北京大中型沼氣工程冬季運行狀況及發(fā)酵前后物料理化生物特性

丁京濤，張朋月，華冠林，孟海波，沈玉君

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北京大中型沼氣工程冬季運行狀況及發(fā)酵前后物料理化生物特性

丁京濤，張朋月，華冠林，孟海波※，沈玉君

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京 100125；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部資源循環(huán)利用技術(shù)與模式綜合性重點實驗室，北京 100125）

為了解北京市大中型沼氣工程冬季運行情況及發(fā)酵剩余物理化特性，該文實地調(diào)查了北京市29座沼氣工程冬季運行情況，以調(diào)研問卷的形式了解沼氣工程運行狀況，并采樣分析了發(fā)酵原料、沼渣和沼液樣品的養(yǎng)分含量、糞大腸菌群數(shù)、銅、鋅、砷、鉛等指標。結(jié)果表明：北京29座冬季運行的沼氣工程中主要以畜禽糞便為原料，其中有20座沼氣工程采用豬糞進行厭氧發(fā)酵，厭氧消化反應(yīng)器類型主要是全混式厭氧反應(yīng)器和升流式厭氧固體反應(yīng)器，沼氣以供周邊農(nóng)戶使用為主，沼渣和沼液以農(nóng)田利用為主，從區(qū)域沼氣工程運行狀況來看，房山區(qū)的沼氣工程運行狀況相對較好，大興區(qū)和順義區(qū)的沼氣工程運行狀況參差不齊；所調(diào)研沼氣工程沼渣和沼液的pH值適宜向農(nóng)田施用，沼渣的EC值相對原料平均下降了56.97%，沼渣有機質(zhì)和可揮發(fā)性固體的質(zhì)量分數(shù)相對原料分別降低了20.99%和27.93%，沼渣的養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)較高，沼液的養(yǎng)分質(zhì)量濃度較低，沼渣中的糞大腸菌群數(shù)和沼液的化學需氧量、糞大腸菌群數(shù)整體偏高，有6座沼氣工程的砷含量較高。調(diào)查結(jié)果可為北京市沼氣工程冬季運行效果及沼渣沼液資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，促進北京市沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展，提高生態(tài)和經(jīng)濟效益。

沼氣；發(fā)酵；糞；聚類分析；運行情況；沼渣；沼液；理化特性

0 引 言

沼氣工程作為集約化畜禽養(yǎng)殖場糞便及養(yǎng)殖污水處理與資源化利用的重要途徑，不僅可為農(nóng)戶提供優(yōu)質(zhì)、清潔的可再生能源，有效改善北京農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)，而且其產(chǎn)生的沼渣和沼液可以作為肥料利用，促進以沼氣工程為紐帶的種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展。中國在沼氣工程在運轉(zhuǎn)和沼渣、沼液的利用方面仍存在一些突出性的問題，目前大部分關(guān)于沼氣工程的研究主要集中在沼氣工程的運轉(zhuǎn)方面，對沼氣工程所生產(chǎn)的沼渣、沼液的性質(zhì)研究較少，本文以分析沼渣、沼液性質(zhì)為主，實地調(diào)研為輔，針對沼渣和沼液的理化生物特性等方面進行的分析，以期為沼氣工程沼渣、沼液的利用及沼氣工程的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

李寶玉等[1-3]的研究表明，中國大中型沼氣工程在數(shù)量、總池容和年產(chǎn)氣量上逐年上升，但農(nóng)戶使用“三沼”的意愿卻逐漸下降，且目前大中型沼氣工程融資渠道單一，整體水平低，設(shè)施配套不完善，管理問題突出等已成為目前制約沼氣工程發(fā)展的重要因素，李偉等[4-5]指出在沼氣工程的推動過程中，政府應(yīng)改變投入模式，提高沼氣工程的產(chǎn)業(yè)化、標準化、規(guī)?；⒖萍蓟?，加大對沼氣、沼液、沼渣的綜合利用。

