畜禽糞便與秸稈厭氧-好氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)碳氮元素變化研究

王 健，沈玉君，劉 燁，丁京濤，孟海波

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畜禽糞便與秸稈厭氧-好氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)碳氮元素變化研究

王 健，沈玉君，劉 燁，丁京濤，孟海波※

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京 100121； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部資源循環(huán)利用技術(shù)與模式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100121）

傳統(tǒng)沼氣工程的氣肥聯(lián)產(chǎn)工藝中，厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣與好氧發(fā)酵產(chǎn)肥互相獨(dú)立，產(chǎn)氣和產(chǎn)肥周期均較長、有機(jī)肥品質(zhì)差，影響工程的高效運(yùn)行。為縮短發(fā)酵周期、提高產(chǎn)氣效率和有機(jī)肥品質(zhì)，該研究將豬糞、雞糞和秸稈混合進(jìn)行15和30 d的干法厭氧發(fā)酵，將得到的沼渣添加秸稈輔料混合，分別設(shè)置65%和70%的發(fā)酵物料初始含水率進(jìn)行15 d的高溫好氧發(fā)酵，對比分析了不同厭氧-好氧發(fā)酵組合對產(chǎn)氣和產(chǎn)肥的影響。結(jié)果表明：厭氧發(fā)酵階段，混合物料的日產(chǎn)氣率自發(fā)酵開始后逐漸上升，并在第8天達(dá)到最高峰，至第15天降至峰值的50%以下，此時(shí)累積產(chǎn)氣量達(dá)到30 d發(fā)酵周期的71%，平均容積產(chǎn)氣率達(dá)到1.91 m3/(m3?d)，比發(fā)酵30 d平均容積產(chǎn)氣率高41.5%。好氧發(fā)酵階段，各處理組碳元素含量持續(xù)下降，氮元素含量先下降后增加，所得發(fā)酵產(chǎn)物均達(dá)到腐熟標(biāo)準(zhǔn)。采用15 d厭氧發(fā)酵所獲得的沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵，所得發(fā)酵產(chǎn)物的電導(dǎo)率、腐殖化程度和發(fā)芽指數(shù)均優(yōu)于采用30 d厭氧發(fā)酵所獲得的沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵所得的發(fā)酵產(chǎn)物，同時(shí)總有機(jī)碳和總氮含量也較其分別提高了6.0%～21.7%和3.0%～10.2%，不同好氧發(fā)酵物料初始含水率對發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)影響較不明顯。因此，采用厭氧、好氧發(fā)酵周期均為15 d的組合，可縮短發(fā)酵周期、大幅提高產(chǎn)氣效率和發(fā)酵產(chǎn)物的碳氮營養(yǎng)元素含量，有利于提高沼氣工程運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

糞便；秸稈；碳；氮；厭氧發(fā)酵；好氧發(fā)酵；氣肥聯(lián)產(chǎn)

0 引 言

黨的十八大以來，國家及各級政府高度重視推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展。黨的十九大提出了鄉(xiāng)村振興發(fā)展戰(zhàn)略，指出在推進(jìn)鄉(xiāng)村綠色發(fā)展方面，加強(qiáng)推進(jìn)畜禽糞污治理和農(nóng)作物秸稈綜合利用。沼氣工程是處理畜禽糞污和農(nóng)作物秸稈的重要途徑。從國外先進(jìn)沼氣工程技術(shù)模式發(fā)展過程來看，集成型、循環(huán)型沼氣工程受到廣泛重視并快速發(fā)展，以沼氣綜合利用和有機(jī)肥生產(chǎn)為驅(qū)動(dòng)力的大中型沼氣工程發(fā)展模式，即以大型養(yǎng)殖場為依托發(fā)展的“氣熱電肥”聯(lián)產(chǎn)沼氣工程模式，具有能量轉(zhuǎn)換率高、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部能量的循環(huán)利用和互補(bǔ)兩大特點(diǎn)，可有效促進(jìn)種養(yǎng)生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)的良性循環(huán)，真正實(shí)現(xiàn)厭氧發(fā)酵剩余物的零排放，不僅具有生態(tài)、環(huán)保和社會(huì)效益，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，將成為沼氣工程的主要發(fā)展趨勢[1-2]。

