養豬廢水經規模化沼氣工程厭氧發酵處理前后理化性狀分析

劉銀秀，金 娟，聶新軍，王 強，葉 波，范志斌

(1.浙江省農業生態與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 2.浙江省農業科學院 農產品質量標準研究所，浙江 杭州 310021)

隨著農業生產方式轉變和農村勞動力轉移，傳統的分散養殖在畜禽養殖中所占比重越來越低，畜禽養殖逐漸由散養向規模化發展。農村沼氣隨著畜牧業轉型升級，也逐漸由戶用沼氣、聯戶等小型沼氣向規模化沼氣工程轉變[1]。以浙江省為例，戶用沼氣2007—2009年每年增長為2萬戶，2010年后開始逐年下降，2012年降至萬戶以下，2015年則降至百戶以下。截至2016年底，浙江省規模化沼氣工程達8 000多處，總池容積為103.9萬m3。

2013年12月浙江省吹響了“五水共治”的號角，提出了“五水共治，治污先行”的思路。2014年浙江省又被列為全國唯一一個現代生態循環農業發展試點省。在推進生態循環農業試點省建設的過程中，全省逐漸形成了“主體小循環、園區中循環、縣域大循環”的新格局。在農業生產經營主體內部，通過應用種養配套、廢棄物循環利用等模式，實現主體小循環；在現代農業園區和糧食生產功能區內，通過建設沼液處理、畜禽糞便收集處理中心等節點工程，推廣環境友好型農作制度和生態循環農業集成技術，實現園區中循環；在縣域內，通過優化農業產業布局、治理畜禽養殖污染、推行種植業清潔化生產、推進農業廢棄物循環利用等，整體構建生態循環農業產業體系，實現縣域大循環[2]。這種農業生態循環模式的形成，沼氣工程在其中發揮著功不可沒的紐帶作用，沼氣工程的功能定位也由早先的以氣為主轉變為氣肥并重。沼液作為沼氣工程的副產物，含有豐富的氨基酸、B族維生素、一些植物激素，對病蟲害有明顯抑制作用[3]，是各類農作物、花卉、果樹、蔬菜的優良有機肥料[4-5]。近幾年，浙江省在推進沼液資源化利用的過程中取得了一定的成就，初步形成了就地消納、異地配送等多途徑利用格局，但是在沼液利用過程中，仍然存在著沼液連續性產生與季節性施用的時間矛盾以及種養不配套的空間矛盾[6]。同時，沼液養分含量不穩定、差異性大，也是目前沼液利用所面臨的一大問題。由于受養殖場清糞工藝、沼氣工程運行效率等因素的影響，沼液養分含量差異性大在所難免。因此探索了解規模化沼氣工程原液、沼液理化性質變化情況對摸清沼氣工程現狀，推進全省沼液資源化利用工作具有重要意義。為此，對浙江省20個農村規模化沼氣工程進行了調查，對原液、沼液樣品中的CODCr、pH值、有機質、總磷、總鉀、總氮、氨態氮等7個指標進行了測定，以期為沼液利用提供基礎數據和技術支撐，為全省生態循環農業發展和環境保護提供指導。

1 材料與方法

1.1 采樣點分布及背景情況

2016年11月15日至12月5日，在全省9個設區市的19個縣(市、區)挑選20個規模化豬場的沼氣工程進行調查采樣。采樣期間全省最高氣溫5～25 ℃，最低氣溫2～18 ℃。

20個規模化沼氣工程均為生豬存欄量在≥2 000頭規模養殖場的配套工程。其中：存欄量≥5 000頭的占55%；厭氧容積≥800 m3的占70%；厭氧工藝為混合型厭氧反應器(CSTR)和上流式厭氧污泥床反應器(UASB)2種，CSTR占65%；厭氧停留時間均≥6 d，≥10 d占65%(表1)。

養殖場有17個采用干清糞工藝，3個采用水泡糞工藝，發酵原料均為豬糞尿+沖洗水。沼氣工程取樣期間正常運行。原液樣品取自進水集水池，沼液樣品取自厭氧發酵池出水口處。

表1 沼氣工程采樣點的背景情況

1.2 采樣方式和樣品

每個采樣點在采樣當天的9:00—10:00、11:30—12:30、14:00—15:00分別采集3份樣品，每份樣品量相同且不少于300 mL。然后將3份樣品均勻混合成1份樣品，以供檢測。供檢樣品裝入500 mL PVC瓶中，密封、冷藏保存，24 h內送往具有檢測資質的第三方檢測機構進行分析測定。如果指標無法一次性測完，剩余樣品加入濃硫酸酸化，并于0～4 ℃條件下保存。

