不同季节自然存放条件下牛场沼液成分变化

袁佳艺，介彦文，边贺颖，郑珊珊，蒋韵，石利军

不同季节自然存放条件下牛场沼液成分变化

袁佳艺，介彦文，边贺颖，郑珊珊，蒋韵，石利军通信作者

（天津农学院 农学与资源环境学院，天津 300392）

以牛场沼液为研究对象，考察不同季节自然存放条件下沼液成分的变化。结果表明：自然存放条件下温度对沼液成分变化有重要影响，相比于秋冬季（10月至次年1月），夏季（6—9月）COD降解较快，在初始COD质量浓度为6 975 mg/L的条件下，60 d时COD质量浓度降至3 158 mg/L并趋于稳定，降解率达到54.7%，而秋冬季60 d后COD降解率只有27.0%；不同季节沼液中速效养分NH4+-N、PO43--P质量浓度都逐渐降低且降低率大体相同，夏季自然存放60 d时，NH4+-N、PO43--P的降低率分别为27.5%和55.4%，而秋冬季降低率分别为26.5%和49.1%。本研究结果可为牛粪沼液还田的实际应用提供了参考。

沼液；自然存放；温度；成分变化

沼液是发酵产沼气后残留的液体，含有氮、磷、钾等常量营养元素和钙、铁、铜、锌、锰等微量营养元素，还含有氨基酸、B族维生素、各种水解酶、某些植物激素等[1-2]。目前，沼液处理方式主要有还田利用型和达标治理型两种[3-4]。无害化处理后的沼液可用于灌溉，或者作为肥料施用。一方面可以充分利用沼液中含有的营养物质实现资源经济高效利用，减少化肥施用以节约成本；另一方面施用沼液可以改善土壤结构、提高农产品品质，并减少化肥施用对环境的负面因素影响[5-7]。沼液还田有多种方式，可作为灌溉用水，也常常以叶面肥、追肥的方式被施用[8]。

沼液的成分对还田效果有明显影响。还田时除考虑氮、磷、钾等营养成分外，有机质也是重要的参数[9]。未充分腐熟的沼液回用于农田，由于沼液中有机质的继续分解释放热量会产生烧苗现象，影响作物的正常生长[10]。自然条件下贮存可以起到降解稳定有机质的作用，有机质的降解效果、氮磷营养成分的变化和季节温度情况、贮存时间密切相关。本研究选择牛粪沼液为研究对象，考察天津地区不同季节自然存放条件下沼液COD、NH4+-N、PO43--P的变化，为实现沼液还田的实际应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 沼液

沼液取自天津市宝坻区某大型奶牛养殖场沼气罐。该养殖场存栏奶牛3 000头，有3个1 000 m3养殖厌氧中温发酵罐，粪水经固液分离后全部进入发酵罐进行厌氧发酵，发酵后产生的沼液全部进入沼液贮存池进行存放。

根据试验安排，分别于2020年5月28日和2020年10月17日进行取样，分别为夏季和秋冬季试验所用。夏季试验从2020年5月28日开始到9月28日结束，平均气温为26.6 ℃；秋冬季从2020年10月17日开始到2021年1月17日结束，平均气温为4.1 ℃。所取沼液存放于25 L的黑色塑料桶中，于常温室外避光保存，沼液颜色为黑褐色，稍有臭味，内有较多的细小悬浮物，呈浑浊状。两批沼液的pH、TS、COD、NH4+-N、PO43--P等含量如表1所示。

表1 试验沼液性质

沼液pHTS/%COD /mg∙L-1NH4+-N / mg∙L-1PO43--P /mg∙L-1 夏季沼液7.061.166 9751 81750.4 秋冬季沼液7.131.046 9571 40355.4

1.2 试验方法

为考察不同季节自然贮存条件下牛场沼液成分的变化，将两批沼液置于室外阴凉通风处，避免阳光照射。每隔10 d取样分析测试pH、COD、NH4+-N、PO43--P，并记录温度，取样前摇动贮存桶使沼液样品混合均匀，以保证所取样品的代表性。每个指标做3个平行样，所得结果取平均值。