傳統(tǒng)的氣肥聯(lián)產(chǎn)將產(chǎn)氣和產(chǎn)肥視為2個(gè)獨(dú)立階段，即先進(jìn)行厭氧發(fā)酵，然后將厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣通過好氧發(fā)酵處理生產(chǎn)有機(jī)肥[3]，從而實(shí)現(xiàn)無害化和資源化利用。一方面厭氧發(fā)酵周期長，容積產(chǎn)氣率僅為0.80 m3/(m3?d)左右[4]；另一方面沼渣養(yǎng)分含量低，使后續(xù)好氧發(fā)酵升溫慢、高溫期維持時(shí)間短、腐熟難度大，無害化目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)好氧發(fā)酵完成后還需添加營養(yǎng)元素方可達(dá)到有機(jī)肥標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，使整個(gè)產(chǎn)氣產(chǎn)肥周期需要60 d以上[7]，不僅降低工程運(yùn)行效率，更限制了沼肥出路，直接影響沼氣工程的正常運(yùn)行。

現(xiàn)有報(bào)道證明，厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣速率在發(fā)酵初期隨時(shí)間的推移逐漸升高，在6～10 d產(chǎn)氣速率達(dá)到峰值[8-9]，在14～18 d產(chǎn)氣速率大幅降低，累積產(chǎn)氣量增幅減小[10]。另外，厭氧發(fā)酵周期長，使碳氮元素?fù)p失較大[11]。因此，本研究為探索沼氣工程厭氧發(fā)酵高效產(chǎn)氣和發(fā)酵剩余物科學(xué)產(chǎn)肥技術(shù)路徑，采用畜禽糞便、秸稈為發(fā)酵原料，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模將干式厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣與好氧發(fā)酵產(chǎn)肥相耦聯(lián)，在厭氧發(fā)酵階段設(shè)置發(fā)酵周期為15和30 d，在好氧發(fā)酵階段設(shè)置發(fā)酵周期為15 d，從碳氮元素變化角度，研究了不同發(fā)酵周期和發(fā)酵物料初始含水率對厭氧-好氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣和產(chǎn)肥特性的影響，以期為優(yōu)化氣肥聯(lián)產(chǎn)技術(shù)模式、提高沼氣工程運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益、解決沼肥產(chǎn)生的二次環(huán)境污染問題提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

豬糞、雞糞采集自北京市周邊養(yǎng)殖場，風(fēng)干玉米秸稈采集自北京順義區(qū)農(nóng)田；接種用厭氧污泥取自北京市某沼氣工程。所采集的新鮮糞便樣品除去大塊石粒、毛發(fā)等，用密封袋密封后于0～4 ℃冰柜中保存，以最大程度降低其養(yǎng)分損失；接種污泥于開展試驗(yàn)當(dāng)天采集并立刻使用，以保證菌種活性；所采集的風(fēng)干玉米秸稈粉碎至1～3 cm后，置于陰涼干燥處保存。原料的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 發(fā)酵物料基本性質(zhì) Table 1 Basic properties of materials to be fermented

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

干式厭氧發(fā)酵采用實(shí)驗(yàn)室自制的沼氣發(fā)酵裝置（圖1a），用3 L廣口瓶作為發(fā)酵瓶和集氣瓶，以豬糞、雞糞、秸稈按鮮質(zhì)量比為2:1:2混合[12-13]，使混合物料C/N為22:1左右，污泥接種量為36.9%（以干物質(zhì)計(jì)），加水調(diào)節(jié)混合物料總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)（total solid，TS）為20%?；旌暇鶆蚝笤趨捬醢l(fā)酵瓶中裝入2 L物料，蓋上橡膠塞并以玻璃膠密封，發(fā)酵瓶與集氣瓶中間用硅膠管連接。采用恒溫水箱控制發(fā)酵瓶溫度為38 ℃，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，檢測產(chǎn)氣率、CH4含量、總有機(jī)碳（total organic carbon，TOC）、總可溶性有機(jī)碳（total dissolved organic carbon，TDOC）、總氮（total nitrogen，TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）等理化指標(biāo)。

