牛糞與秸稈干法厭氧發(fā)酵體系中含固率對產(chǎn)氣及造肥的影響

文/王 菲 魯 琳 劉克鋒 王順利，3

（1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2 北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院；3 北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院）

我國既是農(nóng)業(yè)大國又是人口大國，伴隨社會經(jīng)濟(jì)的繁榮和居民生活水平的提高，各類農(nóng)產(chǎn)品的需求量不斷增大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)調(diào)整。近年來畜牧養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展迅猛，隨之產(chǎn)生大量的畜禽糞便、各類秸稈及廢棄果蔬等農(nóng)業(yè)固體廢棄物。這些農(nóng)業(yè)固體廢棄物堆積、腐爛、變質(zhì)成為環(huán)境重要的污染源。目前，我國農(nóng)業(yè)固體廢棄物的同比增長速率達(dá)到5%～10%，預(yù)測到2020年，我國的農(nóng)業(yè)固體廢棄物將超過500 億噸[1，2]。到2016年為止，我國的畜禽糞污年產(chǎn)量達(dá)38 億余噸，但其綜合利用率卻不到60%[3]。循環(huán)式發(fā)展成為畜牧行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽糞便不僅處理成本較低，而且同時達(dá)到了治理污染、保護(hù)環(huán)境和廢棄物資源化的三重效果，在環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、能源、社會等諸多方面具有優(yōu)異效益[4]。干法厭氧發(fā)酵是在含固率20%～50%條件下對底物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，與傳統(tǒng)的濕法厭氧發(fā)酵相比，最大的優(yōu)勢在于進(jìn)料需水量低，臭氣排放少且產(chǎn)物無沼液，不存在二次污染。因此，干法厭氧發(fā)酵成為目前厭氧發(fā)酵領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。

在干法厭氧發(fā)酵工藝中，物料的總固體（TS）含量對有機(jī)物的降解有顯著影響。劉曉風(fēng)等[5]研究表明，TS在間歇式反應(yīng)器中超過40%時會使TS和揮發(fā)性固體（VS）降解率開始下降。曲靜霞[6]在進(jìn)行農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵時調(diào)整TS為20%，結(jié)果顯示產(chǎn)氣效果良好。對于連續(xù)式反應(yīng)器而言，在一定條件下，總固體含量過高，含水率過低，則會導(dǎo)致有機(jī)酸過量積累，從而使產(chǎn)氣停止或產(chǎn)氣量降低[7]。

本試驗(yàn)以牛糞處理為目標(biāo)，研究了牛糞與秸稈干法厭氧發(fā)酵過程中，物料的含固率對產(chǎn)氣與造肥的影響，并篩選出適宜的含固率條件，為后續(xù)利用大型發(fā)酵罐進(jìn)行生產(chǎn)提供可靠的工藝參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 [8，9]

試驗(yàn)所用牛糞取自北京市回龍觀北郊農(nóng)場畜牧5隊(duì)。玉米秸稈作為輔料，取自北京農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田，粉碎至粒徑小于2 mm。其中牛糞的總固形物含量為30.7%，總氮含量為3.31%，總碳含量為36.64%，碳氮比（C/N）為11.07；玉米秸稈的總固形物含量為92.5%，總氮含量為1.96%，總碳含量為87.65%，C/N為44.72。

試驗(yàn)所用的接種物取自北京市北郎中種豬場三期沼氣工程中溫發(fā)酵產(chǎn)生的沼液。收集沼液為糞污水經(jīng)過上流式厭氧污泥床反應(yīng)器厭氧發(fā)酵15～20 天后沼氣場的新鮮沼液。沼液的化學(xué)需氧量（COD）為728 mg/L，總氮含量為0.56%。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用發(fā)酵裝置為自行連接密封[8，9]。采用2.5 L廣口瓶3 個，分別作為發(fā)酵瓶、集氣瓶及集水瓶，相互之間以乳膠管連接，瓶口及連接處利用熱熔膠和膠帶密封固定，使用前進(jìn)行漏氣檢測，以保證試驗(yàn)裝置的密封性。將發(fā)酵瓶放置于恒溫水浴鍋中。見圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

