牛粪与秸秆干法厌氧发酵体系中含固率对产气及造肥的影响

文/王 菲 鲁 琳 刘克锋 王顺利，3

（1农业农村部华北都市农业重点实验室；2 北京农学院动物科学技术学院；3 北京农学院生物与资源环境学院）

我国既是农业大国又是人口大国，伴随社会经济的繁荣和居民生活水平的提高，各类农产品的需求量不断增大，农业产业结构相应调整。近年来畜牧养殖业和种植业发展迅猛，随之产生大量的畜禽粪便、各类秸秆及废弃果蔬等农业固体废弃物。这些农业固体废弃物堆积、腐烂、变质成为环境重要的污染源。目前，我国农业固体废弃物的同比增长速率达到5%～10%，预测到2020年，我国的农业固体废弃物将超过500 亿吨[1，2]。到2016年为止，我国的畜禽粪污年产量达38 亿余吨，但其综合利用率却不到60%[3]。循环式发展成为畜牧行业发展的必然趋势。

利用厌氧发酵技术处理畜禽粪便不仅处理成本较低，而且同时达到了治理污染、保护环境和废弃物资源化的三重效果，在环境、经济、能源、社会等诸多方面具有优异效益[4]。干法厌氧发酵是在含固率20%～50%条件下对底物进行厌氧发酵，与传统的湿法厌氧发酵相比，最大的优势在于进料需水量低，臭气排放少且产物无沼液，不存在二次污染。因此，干法厌氧发酵成为目前厌氧发酵领域的一大热点。

在干法厌氧发酵工艺中，物料的总固体（TS）含量对有机物的降解有显著影响。刘晓风等[5]研究表明，TS在间歇式反应器中超过40%时会使TS和挥发性固体（VS）降解率开始下降。曲静霞[6]在进行农业废弃物干法厌氧发酵时调整TS为20%，结果显示产气效果良好。对于连续式反应器而言，在一定条件下，总固体含量过高，含水率过低，则会导致有机酸过量积累，从而使产气停止或产气量降低[7]。

本试验以牛粪处理为目标，研究了牛粪与秸秆干法厌氧发酵过程中，物料的含固率对产气与造肥的影响，并筛选出适宜的含固率条件，为后续利用大型发酵罐进行生产提供可靠的工艺参数。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料 [8，9]

试验所用牛粪取自北京市回龙观北郊农场畜牧5队。玉米秸秆作为辅料，取自北京农学院试验田，粉碎至粒径小于2 mm。其中牛粪的总固形物含量为30.7%，总氮含量为3.31%，总碳含量为36.64%，碳氮比（C/N）为11.07；玉米秸秆的总固形物含量为92.5%，总氮含量为1.96%，总碳含量为87.65%，C/N为44.72。

试验所用的接种物取自北京市北郎中种猪场三期沼气工程中温发酵产生的沼液。收集沼液为粪污水经过上流式厌氧污泥床反应器厌氧发酵15～20 天后沼气场的新鲜沼液。沼液的化学需氧量（COD）为728 mg/L，总氮含量为0.56%。

1.2 试验装置

试验所用发酵装置为自行连接密封[8，9]。采用2.5 L广口瓶3 个，分别作为发酵瓶、集气瓶及集水瓶，相互之间以乳胶管连接，瓶口及连接处利用热熔胶和胶带密封固定，使用前进行漏气检测，以保证试验装置的密封性。将发酵瓶放置于恒温水浴锅中。见图1。

1.3 试验方法

将粉碎的玉米秸秆碎屑加蒸馏水调节含水率至60%，放于温室中自然堆沤15 天，堆沤温度保持在27～32 ℃，每2 天翻堆1 次，同时测量含水率，适当补充水分。堆沤好的秸秆与牛粪混合，调整物料的C/N为25。每个处理添加新鲜沼液为接种物量，添加量为总重量的30%。共计4 个处理，分别调整物料的含固率为10%、15%、20%和25%（分别标记为W1、W2、W3、W4）。每个处理设3 个重复。将发酵瓶放置于恒温水浴锅中维持瓶内温度35～38 ℃，进行厌氧发酵试验。发酵时间为30 天。发酵过程中每24 h记录1 次产气量，初始5 天每天测量甲烷含量，之后每3 天测量1 次甲烷含量。发酵结束后，样品放至阴凉通风处自然风干，风干后样品粉碎，过20 目筛，封存待测。

