農業廢棄物厭氧發酵及沼肥利用全過程碳氮變化研究

劉 燁， 趙立欣， 沈玉君， 孟海波

(1. 農業部規劃設計研究院 農村能源與環保研究所， 北京 100121； 2. 武漢輕工大學 生物與制藥工程學院， 武漢 430023)

據估算我國每年產生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年產生秸稈近9億噸，未利用的約2億噸[1]，帶來了嚴重的環境問題。厭氧發酵是實現廢棄物資源化利用、減少環境污染、促進農業可持續發展的有效途徑。

厭氧發酵(Anaerobic fermentation)是微生物在厭氧條件下，將大分子有機物逐步分解成水溶性小分子有機物，最后產生沼氣的過程。根據總固體(Total solid，TS)濃度，厭氧發酵分為濕發酵(TS < 10%)、半干發酵(10% < TS <20%)和干發酵(TS > 20%)[2-4]。濕發酵技術應用較廣泛，發酵殘留物主要以沼液為主，常被儲存利用；干發酵殘留物以沼渣為主，多用于堆肥生產有機肥。過去學者在厭氧發酵方面的研究主要集中在以提升產氣率為主要目標的工藝優化和技術裝備研發上。隨著農業生產方式的轉變和人們對優質農產品需求的增加，沼氣點燈做飯需求減弱，沼肥使用需求增加[5]。然而大多數沼肥中有機質與養分含量往往不高，達不到有機肥現行行業標準，有些甚至達不到沼肥行業標準，且目前厭氧發酵過程有機質和養分變化的研究報道相對分散，結果差異大。因此筆者重點綜述農業廢棄物厭氧發酵及沼肥處理過程碳氮元素含量的變化，為提升沼肥養分含量提供參考依據。

1 濕發酵及沼液儲存過程C和N元素變化

圖1 濕發酵沼液儲存過程C和N元素形態變化

1.1 濕發酵過程C和N變化

發酵原料中的有機碳經過胞外酶水解轉變成 DOC溶于沼液，由產乙酸菌和產甲烷菌進一步水解生成CH4和CO2隨沼氣揮發，少量碳元素以無機碳(Inorganic carbon, IC)形式存在。由表1可知，發酵原料中15.40%～27.29%的碳元素轉變為CH4和少量CO2，4.00%～7.60%以DOC形式流入沼液，大部分仍以OC形式留在沼渣中。

研究表明厭氧發酵過程碳氮變化與物料產氣性能具有一定的相關性[6]，原料性質，TS濃度，C/N等影響發酵進程的因素都能導致物料碳氮變化差異。混合原料濕發酵產氣性能比單一原料較好[7-8]，造成碳氮損失大于單一原料；過高的TS濃度導致酸中毒，抑制發酵進程，過低則不足以提供微生物生長的營養物質，導致發酵效率低下[9]；在適宜范圍內初始C/N值的上升使碳元素損失增大，氮元素損失減小[6]。因此，必需調整適宜的發酵條件以保證厭氧濕發酵順利進行，并減少碳氮損失。

1.2 沼液儲存過程C和N變化

厭氧發酵后，沼液中的有機物主要以水溶性分子形式存在[10]，是一種營養豐富的優質液體肥料。但沼液在儲存期間，液面會出現結殼現象，形成相對厭氧環境[11]，沼液中的DOC會繼續降解釋放CH4和CO2等氣體[12-13]，導致碳元素損失2.94%～29.63%。研究表明，長時間儲存會使沼液體積減少[14]，在部分研究中沼液碳濃度下降0.50%～38.24%[11-12]，也有部分研究表示碳濃度上升0.59%～23.68%[12, 15-16]，碳含量變化尚不能得出一致結論。