1.3 分析指标和测定方法

分析指标包括pH、TS、COD、NH4+-N、PO43--P。测定方法：pH采用玻璃电极法，TS采用烘干法，COD采用微波密封消解法，NH4+-N和PO43--P分别采用纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法。

2 结果与分析

2.1 夏季条件下沼液成分变化

2.1.1 COD的变化情况

夏季自然贮存条件下牛场沼液COD和天气温度变化如图1所示，此期间持续了4个月，从5月28日开始到9月28日。由图1可见，最初COD质量浓度为6 975 mg/L，随着时间的延长，COD质量浓度降低较快，60 d后COD质量浓度降至 3 158 mg/L，降解率达到54.7%；此后COD质量浓度下降减缓，到120 d时质量浓度为2 766 mg/L，降解率为60.3%。此阶段正赶上一年中温度最高时候，除9月中下旬外，其他时间最低温度都在20 ℃以上，最高温度一般都在30 ℃以上，平均气温为26.6 ℃。有研究表明，由于微生物的降解作用，随着贮存时间的增加，沼液COD质量浓度逐渐降低[11]。本研究结果也符合这一规律。

图1 夏季自然贮存沼液COD质量浓度和温度随时间变化情况

2.1.2 NH4+-N和PO43--P的变化情况

夏季自然贮存条件下牛场沼液NH4+-N和PO43--P的变化情况如图2所示。

图2 夏季自然贮存沼液NH4+-N和PO43--P的变化情况

由图2可知，随着贮存时间的增加，NH4+-N和PO43--P的质量浓度随之减小。开始储存时，NH4+-N和PO43--P的质量浓度分别为1 817 mg/L和50.4 mg/L；60 d时NH4+-N、PO43--P的质量浓度为1 318 mg/L和22.5 mg/L，降低率分别为27.5%和55.4%；120 d后两者的质量浓度分别为983 mg/L和11.7 mg/L，降低率为45.9%和76.8%。和后60 d相比，前60 d沼液中NH4+-N和PO43--P质量浓度降低的更快一些，而且相比于NH4+-N，PO43--P质量浓度降低更明显。和相关文献[12]研究结果相比较，本研究中NH4+-N和PO43--P降低率相对较小。

NH4+-N和PO43--P作为沼液中氮、磷营养元素的主要速效养分[13]，在实际应用过程中希望降低率尽可能小一些。因此在保证有机物稳定的条件下，应尽可能减少沼液的自然贮存时间，本试验条件下夏季自然贮存时间不应超过60 d（2个月）。

2.2 秋冬季沼液成分的变化情况

2.2.1 秋冬季自然贮存沼液COD的变化情况

秋冬季自然贮存条件下，牛场沼液COD和天气温度变化情况如图3所示，此期间持续了90 d，从2020年10月17日开始至2021年1月17日。由图3可见，最初COD质量浓度为6 957 mg/L，随着时间的增加，COD质量浓度缓慢下降，30 d后COD质量浓度降至5 735 mg/L，降解率为 17.6%；60 d后COD质量浓度降至5 078 mg/L，降解率为27.0%；90 d后COD质量浓度降至4 625 mg/L，降解率为33.5%。此阶段正赶上天津地区降温较明显，最高温度10月17日为21 ℃，11月27日后一直低于10 ℃以下，同一时间最低温度也从9 ℃降至0 ℃以下，试验期间平均温度为4.1 ℃。

图3 秋冬季自然贮存沼液COD质量浓度和温度随时间变化情况

和夏季相比，在所取沼液初始质量浓度大体相当的条件下，秋冬季沼液COD降解速率大大降低，在储存时间都是60 d的条件下，夏季沼液COD降解率可达54.7%，而秋冬季只有27.0%。说明在自然储存条件下，温度对有机物的降解有较大影响，温度越高COD降解越快，这一结果和相关文献一致[14]。

