規模化養豬場上流式沼氣池碳氮比變化分析

徐慶賢 吳曉梅 吳飛龍 葉美鋒 阮傳清

（1 福建省農業科學院農產品加工研究所 福建福州 350003 2 福建省農業科學院農業生物資源研究所 福建福州 350003）

隨著我國養豬場集約化快速發展，帶來養豬場糞污產生量的迅速增加。養豬場糞污是1 種高濃度有機污水［1-2］，但糞污處理技術相對滯后，這導致了豬場糞污成為水體重要污染源［3］。如果處理不當，會引起水體富營養化等環境問題，并對人體健康造成威脅［4］。在規模化養豬場應用沼氣發酵技術［5］，不僅可以有效處理養殖廢棄物，減少環境污染，而且還可以使沼氣能源得到有效利用，比如集中供氣為周邊農戶提供清潔能源等，這對于發展農業循環經濟以及可再生能源利用都有重要意義［6-7］。

總氮、總磷含量等是衡量水體有機污染的主要指標，而水體中總氮、總磷的去除也是整個污水處理工程是否可以達標排放的關鍵影響因素。養豬場沼氣工程中，沼液處理問題是沼氣工程可持續發展的重要因素［8］。污水的碳氮磷比是影響傳統生物脫氮除磷工藝效果的重要因素［9-10］。規模化養豬場糞污經厭氧處理后產生的沼液，其特性為高氨氮抑制微生物生長以及低碳氮比導致沼液可生化性差［11］，后續好氧深度處理效果差，污水達標排放困難［12］。同時，沼液是1 種同時擁有速效和長效肥效的微生物有機肥料［13-14］，它富含可以提高農作物生產所需要的大部分營養物質［15-16］，比如吲哚乙酸、氨基酸等。

本研究通過對上流式沼氣池中不同發酵層和不同發酵時間沼液碳氮比變化進行分析，旨在為后續沼液深度處理或資源化利用奠定基礎，同時為優化調整上流式沼氣池運行參數提供參考。

1 材料與方法

1.1 上流式沼氣池［17］

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，池體采用鋼筋混凝土澆筑，并且在池內外涂刷有機玻璃鋼。沼氣池有效容積670 m3，水力滯留期（HRT）10 d。沼氣池內安裝發酵液增溫系統，即采用太陽能真空面板300 m2加熱銅管內循環水為發酵液加溫。經過干清糞、固液分離以及酸化池預處理后，沼氣池進出口豬糞便污 水CODCr分別為1 959、1234.5 mg/L，BOD5分別為1 256、752.5 mg/L。

1.2 樣品采集［17］

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 樣品，采集樣品裝入干凈塑料瓶中于4 ℃厭氧保存。

1.3 測試方法

pH 測定參照 《水質 pH 值的測定 玻璃電極法》（GB 6920—86）；總氮測定參照《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）；總有機碳測定參照《土壤有機碳的測定 重鉻酸鉀氧化-分光光度法》（HJ 615—2011）；CODCr測定參照《水和廢水監測分析方法》（第三版）中重鉻酸鉀法；BOD5測定參照《水和廢水監測分析方法》（第三版）五日生化需氧量測定方法。

1.4 數據分析

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pH 變化分析

沼液pH 值對沼氣產量和甲烷含量有重要的影響，它是沼氣發酵中重要的影響因子。在養豬場沼氣工程中，沼氣發酵可適應的pH 值范圍為6.0～8.0。pH 值直接或間接影響發酵液中微生物的生命活動，若發酵過程反常，pH 值也可出現異常情況［18］。pH 值能夠直接反映厭氧發酵體系的穩定性。不同pH 值對應不同的發酵狀態，監測沼氣發酵液的pH 值，能夠幫助有效控制沼氣的發酵過程。有研究表明，pH 值＜6.1 或者＞8.3 均會抑制厭氧發酵的運行，導致底物發酵不完全［19］。對沼氣池不同發酵層和不同發酵時間的沼液進行pH 測定，結果見圖1。

圖1 不同層、不同發酵時間沼液pH 值

從圖1 中可以看出，相同發酵層、不同發酵時間沼液樣品中，發酵時間48 h 沼液樣品pH 值略高于發酵時間24 h 沼液樣品，各不同發酵層、相同發酵時間的沼液樣品pH 值變化不大。沼氣池進出口沼液樣品pH 值分別為6.39、7.70。

2.2 沼液中總氮含量分析

寧建鳳等［20］監測分析研究了10 個規模化養豬場沼氣發酵系統的總氮去除效果，5 個豬場沼氣發酵系統對總氮具有較好的去除效果，另有5 個豬場出現總氮濃度增加的現象。本試驗對不同發酵層、不同發酵時間沼液中總氮含量進行檢測，結果見圖2。從圖2 可知，進水口和出水口沼液總氮含量分別為552.50、322.00 mg/L。

圖2 不同層、不同發酵時間沼液總氮含量

不同的養豬場沼氣發酵系統中pH、發酵溫度、水力負荷、水力停留時間、污染物負荷等運行參數存在差異，可能導致總氮等污染物去除效果不同［21］。

對不同層、不同發酵時間沼液總氮進行方差分析，結果見表1。從表1 可知，其P 值分別為0.075、0.261，P 值均＞0.05，不同發酵時間、不同層間沼液總氮含量不存在顯著差異。

