攪拌頻率對液體糞污氮養(yǎng)分變化規(guī)律的影響

摘 要：為解決我國中小規(guī)模養(yǎng)殖場液體糞污發(fā)酵效果差、氨氣排放多、養(yǎng)分損失大等問題，基于液體糞污回流攪拌技術(shù)，探索不同攪拌頻率對液體糞污貯存過程中氮養(yǎng)分變化的影響。試驗設(shè)有4組處理，分別為CK（靜置貯存）、T1（3 d進(jìn)行一次回流攪拌）、T2（6 d進(jìn)行一次回流攪拌）、T3（9 d進(jìn)行一次回流攪拌），對液體糞污貯存過程中pH值、電導(dǎo)率（EC）、氨氣排放量與氮養(yǎng)分（總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、有機(jī)氮質(zhì)量濃度）等指標(biāo)變化規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：T2處理相較于其他處理，對氨氣減排能力更佳，且在氮素固持方面效果更好。攪拌處理液體糞污提高了液體糞污貯存效果，在氨氣減排與氮素固持方面更具優(yōu)勢，為液體糞污貯存技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：液體糞污；貯存發(fā)酵；試驗研究

中圖分類號：X713 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）4-146-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.04.033

0 引言

近年來，在國家政策的大力支持下，我國畜牧業(yè)取得長足發(fā)展，規(guī)模化、集約化和現(xiàn)代化養(yǎng)殖場（戶）不斷增加［1］。養(yǎng)殖規(guī)模逐年擴(kuò)大，隨之帶來的是糞污排放量快速增加及愈發(fā)嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題［2-3］?！笆濉睍r期，我國每年產(chǎn)生的畜禽糞污總量達(dá)到30.5億t［4］，其中糞水產(chǎn)生量超過糞污總量的50%［5］。而液體糞污具有養(yǎng)分含量低、就地消納難、運(yùn)輸成本高等缺點(diǎn)，如果不妥善處理，會引發(fā)面源污染，對環(huán)境治理產(chǎn)生較大風(fēng)險［6］。

目前，我國規(guī)模化養(yǎng)殖場所使用的液體糞污貯存設(shè)施主要有舍內(nèi)貯存池、舍外貯存罐、密閉貯存囊和氧化塘等［7］。這類設(shè)施存在底部沉積物難以清理、貯存發(fā)酵效果差、占用建設(shè)用地、臭氣排放量大等問題，且因缺乏標(biāo)準(zhǔn)化管理，時常出現(xiàn)發(fā)酵不徹底造成的肥料燒苗現(xiàn)象［8］。在液體糞污處理設(shè)備研制方面，不同類型的厭氧反應(yīng)器在該領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，其中外循環(huán)厭氧反應(yīng)器是一種常用于處理有機(jī)液體廢物的高效生物處理設(shè)備［9］。錢煥江等［10］設(shè)計了一款新型外循環(huán)（OC）厭氧反應(yīng)器，通過更改回流比對反應(yīng)器水力特性及流態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)裝置下段混合效果較好，流體流動較劇烈，裝置上段流體則較為平緩。宿程遠(yuǎn)等［11］對所設(shè)計的新型雙循環(huán)厭氧反應(yīng)器進(jìn)行水力特性研究，發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)雙循環(huán)模式可以增加內(nèi)部流體的混合效果，第二階段相比于第一階段趨近推流式。Luo 等［12］基于水力循環(huán)作用的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器對處理高有機(jī)負(fù)荷率廢水的性能、動力學(xué)行為及微生物群落進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該類型反應(yīng)器可去除85%的COD，而取消外循環(huán)作用會導(dǎo)致COD去除率低于60%且不穩(wěn)定。目前，該類型裝置的研究多應(yīng)用于處理低濃度廢水，而學(xué)者對應(yīng)用此類裝置處理養(yǎng)殖業(yè)液體糞污的研究相對較少。

筆者以某養(yǎng)豬場液體糞污為試驗材料，分析不同攪拌頻率對液體糞污貯存過程中氮養(yǎng)分變化規(guī)律的影響，以期為液體糞污的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用糞污為北京市順義區(qū)某養(yǎng)豬場水泡糞工藝的全量液體糞污，其理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗裝置