2.2.2 秋冬季自然贮存沼液NH4+-N和PO43--P的变化情况

秋冬季自然贮存条件下牛场沼液NH4+-N和PO43--P的变化情况如图4所示。和夏季情况类似，随着贮存时间的增加，NH4+-N和PO43--P的质量浓度也随之减小，但是二者下降的幅度比夏季小。最初NH4+-N和PO43--P的质量浓度分别为1 403 mg/L和55.4 mg/L，60 d时质量浓度分别为1 031 mg/L和277 mg/L，降低率为26.5%和49.1%；90 d后两者的质量浓度分别为970 mg/L和24.8 mg/L，相比于初始质量浓度，NH4+-N和PO43--P质量浓度分别降低了31.3%和55.2%。

图4 秋冬季自然贮存沼液NH4+-N和PO43--P质量浓度的变化情况

同夏季自然贮存NH4+-N和PO43--P的降低率相比，秋冬季二者的降低率相近。秋冬季气温低，自然贮存条件下有机物降解速率缓慢，为保证有机物充分稳定沼液完全腐熟，需要较长的腐熟时间，这就造成速溶性的NH4+-N和PO43--P降低较多，不利于沼液作为肥料还田使用。

3 结论

（1）自然存放条件下，不同季节沼液成分变化不相同。和秋冬季相比，夏季沼液COD降解速率较快，在初始COD质量浓度为6 975 mg/L的条件下，60 d时COD质量浓度降至3 158 mg/L并趋于稳定，降解率达到54.7%，而秋冬季相同时间COD的降解率只有27.0%。

（2）夏季和秋冬季沼液中速效养分NH4+-N、PO43--P随着贮存时间的增加都有降低，且降低率大体相同。自然存放60 d时，夏季NH4+-N、PO43--P降低率为27.5%和55.4%，秋冬季分别为26.5%和49.1%。为尽可能保留NH4+-N和PO43--P，在保证有机物充分稳定的条件下，尽可能减少沼液的自然存放时间。

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Changes of cattle farm biogas slurry composition under natural storage conditions in different seasons

Yuan Jiayi, Jie Yanwen, Bian Heying, Zheng Shanshan, Jiang Yun, Shi LijunCorresponding Author

（College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China）

In this article cattle farm biogas slurry was used as the research object to investigate the changes of biogas slurry composition under natural storage conditions in different seasons. The results showed that the temperature has an important effect on the composition of biogas slurry under natural storage conditions. Compared with autumn and winter（from October to January of the following year）, COD degradation was faster in summer（from June to September）. When the initial COD concentration was 6 975 mg/L, the COD concentration decreased to 3 158 mg/L and tended to be stable at the end of 60 days, and the degradation rate reached 54.7%, while the COD decomposition rate was only 27.0% in autumn and winter after 60 days. The available nutrients NH4+-N and PO43--P in biogas slurry decreased in different seasons, and the decrease rates were roughly the same. The decrease rates of NH4+-N and PO43--P were 27.5% and 55.4% respectively at the end of 60 days in summer, and that of NH4+-N and PO43--P were 26.5% and 49.1% respectively 60 days later in autumn and winter. The results of this article could provide a reference for the practical application of returning the cattle farm biogas slurry to the field.

biogas slurry; natural storage; temperature; composition change

1008-5394（2023）02-0023-04

10.19640/j.cnki.jtau.2023.02.005

X713

A

2021-09-17

天津市大学生创新创业训练计划项目（202010061006）；天津市科技局项目（21ZYCGSN00090）

袁佳艺（1999—），女，本科在读，研究方向：环境科学。E-mail：1350064164@qq.com。

石利军（1970—），男，教授，博士，主要从事农业环境保护方面的研究。E-mail：shilj898@126.com。

责任编辑：宗淑萍