北京市是中國沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展較好的地區(qū)[6-8]，溫度是制約北京沼氣工程厭氧發(fā)酵的重要因素之一，雖然冬季時沼氣工程可采取外源加熱的方式保證其運轉(zhuǎn)，但在實際運行過程中能耗高、產(chǎn)氣率低，使得沼氣工程冬季運轉(zhuǎn)困難[9-11]。王宇欣等[12-15]指出北京大中型沼氣工程并沒有實現(xiàn)可行性研究中預(yù)定的目標，反而在實際運行中普遍處于虧損狀態(tài)，應(yīng)拓寬原料來源，充分利用廢棄物，加大新型保溫技術(shù)的使用，發(fā)展沼渣肥產(chǎn)業(yè)鏈；葉小梅等[16-19]分析了沼氣工程沼液中化學需氧量（chemical oxygen demand，COD）、產(chǎn)氣特性和大腸菌群等指標的狀況，但未對厭氧發(fā)酵原料和沼渣進行對比分析，缺乏沼氣工程運行狀況評價的系統(tǒng)性分析。

本文以重點分析沼氣工程所產(chǎn)沼渣的理化生化特性為切入點，分析影響沼渣、沼液肥料化利用中存在的主要影響因素，真正實現(xiàn)沼渣、沼液的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 沼氣工程選擇

盡管北京市沼氣工程數(shù)量龐大，但是并未全部實際運行。在北京市相關(guān)農(nóng)業(yè)部門幫助下，發(fā)現(xiàn)2018年1月實際正常運行的工程僅29座。本文對全部（29座）運行中的大中型沼氣工程進行調(diào)研，了解北京市沼氣工程冬季運行狀況。由于多種原因限制，共21座沼氣工程可獲得所需物料樣品，有16座位于大興區(qū)、順義區(qū)和房山區(qū)共13座沼氣工程同時采集到原料、沼渣和沼液樣品。

1.2 樣品采集及預(yù)處理方法

1.2.1 原料樣品采集

從各沼氣工程的原料暫存處獲得原料，以相同的方法進行樣品采集，采集方法如下：1）在原料的表層、內(nèi)部均勻選擇9個采樣點；2）在各采樣點采集等量樣品，9個樣點共計取樣2 kg左右；3）將樣品帶回實驗室，震蕩4 h以混合均勻，備用。

1.2.2 沼渣和沼液樣品采集及預(yù)處理

對于有固液分離的沼氣工程，在各沼氣工程處，采用與原料樣品相同的采集方法進行沼渣樣品采集，各工程處共采集沼渣樣品約2 kg。沼液樣品取自固液分離后的沼液暫存池，取樣方法如下：1）在沼液暫存池內(nèi)均勻布置2～4個采樣點進行采樣；2）在各采樣點采集等量沼液樣品，儲存于10 L 聚氯乙烯材質(zhì)桶內(nèi)。

對于沒有固液分離的沼氣工程，沼渣、沼液均取自沼液暫存池，在沼液暫存池布置2～4個采樣點分別采集等量沼液，每處沼氣工程用20 L聚氯乙烯材質(zhì)桶儲存沼液，加蓋密封，帶回實驗室，經(jīng)3 000 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min分離得到沼渣和沼液樣品。

1.3 檢測方法

依據(jù)《沼肥》(NY/T 2596-2014)，原料和沼渣按質(zhì)量比1 : 10加入去離子水，在150 r/min轉(zhuǎn)速下震蕩2 h后收集上清液，使用pH計和電導率儀分別測定pH值和電導率（electrical conductivity，EC）；沼液的pH值和EC值直接用pH計和電導率儀測定。原料、沼渣、沼液樣品的可揮發(fā)性固體含量（volatile solids，VS）在550 ℃馬弗爐中灼燒至恒定質(zhì)量，稱質(zhì)量測定；COD參照HJ 828-2017方法測定；總氮（total N，TN）、五氧化二磷（P2O5）、氧化鉀（K2O）以及有機質(zhì)（organic matter，OM）含量測定方法參考有機肥測試方法（NY525-2012）；重金屬含量測定方法參考GB/T 18877-2002；糞大腸菌群數(shù)測定方法參考GB/T 19524.1-2004。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和聚類分析使用Origin 9軟件。采用聚類分析方法分析沼氣工程運行狀況和發(fā)酵剩余物養(yǎng)分含量的區(qū)域差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼氣工程運行情況