將粉碎的玉米秸稈碎屑加蒸餾水調(diào)節(jié)含水率至60%，放于溫室中自然堆漚15 天，堆漚溫度保持在27～32 ℃，每2 天翻堆1 次，同時測量含水率，適當(dāng)補(bǔ)充水分。堆漚好的秸稈與牛糞混合，調(diào)整物料的C/N為25。每個處理添加新鮮沼液為接種物量，添加量為總重量的30%。共計(jì)4 個處理，分別調(diào)整物料的含固率為10%、15%、20%和25%（分別標(biāo)記為W1、W2、W3、W4）。每個處理設(shè)3 個重復(fù)。將發(fā)酵瓶放置于恒溫水浴鍋中維持瓶內(nèi)溫度35～38 ℃，進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。發(fā)酵時間為30 天。發(fā)酵過程中每24 h記錄1 次產(chǎn)氣量，初始5 天每天測量甲烷含量，之后每3 天測量1 次甲烷含量。發(fā)酵結(jié)束后，樣品放至陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，風(fēng)干后樣品粉碎，過20 目篩，封存待測。

1.4 測量指標(biāo)及方法

1.4.1 產(chǎn)氣指標(biāo)分析

日產(chǎn)氣量采用排水集氣法，排出的飽和食鹽水體積即為每天產(chǎn)生的氣體體積。日產(chǎn)氣甲烷體積分?jǐn)?shù)測定采用氣相色譜法，用Hewlett-Packard 5890 series II 氣相色譜儀測定[10]。

1.4.2 沼渣分析

有機(jī)碳含量采用灼燒法測定。全氮、全磷和全鉀的含量按照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525—2012測定。樣品經(jīng)H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮后，利用凱氏定氮儀測定全氮含量，利用釩鉬黃比色法分光光度計(jì)測定全磷含量，利用火焰光度計(jì)測定全鉀含量。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測定參考文獻(xiàn)[11]中的方法。

圖1 實(shí)驗(yàn)室干法厭氧發(fā)酵裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同含固率對產(chǎn)氣特性的影響

2.1.1 不同含固率對日產(chǎn)氣量的影響

不同處理的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示。所有的處理在試驗(yàn)過程中均產(chǎn)生了沼氣，并且具有明顯的3 次產(chǎn)氣高峰。從產(chǎn)氣速度來看，初始階段，即第1～4天，出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰，各處理產(chǎn)氣情況相似。第二階段，從第4～14天，產(chǎn)氣情況出現(xiàn)第二個升降過程，其中W1、W2、W3都在第8天達(dá)到第二次產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量分別達(dá)到640 mL、580 mL、540 mL，而W4在第9天達(dá)到此次對應(yīng)的產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量較前三個處理少，僅為480 mL。第三階段，即各處理在第14天到達(dá)產(chǎn)氣低谷后，開始出現(xiàn)第三次產(chǎn)氣量上升和下降過程。此階段持續(xù)時間較長，各處理都在第21天到達(dá)產(chǎn)氣高峰，其中W3的日產(chǎn)氣量最高達(dá)到890 mL，而W1、W2和W4的日產(chǎn)氣量分別達(dá)到了760 mL 、780 mL和590 mL。從產(chǎn)氣穩(wěn)定性來看，W4日產(chǎn)氣量最少，也最穩(wěn)定，其他三個處理在發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量波動較大。從產(chǎn)氣時長來看，各處理都超過30 天。

2.1.2 不同含固率對累積產(chǎn)氣量的影響

圖2 不同含固率處理的日產(chǎn)氣量變化

圖3 不同含固率累積產(chǎn)氣量隨時間的變化特征

不同處理的累積產(chǎn)氣量如圖3所示。由圖3可看出，累積產(chǎn)氣量大小順序?yàn)椋?W3＞W(wǎng)1＞W(wǎng)2＞W(wǎng)4。W4累積產(chǎn)氣量最少為13 450 mL。W3處理累積產(chǎn)氣量最多，達(dá)到16 650 mL，約是W4的1.24倍。其次是W1的處理，累積產(chǎn)氣量達(dá)到16 390 mL，與W3最接近，為W4的1.22 倍。W1在前期保持較高的產(chǎn)氣量，但是后期W3日產(chǎn)氣量增長幅度較大，使總產(chǎn)氣量多過W1。W4產(chǎn)氣啟動較慢，且日產(chǎn)氣量一直較少，因此累積產(chǎn)氣量最少。