1.4 测量指标及方法

1.4.1 产气指标分析

日产气量采用排水集气法，排出的饱和食盐水体积即为每天产生的气体体积。日产气甲烷体积分数测定采用气相色谱法，用Hewlett-Packard 5890 series II 气相色谱仪测定[10]。

1.4.2 沼渣分析

有机碳含量采用灼烧法测定。全氮、全磷和全钾的含量按照中华人民共和国农业行业标准NY525—2012测定。样品经H2SO4-H2O2联合消煮后，利用凯氏定氮仪测定全氮含量，利用钒钼黄比色法分光光度计测定全磷含量，利用火焰光度计测定全钾含量。种子发芽指数（GI）的测定参考文献[11]中的方法。

图1 实验室干法厌氧发酵装置

2 试验结果

2.1 不同含固率对产气特性的影响

2.1.1 不同含固率对日产气量的影响

不同处理的日产气量变化如图2所示。所有的处理在试验过程中均产生了沼气，并且具有明显的3 次产气高峰。从产气速度来看，初始阶段，即第1～4天，出现第一个产气高峰，各处理产气情况相似。第二阶段，从第4～14天，产气情况出现第二个升降过程，其中W1、W2、W3都在第8天达到第二次产气高峰，日产气量分别达到640 mL、580 mL、540 mL，而W4在第9天达到此次对应的产气高峰，日产气量较前三个处理少，仅为480 mL。第三阶段，即各处理在第14天到达产气低谷后，开始出现第三次产气量上升和下降过程。此阶段持续时间较长，各处理都在第21天到达产气高峰，其中W3的日产气量最高达到890 mL，而W1、W2和W4的日产气量分别达到了760 mL 、780 mL和590 mL。从产气稳定性来看，W4日产气量最少，也最稳定，其他三个处理在发酵过程中日产气量波动较大。从产气时长来看，各处理都超过30 天。

2.1.2 不同含固率对累积产气量的影响

图2 不同含固率处理的日产气量变化

图3 不同含固率累积产气量随时间的变化特征

不同处理的累积产气量如图3所示。由图3可看出，累积产气量大小顺序为： W3＞W1＞W2＞W4。W4累积产气量最少为13 450 mL。W3处理累积产气量最多，达到16 650 mL，约是W4的1.24倍。其次是W1的处理，累积产气量达到16 390 mL，与W3最接近，为W4的1.22 倍。W1在前期保持较高的产气量，但是后期W3日产气量增长幅度较大，使总产气量多过W1。W4产气启动较慢，且日产气量一直较少，因此累积产气量最少。

W1产气量较高与其有足够的水分含量有关，90%的含水率可以算得上半湿法发酵，此条件下，发酵瓶中有相当数量的沼液，反应物整体呈液态，每次摇晃发酵瓶时，反应物更容易得到充分混匀，促进物质流动，且在发酵过程中，较多水分也使热量传输和微生物转移更容易发生[11]。而W2、W3、W4的含水率较低，W2反应物整体呈较浓稠泥状，W3和W4为较湿润固体。W2的浓稠程度决定了其产期初期产酸和产CO2菌的发酵产物不能很好地扩散和对流，从而影响了后期产甲烷菌的活性和产量[12]。与之相比，W4则是因为含水率太低，反应物间接触较少，人为晃动发酵瓶对物质搅动的效果也被削减，非常不利于菌种扩散和繁殖，从而导致从始至终整体产气量一直较低。而W3的水分含量使其反应物保持着较松散的湿润状态，晃动发酵瓶时反应物较容易因碰撞发生位置交换，从而达到类似搅拌效果的目的[13]。比W2处理的含水率使厌氧菌的发酵产物更容易在空隙间交换，并释放出来，因此产气效果较其他处理都好。

不同含固率的产气量情况如表1所示。W1、W2、W3都在第25天时累计产气量达到了总产气量的80%，W4在第26天时达到。四个处理间相差不大。从图2及表1中都可看出，W4产气高峰期较迟，这在生产中会对经济效益有一定影响，如何把产气高峰期提前也是需要后续研究的内容。在本研究条件下，从日产气量及累积产气量来看，W3处理是最佳的含固率条件。

