接種新鮮沼液對牛糞與秸稈中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣與造肥的影響

文/王順利 王 菲 劉克鋒 王紅利 魯 琳＊

（北京農(nóng)學(xué)院）

畜禽糞便干式厭氧發(fā)酵是相對于目前沼氣的“濕法”發(fā)酵工藝而提出的，其基本原理就是畜禽糞便在發(fā)酵前不用添加大量的水，而是在固態(tài)狀態(tài)下裝入密閉的容器中進(jìn)行厭氧發(fā)酵。發(fā)酵過程不斷產(chǎn)生的沼氣被收集并儲存在儲氣罐里，生產(chǎn)過程沒有沼液產(chǎn)生，最后得到的沼渣便是固態(tài)的有機(jī)肥，可對其進(jìn)行進(jìn)一步加工形成優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。沼氣和有機(jī)肥生產(chǎn)合成在一個流程里“一氣呵成”，具有水資源消耗少、資源化利用程度高、基本做到零排放、有機(jī)肥熟化程度好等優(yōu)點(diǎn)。干式發(fā)酵相較于濕法發(fā)酵具有原料利用范圍廣、有機(jī)負(fù)荷高、污水處理量少、能耗低、工程占地少、投資費(fèi)用低等優(yōu)勢[1]。

關(guān)于干法厭氧發(fā)酵制沼氣，國內(nèi)外已有一定的相關(guān)報道。姜慶宏等研究了牛糞和秸稈的不同物料配比、溫度、初始pH值對沼氣發(fā)酵的影響[2]。劉思穎等研究了稻草秸稈干發(fā)酵的最佳工藝條件[3]。Nkemka等對青口貝和蘆葦混合干發(fā)酵進(jìn)行了研究[4]。

接種物又稱厭氧活性污泥，一般是指在厭氧發(fā)酵過程中殘留的污泥或沼渣，其中含有大量有活性的厭氧微生物菌體，而在發(fā)酵過程中加入一定量的厭氧沼渣或沼液作為接種物是實(shí)現(xiàn)加快厭氧發(fā)酵啟動速度、提高甲烷產(chǎn)量的重要措施。不同來源的接種物中菌種成分及微生物活性相差很大，接種物的選擇與馴化情況對厭氧發(fā)酵過程起到至關(guān)重要的作用[5]。本試驗(yàn)以牛糞處理為目標(biāo)，研究了新鮮沼液對牛糞與秸稈中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣與造肥的影響，并篩選出合適的接種量，為后續(xù)牛糞與秸稈中溫干法厭氧發(fā)酵規(guī)?；a(chǎn)提供可靠的工藝參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用牛糞取自北京市回龍觀北郊農(nóng)場畜牧5隊。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%，C/N為11.06；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44.64。

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。采用2.5 L廣口瓶3 個，分別作為發(fā)酵罐、集氣罐及集水罐，相互之間以乳膠管連接，罐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)酵罐放置于恒溫水浴鍋中（圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)室干法厭氧發(fā)酵裝置

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30。將新鮮沼液按照10%、20%、30%、40%和50%不同的接種量與物料混合（分別記為J1、J2、J3、J4、J5），再用蒸餾水調(diào)節(jié)干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。同時以不接種處理作為對照（CK）。每個處理設(shè)3 個重復(fù)。將發(fā)酵罐放置于恒溫水浴鍋中維持罐內(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。于發(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[6]。

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測定全磷含量，利用火焰光度計測定全鉀含量。種子發(fā)芽指數(shù)（GI）的測定參考文獻(xiàn)[7]中的方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同接種量對產(chǎn)氣特性的影響