2018年1月對北京市正常運行的29座沼氣工程進行調(diào)研，調(diào)研采用走訪的形式，與29座沼氣工程的負責人或職工進行交談，并參觀沼氣工程，了解沼氣工程冬季的運行狀況。調(diào)研內(nèi)容主要有沼氣工程的建成時間、投資主體、運行模式、人員配置、工程規(guī)模、技術(shù)工藝、產(chǎn)氣狀況、“三沼”用途、原料的類型、來源、供應(yīng)是否充足以及沼氣工程運行中的存在的主要問題。調(diào)研結(jié)果如表1所示。29座工程中，厭氧發(fā)酵池總?cè)莘e<500 m3的有16座，500～1 000 m3的有8座，>1 000 m3的有5座。這些工程主要分布于北京市的7個區(qū)縣，其中順義區(qū)、房山區(qū)和大興區(qū)調(diào)研的沼氣工程分別占調(diào)研總數(shù)的38%、28%和17%。在調(diào)研的29座沼氣工程中有25座沼氣工程發(fā)酵原料涉及豬糞，其中20座沼氣工程全部采用豬糞進行厭氧發(fā)酵，此外牛糞、雞糞和尾菜也是北京市沼氣工程的主要原料。所調(diào)研的沼氣工程厭氧消化反應(yīng)器類型為全混式厭氧反應(yīng)器（continuous stirred tank reactor，CSTR）和升流式厭氧固體反應(yīng)器（upflow solid reactor，USR）2種，這2種工藝類型均適宜高懸浮物濃度有機物料的厭氧發(fā)酵，適用于畜禽糞便的厭氧發(fā)酵[20]。調(diào)研的沼氣工程中有15座采用CSTR工藝，14座采用USR工藝。

所調(diào)研的沼氣工程所產(chǎn)沼氣用途單一，有21座用于周邊農(nóng)戶及沼氣站自身燃氣，4座用于發(fā)電；沼渣主要作為有機肥料用于農(nóng)田，其中15座沼氣工程沼渣作為普通有機肥還田，4座沼氣工程的沼渣用于生產(chǎn)商品有機肥出售；沼液主要用于還田施用，有16座沼氣工程產(chǎn)生的沼液用于周邊農(nóng)戶進行還田，1戶進行沉淀回流再利用。

2.2 厭氧發(fā)酵前后物料性質(zhì)分析

2.2.1 原料、沼渣和沼液pH值

受數(shù)據(jù)可獲得性限制，選擇北京市13座同時具有原料、沼渣和沼液樣品的沼氣工程進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，pH值分別在6.35～8.16、6.83～8.41和7.01～8.05范圍內(nèi)，其平均值分別為7.26、7.99和7.56（表2）。經(jīng)厭氧發(fā)酵后，沼渣和沼液的pH值平均值略高于原料，沼渣比沼液pH值均值高5.38%，這與張穎等[21]的研究結(jié)果一致。這可能是厭氧發(fā)酵過程中氨化作用產(chǎn)生的氨中和了一部分有機酸，產(chǎn)甲烷菌的活動又消耗了大量的揮發(fā)性酸，同時沼渣又是殘留在沼氣池底部的半固體物質(zhì)，從而使得沼渣pH值比發(fā)酵原料高[22]?！墩臃省?NY/T 2596-2014)中指出，適用于農(nóng)田利用的沼渣和沼液的pH值應(yīng)分別在5.5～8.5和5～8范圍內(nèi)，整體上看，北京市沼氣工程冬季運行時所產(chǎn)沼渣和沼液pH值基本符合《沼肥》(NY/T 2596-2014)推薦的數(shù)據(jù)。

2.2.2 原料和沼渣EC值變化

EC值是表征沼渣中可溶性礦物質(zhì)總濃度的指標。一般當土壤電導率過低（<0.37 mS/cm）時需施肥，過高 （>2.5 mS/cm）時則需淋洗鹽分[23]，當電導率>4 mS/cm時會抑制大部分作物生長[24]，沼渣主要應(yīng)用于農(nóng)田，對沼渣的EC值應(yīng)重點關(guān)注。由表2可以看出，厭氧發(fā)酵前后，13處沼氣工程原料中的EC均值由3.44 mS/cm降低至1.48 mS/cm，降幅為56.97%，這主要是由于原料經(jīng)厭氧發(fā)酵后可溶性礦物質(zhì)大部分溶解于沼液中，使沼渣中的EC值低于原料，與丁京濤等[25]研究結(jié)果一致。

表1 2018年1月北京市正常運行的沼氣工程簡況

注：-：用途不詳；CSTR：全混式厭氧反應(yīng)器；USR：升流式厭氧固體反應(yīng)器。下同。

Note:-: the use is not clear. CSTR:Continuous stirred tank reactor. USR: Upflow solid reactor. The same below.

