属污染度，说明重金属主要沉积在沼渣中。沼液重金属污染度排序为：鸡粪>牛粪>猪粪>餐厨垃圾>秸秆；沼渣重金属污染度排序为：猪粪>鸡粪>餐厨垃圾>秸秆>牛粪。可以发现，在沼液和沼渣中重金属污染度的排序有很大差异，鸡粪原料和牛粪原料的生物甲烷系统沼液重金属污染度较高，猪粪原料和鸡粪原料的生物甲烷系统沼渣重金属污染度较高，说明牛粪原料生物甲烷系统重金属较易溶于沼液，猪粪原料生物甲烷系统重金属主要沉积在沼渣中，而鸡粪原料生物甲烷系统沼液和沼渣的重金属污染度都较高，表明生物甲烷系统的原料不同，会造成重金属在沼液和沼渣中的分布不同。

图7 五种原料生物甲烷系统绿色度（a）、甲烷产率（b）、沼液沼渣重金属污染度（c）和沼液沼渣潜在生态风险情况（d）Fig.7 Green degree(a),methane yield(b),contamination degree(c)and risk indices(d)of biomethane systems from five substrates

生物甲烷系统沼液和沼渣的潜在生态风险情况如图7（d）所示。五种原料生物甲烷系统沼液的RI都小于130，潜在生态风险程度较低。以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统沼渣的RI为146.1，介于130～260 之间，存在中等的潜在生态风险；其他四种原料生物甲烷系统沼渣的RI小于130，潜在生态风险程度较低。五种原料生物甲烷系统沼渣的潜在生态风险都高于沼液的潜在生态风险，沼液的潜在生态风险程度排序为：鸡粪>牛粪>秸秆>餐厨垃圾>猪粪；沼渣的潜在生态风险程度排序为：餐厨垃圾>鸡粪>牛粪>猪粪>秸秆。可以发现，五种原料的潜在生态风险程度排序在沼液和沼渣中有所不同，这也说明生物甲烷系统的原料不同，会使沼液和沼渣的潜在生态风险存在差异。

综合绿色度、甲烷产率、沼液沼渣重金属污染度和沼液沼渣潜在生态风险四个方面的评价结果，以餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统效果最差，不仅绿色度为负值，甲烷产率最低，而且沼渣的潜在生态风险还最高，虽然其沼液的重金属污染度和潜在生态风险比较低，但相比其他四种原料的生物甲烷系统并没有明显的优势。猪粪原料的生物甲烷系统绿色度和甲烷产率最高，但是沼渣的重金属污染度也最高；牛粪原料的生物甲烷系统虽然绿色度较高，沼渣的重金属污染度最低，但甲烷产率较低；秸秆原料的生物甲烷系统虽然绿色度偏低，甲烷产率也不如猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统，但沼渣的潜在生态风险最低，沼液的重金属污染度和潜在生态风险也较低；鸡粪原料的生物甲烷系统甲烷产率较高，但是沼液的重金属污染度和潜在生态风险都最高，绿色度较低。

3 结 论

分析了五种典型生物质原料生物甲烷系统的成分，并构建了包含绿色度、甲烷产率、沼液沼渣重金属污染度和潜在生态风险四个方面的生物甲烷系统综合评价体系，得到如下结论。

（1）猪粪原料的生物甲烷系统绿色度和甲烷产率最高，但是沼渣的重金属污染度也最高；牛粪原料的生物甲烷系统绿色度较高，并且沼渣的重金属污染度最低，但甲烷产率较低；秸秆原料的生物甲烷系统沼渣的潜在生态风险最低，沼液的重金属污染度和潜在生态风险较低，但绿色度和甲烷产率偏低；鸡粪原料的生物甲烷系统甲烷产率高，但沼液的重金属污染度和潜在生态风险都最高，而且绿色度较低；餐厨垃圾原料的生物甲烷系统性能最差，绿色度和甲烷产率最低，沼渣的潜在生态风险最高。

（2）猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统较为相似：TS 移除率、碳的有效利用率、沼气和甲烷产率较高，但是它们的沼液中氨氮的浓度较高，重金属污染度和潜在生态风险也较高；两种原料中的可溶性组分、半纤维素、木质素和灰分的含量都比较接近。

（3）牛粪和秸秆两种原料的生物甲烷系统较为相似：沼气和甲烷产率居中，优于餐厨垃圾为原料的生物甲烷系统，但比不上猪粪和鸡粪两种原料的生物甲烷系统；它们的沼液中COD、氨氮和磷酸根浓度都比较低，重金属污染度也较低。但牛粪也是动物粪便类原料，兼具猪粪和鸡粪两种原料生物甲烷系统的一些特点，如碳氮比、TS 和VS 较低，硫含量和EUP较高等。

（4）餐厨垃圾原料的生物甲烷系统：沼气和甲烷产率最低，碳的有效利用率最低；沼液中COD、多糖和磷酸根浓度都最高。

符 号 说 明