設(shè)計(jì)小型溫度可控型好氧發(fā)酵裝置（圖1b），3 L廣口瓶作為發(fā)酵瓶。在厭氧發(fā)酵15和30 d后迅速分離沼渣，并按沼渣、豬糞、秸稈鮮質(zhì)量比為7:2:1的比例混合，使C/N值在25:1左右，同時(shí)調(diào)節(jié)含水率至65%和70%，共設(shè)置4個(gè)處理組，分別為：15 d沼渣+65%含水率（15BR+65MC）、15 d沼渣+70%含水率（15BR+70MC）、30 d沼渣+65%含水率（30BR+65MC）、30 d沼渣+70%含水率（30BR+70MC）。在發(fā)酵瓶內(nèi)裝入1 kg混合物料，蓋上橡膠塞，以恒溫水箱調(diào)節(jié)溫度，在前3天逐漸從30 ℃升溫至50℃，繼續(xù)升溫至第4天達(dá)到55 ℃保持5 d，后逐漸降溫至第9天達(dá)到50℃，繼續(xù)降溫至第13天達(dá)到30℃，并保持到第15天結(jié)束好氧發(fā)酵，期間每30 min通風(fēng)0.30 L，同時(shí)每3天翻堆1次并取樣分析。在好氧發(fā)酵過程中監(jiān)測物料溫度、含水率情況，檢測所采集樣本的pH值、電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）、發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）、TOC、TDOC、TN、NH4+-N、NO3--N等理化指標(biāo)。

圖1 厭氧發(fā)酵裝置和好氧發(fā)酵裝置

1.3 測定指標(biāo)及方法

1）TS和含水率：采用烘干方法測定；

2）TOC和TN：采用CN元素分析儀測定；

3）NH4+-N、NO3--N：參照標(biāo)準(zhǔn)HJ 634-2012采用氯化鉀溶液提取-分光光度法測定；

4）TDOC：取凍干樣品，加入去離子水至0.2 g/mL，在25 ℃條件下，以250 r/min的速度水浴振蕩1 h，在轉(zhuǎn)速為12 000 r/min離心10 min，上清液過0.45m濾膜。參照國家標(biāo)準(zhǔn)《HJ 615-2011》，采用重鉻酸鉀氧化法測定；

5）pH值和EC值：取新鮮發(fā)酵樣品，加入去離子水至0.1 g/mL，在室溫下以200 r/min連續(xù)振蕩1 h浸提鮮樣，過濾收集濾液。用pH計(jì)檢測pH值，電導(dǎo)率儀測定EC值；

6）465 nm（4）與665 nm（6）波長處的吸光度比值（4/6）：取新鮮發(fā)酵樣品，加入去離子水至0.1 g/mL，在室溫下以200 r/min連續(xù)振蕩1 h浸提鮮樣，3 000 r/min離心收集上清液，稀釋一定倍數(shù)，檢測465 nm（4）和665 nm（6）波長處的吸光度值，計(jì)算4/6值。

7）GI值：取新鮮發(fā)酵樣品，加入去離子水至0.1 g/mL，在室溫下以200 r/min連續(xù)振蕩24 h浸提鮮樣，取10 mL上層清液，加入裝有20粒飽滿油菜種子的培養(yǎng)皿中，計(jì)錄28 ℃恒溫箱中生長48 h的發(fā)芽和根長情況。對照組中以蒸餾水代替浸提液，重復(fù)3次。

1.4 儀器與設(shè)備

DNW系列三用電熱恒溫水箱（北京國華醫(yī)療器械廠），YQX-III型厭氧培養(yǎng)箱（上海萬瑞實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司），復(fù)合氣體測定儀（成都勝拓儀器有限公司），HR/T20MM立式高速冷凍離心機(jī)（湖南赫西儀器裝備有限公司），F(xiàn)D-1A-50型冷凍干燥機(jī)（上海谷寧實(shí)業(yè)有限公司），MITR-YXQM-1L型油封靜音行星球磨機(jī)（長沙市雨花區(qū)粉體通用機(jī)械），i7紫外/可見分光光度計(jì)（濟(jì)南海能儀器股份有限公司），雷磁COD-571-1型消解裝置（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司），雷磁PHS-3C型pH計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司），DDS-307A型電導(dǎo)儀（上海佑科儀器股份有限公司），F(xiàn)lash 2000型CN元素分析儀（Thermo OEA）。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS 21進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Origin 9.2進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣特性

