牛糞與秸稈干法厭氧發酵體系中含固率對產氣及造肥的影響

文/王 菲 魯 琳 劉克鋒 王順利，3

（1農業農村部華北都市農業重點實驗室；2 北京農學院動物科學技術學院；3 北京農學院生物與資源環境學院）

我國既是農業大國又是人口大國，伴隨社會經濟的繁榮和居民生活水平的提高，各類農產品的需求量不斷增大，農業產業結構相應調整。近年來畜牧養殖業和種植業發展迅猛，隨之產生大量的畜禽糞便、各類秸稈及廢棄果蔬等農業固體廢棄物。這些農業固體廢棄物堆積、腐爛、變質成為環境重要的污染源。目前，我國農業固體廢棄物的同比增長速率達到5%～10%，預測到2020年，我國的農業固體廢棄物將超過500 億噸[1，2]。到2016年為止，我國的畜禽糞污年產量達38 億余噸，但其綜合利用率卻不到60%[3]。循環式發展成為畜牧行業發展的必然趨勢。

利用厭氧發酵技術處理畜禽糞便不僅處理成本較低，而且同時達到了治理污染、保護環境和廢棄物資源化的三重效果，在環境、經濟、能源、社會等諸多方面具有優異效益[4]。干法厭氧發酵是在含固率20%～50%條件下對底物進行厭氧發酵，與傳統的濕法厭氧發酵相比，最大的優勢在于進料需水量低，臭氣排放少且產物無沼液，不存在二次污染。因此，干法厭氧發酵成為目前厭氧發酵領域的一大熱點。

在干法厭氧發酵工藝中，物料的總固體（TS）含量對有機物的降解有顯著影響。劉曉風等[5]研究表明，TS在間歇式反應器中超過40%時會使TS和揮發性固體（VS）降解率開始下降。曲靜霞[6]在進行農業廢棄物干法厭氧發酵時調整TS為20%，結果顯示產氣效果良好。對于連續式反應器而言，在一定條件下，總固體含量過高，含水率過低，則會導致有機酸過量積累，從而使產氣停止或產氣量降低[7]。

本試驗以牛糞處理為目標，研究了牛糞與秸稈干法厭氧發酵過程中，物料的含固率對產氣與造肥的影響，并篩選出適宜的含固率條件，為后續利用大型發酵罐進行生產提供可靠的工藝參數。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料 [8，9]

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%，碳氮比（C/N）為11.07；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44.72。

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。沼液的化學需氧量（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[8，9]。采用2.5 L廣口瓶3 個，分別作為發酵瓶、集氣瓶及集水瓶，相互之間以乳膠管連接，瓶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。將發酵瓶放置于恒溫水浴鍋中。見圖1。

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25。每個處理添加新鮮沼液為接種物量，添加量為總重量的30%。共計4 個處理，分別調整物料的含固率為10%、15%、20%和25%（分別標記為W1、W2、W3、W4）。每個處理設3 個重復。將發酵瓶放置于恒溫水浴鍋中維持瓶內溫度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。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[10]。

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[11]中的方法。

圖1 實驗室干法厭氧發酵裝置

2 試驗結果

2.1 不同含固率對產氣特性的影響

2.1.1 不同含固率對日產氣量的影響

不同處理的日產氣量變化如圖2所示。所有的處理在試驗過程中均產生了沼氣，并且具有明顯的3 次產氣高峰。從產氣速度來看，初始階段，即第1～4天，出現第一個產氣高峰，各處理產氣情況相似。第二階段，從第4～14天，產氣情況出現第二個升降過程，其中W1、W2、W3都在第8天達到第二次產氣高峰，日產氣量分別達到640 mL、580 mL、540 mL，而W4在第9天達到此次對應的產氣高峰，日產氣量較前三個處理少，僅為480 mL。第三階段，即各處理在第14天到達產氣低谷后，開始出現第三次產氣量上升和下降過程。此階段持續時間較長，各處理都在第21天到達產氣高峰，其中W3的日產氣量最高達到890 mL，而W1、W2和W4的日產氣量分別達到了760 mL 、780 mL和590 mL。從產氣穩定性來看，W4日產氣量最少，也最穩定，其他三個處理在發酵過程中日產氣量波動較大。從產氣時長來看，各處理都超過30 天。

2.1.2 不同含固率對累積產氣量的影響

圖2 不同含固率處理的日產氣量變化

圖3 不同含固率累積產氣量隨時間的變化特征

不同處理的累積產氣量如圖3所示。由圖3可看出，累積產氣量大小順序為： W3＞W1＞W2＞W4。W4累積產氣量最少為13 450 mL。W3處理累積產氣量最多，達到16 650 mL，約是W4的1.24倍。其次是W1的處理，累積產氣量達到16 390 mL，與W3最接近，為W4的1.22 倍。W1在前期保持較高的產氣量，但是后期W3日產氣量增長幅度較大，使總產氣量多過W1。W4產氣啟動較慢，且日產氣量一直較少，因此累積產氣量最少。