液體糞污一體化貯存試驗裝置如圖1所示。

1.3 試驗方案

為研究不同攪拌頻率下裝置的最優(yōu)工藝，在150 L貯存罐內(nèi)進(jìn)行試驗，共設(shè)計4個處理，分別為CK（靜置貯存）、T1（3 d進(jìn)行一次回流攪拌）、T2（6 d進(jìn)行一次回流攪拌）、T3（9 d進(jìn)行一次回流攪拌），每次攪拌時間為10 min。分別于貯存第0天、第9天、第18天、第27天、第36天、第45天、第54天、第63天采樣，回流攪拌完成后，由采樣口取出50 mL均質(zhì)樣品，重復(fù)3次。對貯存過程中糞污的pH值、電導(dǎo)率（EC）、總氮（TN）質(zhì)量濃度、銨態(tài)氮（NH4+-N）質(zhì)量濃度、硝態(tài)氮（NO3--N）質(zhì)量濃度、亞硝態(tài)氮（NO2--N）質(zhì)量濃度和有機(jī)氮（ON）質(zhì)量濃度的變化趨勢及氨氣（NH3）排放情況進(jìn)行分析。

1.4 主要儀器

上海雷磁PHS-3C型pH計（上海儀電科學(xué)儀器有限公司），筆式電導(dǎo)率儀SX-650（上海三信儀表廠）。

1.5 分析方法

pH值采用pH計進(jìn)行測定，EC值采用筆式電導(dǎo)率儀進(jìn)行測定，TN質(zhì)量濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行測定，NH4+-N質(zhì)量濃度采用納氏試劑法進(jìn)行測定，NO3--N質(zhì)量濃度采用紫外分光光度法進(jìn)行測定，NO2--N質(zhì)量濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法進(jìn)行測定，ON質(zhì)量濃度采用插值法進(jìn)行計算，NH3排放量采用納氏試劑分光光度法進(jìn)行測定。

2 驗證試驗

2.1 pH值變化

貯存期間糞水各階段pH值變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，CK處理的pH值整體呈上升趨勢，而T1、T2、T3處理的pH值整體呈現(xiàn)下降趨勢。T1、T2、T3處理的pH值要低于CK組，這可能是因為在糞污貯存期間，回流攪拌使糞污中微生物大量繁殖，促使有機(jī)物快速降解產(chǎn)生有機(jī)酸，降低了糞污的pH值［13］。在貯存后期，各處理的pH值變化趨于穩(wěn)定，其范圍為7.19～7.87。參考《沼肥》（NY/T 2596—2014）［14］，沼液肥施用的pH值為5～8。

2.2 EC值變化

EC值是反映糞污鹽分的直接指標(biāo)，糞污鹽分含量越多，對應(yīng)EC值越大。在試驗過程中，糞水各階段EC值變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，所有處理組EC值整體均呈下降趨勢，且T1、T2、T3處理的EC值遠(yuǎn)低于CK處理。這說明經(jīng)過回流攪拌的糞水的含鹽量要少于靜置貯存處理，故回流攪拌對減少其含鹽量具有一定效果。

2.3 氨氣排放量變化

NH3是糞污貯存中造成環(huán)境污染的重要因素。在貯存過程中，糞污排放NH3過多［15］，會導(dǎo)致其氮素減少［16］。氨氣排放量變化曲線如圖4所示。由圖4可知，CK組頂部空氣中NH3排放量為1 542 mg·m-3，T1、T2、T3處理糞水上層空氣中NH3排放量分別為646.15、521.45、593.48 mg·m-3。與CK組相比，T1、T2、T3組可分別減少糞水初始階段58.09%、66.18%、61.51%的NH3 排放。試驗結(jié)果表明，糞水經(jīng)過回流攪拌處理對NH3的減排效果要明顯高于CK處理，各處理NH3減排速率的大小關(guān)系為T2gt;T3gt;T1gt;CK。

2.4 總氮質(zhì)量濃度變化

總氮是衡量糞水養(yǎng)分水平的主要指標(biāo)之一，降低貯存過程中TN的損耗可提高肥效，也有助于減少NH3的排放。在試驗過程中，糞水各階段TN質(zhì)量濃度變化曲線如圖5所示。各處理TN質(zhì)量濃度的變化趨勢相似，均呈逐漸降低的趨勢，但降低速度和幅度存在差別。貯存初期，各處理的TN質(zhì)量濃度在1 445.35～1 465.91 mg·L-1；隨著試驗的進(jìn)行，貯存后期各處理TN降低幅度為10.25%～29.25%。由此可以看出，回流攪拌處理的TN損失要遠(yuǎn)低于CK處理，各處理TN降低幅度的大小關(guān)系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。這說明回流攪拌可以顯著降低糞水貯存中氮素的損失。

