規模化養豬場上流式沼氣池發酵液養分變化分析

徐慶賢 官雪芳 黃菊青

摘要：為實現沼液的有效利用、上流式沼氣池運行參數優化調整，以及為沼液深度處理奠定基礎，以福建省新星種豬育種有限公司上流式沼氣池為例，測定不同發酵時間（0、24、48 h）、不同發酵層（0～9 m）沼液的養分含量，并對其變化規律進行探討。結果表明：相同發酵時間、不同發酵層的沼液乙酸含量、堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量、有機質含量差異均不顯著;相同發酵層、不同發酵時間沼液的乙酸含量、有效鉀含量、有機質含量均存在顯著（P<0.05）或極顯著（P<0.01）差異;相同發酵層、不同發酵時間沼液的堿解氮含量、有效磷含量差異均不顯著。

關鍵詞：規模化養豬場;上流式沼氣池;沼液;發酵時間;發酵層;養分

中圖分類號： S216.4 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）11-0281-07

收稿日期：2019-06-25

基金項目：福建省科技公益類科研院所專項（編號：2014R1015-12、2018R1014-4）;福建省農業科學院科技服務團隊項目（編號：kjfw15）。

作者簡介：徐慶賢（1979—），男，福建寧德人，碩士，副研究員，從事農村能源和農業環保研究與推廣工作。E-mail：xqx591@126.com。

通信作者：林 斌，博士，研究員，從事農村能源和農業環保研究與推廣工作。E-mail：linbin591@126.com。 ?養豬場糞便污水是一種高濃度有機廢水[1-2]，我國養豬場集約化快速發展以及養豬場糞便污水處理技術相對滯后，導致豬場污水成為重要的污染源[3]。在環境持續惡化的同時，國家對于能源的需求又急劇增加，這促使國家大力發展沼氣事業[4]。規模化沼氣技術是可再生能源和環境保護領域關注的重點[5]。利用沼氣技術處理規模化養豬場糞污，不但能夠有效處理養殖廢棄物，避免環境污染，而且還可以通過沼氣生產向周圍用戶提供清潔能源，對開發可再生能源及發展農業循環經濟都具有重要意義[6-7]。

沼氣工程可持續發展的重要因素就是沼液處理問題[8]。沼液是糞便污水通過厭氧發酵后的產物，富含多種氨基酸、吲哚乙酸等能夠提高農作物產量的營養物質[9-10]，是一種兼備速效與長效的微生物有機肥[11]，能有效改良土壤[12]。張媛等的研究表明，在施用沼液后，土壤速效養分在一定階段會隨沼液施入量的增加而有所增加[13]。農作物吸收利用的是土壤速效養分，它們的含量決定了土壤的肥力水平[14]。本試驗通過研究上流式沼氣池中不同發酵層和不同發酵時間沼液的養分含量變化，旨在為合理施用沼液和培肥土壤提供依據，同時對上流式沼氣池運行參數進行優化調整以及后續沼液深度處理與利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 上流式沼氣池

上流式沼氣池建于福建省新星種豬育種有限公司（建甌市徐墩鎮山邊村）規模化養豬場內，有效容積670 m3，主體結構為鋼筋混凝土，沼氣池內外涂刷有機玻璃鋼，安裝300 m2的太陽能真空面板用于加熱循環水為沼氣池發酵液加溫，水力滯留期（HRT）10 d。

1.2 樣品采集

沼液樣品采集于福建省新星種豬育種有限公司上流式沼氣池不同發酵層，從下到上1、2、3、4、5、6、7、8層（1代表離池底1 m，2代表離池底2 m，3代表離池底3 m，以此類推），另外0為進料口、9為出料口。2017年10月13日進料67 m3后，分別于0、24、48 h取樣，樣品為相同發酵時間、相同發酵層3點采集后混合為1個樣品，采集樣品裝入干凈塑料瓶中4 ℃厭氧保存。