在30 d的厭氧干發(fā)酵周期中，沼氣日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在第8天總產(chǎn)氣量和甲烷產(chǎn)氣量均達(dá)到最高值，分別為4 099和2 295 mL/kg，在第15天日產(chǎn)氣量已低于最大產(chǎn)氣量的50%，日甲烷產(chǎn)氣量也僅為最大值的54.5%，體系進(jìn)入低效產(chǎn)氣階段并維持低產(chǎn)氣率至厭氧發(fā)酵結(jié)束。日產(chǎn)氣量的變化引起累積產(chǎn)氣量在發(fā)酵前期快速增加，在發(fā)酵后期增加緩慢，第15天累積總產(chǎn)氣量和累積甲烷產(chǎn)氣量分別達(dá)到整個(gè)周期累積產(chǎn)氣量的71.7%和69.4%（圖2a）。許洪偉[8]用牛糞和雞糞混合厭氧發(fā)酵30 d，在第9天時(shí)日產(chǎn)氣量達(dá)到峰值；任海偉等[14]研究了不同比例牛糞與玉米秸稈混合厭氧消化產(chǎn)氣特性，發(fā)現(xiàn)各試驗(yàn)組的產(chǎn)氣峰值均集中在第3～17天。本研究中，厭氧發(fā)酵15 d的平均容積總產(chǎn)氣率和平均容積甲烷總產(chǎn)氣率分別為1.91和1.08 m3/(m3?d)，相比發(fā)酵30 d 的情況，分別高出41.5%（1.35 m3/(m3?d)）和38.8%（0.78 m3/(m3?d)），同時(shí)沼氣中CH4含量也呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在15 d時(shí)達(dá)到最大值，CO2含量在發(fā)酵初期較高，后一直處于下降狀態(tài)（圖2b）。因此，可以認(rèn)為厭氧發(fā)酵前1/2周期為較優(yōu)產(chǎn)氣階段，后1/2周期為低效產(chǎn)氣階段。

圖2 厭氧干發(fā)酵階段產(chǎn)氣量和氣體成分變化

2.2 產(chǎn)肥特性

2.2.1 碳含量變化

在整個(gè)厭氧-好氧發(fā)酵過程中，物料的有機(jī)質(zhì)不斷被降解，導(dǎo)致TOC含量逐漸降低（圖3a、圖3b）。

注：15BR+65MC、15BR+70MC、30BR+65MC、30BR+70MC分別為15 d沼渣+65%含水率、15 d沼渣+70%含水率、30 d沼渣+65%含水率、30 d沼渣+70%含水率處理。

Note: 15BR+65MC, 15BR+70MC, 30BR+65MC, 30BR+70MC are treatments of 15 d fermented biogas residue+65% water content, 15 d fermented biogas residue+70% water content, 30 d fermented biogas residue+65% water content, 30 d fermented biogas residue+70% water content.

圖3 厭氧-好氧發(fā)酵期間發(fā)酵原料中TOC和TDOC變化

Fig.3 Variations of total organic carbon (TOC) and total dissolved organic carbon (TDOC) in being-fermented stuff during anaerobic-aerobic fermentation stage

處理組15BR+65MC和15BR+70MC的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在厭氧發(fā)酵階段從49.9%下降至30.4%，TOC降解率為39.1%，好氧發(fā)酵階段結(jié)束后TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為28.5%和27.1%，較好氧發(fā)酵前分別降低了17.8%和19.5%（圖3a）；處理組30BR+65MC和30BR+70MC的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在厭氧發(fā)酵階段從49.9%下降至23.2%，TOC降解率為53.4%，好氧發(fā)酵階段結(jié)束后TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25.6%和23.4%，較好氧發(fā)酵前分別降低了20.0%和20.7%（圖3b）。因此，厭氧發(fā)酵15 d所得沼渣的TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較厭氧發(fā)酵30 d所得沼渣高31.0%（<0.05），采用厭氧發(fā)酵15 d所得沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵也較使用厭氧發(fā)酵30 d所得沼渣TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)高11.2%~16.0%。同時(shí)，較低的初始含水率可能對堆肥過程中腐熟有利[15]，但本研究結(jié)果表明，不同初始含水率的處理組之間的TOC含量無顯著性差異（>0.05），說明初始含水率對其影響并不顯著。