表1 不同層、不同發酵時間對沼液中總氮方差分析結果

相同發酵層、不同發酵時間沼液總氮均數兩兩比較，結果見表2。從表2 可知，發酵0 h 時即進樣口樣品中沼液總氮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總氮含量下降。

表2 不同發酵時間沼液總氮均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發酵時間、不同發酵層沼液總氮均數兩兩比較，結果見表3。從表3 中可知，進樣口（即取樣口為0）中沼液總氮與其他不同層取樣口中沼液總氮在不同的子集內，說明進樣口中沼液總氮含量高于其他取樣口。

表3 不同層沼液總氮均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.3 沼液中總有機碳含量分析

水中總有機碳含量反映了水體中有機物污染的程度。對不同層、不同發酵時間沼液中有機碳含量進行檢測，結果見圖3。從圖3 可知，進水口和出水口沼液有機碳含量分別為939.50、320.55 mg/L。

圖3 不同層、不同發酵時間沼液總有機碳含量

對不同發酵層、不同發酵時間沼液中有機碳含量進行方差分析，結果見表4。從表4 中可知，其P 值分別為0.296、0.795，均大于0.05，不同發酵時間、不同層間沼液有機碳含量不存在顯著差異。

表4 不同層、不同發酵時間對沼液中總有機碳方差分析結果

相同發酵層、不同發酵時間沼液有機碳均數兩兩比較，結果見表5。從表5 中可知，發酵0 h 時即進樣口樣品中沼液有機碳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有機碳含量明顯下降。

表5 不同發酵時間沼液總有機碳均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發酵時間、不同發酵層沼液有機碳均數兩兩比較，結果見表6。從中可知，進樣口（即取樣口為0）沼液有機碳與其他不同發酵層取樣口沼液有機碳在不同的子集內，說明進樣口沼液有機碳含量高于其他取樣口。

表6 不同層沼液總有機碳均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.4 沼液中碳氮比分析

沼氣池發酵原料碳氮比等是影響沼氣發酵的重要因素［20］。鄭曉偉等［22］在餐廚垃圾厭氧發酵試驗中，碳氮比對餐廚垃圾干式厭氧發酵啟動和產氣效率有顯著的影響。本試驗對不同發酵層、不同發酵時間沼液中碳氮比進行檢測分析，結果見圖4。從圖4 中可知，進水口和出水口沼液碳氮比分別為1.70、1.03。經沼氣池發酵后，沼液碳氮比下降，沼氣池中的碳氮比基本上低于進樣中的含量。對其進行方差分析，結果見表7。從表7 中可知，不同發酵時間沼液碳氮比不存在顯著差異（P=0.218＞0.05），不同層間沼液碳氮比呈極顯著差異（P=0.002＜0.01）。

表7 不同層、不同發酵時間對沼液中碳氮比方差分析結果

圖4 不同層、不同發酵時間沼液碳氮比

相同發酵層、不同發酵時間沼液碳氮比均數兩兩比較結果見表8。從表8 中可知，發酵0 h 時即進樣口樣品中沼液碳氮比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碳氮比下降。

表8 不同發酵時間沼液碳氮比均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發酵時間、不同發酵層沼液碳氮比均數兩兩比較結果見表9。從中可知，進樣口（即取樣口為0）中沼液碳氮比在3子集內，沼氣池7、3、4、8 層中取的沼液樣中碳氮比在子集2內，3、4、8、2、1、6、5 及出樣口（即取樣口為9）沼液樣中碳氮比在子集3 內，說明不同發酵層沼液碳氮比存在顯著差異。

表9 不同層沼液碳氮比均數的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

3 結論與討論

本試驗構建了以規模化豬場糞污為原料的上流式沼氣池厭氧發酵工藝，對上流式沼氣池中不同發酵層和不同發酵時間沼液碳氮比變化進行了研究。試驗結果表明，沼氣池進水口沼液pH 值為6.39、總氮含量為552.50 mg/L、有機碳含量為939.50 mg/L、碳氮比為1.70，經沼氣池發酵后，沼液pH 值上升，總氮含量、有機碳含量、碳氮比均減少，出水口沼液樣品pH值為7.70、總氮含量為322.00 mg/L、有機碳含量為320.55 mg/L、碳氮比為1.03。相同發酵時間、不同發酵層的沼液總氮含量、有機碳含量均不存在顯著差異，沼液碳氮比呈顯著差異。相同發酵層、不同發酵時間的沼液總氮含量、有機碳含量均不存在顯著差異，碳氮比呈顯著差異。

經測試分析沼氣池出口豬糞便污水BOD5和CODCr，可計算得知沼液可生化性指標BOD5/CODCr為0.61，說明糞便污水經過上流式沼氣池厭氧發酵處理后，沼液中有機質是易于生物降解的，但是由于碳氮比過低，導致沼液可生化性較差。因此，在下一步好氧深度處理系統中，可以通過增加碳源或者應用短程硝化、同步硝化反硝化等節碳脫氮新污水處理技術，使糞污進一步得到處理以及資源化利用。