攪拌頻率對液體糞污氮養分變化規律的影響

摘 要：為解決我國中小規模養殖場液體糞污發酵效果差、氨氣排放多、養分損失大等問題，基于液體糞污回流攪拌技術，探索不同攪拌頻率對液體糞污貯存過程中氮養分變化的影響。試驗設有4組處理，分別為CK（靜置貯存）、T1（3 d進行一次回流攪拌）、T2（6 d進行一次回流攪拌）、T3（9 d進行一次回流攪拌），對液體糞污貯存過程中pH值、電導率（EC）、氨氣排放量與氮養分（總氮、銨態氮、硝態氮、亞硝態氮、有機氮質量濃度）等指標變化規律進行研究。結果表明：T2處理相較于其他處理，對氨氣減排能力更佳，且在氮素固持方面效果更好。攪拌處理液體糞污提高了液體糞污貯存效果，在氨氣減排與氮素固持方面更具優勢，為液體糞污貯存技術的發展和應用提供了理論支撐。

關鍵詞：液體糞污；貯存發酵；試驗研究

中圖分類號：X713 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）4-146-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.04.033

0 引言

近年來，在國家政策的大力支持下，我國畜牧業取得長足發展，規?；⒓s化和現代化養殖場（戶）不斷增加［1］。養殖規模逐年擴大，隨之帶來的是糞污排放量快速增加及愈發嚴峻的環境污染問題［2-3］?！笆濉睍r期，我國每年產生的畜禽糞污總量達到30.5億t［4］，其中糞水產生量超過糞污總量的50%［5］。而液體糞污具有養分含量低、就地消納難、運輸成本高等缺點，如果不妥善處理，會引發面源污染，對環境治理產生較大風險［6］。

目前，我國規模化養殖場所使用的液體糞污貯存設施主要有舍內貯存池、舍外貯存罐、密閉貯存囊和氧化塘等［7］。這類設施存在底部沉積物難以清理、貯存發酵效果差、占用建設用地、臭氣排放量大等問題，且因缺乏標準化管理，時常出現發酵不徹底造成的肥料燒苗現象［8］。在液體糞污處理設備研制方面，不同類型的厭氧反應器在該領域的應用較為普遍，其中外循環厭氧反應器是一種常用于處理有機液體廢物的高效生物處理設備［9］。錢煥江等［10］設計了一款新型外循環（OC）厭氧反應器，通過更改回流比對反應器水力特性及流態進行分析，發現裝置下段混合效果較好，流體流動較劇烈，裝置上段流體則較為平緩。宿程遠等［11］對所設計的新型雙循環厭氧反應器進行水力特性研究，發現裝置內雙循環模式可以增加內部流體的混合效果，第二階段相比于第一階段趨近推流式。Luo 等［12］基于水力循環作用的內循環厭氧反應器對處理高有機負荷率廢水的性能、動力學行為及微生物群落進行了研究，發現該類型反應器可去除85%的COD，而取消外循環作用會導致COD去除率低于60%且不穩定。目前，該類型裝置的研究多應用于處理低濃度廢水，而學者對應用此類裝置處理養殖業液體糞污的研究相對較少。

筆者以某養豬場液體糞污為試驗材料，分析不同攪拌頻率對液體糞污貯存過程中氮養分變化規律的影響，以期為液體糞污的資源化利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用糞污為北京市順義區某養豬場水泡糞工藝的全量液體糞污，其理化性質見表1。

1.2 試驗裝置

液體糞污一體化貯存試驗裝置如圖1所示。

1.3 試驗方案

為研究不同攪拌頻率下裝置的最優工藝，在150 L貯存罐內進行試驗，共設計4個處理，分別為CK（靜置貯存）、T1（3 d進行一次回流攪拌）、T2（6 d進行一次回流攪拌）、T3（9 d進行一次回流攪拌），每次攪拌時間為10 min。分別于貯存第0天、第9天、第18天、第27天、第36天、第45天、第54天、第63天采樣，回流攪拌完成后，由采樣口取出50 mL均質樣品，重復3次。對貯存過程中糞污的pH值、電導率（EC）、總氮（TN）質量濃度、銨態氮（NH4+-N）質量濃度、硝態氮（NO3--N）質量濃度、亞硝態氮（NO2--N）質量濃度和有機氮（ON）質量濃度的變化趨勢及氨氣（NH3）排放情況進行分析。