W1產氣量較高與其有足夠的水分含量有關，90%的含水率可以算得上半濕法發酵，此條件下，發酵瓶中有相當數量的沼液，反應物整體呈液態，每次搖晃發酵瓶時，反應物更容易得到充分混勻，促進物質流動，且在發酵過程中，較多水分也使熱量傳輸和微生物轉移更容易發生[11]。而W2、W3、W4的含水率較低，W2反應物整體呈較濃稠泥狀，W3和W4為較濕潤固體。W2的濃稠程度決定了其產期初期產酸和產CO2菌的發酵產物不能很好地擴散和對流，從而影響了后期產甲烷菌的活性和產量[12]。與之相比，W4則是因為含水率太低，反應物間接觸較少，人為晃動發酵瓶對物質攪動的效果也被削減，非常不利于菌種擴散和繁殖，從而導致從始至終整體產氣量一直較低。而W3的水分含量使其反應物保持著較松散的濕潤狀態，晃動發酵瓶時反應物較容易因碰撞發生位置交換，從而達到類似攪拌效果的目的[13]。比W2處理的含水率使厭氧菌的發酵產物更容易在空隙間交換，并釋放出來，因此產氣效果較其他處理都好。

不同含固率的產氣量情況如表1所示。W1、W2、W3都在第25天時累計產氣量達到了總產氣量的80%，W4在第26天時達到。四個處理間相差不大。從圖2及表1中都可看出，W4產氣高峰期較遲，這在生產中會對經濟效益有一定影響，如何把產氣高峰期提前也是需要后續研究的內容。在本研究條件下，從日產氣量及累積產氣量來看，W3處理是最佳的含固率條件。

2.1.3 不同含固率對甲烷含量的影響

不同含固率處理在產氣過程中的甲烷含量變化如圖4所示。由圖4可看出，在發酵運行的30 天內，各個處理的甲烷含量均與日產氣量三個階段有一定相關性，處理不同，其波動幅度不同。第一個階段，是甲烷濃度快速提高，各處理在第3～4 天達到第一個小高峰，W3的甲烷含量初始高峰最高；第二階段和第三階段，各處理的甲烷含量有一個或多個升高又降低的過程。所有處理中，W2和W3在第5天甲烷含量超過50%后，波動相對較小，基本能維持在55%，甚至60%以上。而W4在第5天和第19天有兩個甲烷含量高峰，W1則是在第11天和第28天有兩個甲烷含量高峰，都達到約80%，但其過程中甲烷含量波動較大，甚至在第17天都跌至小于50%的程度。

表1 不同含固率牛糞中溫干法厭氧發酵產氣情況

圖4 不同含固率產氣中甲烷含量變化特征

發酵過程中甲烷含量影響到整體產氣質量，如W2和W3這樣整體較平穩且有較高甲烷比例的處理在生產中才更加實用。W4會出現甲烷含量忽高忽低應該與發酵物料不均勻，造成局部反應有關，且低含水率也會使發酵反應過程中氨態氮和揮發酸積累得過多，抑制甲烷菌的繁殖和代謝速率[14]。

2.2 不同含固率對沼渣特性的影響

2.2.1 種子發芽指數（GI）

本試驗中所有處理的沼渣，其種子發芽指數均達到了80%以上（表2）。該結果說明在本研究條件下，所有處理在干法厭氧發酵30 天之后，其沼渣對植物生長來說均不會產生不良影響。

2.2.2 沼渣的總養分含量與碳氮比

沼渣中的總碳及總氮含量如表2所示。沼渣中總碳與含固率之間并無對應變化關系。其中W3沼渣中的總碳含量最低，為51.57%；W2沼渣中的總碳含量最高，為55.71%。經方差分析并進行多重比較后，四個處理在0.05水平上有差異，但在0.01水平上沒有顯著差異。差異的形成應該與產氣時碳含量隨氣體釋放流失有關。沼渣中總氮含量，W2最高，為4.23%，而W4最低，為3.94%。經過方差分析，并進行多重比較后，結果表明，處理之間均無顯著差異。沼渣碳氮比沒有明顯規律。碳氮比與初始碳氮比相比呈下降趨勢。本研究結果顯示，其變化與各處理的產氣量有一定相關性。本研究中W3產氣量最多，理論上碳素減少更多，而其他處理碳氮比與下降與產氣量不成比例，也許與產氣成分差異有關。

沼渣中的總磷及總鉀含量也列在表2中。沼渣中的磷含量基本沒有較大數量差，W3中磷含量最高，達到1.16%；W1中磷含量最低，為1.08%。經過方差分析，并進行多重比較結果表明，各處理間存在較顯著差異。

沼渣中的鉀含量基本上與產氣量沒有較大相關性，W1中鉀含量最低，為1.55%；W3中鉀含量最高，為2.20%。經過方差分析，并進行多重比較結果表明，各處理間存在顯著差異。

表2 不同含固率處理的沼渣養分含量及種子發芽指數特征

所有處理的總養分含量都高于農業行業標準NY525—2012《有機肥料》中規定有機肥總養分含量“≥5%”的標準，都有作為有機肥的營養價值。各個處理沼渣中養分含量從高到低依次是：W2＞W3＞W4＞W1。

3 結論

在本試驗條件下，物料的含固率不同，其產氣量和產氣質量存在差異。物料含固率20%時，產氣量最多，同時甲烷含量相對較高。在生產中可依據需要調節物料中水的添加量，在保證發酵產氣質量的同時，減少沼液的產生。在本試驗條件下，干法厭氧發酵處理后的沼渣，其有機質質量分數和總養分含量都大于農業行業標準NY525—2012中對有機肥料的要求，并且經過生物學方法檢測，沼渣均對于種子發芽沒有毒性作用。因此其干法發酵處理后的沼渣均具有作為有機肥應用的潛力。

綜合產氣及沼渣兩方面結果，兼顧產氣效率和減少沼液污染，推薦牛糞與秸稈干法厭氧發酵體系中含固率保持在20%，能獲得較高的產氣量和產氣質量，且發酵后的沼渣可用于有機肥使用。