1.3 測試方法

堿解氮含量的測定采用堿解擴散法;乙酸含量的測定采用氣相色譜法;有效鉀含量的測定采用 1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[15];有機質含量的測定參照NY/T 1976—2010《水溶肥料有機質含量的測定》;有效磷含量的測定采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法;總氮含量的測定采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法;總有機碳含量的測定采用HJ 501—2009燃燒氧化-非色散紅外吸收法。

1.4 數據處理

采用SPSS 17.0數據處理系統對數據進行方差及均數比較分析。

2 結果與分析

2.1 沼液中乙酸含量分析

有機物在厭氧發酵過程中，一般分為3個階段：發酵水解、產氫產乙酸和產甲烷階段[16-17]。產生甲烷的主要原料是乙酸、CO2、H2及甲醇[18]，其中乙酸分解產生的甲烷占甲烷總量的70%[19]，因而厭氧水解酸化產物中乙酸占總揮發性脂肪酸的比例，可以有效反映厭氧發酵是否穩定以及是否發酵完全。對不同層、不同發酵時間沼液中乙酸含量進行檢測，結果詳見圖1。

從圖1可以看出，進水口和出水口沼液乙酸含量分別為4.45、25.50 mg/L，經沼氣池發酵后，沼液乙酸含量增加，沼氣池中的乙酸含量基本上高于進樣中的含量。對不同層、不同發酵時間沼液的乙酸含量進行方差分析（表1），可以看出，不同發酵時間沼液乙酸含量呈極顯著差異（P=0.006<0.01）;不同層間沼液乙酸含量差異不顯著（P=0.626>005）。

表2為不同發酵時間沼液的乙酸含量均數兩兩比較結果，可以看出，發酵0 h（進樣口）樣品中沼液乙酸含量與其他發酵時間中的在不同子集內，說明沼液在沼氣池發酵后其乙酸含量明顯增加。

表3為不同取樣口中沼液乙酸含量均數兩兩比較結果，可以看出，進樣口樣品中沼液乙酸含量與其他不同層取樣口中沼液乙酸含量在不同子集內，說明進樣口中沼液乙酸含量低于其他取樣口。

2.2 沼液中堿解氮含量分析

土壤堿解氮含量是反映土壤供氮能力的重要指標之一[20]。張媛等的研究表明，沼液能有效增加土壤堿解氮含量[13]。對不同層、不同發酵時間沼液中的堿解氮含量進行檢測，結果詳見圖2。可以看出，進水口和出水口沼液堿解氮含量分別為33100、230.00 mg/L，經沼氣池發酵后，沼液中堿解氮減少，而沼氣池中的堿解氮含量也低于進口沼液。

對不同層、不同發酵時間沼液中的堿解氮含量進行方差分析（表4），可以看出，不同發酵時間和不同層間沼液堿解氮含量差異不顯著，其對應P值分別為0.082、0.517，均大于0.05。

表5為不同發酵時間沼液的堿解氮含量均數兩兩比較結果，可以看出，發酵0 h（進樣口）樣品中沼液堿解氮含量與其他發酵時間處理在不同子集內，說明沼液在沼氣池發酵后其堿解氮含量降低。

表6為不同取樣口中沼液的堿解氮含量均數兩兩比較結果，進樣口樣品中沼液堿解氮含量與其他不同層取樣口中沼液堿解氮含量在不同的子集內，說明進樣口中沼液堿解氮含量高于其他取樣口。

2.3 沼液中有效磷含量分析

對不同層、不同發酵時間沼液中有效磷含量進行檢測（圖3），可以看出，進水口和出水口沼液有效磷含量分別為87.05、40.70 mg/L，經沼氣池發酵后，沼液有效磷含量下降，沼氣池中的有效磷含量基本上低于進樣口。