2.1.3 不同含固率对甲烷含量的影响

不同含固率处理在产气过程中的甲烷含量变化如图4所示。由图4可看出，在发酵运行的30 天内，各个处理的甲烷含量均与日产气量三个阶段有一定相关性，处理不同，其波动幅度不同。第一个阶段，是甲烷浓度快速提高，各处理在第3～4 天达到第一个小高峰，W3的甲烷含量初始高峰最高；第二阶段和第三阶段，各处理的甲烷含量有一个或多个升高又降低的过程。所有处理中，W2和W3在第5天甲烷含量超过50%后，波动相对较小，基本能维持在55%，甚至60%以上。而W4在第5天和第19天有两个甲烷含量高峰，W1则是在第11天和第28天有两个甲烷含量高峰，都达到约80%，但其过程中甲烷含量波动较大，甚至在第17天都跌至小于50%的程度。

表1 不同含固率牛粪中温干法厌氧发酵产气情况

图4 不同含固率产气中甲烷含量变化特征

发酵过程中甲烷含量影响到整体产气质量，如W2和W3这样整体较平稳且有较高甲烷比例的处理在生产中才更加实用。W4会出现甲烷含量忽高忽低应该与发酵物料不均匀，造成局部反应有关，且低含水率也会使发酵反应过程中氨态氮和挥发酸积累得过多，抑制甲烷菌的繁殖和代谢速率[14]。

2.2 不同含固率对沼渣特性的影响

2.2.1 种子发芽指数（GI）

本试验中所有处理的沼渣，其种子发芽指数均达到了80%以上（表2）。该结果说明在本研究条件下，所有处理在干法厌氧发酵30 天之后，其沼渣对植物生长来说均不会产生不良影响。

2.2.2 沼渣的总养分含量与碳氮比

沼渣中的总碳及总氮含量如表2所示。沼渣中总碳与含固率之间并无对应变化关系。其中W3沼渣中的总碳含量最低，为51.57%；W2沼渣中的总碳含量最高，为55.71%。经方差分析并进行多重比较后，四个处理在0.05水平上有差异，但在0.01水平上没有显著差异。差异的形成应该与产气时碳含量随气体释放流失有关。沼渣中总氮含量，W2最高，为4.23%，而W4最低，为3.94%。经过方差分析，并进行多重比较后，结果表明，处理之间均无显著差异。沼渣碳氮比没有明显规律。碳氮比与初始碳氮比相比呈下降趋势。本研究结果显示，其变化与各处理的产气量有一定相关性。本研究中W3产气量最多，理论上碳素减少更多，而其他处理碳氮比与下降与产气量不成比例，也许与产气成分差异有关。

沼渣中的总磷及总钾含量也列在表2中。沼渣中的磷含量基本没有较大数量差，W3中磷含量最高，达到1.16%；W1中磷含量最低，为1.08%。经过方差分析，并进行多重比较结果表明，各处理间存在较显著差异。

沼渣中的钾含量基本上与产气量没有较大相关性，W1中钾含量最低，为1.55%；W3中钾含量最高，为2.20%。经过方差分析，并进行多重比较结果表明，各处理间存在显著差异。

表2 不同含固率处理的沼渣养分含量及种子发芽指数特征

所有处理的总养分含量都高于农业行业标准NY525—2012《有机肥料》中规定有机肥总养分含量“≥5%”的标准，都有作为有机肥的营养价值。各个处理沼渣中养分含量从高到低依次是：W2＞W3＞W4＞W1。

3 结论

在本试验条件下，物料的含固率不同，其产气量和产气质量存在差异。物料含固率20%时，产气量最多，同时甲烷含量相对较高。在生产中可依据需要调节物料中水的添加量，在保证发酵产气质量的同时，减少沼液的产生。在本试验条件下，干法厌氧发酵处理后的沼渣，其有机质质量分数和总养分含量都大于农业行业标准NY525—2012中对有机肥料的要求，并且经过生物学方法检测，沼渣均对于种子发芽没有毒性作用。因此其干法发酵处理后的沼渣均具有作为有机肥应用的潜力。

综合产气及沼渣两方面结果，兼顾产气效率和减少沼液污染，推荐牛粪与秸秆干法厌氧发酵体系中含固率保持在20%，能获得较高的产气量和产气质量，且发酵后的沼渣可用于有机肥使用。