2.2.3 原料和沼渣OM和VS含量變化

厭氧發(fā)酵原料和沼渣的OM和VS含量是衡量物料厭氧消化程度的重要參考指標，由表2可以看出，經(jīng)厭氧消化后，13座沼氣工程原料中OM和VS質(zhì)量分數(shù)的平均值分別由57.31%和71.61%降低至45.28%和51.61%，OM和VS含量分別降低了20.99%和27.93%。有研究表明，厭氧發(fā)酵中在較好的原料產(chǎn)甲烷率和較高的處理效率時，VS的去除率在50%以上[26-27]。相比而言，13座沼氣工程中僅4號、28號2處規(guī)模較大的沼氣工程VS去除率達到50%以上。由此可見，規(guī)模較大的沼氣工程厭氧發(fā)酵系統(tǒng)更為穩(wěn)定，這與其成熟的運行管理有很大關(guān)系。雖然大部分沼氣工程冬季仍在運轉(zhuǎn)，但厭氧發(fā)酵不充分，對有機物的降解能力普遍不足，需進一步優(yōu)化發(fā)酵工藝、加強運行管理，提高發(fā)酵效率，降低發(fā)酵剩余物處理負荷。

2.2.4 沼液COD含量

不同沼氣工程沼液中COD的濃度差異較大，COD濃度在2 549.21～26 815.81 mg/L范圍內(nèi)，平均濃度為 （11 121.88 ± 7 837.32）mg/L，與葉小梅等[16]的調(diào)研結(jié)果基本一致。所調(diào)研沼氣工程中沼液主要采用多級沉淀處理后直接還田的利用方式，多級沉淀池主要是通過物理作用去除水中的大顆粒懸浮物，對COD的控制效果較差，沼液COD濃度遠超過《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB18596-2001）規(guī)定污水COD濃度<400 mg/L的排放標準，不能直接排放，更不能滿足《農(nóng)田灌溉標準》（GB 5084-2005）中旱田灌溉水COD濃度<200 mg/L的標準。所以在對沼液利用前，應(yīng)對沼液進行深度處理，施用時要加水稀釋一定倍數(shù)，達到農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準等限值要求后，方可還田農(nóng)用，降低沼液二次污染風險。

表2 沼氣發(fā)酵前后pH值、電導率（EC）、有機質(zhì)、可揮發(fā)性固體和大腸桿菌群數(shù)

2.2.5 沼渣和沼液糞大腸菌群數(shù)

規(guī)模養(yǎng)殖場動物排泄物中病原生物污染是公共關(guān)心的最重要問題之一。據(jù)報道，畜禽糞便廢棄物中含有150多種人畜共患病的潛在致病源[28]，一旦進入適宜的環(huán)境，便會大量生長繁殖[29]。北京市沼氣工程所產(chǎn)的沼渣沼液基本作為肥料用于農(nóng)田，其安全性不容忽視。

依據(jù)《沼肥》(NY/T 2596-2014)推薦值，沼渣和沼 液中的糞大腸菌群數(shù)均值應(yīng)分別小于100個/g和 100個/mL。如表2所示，以此標準為參照，所調(diào)研分析的13處沼氣工程中僅有10號和29號2座沼氣工程產(chǎn)生的沼渣和11號沼氣工程產(chǎn)生的沼液符合《沼肥》（NY/T 2596-2014）推薦的值，本次調(diào)研中，所有沼氣工程均不能完全處理沼渣或沼液中的糞大腸菌達到目標值，可見北京市冬季沼氣工程運行時難以完全處理畜禽糞污中的病原菌。沼氣工程運行管理水平可能是決定糞大腸菌群數(shù)去除率高低的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)加強沼氣工程運行管理，在沼渣沼液還田利用之前，應(yīng)進一步對沼渣和沼液進行深度處理，如利用沼渣好氧發(fā)酵、沼液長期貯存等方式減少沼渣、沼液中的大腸菌群數(shù)含量。

