幾種畜禽糞便厭氧發(fā)酵前后氮含量的變化

陳芬張紅麗余高

(1.銅仁學(xué)院農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.國信司南(北京)地理信息技術(shù)有限公司，北京 100048；3.江口鑫力農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，貴州 銅仁 554400)

隨著我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜禽糞便已經(jīng)成為我國環(huán)境的重要污染源之一，資源化利用畜禽糞便對改善生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義[1]。厭氧沼氣發(fā)酵處理有機(jī)廢棄物具有能耗小、剩余污泥少、可回收能源等優(yōu)點(diǎn)，是有機(jī)固體廢物處理處置方向之一[2]。畜禽糞便經(jīng)過沼氣發(fā)酵,不僅能解決環(huán)境衛(wèi)生問題,而且能回收能源。

目前，國內(nèi)外厭氧消化處置的有機(jī)廢棄物種類主要集中于畜禽糞便、城市生活垃圾、城市污泥等[2]。然而，國外較大部分研究工作者致力于消化物料的預(yù)處理方式、厭氧消化工藝及參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)氣率的影響[3-5]。消化物料預(yù)處理方式的研究內(nèi)容主要包括粉碎、浸泡、超聲波、微波、熱水解、酸、堿、臭氧物質(zhì)等處理，而厭氧消化工藝及運(yùn)行參數(shù)的研究內(nèi)容主要包括消化物料固體濃度、有機(jī)負(fù)荷、水力停留時(shí)間、反應(yīng)器溫度、攪拌方式、消化液回流比等[6,7]。但對發(fā)酵體系肥力指標(biāo)(如氮、磷、鉀等)研究的卻較少。

因此，本研究擬采用實(shí)驗(yàn)室控制條件下發(fā)酵培養(yǎng)試驗(yàn)，比較3種主要畜禽糞便在高溫厭氧發(fā)酵前后體系中全氮(TN)、銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量的變化，以期為不同畜禽糞便肥料化利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種物及預(yù)處理

1.1.1 發(fā)酵原料

試驗(yàn)用雞糞取自山西忻州農(nóng)戶，豬糞取自山西省忻府區(qū)旭明養(yǎng)殖專業(yè)合作社，牛糞取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)牧站。雞糞、豬糞和牛糞的揮發(fā)性固體(VS)分別為64.43%、60.49%和74.77%；總有機(jī)碳(TOC)含量分別為302.83g·kg-1、284.30g·kg-1和351.44g·kg-1；TN含量分別為20.98g·kg-1、15.03g·kg-1和13.64g·kg-1。樣品取回后風(fēng)干去雜過篩后用于試驗(yàn)。

1.1.2 接種物

用采自山西省高平市農(nóng)村沼氣池的沼液與采自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)牧站的牛糞按體積比為10∶1混合后進(jìn)行常溫密封馴化，馴化時(shí)間為10d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本試驗(yàn)按發(fā)酵原料不同設(shè)3個(gè)處理，分別為雞糞、豬糞和牛糞。設(shè)畜禽糞便與水的比例按10%(固體質(zhì)量比)進(jìn)行添加，其中雞糞、豬糞和牛糞分別添加72g、69g和68g，接種液270g，然后加自來水至900g，充分混勻；取樣200g，部分用于固體含量測定，剩余部分通過離心進(jìn)行固液分離，用于厭氧發(fā)酵初始固、液相TN、NH4+-N和NO3--N含量的測定；反應(yīng)器中保留700g進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，初始固體含量均為10%，即均為70g。3次重復(fù)。培養(yǎng)過程參照陳芬等的實(shí)驗(yàn)方法[8]。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

畜禽糞便揮發(fā)性固體(VS)采用550℃灼燒法；總有機(jī)碳(TOC)含量采用K2Cr2O7容量法測定(NY525-2002)；畜禽糞便以及發(fā)酵起止固相中全氮(TN)含量參照有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)測定方法；發(fā)酵起止液相中的全氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)含量采用連續(xù)流動分析儀(FIAstarTM 5000 Systems，F(xiàn)OSS，America)測定。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用 Microsoft Excel 2003 和SPASS 18.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種畜禽糞便厭氧發(fā)酵前后TN含量的變化差異

厭氧發(fā)酵過程中，由于有一部分氮素轉(zhuǎn)化為N2和NH3等氣體而損失，導(dǎo)致發(fā)酵原料總氮含量均不同程度下降。反應(yīng)初期，雞糞、豬糞和牛糞處理發(fā)酵原料總氮量分別為3.37g、2.14g和2.43g；反應(yīng)結(jié)束后，相應(yīng)處理總氮量分別為3.04g、1.94g和2.25g，損失率分別為9.18%、9.50%和7.31%，各處理之間差異不顯著，見圖1。