TDOC是既含低分子量物質(zhì)（如游離氨基酸和糖類）又含各類大分子成分（如酶、氨基糖、多酚和腐殖酸等）的混合物[16-17]，是微生物代謝的最直接碳源。處理組15BR+65MC和15BR+70MC的TDOC含量在厭氧發(fā)酵15 d時(shí)較低，進(jìn)入好氧階段后，TDOC含量先降低后持續(xù)增加并達(dá)到穩(wěn)定，發(fā)酵結(jié)束后物料中TDOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.6和38.9 g/kg（圖3c）。處理組30BR+65MC和30BR+70MC的TDOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)在厭氧發(fā)酵階段有上升趨勢，30 d時(shí)TDOC含量比15 d時(shí)高24.5%；進(jìn)入好氧階段后TDOC含量上下波動(dòng)較大，好氧發(fā)酵結(jié)束后TDOC質(zhì)量濃度分別為36.6和37.4 g/kg（圖3d）。在整個(gè)發(fā)酵過程，有機(jī)質(zhì)的降解使TDOC濃度增加，而微生物的直接利用使TDOC濃度減少，兩者共同作用引起發(fā)酵料液TDOC濃度不斷變化。

2.2.2 氮含量變化

在厭氧發(fā)酵過程中，氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌會(huì)參與氮元素代謝[18]。如圖4a和4b，厭氧發(fā)酵階段TN含量一直處于下降狀態(tài)；進(jìn)入好氧發(fā)酵階段后，TN 含量呈先降低后增加的變化趨勢，可能與總物料不斷消耗有關(guān)。圖4a，處理組15BR+65MC和15BR+70MC的總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在厭氧階段從2.5%下降至1.9%，降低24.0%；進(jìn)入好氧發(fā)酵階段后，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低3.7%和5.9%。圖4b，處理組30BR+65MC和30BR+70MC的總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)在厭氧階段從2.5%下降至1.7%，降低32.0%；進(jìn)入好氧發(fā)酵階段后，總氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低4.6%和6.5%，較15BR+65MC和15BR+70MC處理組下降幅度更大（<0.05）。

圖4 厭氧-好氧發(fā)酵期間發(fā)酵原料中TN、NH4+-N、NO3--N變化

NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖4c和圖4d。在厭氧發(fā)酵階段，NH4+-N含量先增加后逐漸降低，在發(fā)酵第6天時(shí)沼渣NH4+-N含量迅速上升至最高，發(fā)酵30 d比15 d沼渣NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)高8.9%；進(jìn)入好氧階段后，各處理組NH4+-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)均先增加后持續(xù)降低，這可能由于好氧發(fā)酵升溫期時(shí)氨化細(xì)菌數(shù)量增加使NH4+-N大量產(chǎn)生[18]，此后可降解氮成分減少，同時(shí)高溫作用使NH3大量揮發(fā)，NH4+-N含量隨之降低；而在好氧發(fā)酵降溫期和腐熟期，NH4+-N被硝化作用和反硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N和含氮?dú)怏w[19]，NH4+-N含量逐步減少而趨于穩(wěn)定。

NO3--N含量變化見圖4e和4f，在厭氧發(fā)酵階段，由于硝化作用較弱，NO3--N含量極低，其變化不明顯；好氧發(fā)酵前期，NO3--N含量有所下降，這可能由于此時(shí)堆體尚處于厭氧或兼氧條件下，NO3--N和堆體中高濃度的NH4+發(fā)生反硝化作用而消耗，在降溫期和腐熟期硝化作用占主導(dǎo)地位[20]，導(dǎo)致腐熟期NO3--N含量大幅上升。進(jìn)入好氧階段后，15BR+65MC、15BR+70MC、30BR+65MC和30BR+70MC 4個(gè)處理組NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別上升了46.5%、35.8%、46.4%和24.9%，這是由于好氧發(fā)酵過程中硝化作用顯著增強(qiáng)所致[21]。