2.1.1 不同接種量對日產(chǎn)氣量的影響

不同接種量的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示。接種新鮮沼液對牛糞干法厭氧發(fā)酵的啟動速度有明顯的促進(jìn)影響。除處理J2以外，其他處理均比CK啟動速度快，產(chǎn)氣速度快?？v觀整個發(fā)酵期間每日產(chǎn)氣情況，處理J5和J3產(chǎn)氣過程比較平穩(wěn)。從產(chǎn)氣高峰分析，接種新鮮沼液后，牛糞干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰延遲。處理J3、J4和J5產(chǎn)氣高峰分別出現(xiàn)在發(fā)酵的第8天、第9天和第10天，與CK相比延后了1～3 天，這可能是因?yàn)榻臃N新鮮沼液后堆料中的微生物演替活動頻繁，導(dǎo)致產(chǎn)氣高峰延遲。對比各處理與對照的產(chǎn)氣高峰值可以發(fā)現(xiàn)，J5處理的日產(chǎn)氣高峰值最高，為3 017 mL，比CK產(chǎn)氣高峰值高出16.3%。J1、J3和J4的高峰值也高于CK，分別高出13.0%、12.4%和8.2%。從產(chǎn)氣周期分析，CK處理在發(fā)酵的第24天停止產(chǎn)氣，處理J4在發(fā)酵的第19天結(jié)束產(chǎn)氣，其余接種新鮮沼液的處理與CK相比，均延長了產(chǎn)氣周期，這說明接種新鮮沼液有助于牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵的進(jìn)行，促進(jìn)了發(fā)酵過程啟動，日產(chǎn)氣高峰值提高，產(chǎn)氣的周期延長。但可能是新鮮沼液中微生物與堆料中的微生物存在競爭和適應(yīng)的原因，導(dǎo)致接種新鮮沼液后，牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰延遲。

圖2 不同接種量牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量情況

2.1.2 不同接種量對累積產(chǎn)氣量的影響

圖3為不同接種量處理的牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵的累積產(chǎn)氣情況。各個處理的累積產(chǎn)氣量大小依次為：J5＞J1＞J3＞J2＞J4＞CK。這說明添加新鮮沼液促進(jìn)了牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵的進(jìn)行。CK處理累積產(chǎn)氣量最少，為24 882 mL。J5累積產(chǎn)氣量最多，達(dá)到46 347 mL，約是CK的1.86 倍。其次是J1和J3，累積產(chǎn)氣量分別達(dá)到42 603 mL和39 720 mL，為CK的1.71 和1.60 倍。J2和J4累積產(chǎn)氣量較少，為31 273 mL和30 267 mL，分別為CK的1.26 倍和1.22 倍。

通過分析各個處理達(dá)到80%產(chǎn)氣量的時間（表1），J4在第13天時產(chǎn)氣量就達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%，但是該處理產(chǎn)氣周期最短，僅為18 天。CK處理和J3均在第17天達(dá)到了總產(chǎn)氣量的80%，處理J5、J1和J2分別在第18、19和20天達(dá)到。J3雖然總產(chǎn)氣量較J5和J1低，但其前期產(chǎn)氣效率較高，在工業(yè)生產(chǎn)中可更早續(xù)料，縮短工程周期，達(dá)到更好的生產(chǎn)效益。

2.1.3 不同接種量對甲烷含量的影響

圖3 不同接種量牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵累積產(chǎn)氣量情況

圖4 不同接種量處理的甲烷含量

不同接種量處理產(chǎn)氣過程中的甲烷含量變化如圖4所示。接種新鮮沼液可以提高牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氣體中的甲烷含量。在整個發(fā)酵期間，所有處理產(chǎn)生氣體中的甲烷含量均在發(fā)酵的前6 天表現(xiàn)出快速上升的趨勢，并均在第6 天達(dá)到40%以上，其中J3處理的甲烷含量最高為48%。除CK處理外，其他所有處理所產(chǎn)生的甲烷含量均在隨后的發(fā)酵過程中表現(xiàn)出波動上升的趨勢，并于發(fā)酵第18天達(dá)到50%以上，并于發(fā)酵第24天達(dá)到最大峰值。甲烷含量是衡量沼氣質(zhì)量的重要指標(biāo)。綜合各個處理日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量以及甲烷含量的高低，J3和J5兩個處理在產(chǎn)氣方面顯現(xiàn)出較好的效果。