2.5 銨態(tài)氮質(zhì)量濃度變化

NH4+-N是糞污中氮素的重要組成部分。糞污在靜置貯存過程中的NH4+-N以NH3的形態(tài)逸散在空氣中，導(dǎo)致EC值降低［17］。糞水中NH4+-N質(zhì)量濃度占糞水初始TN質(zhì)量濃度的42.44%～47.95%。分析糞污中NH4+-N的質(zhì)量濃度，可以了解回流攪拌對糞污中NH4+-N質(zhì)量濃度的影響，銨態(tài)氮質(zhì)量濃度變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，各處理的NH4+-N質(zhì)量濃度變化整體趨勢相似，從初始質(zhì)量濃度降為564.17～588.04 mg·L-1，其降低幅度為7.02%～17.12%。在貯存前期，NH4+-N質(zhì)量濃度呈下降趨勢，這可能是因為貯存前期NH3大量排放；但隨著回流攪拌處理的進(jìn)行，NH3排放量降低，其底部固形物逐漸降解，故貯存后期NH4+-N質(zhì)量濃度呈上升趨勢并趨于穩(wěn)定［18］。

2.6 硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化

NO3--N質(zhì)量濃度過高會導(dǎo)致養(yǎng)分淋溶造成損失［19］。此試驗中的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化曲線如圖7所示。由圖7可知，糞污貯存過程中NO3--N質(zhì)量濃度在20 mg·L-1以下，其質(zhì)量濃度整體呈上升趨勢。隨貯存時間的增加，各處理NO3--N質(zhì)量濃度變?yōu)?2.21～18.99 mg·L-1，與貯存初期相比，上升幅度為46.11%～160.45%。而糞污中NO3--N的轉(zhuǎn)化主要與糞污中溶解氧含量和NH4+-N質(zhì)量濃度有關(guān)，溶解氧含量越高，硝化細(xì)菌活性越高，糞污中的NH4+-N會通過硝化反應(yīng)產(chǎn)生更多的NO3--N。

2.7 亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化

NO2--N會使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，使血紅蛋白失去攜氧能力而造成組織缺氧，會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，且影響生物的正?；顒樱?0-22］。亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度變化曲線如圖8所示，各處理NO2--N質(zhì)量濃度整體呈上升趨勢，貯存后期上升幅度為9.77%～84.04%。因NO2--N是硝化和反硝化過程的中間產(chǎn)物，所以其質(zhì)量濃度變化與NO3--N質(zhì)量濃度變化相似。

2.8 有機(jī)氮質(zhì)量濃度變化

糞污中ON降解率是衡量其肥效的重要因素［23-25］。此試驗中的有機(jī)氮質(zhì)量濃度變化曲線如圖9所示，ON質(zhì)量濃度約占糞污中TN質(zhì)量濃度的47%～61%。從氮素固持方面來說，ON降解越快，貯存過程中氮素消耗越多，故降低貯存過程中ON的轉(zhuǎn)化有利于保留更多養(yǎng)分。各處理的初始ON質(zhì)量濃度范圍為749.21～839.15 mg·L-1，貯存結(jié)束時降低幅度為13.15%～43.88%。各處理ON質(zhì)量濃度降低幅度的大小關(guān)系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。由此可以看出，回流攪拌對貯存過程中ON的降解有抑制效果，可保留糞污中更多的養(yǎng)分。

3 結(jié)論

①經(jīng)回流攪拌處理的液體糞污的pH值與電導(dǎo)率要低于靜置貯存的液體糞污；在貯存后期，各處理pH值與電導(dǎo)率由低到高的順序均為T2lt;T1lt;T3lt;CK。相較于CK組處理，T1、T2、T3處理可分別減少貯存期間58.09%、66.18%、61.51%的NH3排放，證明回流攪拌處理具有較好的氨氣減排效果。

②在液體糞污貯存過程中，與CK組處理相比，T1、T2、T3處理均能降低TN損失。NH4+-N質(zhì)量濃度在各處理中無顯著性差異，NO3--N和NO2--N的質(zhì)量濃度降低幅度最大的是T2處理。各處理ON質(zhì)量濃度降低幅度的大小關(guān)系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。這說明回流攪拌處理有助于減少含氮有機(jī)物的礦化作用，從而減少糞污中有機(jī)態(tài)氮向無機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化，降低貯存過程中氮素的損失。

③相較于靜置貯存，回流攪拌處理在液體糞污在氨氣減排與氮素固持方面更具優(yōu)勢。在各處理中，氨氣減排效果與總氮固持能力最好的是T2處理，其貯存發(fā)酵效果最佳。因此，在液體糞污處理中宜選擇6 d進(jìn)行一次回流攪拌的頻率。

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基金項目：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點(diǎn)實驗室開放課題（KLTMCUAR2022-1）。

作者簡介：曹體智（1997—），男，碩士生，研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。

通信作者：王妍瑋（1982—），女，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。