2.2.3 發(fā)酵產(chǎn)物指標(biāo)分析與評價(jià)

1）腐熟度分析與評價(jià)

通常pH值在6.5～8.0范圍內(nèi)時(shí)發(fā)酵物料中微生物有較高的活性，由圖5a可知，各處理組最終發(fā)酵物料pH值基本在7.0～8.0之間，均在正常范圍內(nèi)。電導(dǎo)率（EC）反映了可溶性鹽的含量[22]，4個(gè)處理組的EC值均低于2.64 mS/cm，達(dá)到了低于4.0 mS/cm的腐熟標(biāo)準(zhǔn)[23]，其中處理組15BR+65MC電導(dǎo)率最低為2.27 mS/cm，顯著性低于其他處理組（<0.05），表明該處理組發(fā)酵物料腐熟程度較高[24]。

4/6值表示腐殖酸在波長465和665 nm處的特異吸收峰值，其值越低表明腐殖質(zhì)的縮合和芳構(gòu)化程度越高，可用于表征腐熟度[25]；GI 被認(rèn)為是最為可靠的腐熟度評價(jià)指標(biāo)，未腐熟發(fā)酵物料對種子的毒性主要來自于小分子有機(jī)酸和大量NH3、多酚類物質(zhì)的累積，通過高溫好氧發(fā)酵可使毒性物質(zhì)分解，達(dá)到腐熟目的[26]。由圖5b可知，處理組15BR+65MC和15BR+70MC的4/6值和GI值均分別優(yōu)于處理組30BR+65MC和30BR+70MC中相應(yīng)指標(biāo)（<0.05），表明縮短厭氧發(fā)酵周期，可使最終發(fā)酵產(chǎn)物的腐熟度改善，有利于發(fā)酵物料中腐殖質(zhì)的縮合和芳構(gòu)化[25]。

2）碳氮養(yǎng)分變化分析與評價(jià)

圖6a和圖6b分別為4個(gè)處理組的發(fā)酵產(chǎn)物中TOC、TDOC含量及TN、NH4+-N、NO3--N含量。處理組15BR+65MC和15BR+70MC的TOC和TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)較處理組30BR+65MC和30BR+70MC分別高出6.0%～21.7%（<0.05）和3.0%～10.2%（<0.01），各處理組的TDOC、NH4+-N、NO3--N的含量差異不明顯（>0.05），不同初始含水率處理組之間的各項(xiàng)指標(biāo)也無顯著性差異。以上結(jié)果表明，縮短厭氧發(fā)酵周期可顯著提高TOC、TN在最終發(fā)酵產(chǎn)物中的含量，而初始含水率則影響不明顯。

圖5 最終發(fā)酵產(chǎn)物中pH值、電導(dǎo)率（EC）、E4/E6值和發(fā)芽指數(shù)（GI）

圖6 最終發(fā)酵產(chǎn)物中碳氮元素形態(tài)及含量

3 結(jié) 論

本研究將豬糞、雞糞和秸稈混合構(gòu)建了干法厭氧-好氧發(fā)酵系統(tǒng)，對比了厭氧發(fā)酵15和30 d 2個(gè)不同厭氧發(fā)酵周期及65%和70%不同好氧發(fā)酵初始含水率對該系統(tǒng)產(chǎn)氣產(chǎn)肥效能，所得結(jié)論如下：

在厭氧發(fā)酵階段，混合物料的日產(chǎn)氣率自發(fā)酵開始后逐漸上升，并在第8天達(dá)到最高峰，至第15天降至峰值的50%以下，累積產(chǎn)氣量已達(dá)到30天發(fā)酵周期的71%。采用15 d的發(fā)酵周期，可使平均容積產(chǎn)氣率達(dá)到1.91 m3/(m3?d)，比采用30 d發(fā)酵周期時(shí)平均池容產(chǎn)氣率提高了41.5%。