2.2 不同接種量對沼渣特性的影響

2.2.1 種子發(fā)芽指數(shù)（GI）

評價堆肥腐熟度的最終和最具說服力的指標(biāo)是植物生長試驗(yàn)[8]。種子發(fā)芽指數(shù)不僅考慮了種子的發(fā)芽率，還考慮了植物毒性物質(zhì)對種子生根的影響。當(dāng)發(fā)芽指數(shù)達(dá)到80%時，可認(rèn)為堆肥已沒有植物毒性或者說明堆肥已經(jīng)腐熟[9]。

表1 不同接種量牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況

表2 不同接種量處理的沼渣養(yǎng)分含量及種子發(fā)芽指數(shù)特征

在本研究中，不同接種量的處理在中溫干式厭氧發(fā)酵30 天后，其發(fā)酵產(chǎn)物的GI值均超過了80%（表2）。該試驗(yàn)結(jié)果說明在本試驗(yàn)條件下，不同接種量處理的牛糞中溫干式厭氧發(fā)酵30 天的沼渣均已發(fā)酵腐熟，不會對植物生長產(chǎn)生毒害。此外，在研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著接種量的提高，其沼渣的GI值出現(xiàn)增加的趨勢，并且J4和J5兩個處理的GI值已經(jīng)高于對照，推測這可能與這兩個處理發(fā)酵產(chǎn)物的養(yǎng)分含量較高有關(guān)系。

2.2.2 沼渣的總養(yǎng)分含量與碳氮比

對各個處理發(fā)酵30 天后的沼渣的養(yǎng)分含量進(jìn)行測定，并對測定結(jié)果進(jìn)行多重比較（表2）發(fā)現(xiàn)，不同接種量處理的發(fā)酵產(chǎn)物，其總養(yǎng)分含量隨接種量的增加而逐漸增加。其中J1與CK處理的總養(yǎng)分含量在0.01水平顯著低于其他處理?？傪B(yǎng)分含量最高的處理為J5，在0.01水平顯著高于其他處理。所有處理的總養(yǎng)分含量均高于我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY525-2012中有機(jī)肥總養(yǎng)分含量“≥5%”的規(guī)定。由表2可以看到，對各個處理的總養(yǎng)分含量隨著接種量的增加而增加貢獻(xiàn)比較大的是總磷的含量，其次為總氮含量，而總鉀含量在各個處理之間沒有顯著差異。

3 結(jié)論

以新鮮沼液作為接種物，可以促進(jìn)牛糞和秸稈中溫干法厭氧發(fā)酵過程啟動，日產(chǎn)氣高峰值提高，產(chǎn)氣的周期延長；發(fā)酵前期產(chǎn)氣效率提高，甲烷含量增加。本試驗(yàn)條件下，物料的接種量不同，產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣質(zhì)量存在明顯差異。接種量為50%時，產(chǎn)氣量最多，但產(chǎn)氣高峰期甲烷含量較低。接種量30%時，雖然總產(chǎn)氣量較接種量50%少，但在產(chǎn)氣高峰期甲烷含量較高，更為適合工業(yè)生產(chǎn)。

在本試驗(yàn)條件下，干法厭氧發(fā)酵處理后的沼渣具有良好的造肥潛力。沼渣對生物沒有毒害，并且總養(yǎng)分含量符合有機(jī)肥農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY525-2012）。

在本試驗(yàn)條件下，綜合發(fā)酵過程的啟動速度、日產(chǎn)氣量、總產(chǎn)氣量、甲烷含量和沼渣的種子發(fā)芽指數(shù)、養(yǎng)分含量等多個指標(biāo)，同時考慮到提高處理效率和降低應(yīng)用成本，推薦接種新鮮沼液30%是牛糞和秸稈中溫干法厭氧發(fā)酵的最佳產(chǎn)氣與造肥條件。