2.2.6 原料、沼渣和沼液養(yǎng)分含量變化

養(yǎng)分含量指標是衡量肥效的重要參考依據(jù)，本文分析的13座沼氣工程原料、沼渣和沼液的養(yǎng)分含量見表3。由表3可知，原料中的氮、五氧化二磷和氧化鉀的質(zhì)量分數(shù)均值分別為3.38%、1.54%和1.45%，經(jīng)沼氣工程處理后，沼渣中的氮、五氧化二磷和氧化鉀的質(zhì)量分數(shù)均值分別為2.75%、2.63%和1.85%，其總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)均值為7.23%，沼液中的氮、五氧化二磷和氧化鉀的質(zhì)量濃度均值分別為2.94、0.15和1.11 g/L，其總養(yǎng)分質(zhì)量濃度均值為4.20g/L，沼渣中的養(yǎng)分含量遠高于沼液中的養(yǎng)分濃度。

表3 沼氣工程原料、沼渣及沼液中養(yǎng)分狀況

北京市沼氣工程所產(chǎn)生的沼渣總養(yǎng)分的均值為6.36%，基本滿足《沼肥》(NY/T 2596-2014)中沼渣肥的沼渣肥總養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)不低于5%的規(guī)定，但沼液的總養(yǎng)分質(zhì)量濃度均值僅為4.20 g/L，遠低于標準中沼液肥養(yǎng)分質(zhì)量濃度不低于80g/L的規(guī)定，所生產(chǎn)沼液肥效較低，這可能是由于所調(diào)研沼氣工程全部采用濕法發(fā)酵技術(shù)，原料與水的體積比通常在1 : 3～1 : 4之間，使得沼液中的養(yǎng)分質(zhì)量濃度偏低。

2.2.7 原料、沼渣中銅、鋅、砷、鉛含量

目前肥料中的Cu、Zn、As和Pb的質(zhì)量分數(shù)過高依舊是限制有機肥推廣的重要因素之一。表4為13座沼氣工程原料和沼渣中Cu、Zn、As和Pb的質(zhì)量分數(shù)，可以看出原料中Cu、Zn、As和Pb質(zhì)量分數(shù)分別位于27.6～689.6、129.2～1 711.8、0～4.8和2.6～13.9 mg/kg范圍內(nèi)，平均質(zhì)量分數(shù)分別為218.4、716.6、1.5和6.3 mg/kg；沼渣中Cu、Zn、As和Pb的質(zhì)量分數(shù)分布在44.8～923.7、199.6～3 879.4、0～32.4和4.3～30.9 mg/kg范圍內(nèi)，平均值分別為352.6、1 463.9、14.2和9.4 mg/kg?？梢钥闯?，經(jīng)厭氧發(fā)酵后沼渣中各重金屬元素的含量相對于原料均有所升高，這可能是由于經(jīng)厭氧消化后，原料中的有機物大部分被降解，使得發(fā)酵產(chǎn)物中固體部分含量明顯降低，而重金屬主要聚集在沼渣中[30]，導致沼渣的重金屬含量高于原料。

表4 13座沼氣工程原料和沼渣中銅、鋅、砷、鉛質(zhì)量分數(shù)

《沼肥》(NY/T 2596-2014)中指出沼渣肥中的總砷不應(yīng)高于15 mg/kg，總鉛不應(yīng)高于50 mg/kg，所調(diào)研沼渣中的鉛含量全部符合規(guī)定，但10號、11號、16號、27號、28號和29號這6座沼氣工程沼渣中的砷含量超出規(guī)定15 mg/kg的質(zhì)量濃度，在沼渣還田利用前應(yīng)進一步進行減量化和鈍化處理，如添加重金屬鈍化劑或與秸稈進行好氧發(fā)酵，以達到降低其重金屬含量和促進沼渣肥進一步腐熟的目的。

2.3 北京市沼氣工程聚類分析

2.3.1 基于沼氣工程運行狀況的聚類分析

2018年1月實際運行的沼氣工程大多數(shù)（16座）分布在順義區(qū)、大興區(qū)和房山區(qū)，其他區(qū)域較少，故僅針對這3個區(qū)域的沼氣工程沼渣和沼液數(shù)據(jù)開展了聚類分析，分析沼氣工程運行狀況和發(fā)酵剩余物養(yǎng)分含量的區(qū)域差異。