對不同層、不同發酵時間沼液的有效磷含量進行方差分析（表7），可以看出，不同發酵時間和不同層沼液的有效磷含量差異均不顯著，其P值分別為0.108、0.613，均大于0.05。

表8為不同發酵時間沼液有效磷含量均數兩兩比較結果，可以看出，發酵0 h（進樣口）樣品中沼液有效磷含量與其他發酵時間處理在不同子集內，說明沼液經沼氣池發酵后其有效磷含量下降。

表9為不同取樣口中沼液有效磷含量均數兩兩比較結果，進樣口（即取樣口為0）中沼液有效磷含量與其他不同層取樣口沼液的有效磷含量在不同的子集內，說明進樣口中沼液有效磷含量高于其他

2.4 沼液中有效鉀含量分析

土壤中全鉀測定可以反映出土壤含鉀量，有效鉀含量的測定可以反映出土壤實際供鉀狀況[21]。祝延立等利用沼液種植玉米研究沼液對土壤理化性質的影響，結果表明，在一定施用量范圍內，沼液能夠有效增加土壤全鉀、速效鉀含量[22]。對不同層、不同發酵時間沼液中有效鉀含量進行檢測，結

果如圖4所示。可以看出，各樣品中有效鉀含量在 0.35～0.55 mg/L 之間。

對其進行方差分析（表10），可以看出，不同發酵時間沼液有效鉀含量呈極顯著差異（P=0.005<0.01）;不同層間沼液有效鉀含量差異不顯著（P=0.146﹥0.05）。

表11為不同發酵時間沼液乙酸含量均數兩兩比較結果，可以看出，發酵0 h（進樣口）樣品中沼液有效鉀含量與其他發酵時間處理在不同子集內，說明沼液在沼氣池發酵后其有效鉀含量明顯降低。

表12為不同取樣口中沼液有效鉀含量均數兩兩比較結果，進樣口（取樣口為0）與取樣層3、6、7、8、出樣口在同一子集，但1～8層及出樣口同在另一子集，說明除了進樣口，各取樣口沼液中有效鉀含

2.5 沼液中有機質含量分析

對不同層、不同發酵時間沼液中有機質含量進行檢測（圖5），可以看出，進水口和出水口沼液有機質含量分別為35.60%、19.57%，經沼氣池發酵后，沼液有機質含量降低，沼氣池中的有機質含量基本上低于進樣口。

對不同層、不同發酵時間沼液的有機質含量進行方差分析（表13），可以看出，不同發酵時間沼液有機質含量差異顯著（P=0.031<0.05），不同層間沼液有機質含量差異不顯著（P=0.788﹥0.05）。

表14為不同發酵時間沼液有機質含量均數兩兩比較結果，可以看出，發酵0 h（進樣口）樣品中沼液有機質含量與其他發酵時間處理在不同子集內，說明沼液在沼氣池發酵后其有機質含量明顯下降。

表15為不同取樣口中沼液有機質含量均數兩兩比較結果，進樣口中沼液有機質含量與其他不同

3 結論與討論

沼氣池進水口沼液乙酸含量為4.45 mg/L、堿解氮含量為331.00 mg/L、有效磷含量為 87.05 mg/L，有效鉀含量為0.55 mg/L，有機質含量為35.60%;經沼氣池發酵后，沼液乙酸含量增加，沼液堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量、有機質含量均減少;出水口沼液乙酸含量為25.50 mg/L，沼液堿解氮含量為230.00 mg/L，有效磷含量為 40.70 mg/L，有效鉀含量為0.47 mg/L，有機質含量為19.57%。

相同發酵時間、不同發酵層的沼液乙酸含量、堿解氮含量、有效磷含量、有效鉀含量、有機質含量差異均不顯著。

相同發酵層、不同發酵時間的沼液乙酸含量、有效鉀含量、有機質含量均存在顯著或極顯著差異;相同發酵層、不同發酵時間的沼液堿解氮含量、有效磷含量差異均不顯著。

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