1.4 主要儀器

上海雷磁PHS-3C型pH計（上海儀電科學儀器有限公司），筆式電導率儀SX-650（上海三信儀表廠）。

1.5 分析方法

pH值采用pH計進行測定，EC值采用筆式電導率儀進行測定，TN質量濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進行測定，NH4+-N質量濃度采用納氏試劑法進行測定，NO3--N質量濃度采用紫外分光光度法進行測定，NO2--N質量濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法進行測定，ON質量濃度采用插值法進行計算，NH3排放量采用納氏試劑分光光度法進行測定。

2 驗證試驗

2.1 pH值變化

貯存期間糞水各階段pH值變化情況如圖2所示。由圖2可以看出，CK處理的pH值整體呈上升趨勢，而T1、T2、T3處理的pH值整體呈現下降趨勢。T1、T2、T3處理的pH值要低于CK組，這可能是因為在糞污貯存期間，回流攪拌使糞污中微生物大量繁殖，促使有機物快速降解產生有機酸，降低了糞污的pH值［13］。在貯存后期，各處理的pH值變化趨于穩定，其范圍為7.19～7.87。參考《沼肥》（NY/T 2596—2014）［14］，沼液肥施用的pH值為5～8。

2.2 EC值變化

EC值是反映糞污鹽分的直接指標，糞污鹽分含量越多，對應EC值越大。在試驗過程中，糞水各階段EC值變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，所有處理組EC值整體均呈下降趨勢，且T1、T2、T3處理的EC值遠低于CK處理。這說明經過回流攪拌的糞水的含鹽量要少于靜置貯存處理，故回流攪拌對減少其含鹽量具有一定效果。

2.3 氨氣排放量變化

NH3是糞污貯存中造成環境污染的重要因素。在貯存過程中，糞污排放NH3過多［15］，會導致其氮素減少［16］。氨氣排放量變化曲線如圖4所示。由圖4可知，CK組頂部空氣中NH3排放量為1 542 mg·m-3，T1、T2、T3處理糞水上層空氣中NH3排放量分別為646.15、521.45、593.48 mg·m-3。與CK組相比，T1、T2、T3組可分別減少糞水初始階段58.09%、66.18%、61.51%的NH3 排放。試驗結果表明，糞水經過回流攪拌處理對NH3的減排效果要明顯高于CK處理，各處理NH3減排速率的大小關系為T2gt;T3gt;T1gt;CK。

2.4 總氮質量濃度變化

總氮是衡量糞水養分水平的主要指標之一，降低貯存過程中TN的損耗可提高肥效，也有助于減少NH3的排放。在試驗過程中，糞水各階段TN質量濃度變化曲線如圖5所示。各處理TN質量濃度的變化趨勢相似，均呈逐漸降低的趨勢，但降低速度和幅度存在差別。貯存初期，各處理的TN質量濃度在1 445.35～1 465.91 mg·L-1；隨著試驗的進行，貯存后期各處理TN降低幅度為10.25%～29.25%。由此可以看出，回流攪拌處理的TN損失要遠低于CK處理，各處理TN降低幅度的大小關系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。這說明回流攪拌可以顯著降低糞水貯存中氮素的損失。

