接種新鮮沼液對牛糞與秸稈中溫干法厭氧發酵產氣與造肥的影響

文/王順利 王 菲 劉克鋒 王紅利 魯 琳＊

（北京農學院）

畜禽糞便干式厭氧發酵是相對于目前沼氣的“濕法”發酵工藝而提出的，其基本原理就是畜禽糞便在發酵前不用添加大量的水，而是在固態狀態下裝入密閉的容器中進行厭氧發酵。發酵過程不斷產生的沼氣被收集并儲存在儲氣罐里，生產過程沒有沼液產生，最后得到的沼渣便是固態的有機肥，可對其進行進一步加工形成優質有機肥。沼氣和有機肥生產合成在一個流程里“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、有機肥熟化程度好等優點。干式發酵相較于濕法發酵具有原料利用范圍廣、有機負荷高、污水處理量少、能耗低、工程占地少、投資費用低等優勢[1]。

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

接種物又稱厭氧活性污泥，一般是指在厭氧發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，而在發酵過程中加入一定量的厭氧沼渣或沼液作為接種物是實現加快厭氧發酵啟動速度、提高甲烷產量的重要措施。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酵過程起到至關重要的作用[5]。本試驗以牛糞處理為目標，研究了新鮮沼液對牛糞與秸稈中溫干法厭氧發酵產氣與造肥的影響，并篩選出合適的接種量，為后續牛糞與秸稈中溫干法厭氧發酵規模化生產提供可靠的工藝參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用牛糞取自北京市回龍觀北郊農場畜牧5隊。玉米秸稈作為輔料，取自北京農學院試驗田，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酵產生的沼液。收集沼液為糞污水經過上流式厭氧污泥床反應器厭氧發酵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 試驗裝置

試驗所用發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，使用前進行漏氣檢測，以保證試驗裝置的密封性。將發酵罐放置于恒溫水浴鍋中（圖1）。

圖1 實驗室干法厭氧發酵裝置

1.3 試驗方法

將粉碎的玉米秸稈碎屑加蒸餾水調節含水率至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，適當補充水分。堆漚好的秸稈與牛糞混合，調整物料的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），再用蒸餾水調節干物質質量分數為20%。同時以不接種處理作為對照（CK）。每個處理設3 個重復。將發酵罐放置于恒溫水浴鍋中維持罐內溫度35～38℃，進行厭氧發酵試驗。發酵時間為30 天。發酵過程中每24 h記錄1 次產氣量，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。于發酵結束后，樣品放至陰涼通風處自然風干，風干后樣品粉碎，過20 目篩，封存待測。

1.4 測量指標及方法

1.4.1 產氣指標分析

日產氣量采用排水集氣法，排出的飽和食鹽水體積即為每天產生的氣體體積。日產氣甲烷體積分數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業行業標準NY525-2012測定。樣品經H2SO4-H2O2聯合消煮后，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。種子發芽指數（GI）的測定參考文獻[7]中的方法。

2 試驗結果

2.1 不同接種量對產氣特性的影響

2.1.1 不同接種量對日產氣量的影響

不同接種量的日產氣量變化如圖2所示。接種新鮮沼液對牛糞干法厭氧發酵的啟動速度有明顯的促進影響。除處理J2以外，其他處理均比CK啟動速度快，產氣速度快。縱觀整個發酵期間每日產氣情況，處理J5和J3產氣過程比較平穩。從產氣高峰分析，接種新鮮沼液后，牛糞干法厭氧發酵的產氣高峰延遲。處理J3、J4和J5產氣高峰分別出現在發酵的第8天、第9天和第10天，與CK相比延后了1～3 天，這可能是因為接種新鮮沼液后堆料中的微生物演替活動頻繁，導致產氣高峰延遲。對比各處理與對照的產氣高峰值可以發現，J5處理的日產氣高峰值最高，為3 017 mL，比CK產氣高峰值高出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%。從產氣周期分析，CK處理在發酵的第24天停止產氣，處理J4在發酵的第19天結束產氣，其余接種新鮮沼液的處理與CK相比，均延長了產氣周期，這說明接種新鮮沼液有助于牛糞中溫干法厭氧發酵的進行，促進了發酵過程啟動，日產氣高峰值提高，產氣的周期延長。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的原因，導致接種新鮮沼液后，牛糞中溫干法厭氧發酵的產氣高峰延遲。

圖2 不同接種量牛糞中溫干法厭氧發酵日產氣量情況

2.1.2 不同接種量對累積產氣量的影響

圖3為不同接種量處理的牛糞中溫干法厭氧發酵的累積產氣情況。各個處理的累積產氣量大小依次為：J5＞J1＞J3＞J2＞J4＞CK。這說明添加新鮮沼液促進了牛糞中溫干法厭氧發酵的進行。CK處理累積產氣量最少，為24 882 mL。J5累積產氣量最多，達到46 347 mL，約是CK的1.86 倍。其次是J1和J3，累積產氣量分別達到42 603 mL和39 720 mL，為CK的1.71 和1.60 倍。J2和J4累積產氣量較少，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到80%產氣量的時間（表1），J4在第13天時產氣量就達到了總產氣量的80%，但是該處理產氣周期最短，僅為18 天。CK處理和J3均在第17天達到了總產氣量的80%，處理J5、J1和J2分別在第18、19和20天達到。J3雖然總產氣量較J5和J1低，但其前期產氣效率較高，在工業生產中可更早續料，縮短工程周期，達到更好的生產效益。

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酵累積產氣量情況

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酵產生氣體中的甲烷含量。在整個發酵期間，所有處理產生氣體中的甲烷含量均在發酵的前6 天表現出快速上升的趨勢，并均在第6 天達到40%以上，其中J3處理的甲烷含量最高為48%。除CK處理外，其他所有處理所產生的甲烷含量均在隨后的發酵過程中表現出波動上升的趨勢，并于發酵第18天達到50%以上，并于發酵第24天達到最大峰值。甲烷含量是衡量沼氣質量的重要指標。綜合各個處理日產氣量、累積產氣量以及甲烷含量的高低，J3和J5兩個處理在產氣方面顯現出較好的效果。

2.2 不同接種量對沼渣特性的影響

2.2.1 種子發芽指數（GI）

評價堆肥腐熟度的最終和最具說服力的指標是植物生長試驗[8]。種子發芽指數不僅考慮了種子的發芽率，還考慮了植物毒性物質對種子生根的影響。當發芽指數達到80%時，可認為堆肥已沒有植物毒性或者說明堆肥已經腐熟[9]。

表1 不同接種量牛糞中溫干法厭氧發酵產氣情況

表2 不同接種量處理的沼渣養分含量及種子發芽指數特征

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

2.2.2 沼渣的總養分含量與碳氮比

對各個處理發酵30 天后的沼渣的養分含量進行測定，并對測定結果進行多重比較（表2）發現，不同接種量處理的發酵產物，其總養分含量隨接種量的增加而逐漸增加。其中J1與CK處理的總養分含量在0.01水平顯著低于其他處理。總養分含量最高的處理為J5，在0.01水平顯著高于其他處理。所有處理的總養分含量均高于我國農業行業標準NY525-2012中有機肥總養分含量“≥5%”的規定。由表2可以看到，對各個處理的總養分含量隨著接種量的增加而增加貢獻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 結論

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

在本試驗條件下，干法厭氧發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，并且總養分含量符合有機肥農業標準（NY525-2012）。

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