在沼液儲存過程中，沼液性質、儲存方式、儲存溫度等都會影響沼液碳氮元素含量。不同種類沼液儲存過程中，碳元素損失率：牛糞>豬糞>秸稈，氮元素損失率：秸稈>雞糞>牛糞>豬糞[13, 24-25]；適當降低沼液初始pH值可減少CH4和NH3揮發，從而減少碳氮損失[26]；沼液敞口儲存比加蓋儲存氮含量損失要大[14-15]，秸稈覆蓋比木板覆蓋損失大[22, 27]；自然形成的硬殼、小鶴卵石、稻草等能顯著降低氣體釋放量[28]；夏季儲存比冬季儲存碳氮損失大[23, 29]，高溫儲存比低溫儲存碳氮損失大[30-32]。因此，盡可能選擇低溫加蓋條件下儲存沼液，同時適當降低沼液初始pH值，達到減少碳氮損失的效果。

表1 濕發酵及沼液儲存過程C和N元素分布及質量平衡 (%)

注釋：“—”表示不明確。

2 干發酵及沼渣堆肥過程碳氮變化

2.1 干發酵過程C和N變化

圖2 干發酵沼渣堆肥全過程C和N元素形態變化

在干發酵階段，TS濃度、初始pH值、初始C/N值等對干發酵進程和物料碳氮元素變化至關重要。在適宜范圍內，增加TS 濃度，導致氣體損失增加，其中CH4含量下降， CO2含量上升[38]；當pH值低于6.1或者高于8.3 均會抑制干發酵的運行，導致底物發酵不完全[39-40]；C/N過高會導致微生物所需氮源不足，生長受限；C/N過低會使發酵物料含氮過多，CH4排放量減少，但NH3排放量增加。因此，在發酵過程中要調節適宜的TS濃度，pH值，C/N等，以保證發酵的順利進行且減少發酵過程碳氮損失。

2.2 堆肥過程C和N變化

好氧堆肥是沼渣肥無害化、資源化處理的重要手段，在有氧條件下微生物代謝產生的高溫能夠殺滅沼渣中可能殘留的病原微生物[44, 49]。畜禽糞和秸稈的沼渣中主要含有難降解的有機質[50]，沼渣單獨堆肥達不到無害化要求[43, 46]。在多數報道中，常加入畜禽糞或秸稈等混和堆肥，一方面沼渣可作為調理劑改善堆肥初始條件，減少養分損失；另一方面畜禽糞或秸稈又能帶動沼渣的進一步發酵，達到完全無害化[51]。

在堆肥過程中，碳元素主要因CO2揮發而損失。隨著堆肥溫度的升高，微生物數量和活性越來越高，有機質被大量降解釋放出CO2，到降溫期只剩下聚合度較高難以降解的物質，碳元素不再損失[52]。在沼渣與其他物質混合堆肥過程中，碳元素損失33.75%～35.01%，大于原料損失率，碳含量下降。

表2 干發酵及沼渣堆肥過程C和N分配及質量平衡 (%)

注：干發酵沼液損失忽略不計；堆肥滲濾液較少，忽略不計；“—”表示不明確。

3 小結

大量研究表明相同容積下干發酵產氣量高于濕發酵，但干發酵的碳氮流失率卻低于濕發酵。但從發酵到沼肥處理整個過程來看，濕法發酵-沼液儲存過程碳氮損失小于干法發酵-沼渣堆肥過程。在實際應用過程中，應根據產氣或產肥需求來選擇合適的發酵方式，以保證發酵原料得到合理利用。

濕發酵產生的大量沼液，常被儲存用于浸種、作物澆灌或葉面噴施。在沼液儲存期間，微生物代謝釋放CH4，CO2，NH3，N2O等氣體導致碳氮元素損失，應盡可能選擇低溫密閉環境儲存，以減少沼液養分損失。

干發酵幾乎不產生沼液，沼渣是主要的殘留物，用于堆肥時，氮元素損失較少，而碳元素損失相對較大。在沼渣堆肥過程中應調節適宜的通風供養和C/N等，減少養分損失，以提高堆肥養分含量，以達到有機肥標準，實現完全資源化和無害化。

筆者通過分析大量已報道的數據，研究厭氧發酵和沼肥處理過程碳氮養分變化情況。但由于實驗結果差異較大，相關數據資料有限，如干發酵氮含量變化、沼液儲存過程碳含量變化等，尚無法得出一致的結論，期待以后能有更多相關研究提供科學依據，以得到一致結論。

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