圖1 3種畜禽糞便厭氧發(fā)酵過程中總氮含量損失率

2.2 3種畜禽糞便厭氧發(fā)酵前后NH4+-N含量的變化差異

高溫厭氧發(fā)酵過程中，反應(yīng)器中微生物不斷分解基質(zhì)，體系中發(fā)生劇烈的生化反應(yīng)，同時(shí)由于反應(yīng)器中微生物氨化作用及有機(jī)氮的礦化分解，導(dǎo)致液相中NH4+-N含量增加。由圖2可知，厭氧發(fā)酵68d中，發(fā)酵初期雞糞、豬糞、牛糞的NH4+-N含量分別為0.52g、0.46g和0.35g，發(fā)酵末期雞糞、豬糞、牛糞的NH4+-N含量分別為0.67g、0.74g和0.57g，發(fā)酵末期體系中的NH4+-N含量均顯著高于發(fā)酵初期。這與其它報(bào)道中畜禽糞便厭氧發(fā)酵條件下NH4+-N的變化趨勢相似[9]，宋成芳[9]等人研究了畜禽養(yǎng)殖廢棄物沼液的濃縮及其成分，結(jié)果表明，濃縮液的常規(guī)營養(yǎng)成分顯著高于原沼液。靳紅梅[10]等人研究了豬、牛糞厭氧發(fā)酵中氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化及其在沼液和沼渣中的分布，研究結(jié)果表明，豬糞和牛糞發(fā)酵結(jié)束時(shí)液相中NH4+-N質(zhì)量均有不同程度的增加，增幅分別達(dá)162.2%和90.0%。在整個(gè)厭氧發(fā)酵過程中，雞糞發(fā)酵前后液相中的NH4+-N含量都比較高，主要是因?yàn)殡u糞中含有較高的粗蛋白和較多的氨、尿素、尿酸、肌酸和肌酸肝等非蛋白態(tài)氮素化合物[11]。

圖2 3種畜禽糞便發(fā)酵前后料液中NH4+-N的含量

2.3 3種畜禽糞便厭氧發(fā)酵前后NO3--N含量的變化

厭氧發(fā)酵68d后，3種發(fā)酵原料中的NO3--N均顯著降低，雞糞、豬糞和牛糞分別降低了70.0%、30.7%和43.4%見圖3。造成NO3--N減少的原因主要有2個(gè)，厭氧過程中缺乏氧等電子受體；硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧氨氧化分解代謝。

圖3 3種畜禽糞便發(fā)酵前后料液中NO3--N的含量

畜禽糞便經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，NH4+-N占總氮的比例均有不同程度的升高，見表1。雞糞、豬糞和牛糞分別升高了6.24%、16.12%和10.33%，其中豬糞升高顯著(P<0.05)。畜禽糞便中NH4+-N占液相總氮的比例也均有不同程度的升高，差異不顯著。厭氧發(fā)酵降低了NO3--N在總氮及液相總氮的比例，降幅在豬糞和牛糞總量中達(dá)到顯著水平(P<0.05)，雞糞降幅比較小。

表1 3種畜禽糞便發(fā)酵過程中NH4+-N和NO3--N在總量和液相中的比例

3 結(jié)論與討論

厭氧發(fā)酵68d中，雞糞、豬糞和牛糞的TN含量均有不同程度的降低，其損失率分別為9.18%、9.50%和7.31%。其原因可能是發(fā)酵原料中的有機(jī)氮經(jīng)微生物作用發(fā)生氨化、厭氧氨氧化、反硝化[12]等反應(yīng)，使氮素轉(zhuǎn)化為NH3和N2等物質(zhì)而損失，從而降低了總氮的含量。高溫厭氧發(fā)酵過程中，反應(yīng)器中微生物不斷分解基質(zhì),體系中發(fā)生劇烈的生化反應(yīng)[13]，同時(shí)由于反應(yīng)器中微生物氨化作用及有機(jī)氮的礦化分解，從而導(dǎo)致液相中NH4+-N含量增加[14]，雞糞、豬糞和牛糞發(fā)酵原料中NH4+-N在液相中的增幅分別為28.5%、61.5%和64.5%。在整個(gè)厭氧發(fā)酵過程中，雞糞、豬糞和牛糞發(fā)酵原料中NO3--N均有不同程度的下降，其降幅分別為70.0%、30.7%和43.4%，造成NO3--N減少的原因可能有2個(gè),厭氧過程中缺乏氧等電子受體；硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧氨氧化分解代謝。