1.3 測定項目與方法

樣品pH值測定采用電極法(NY/T 1973—2010)，CODCr測定采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)，有機質測定采用重鉻酸鉀-容量法(NY 525—2012)，總氮、總磷和總鉀測定參照有機-無機復混肥料的測定方法(GB/T 17767—2010)，樣品銨態氮測定采用蒸餾-滴定法(NY/T 1116—2014)。

數據采用Excel軟件進行統計與分析。

2 結果與討論

2.1 原液、沼液CODCr變化

由表2可以看出，本次調查采樣的20個規模化沼氣工程原液CODCr濃度為1 432～64 059 mg·L-1。濃度>5 000 mg·L-1占80%，濃度較高，這可能是因為有的養殖場采用水泡糞工藝，有的養殖場干清糞不徹底導致糞尿進入沼氣工程的數量較大，有的養殖場人為地將糞尿大量排入沼氣工程，以制取更多沼氣滿足用能所需。沼液樣品中CODCr濃度為424～6 410 mg·L-1，對原液CODCr的去除率為70.1%～96.8%。其中有10個沼氣工程的CODCr去除率≥80%。由于受養殖規模、管理水平、飼料種類、糞便清理方式及頻次等因素影響，不同養殖場沼氣工程的原液和沼液CODCr濃度差異均較大，且無明顯規律性。沼液濃度仍然較高，未達到相關排放標準，因此這些沼液不能直接排至環境中，尚需進一步深化處理或者對其進行綜合利用，避免產生二次污染。

2.2 原液、沼液pH值變化

從圖1可以看出，原液pH值為6.0～8.8，且在6.5～8.5的有17個，占85%。沼液pH值為6.75～7.85。結果表明，二者變化幅度都不大，但原液的pH值變化大于沼液，這主要可能是原液受養殖規模、管理水平、飼料種類、糞便清理方式及頻次等因素影響較大的緣故。正常運行的沼氣工程，其內部厭氧發酵環境相似且趨于穩定，從而使得沼液的pH值相對穩定，波動不大。

表2 原液、沼液的CODCr含量變化

圖1 原液、沼液pH值的變化

2.3 原液、沼液有機質含量變化

從圖2可以看出，原液中有機質含量為0.1%～3.5%，其中有16個樣品有機質含量<1.5%；沼液中有機質含量為0.04%～0.80%，其中有18個樣品的有機質含量在0.1%～0.5%。圖3顯示，沼液有機質保留率≥60%的僅3個點，占調查總數的15%，保留率≥50%的有8個點。這說明，經過沼氣工程厭氧發酵后，原液中的有機質被降解較多，這可能跟經厭氧發酵后，CODCr去除率較高，而有機質主要測定的是水中的碳有關。

圖2 原液、沼液有機質含量的變化

圖3 沼液有機質的保留率

2.4 原液、沼液總氮和銨態氮含量變化

由圖4～7可以看出，原液總氮含量為0.08%～0.46%，沼液全氮為0.02%～0.35%，沼液中總氮保留率≥60%的有13個點，占65%。原液銨態氮含量為0.07%～0.29%，沼液中銨態氮含量為0.02%～0.28%，沼液中銨態氮保留率≥60%的有15個，占75%，其中有2個點的銨態氮含量甚至高于沼液，這可能是由于原液當中的部分含氮物質經沼氣工程厭氧發酵處理后，氮轉化成其他形式存在于沼液中。結果說明，沼氣工程厭氧發酵對氮的去除量很少，若沼液經后續深化處理后排放，則還需進一步處理氮，但從沼液資源化利用角度出發，沼液中氮元素損耗少反而有利于其在農作物種植中的使用。