沼液糞大腸菌群數(shù)、COD含量和沼渣OM、VS、糞大腸菌群數(shù)是表征沼氣工程運行狀況的重要參考指標。對上述指標進行聚類分析，圖1為基于沼渣糞大腸菌群數(shù)、OM和VS含量以及沼液糞大腸菌取數(shù)和COD含量對沼氣工程運行狀況的聚類分析，由圖1可知，當聚類標定距離為20時可將16個沼氣工程分為3類。第1類共有5座沼氣工程，其編號為11、8、18、17、6，其中有3座在順義區(qū)，2座在大興區(qū)，該類沼氣工程對沼渣有機組分和VS的降解率較低，對沼渣的糞大腸菌去除率較低，造成這種現(xiàn)象的原因可能是冬季氣溫過低，雖然有外部加溫/保溫措施，但仍然難以保證沼氣工程的正常運轉(zhuǎn)。第2類有1座沼氣工程，編號為19，位于大興區(qū)，該類沼氣工程對沼液COD和糞大腸菌的去除率較低，對沼渣OM和VS的降解率也低于其他類別，該沼氣工程對自然氣候條件適應(yīng)度較差，即便在外源增溫的條件下也難以使其在冬季正產(chǎn)運轉(zhuǎn)。第3類有10座沼氣工程，其編號為21、10、28、20、29、25、22、13、27和14其中2座在大興，3座在順義，5座在房山區(qū)，該類沼氣工程相對應(yīng)對氣候變化的能力相對較強，其對沼渣和沼液有機物的降解能力相對較強，對糞大腸菌的去除率相對較好。整體來看，沼氣工程的運行狀況依次為：第3類>第1類>第2類，以房山區(qū)沼氣工程運行狀況相對較好，大興區(qū)的沼氣工程運行狀況相對較差，順義區(qū)的沼氣工程運行狀況參差不齊。

圖1 基于沼氣工程運行狀況的聚類分析

2.3.2 基于沼氣工程沼渣沼液養(yǎng)分含量的聚類分析

沼渣和沼液的養(yǎng)分含量是評價沼氣工程產(chǎn)物肥效的直接參考指標，影響到沼渣沼液還田農(nóng)用效益。圖2為基于沼渣及沼液養(yǎng)分狀況對沼氣工程的聚類分析，從圖2可以看出，當聚類標定距離為20時可將16個沼氣工程分為3類，第1類有編號為14和20的2座沼氣工程，1座位于順義，1座位于大興，該類沼氣工程沼液中氮含量遠大于其它類沼氣工程，沼渣中的氮磷鉀也明顯高于其他類沼氣工程，這2座沼氣工程主要以禽類糞便為發(fā)酵原料，其原料具有較高的養(yǎng)分含量，故其產(chǎn)生的沼渣與沼液中的養(yǎng)分含量也較高。第2類有4座沼氣工程，其編號為10、6、21和19，2座位于順義，2座位于大興，該類沼氣工程的沼渣總氮的含量明顯大于第3類，該類沼氣工程全部以豬糞為原料，其原料中的氮含量在所有沼氣工程中處于較高水平。第3類有10座沼氣工程，其中3座在順義，2座在大興，5座位于房山。綜上，沼氣工程所生產(chǎn)沼渣、沼液的總養(yǎng)分含量來看：第1類>第2類>第3類。整體來看，第1類和第2類沼氣工程全部分布在順義和大興，房山的沼氣工程全部集中于第3類。

圖2 基于沼渣及沼液養(yǎng)分狀況對沼氣工程的聚類分析

3 結(jié) 論

1）北京市29座冬季運行的沼氣工程中有20座沼氣工程全部采用豬糞進行厭氧發(fā)酵，牛糞、雞糞和尾菜也是北京市沼氣工程的主要原料。15座沼氣工程是全混式厭氧反應(yīng)器，14座沼氣工程是升流式厭氧固體反應(yīng)器。沼氣、沼渣、沼液利用途徑單一，沼氣以供周邊農(nóng)戶使用為主，沼渣和沼液以農(nóng)田利用為主，僅有4座沼氣工程的沼渣用于生產(chǎn)商品有機肥。