W1產(chǎn)氣量較高與其有足夠的水分含量有關(guān)，90%的含水率可以算得上半濕法發(fā)酵，此條件下，發(fā)酵瓶中有相當(dāng)數(shù)量的沼液，反應(yīng)物整體呈液態(tài)，每次搖晃發(fā)酵瓶時，反應(yīng)物更容易得到充分混勻，促進(jìn)物質(zhì)流動，且在發(fā)酵過程中，較多水分也使熱量傳輸和微生物轉(zhuǎn)移更容易發(fā)生[11]。而W2、W3、W4的含水率較低，W2反應(yīng)物整體呈較濃稠泥狀，W3和W4為較濕潤固體。W2的濃稠程度決定了其產(chǎn)期初期產(chǎn)酸和產(chǎn)CO2菌的發(fā)酵產(chǎn)物不能很好地?cái)U(kuò)散和對流，從而影響了后期產(chǎn)甲烷菌的活性和產(chǎn)量[12]。與之相比，W4則是因?yàn)楹侍?，反?yīng)物間接觸較少，人為晃動發(fā)酵瓶對物質(zhì)攪動的效果也被削減，非常不利于菌種擴(kuò)散和繁殖，從而導(dǎo)致從始至終整體產(chǎn)氣量一直較低。而W3的水分含量使其反應(yīng)物保持著較松散的濕潤狀態(tài)，晃動發(fā)酵瓶時反應(yīng)物較容易因碰撞發(fā)生位置交換，從而達(dá)到類似攪拌效果的目的[13]。比W2處理的含水率使厭氧菌的發(fā)酵產(chǎn)物更容易在空隙間交換，并釋放出來，因此產(chǎn)氣效果較其他處理都好。

不同含固率的產(chǎn)氣量情況如表1所示。W1、W2、W3都在第25天時累計(jì)產(chǎn)氣量達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%，W4在第26天時達(dá)到。四個處理間相差不大。從圖2及表1中都可看出，W4產(chǎn)氣高峰期較遲，這在生產(chǎn)中會對經(jīng)濟(jì)效益有一定影響，如何把產(chǎn)氣高峰期提前也是需要后續(xù)研究的內(nèi)容。在本研究條件下，從日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣量來看，W3處理是最佳的含固率條件。

2.1.3 不同含固率對甲烷含量的影響

不同含固率處理在產(chǎn)氣過程中的甲烷含量變化如圖4所示。由圖4可看出，在發(fā)酵運(yùn)行的30 天內(nèi)，各個處理的甲烷含量均與日產(chǎn)氣量三個階段有一定相關(guān)性，處理不同，其波動幅度不同。第一個階段，是甲烷濃度快速提高，各處理在第3～4 天達(dá)到第一個小高峰，W3的甲烷含量初始高峰最高；第二階段和第三階段，各處理的甲烷含量有一個或多個升高又降低的過程。所有處理中，W2和W3在第5天甲烷含量超過50%后，波動相對較小，基本能維持在55%，甚至60%以上。而W4在第5天和第19天有兩個甲烷含量高峰，W1則是在第11天和第28天有兩個甲烷含量高峰，都達(dá)到約80%，但其過程中甲烷含量波動較大，甚至在第17天都跌至小于50%的程度。

表1 不同含固率牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況

圖4 不同含固率產(chǎn)氣中甲烷含量變化特征

發(fā)酵過程中甲烷含量影響到整體產(chǎn)氣質(zhì)量，如W2和W3這樣整體較平穩(wěn)且有較高甲烷比例的處理在生產(chǎn)中才更加實(shí)用。W4會出現(xiàn)甲烷含量忽高忽低應(yīng)該與發(fā)酵物料不均勻，造成局部反應(yīng)有關(guān)，且低含水率也會使發(fā)酵反應(yīng)過程中氨態(tài)氮和揮發(fā)酸積累得過多，抑制甲烷菌的繁殖和代謝速率[14]。