2.5 銨態氮質量濃度變化

NH4+-N是糞污中氮素的重要組成部分。糞污在靜置貯存過程中的NH4+-N以NH3的形態逸散在空氣中，導致EC值降低［17］。糞水中NH4+-N質量濃度占糞水初始TN質量濃度的42.44%～47.95%。分析糞污中NH4+-N的質量濃度，可以了解回流攪拌對糞污中NH4+-N質量濃度的影響，銨態氮質量濃度變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，各處理的NH4+-N質量濃度變化整體趨勢相似，從初始質量濃度降為564.17～588.04 mg·L-1，其降低幅度為7.02%～17.12%。在貯存前期，NH4+-N質量濃度呈下降趨勢，這可能是因為貯存前期NH3大量排放；但隨著回流攪拌處理的進行，NH3排放量降低，其底部固形物逐漸降解，故貯存后期NH4+-N質量濃度呈上升趨勢并趨于穩定［18］。

2.6 硝態氮質量濃度變化

NO3--N質量濃度過高會導致養分淋溶造成損失［19］。此試驗中的硝態氮質量濃度變化曲線如圖7所示。由圖7可知，糞污貯存過程中NO3--N質量濃度在20 mg·L-1以下，其質量濃度整體呈上升趨勢。隨貯存時間的增加，各處理NO3--N質量濃度變為12.21～18.99 mg·L-1，與貯存初期相比，上升幅度為46.11%～160.45%。而糞污中NO3--N的轉化主要與糞污中溶解氧含量和NH4+-N質量濃度有關，溶解氧含量越高，硝化細菌活性越高，糞污中的NH4+-N會通過硝化反應產生更多的NO3--N。

2.7 亞硝態氮質量濃度變化

NO2--N會使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，使血紅蛋白失去攜氧能力而造成組織缺氧，會對生態環境產生影響，且影響生物的正常活動［20-22］。亞硝態氮質量濃度變化曲線如圖8所示，各處理NO2--N質量濃度整體呈上升趨勢，貯存后期上升幅度為9.77%～84.04%。因NO2--N是硝化和反硝化過程的中間產物，所以其質量濃度變化與NO3--N質量濃度變化相似。

2.8 有機氮質量濃度變化

糞污中ON降解率是衡量其肥效的重要因素［23-25］。此試驗中的有機氮質量濃度變化曲線如圖9所示，ON質量濃度約占糞污中TN質量濃度的47%～61%。從氮素固持方面來說，ON降解越快，貯存過程中氮素消耗越多，故降低貯存過程中ON的轉化有利于保留更多養分。各處理的初始ON質量濃度范圍為749.21～839.15 mg·L-1，貯存結束時降低幅度為13.15%～43.88%。各處理ON質量濃度降低幅度的大小關系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。由此可以看出，回流攪拌對貯存過程中ON的降解有抑制效果，可保留糞污中更多的養分。

3 結論

①經回流攪拌處理的液體糞污的pH值與電導率要低于靜置貯存的液體糞污；在貯存后期，各處理pH值與電導率由低到高的順序均為T2lt;T1lt;T3lt;CK。相較于CK組處理，T1、T2、T3處理可分別減少貯存期間58.09%、66.18%、61.51%的NH3排放，證明回流攪拌處理具有較好的氨氣減排效果。

②在液體糞污貯存過程中，與CK組處理相比，T1、T2、T3處理均能降低TN損失。NH4+-N質量濃度在各處理中無顯著性差異，NO3--N和NO2--N的質量濃度降低幅度最大的是T2處理。各處理ON質量濃度降低幅度的大小關系為CKgt;T3gt;T1gt;T2。這說明回流攪拌處理有助于減少含氮有機物的礦化作用，從而減少糞污中有機態氮向無機態氮轉化，降低貯存過程中氮素的損失。

③相較于靜置貯存，回流攪拌處理在液體糞污在氨氣減排與氮素固持方面更具優勢。在各處理中，氨氣減排效果與總氮固持能力最好的是T2處理，其貯存發酵效果最佳。因此，在液體糞污處理中宜選擇6 d進行一次回流攪拌的頻率。

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基金項目：農業農村部重點實驗室開放課題（KLTMCUAR2022-1）。

作者簡介：曹體智（1997—），男，碩士生，研究方向：農業工程與信息技術。

通信作者：王妍瑋（1982—），女，博士，教授，碩士生導師，研究方向：農業工程與信息技術。