2）雖然部分沼氣工程冬季仍在運轉(zhuǎn)，但厭氧發(fā)酵不充分，沼渣相對原料有機質(zhì)和可揮發(fā)性固體的去除率僅有20.99%和27.93%，沼液COD的平均濃度高達（11 121.88 ± 7 837.32）mg/L。

3）北京市沼氣工程冬季厭氧發(fā)酵工藝難以去除沼渣和沼液中的糞大腸菌群，沼渣沼液不能直接還田利用，6座沼氣工程的砷含量超標，應(yīng)重點控制沼渣中砷的質(zhì)量分數(shù)，減少還田環(huán)境風險。

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Running status of large and medium scale biogas project and physical, chemical and biological characteristics of materials before and after fermentation in winter of Beijing

Ding Jingtao, Zhang Pengyue, Hua Guanlin, Meng Haibo※, Shen Yujun

(1.,,100125,; 2.,,100125,)

To explore the existing problems of biogas projects operating condition and properties of digestate in winter of Beijing, a field investigation on utilization of fermentation raw material, biogas, residue and slurry of 29 biogas projects were carried out in Beijing. Meanwhile, the operating conditions of biogas projects were also investigated. The samples of raw material, biogas residue and slurry were collected and their physicochemical properties such as nutrient content, number of fecal coliforms, heavy metal content were analyzed. Results showed that livestock and poultry manure were the anaerobic fermentation raw materials of the 29 biogas projects in winter. Continuous stirred tank reactor (CSTR) and upflow solid reactor (USR) were the mainly anaerobic fermentation process. The produced biogas was mainly used as production and living energy for the surrounding farmers. Biogas residue and biogas slurry were used as manure for the farmland round the projects. Only 4 biogas projects produced organic manure for sale using biogas residues. The pH values of biogas residue and biogas slurry were in the range of 6.83-8.41 and 7.01-8.05, respectively. EC value of biogas residue (3.44 mS/cm) increased obviously comparing with EC value of raw material (1.48 mS/cm). With the fermentation process, the average mass fractions of organic and volatile solids in solid components of biogas projects decreased from 57.31% and 71.61% to 45.28% and 51.61%, respectively. The decreasing amplitudes were 20.99% and 27.93%, respectively. The chemical oxygen demand (COD) concentration of biogas slurry ranged from 2 549.21 to 26 815.81 mg/L. The average mass fractions of total nutrients in biogas residue were 7.23%, comparing with the total nutrients content of biogas slurry (4.20 g/L), which indicating better nutrition of the biogas residue. The contents of cuprum (Cu), zinc (Zn), arsenic (As) and plumbum (Pb) in biogas residue were also detected. The contents of As in 6 biogas projects exceeded the fertilizer standards for farmland. The number of fecal coliforms in biogas residue and biogas slurry was on the high level. The results showed that no biogas project could eliminate fecal coliforms completely, which indicating the low anaerobic fermentation efficiency of the biogas projects. Therefore, the biogas residue and biogas slurry produced in winter must be treated by advanced treatment processes such as aerobic fermentation before their application to farmland. The results of clustering analysis indicated that the operating condition of biogas projects in Fangshan district was better than that in the other two districts. According to the field investigation results and physicochemical properties data of raw material, biogas residue and slurry, some relevant suggestions were proposed as follows: 1) the biogas projects operating management should been strengthened to improve anaerobic fermentation efficiency in winter, especially the projects in Shunyi district and Daxing district; 2) the pathogenic bacteria (such as coliform bacteria) and As in the residue should be further eliminated to reduce its environmental risk before its application on farmland; 3) to reduce environmental exposure of the pathogenic bacteria in biogas slurry, the slurry storage tank should be enlarged and multistage treatment technique should be conducted before its being used for irrigation.

biogas; fermentation; manures; cluster analysis; operating condition; biogas residue; biogas slurry; physicochemical properties

丁京濤，張朋月，華冠林，孟海波，沈玉君. 北京大中型沼氣工程冬季運行狀況及發(fā)酵前后物料理化生物特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(23)：213－220.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.027 http://www.tcsae.org

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2018-10-07

2018-10-20

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0801401）

丁京濤，博士，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研發(fā)。Email：dingjingtao@163.com

孟海波，研究員，主要從事循環(huán)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研發(fā)。Email：newmhb7209@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.027

S216.4

A

1002-6819(2018)-23-0213-08