2.2 不同含固率對沼渣特性的影響

2.2.1 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

本試驗(yàn)中所有處理的沼渣，其種子發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到了80%以上（表2）。該結(jié)果說明在本研究條件下，所有處理在干法厭氧發(fā)酵30 天之后，其沼渣對植物生長來說均不會產(chǎn)生不良影響。

2.2.2 沼渣的總養(yǎng)分含量與碳氮比

沼渣中的總碳及總氮含量如表2所示。沼渣中總碳與含固率之間并無對應(yīng)變化關(guān)系。其中W3沼渣中的總碳含量最低，為51.57%；W2沼渣中的總碳含量最高，為55.71%。經(jīng)方差分析并進(jìn)行多重比較后，四個處理在0.05水平上有差異，但在0.01水平上沒有顯著差異。差異的形成應(yīng)該與產(chǎn)氣時碳含量隨氣體釋放流失有關(guān)。沼渣中總氮含量，W2最高，為4.23%，而W4最低，為3.94%。經(jīng)過方差分析，并進(jìn)行多重比較后，結(jié)果表明，處理之間均無顯著差異。沼渣碳氮比沒有明顯規(guī)律。碳氮比與初始碳氮比相比呈下降趨勢。本研究結(jié)果顯示，其變化與各處理的產(chǎn)氣量有一定相關(guān)性。本研究中W3產(chǎn)氣量最多，理論上碳素減少更多，而其他處理碳氮比與下降與產(chǎn)氣量不成比例，也許與產(chǎn)氣成分差異有關(guān)。

沼渣中的總磷及總鉀含量也列在表2中。沼渣中的磷含量基本沒有較大數(shù)量差，W3中磷含量最高，達(dá)到1.16%；W1中磷含量最低，為1.08%。經(jīng)過方差分析，并進(jìn)行多重比較結(jié)果表明，各處理間存在較顯著差異。

沼渣中的鉀含量基本上與產(chǎn)氣量沒有較大相關(guān)性，W1中鉀含量最低，為1.55%；W3中鉀含量最高，為2.20%。經(jīng)過方差分析，并進(jìn)行多重比較結(jié)果表明，各處理間存在顯著差異。

表2 不同含固率處理的沼渣養(yǎng)分含量及種子發(fā)芽指數(shù)特征

所有處理的總養(yǎng)分含量都高于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525—2012《有機(jī)肥料》中規(guī)定有機(jī)肥總養(yǎng)分含量“≥5%”的標(biāo)準(zhǔn)，都有作為有機(jī)肥的營養(yǎng)價值。各個處理沼渣中養(yǎng)分含量從高到低依次是：W2＞W(wǎng)3＞W(wǎng)4＞W(wǎng)1。

3 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，物料的含固率不同，其產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣質(zhì)量存在差異。物料含固率20%時，產(chǎn)氣量最多，同時甲烷含量相對較高。在生產(chǎn)中可依據(jù)需要調(diào)節(jié)物料中水的添加量，在保證發(fā)酵產(chǎn)氣質(zhì)量的同時，減少沼液的產(chǎn)生。在本試驗(yàn)條件下，干法厭氧發(fā)酵處理后的沼渣，其有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和總養(yǎng)分含量都大于農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525—2012中對有機(jī)肥料的要求，并且經(jīng)過生物學(xué)方法檢測，沼渣均對于種子發(fā)芽沒有毒性作用。因此其干法發(fā)酵處理后的沼渣均具有作為有機(jī)肥應(yīng)用的潛力。

綜合產(chǎn)氣及沼渣兩方面結(jié)果，兼顧產(chǎn)氣效率和減少沼液污染，推薦牛糞與秸稈干法厭氧發(fā)酵體系中含固率保持在20%，能獲得較高的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣質(zhì)量，且發(fā)酵后的沼渣可用于有機(jī)肥使用。