在好氧發(fā)酵階段，各處理組碳元素含量一直下降，氮元素含量先下降后增加，采用15 d厭氧發(fā)酵所獲得的沼渣進(jìn)行好氧發(fā)酵，所得發(fā)酵產(chǎn)物的EC值、4/6值和發(fā)芽率均較優(yōu)，同時(shí)總有機(jī)碳和總氮含量也較30 d沼渣好氧發(fā)酵所得產(chǎn)物提高6.0%～21.7%和3.0%～10.2%。

因此，采用厭氧、好氧發(fā)酵均為15 d的發(fā)酵組合，可使發(fā)酵周期縮短至30 d，同時(shí)大幅提高容積產(chǎn)氣效率和發(fā)酵產(chǎn)物的碳氮元素含量，有利于提高工程的頭運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

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Variations of carbon and nitrogen during anaerobic-aerobic fermentation for co-production of biogas and organic fertilizer using animal manure and straw

Wang Jian, Shen Yujun, Liu Ye, Ding Jingtao, Meng Haibo※

(1.100121;2100121)

In the co-production of biogas and organic fertilizer in traditional biogas engineering, biogas production by anaerobic fermentation and organic fertilizer production by aerobic fermentation are normally separated. Over-consumption of nutrients in the fermented residue often occurs during the biogas production stage while higher biogas yield is required, which consequently influences the subsequent aerobic fermentation stage, resulting in long fermentation period and low qualities of the final products in treating the fermented residue. To shorten the production period of biogas and organic fertilizer and improve the efficiency and quality of biogas and organic fertilizer production, a series of dry anaerobic fermentation and aerobic fermentation tests with the mixed materials of pig manure, chicken manure and straw, were carried out in this study. During the anaerobic fermentation stage, tests of 15-day and 30-day fermentation periods were carried out. During the aerobic fermentation stage, tests of 65% and 70% moisture contents of the initial fermented staff, and 15-day fermentation period were set. The results showed that the daily biogas yield increased gradually from the 1stday to 8thday during the anaerobic fermentation stage, then decreased to less than 50% of the peak value on the 15thday. On the 15thday, the cumulative biogas yield reached 71% of 30-day anaerobic fermentation and the average daily volumetric gas yield reached 1.91 m3/(m3?d), which was 41.5% higher than that of 30-day anaerobic fermentation. During the aerobic fermentation stage, concentrations of total organic carbon (TOC) in each treatment decreased continuously, and concentrations of total nitrogen (TN) decreased firstly and then increased slightly. Based on electrical conductivities, humification degrees and germination indexes in the final fermented products, higher organic fertilizer qualities were gained when using 15-day anaerobic fermented biogas residues. Moreover, concentrations of TOC and TN were also higher in the final fermented products made from 15-day anaerobic fermented biogas residues than those made from 30-day anaerobic fermented biogas residues. Moisture contents of the initial aerobic fermented staff had little influences on the qualities of final fermented products. In conclusion, adjusting the periods of both anaerobic fermentation and aerobic fermentation for 15 days, can shorten the fermentation period, increase the biogas production efficiencies and the concentrations of carbon and nitrogen elements significantly in final fermented products, and improve the operation efficiency and cost-effectiveness of biogas industry.

manures; straw; carbon; nitrogen; anaerobic fermentation; aerobic fermentation; co-production of biogas and organic fertilizer

王 健，沈玉君，劉 燁，丁京濤，孟海波. 畜禽糞便與秸稈厭氧-好氧發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)碳氮元素變化研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：225－231. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.028 http://www.tcsae.org

Wang Jian, Shen Yujun, Liu Ye, Ding Jingtao, Meng Haibo. Variations of carbon and nitrogen during anaerobic-aerobic fermentation for co-production of biogas and organic fertilizer using animal manure and straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 225－231. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.028 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.028

S216.4

A

1002-6819(2019)-04-0225-07

2018-07-31

2018-12-21

北京市科技計(jì)劃（Z171100001417007）

王 健，工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化研究。Email：wangjian@caaepd.org.cn

孟海波，研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化研究。Email：menghaibo@caaepd.org.cn