圖4 原液、沼液總氮含量的變化

圖5 原液、沼液銨態氮含量的變化

圖6 沼液總氮的保留率

圖7 沼液銨態氮的保留率

圖8 原液、沼液總鉀含量的變化

2.5 原液、沼液總鉀含量變化

由圖8～9可以看出，原液總鉀含量為0.04%～0.149%，沼液中總鉀含量為0.016%～0.134%，總鉀保留率≥60%的點有18個，總鉀保留率≥80%的點有10個。這說明通過沼氣工程厭氧發酵，原液中除部分鉀元素隨著顆粒物沉淀進入沼渣外，其余大部分得以保留在沼液中，這有利于沼液在農作物種植中作為肥料使用。

圖9 沼液總鉀的保留率

2.6 原液、沼液總磷含量變化

由圖10～11可以看出，原液總磷含量為未檢出(圖中用0表示，以下類同)～0.34%，沼液中總磷含量為未檢出～0.05%，總磷保留率≥60%的點僅有5個，14個點的總磷保留率<50%。這說明通過厭氧發酵，原液中的大部分磷元素隨著顆粒物沉淀進入沼渣，少部分得以保留在沼液中。

圖10 原液、沼液總磷含量的變化

圖11 沼液總磷的保留率

2.7 原液、沼液總養分變化

總養分指總氮、總磷、總鉀的總和。由圖12～13可以看出，原液總養分含量為0.13%～0.96%，沼液中總養分含量為0.06%～0.55%，沼液中總養分保有量≥60%的有12個，占60%，這說明沼液對總氧分的保留較好。

圖12 原液、沼液總養分含量的變化

圖13 沼液總養分的保留率

3 小結

本次調查受條件限制，只對浙江省范圍內的20個規模化沼氣工程進行調查分析，因此只能做出以下初步的定性結論。

20個規模化沼氣工程原液的CODCr濃度較高，且差異較大，經過沼氣工程處理后，CODCr濃度大幅度降低，去除率≥70%，但沼液中CODCr濃度仍然較高，未達到相關排放標準，原液和沼液中的CODCr變化均無明顯規律性。同時對于沼氣工程是否發酵完全還需要進一步分析。多年的實踐經驗證明，經沼氣工程厭氧發酵后的沼液需在貯肥池或厭氧塘停留一定時間后才能用于種植業生產。

受養殖規模、管理水平、飼料種類、糞便清理方式及頻次等因素影響，規模化沼氣工程原液pH值波動范圍較大，經沼氣工程厭氧發酵后，沼液pH值相對穩定，波動不大。

規模化沼氣工程厭氧發酵對含碳有機物質的處理效果較好，但沼液原液中的總氮、總鉀、銨態氮等營養物質得到較好的保留，保留率均較高，大部分可以達≥60%，其中總鉀、氨態氮保留率最高，總磷的保留率最低，這有利于沼液作為有機肥料進行綜合使用。

沼液中含有一定量的氮磷鉀，但總養分較低，且不同養殖場沼氣工程沼液養分含量差異性較大。因此，沼液作為有機液體肥料施用于農作物種植時，應根據實際情況進行肥效試驗，待確定合理使用量及施用方法和頻次后方可大面積推廣使用，以免對農作物生長產生不良影響。

[1] 國家發展改革委 農業部. 關于印發《全國農村沼氣發展“十三五”規劃》的通知：發改農經〔2017〕178號[EB/OL]. (2017-01-25) [2017-08-25]. http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201702/t20170210_837549.html.

[2] 浙江省農業廳. 浙江省現代生態循環農業發展“十三五”規劃浙農計發〔2016〕17號：[EB/OL]. (2016-08-02) [2017-08-22]. http://www.zj.gov.cn/art/2016/8/22/art_5495_2181193.html.

[3] 曹汝坤，陳灝，趙玉柱，等. 沼液資源化利用現狀與新技術展望[J]. 中國沼氣, 2015, 33(2): 42-50.

[4] 唐微，伍鈞，孫百曄，等. 沼液不同施用量對水稻產量及稻米品質的影響[J]. 農業環境科學學報, 2010, 29(12): 2268-2273.

[5] 龐喜定. 沼液在白脆瓜生產中的應用效果試驗[J]. 中國沼氣, 2012, 30(5): 63-64.

[6] 楊治斌,呂旭東.浙江省沼液利用現狀與推進機制探討[J].浙江農業科學，2014(11):1665-1668，1673.