不同贮存条件对沼液成分的影响

刘庆玉， 李晓娟， 翟建宇， 张 敏

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳 110161)

不同贮存条件对沼液成分的影响

刘庆玉， 李晓娟， 翟建宇， 张 敏

(沈阳农业大学 工程学院， 沈阳 110161)

厌氧发酵之后产生的沼液营养丰富，可以作为植物的液体肥料，但沼液在不同的贮存条件下，其特性会发生变化。文章研究了温度、光照条件、氧气含量和贮存时间对沼液成分的影响，分析影响因素的主次，确定最优工艺。试验结果表明： 1)同原沼液相比，所有贮存条件下总氮和速效氮含量均呈下降趋势。 2)所有贮存条件下总磷含量逐渐下降，而沼液的速效磷含量在温度15℃，遮光自然条件贮存20天时升高，达到30.25 mg·L-1，在其他贮存条件下，沼液的速效磷含量降低。3)经过一定的贮存条件可有效降低沼液中氨氮含量。4)影响沼液中氮磷含量的因素从主到次为温度、氧气含量、贮存时间、光照条件，当温度为-10℃，在自然光照条件下贮存20天为最佳工艺条件。5)影响沼液中氨氮含量的因素从主到次为氧气含量、温度、贮存时间和光照条件，当温度为30℃，在自然光照条件下贮存30天为最优工艺参数。这对分析不同贮存条件下沼液的成分变化具有一定指导作用。

贮存条件； 沼液组分； 氮磷； 氨氮

近几年来，我国大中型沼气工程发展迅猛，据统计，从2005年到2009年底，我国大型工程从860处增长到3717处，中型工程从2677处增长到18853处, 增长迅猛，截至2010年，沼气工程已接近50000处，沼气年产量为155亿m3[1]。从营养成分方面看，沼液[2]中含有大量的氮、磷、钾元素，除此之外，还包含许多有机酸、氨基酸等有机物[3]，更重要的是这些物质大部分可溶，能促进植物生长，因此沼液可作为植物的速效肥[4-5]。但沼液中也含有许多有害物质，COD(化学需氧量)，氨氮，BOD(生化需氧量)含量高，重金属(如汞、铬、镉、砷、铅)易沉降。段然等[6]对辽宁省昌图县的连续施用沼肥6 a的土壤进行测定,结果发现土壤中Cu，Zn含量虽未超标,但其含量却分别上升49.6%和26.3%,远高于对照土壤。

然而，不同贮存条件会使沼液里的物质间发生不同种类、不同程度的化学反应，使沼液里产生不同含量、不同种类的物质，从而改变沼液特性，使其能够发挥不同的作用[7-9]。目前为止，国内外关于不同贮存条件对沼液中营养物质的影响研究甚少。因此确定不同贮存条件对沼液成分的影响具有重要意义。周海柱[10]等研究了露天自然堆储、露天自然堆储加遮雨棚和储粪池加盖堆储三种堆储方式对牛粪中氮磷的含量变化的影响，提出不同的贮存条件对牛粪中氮磷含量确有影响。

笔者研究在对影响沼液成分的单因素试验分析基础上，以温度、光照条件、氧气含量和贮存时间为主要影响因素，进行正交试验，进一步优化工艺参数，以期确定适合贮存沼液的最佳工艺参数。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验沼液取自辽宁省沈阳市某沼气工程，将取来的沼液静置后过滤，先分取2个样品，分别测定沼液中的氮磷钾和氨氮含量，取平均值。

1.2 试验方案

以沼液中的总氮、速效氮、总磷、速效磷和氨氮含量为试验指标，研究温度(因素A)、贮存时间(因素B)、光照条件(因素C)和氧气含量(因素D)对沼液成分的影响。本试验前期为了确定不同因素对沼液成分的影响，分别对温度、贮存时间、光照条件和氧气含量4个因素进行了单因素试验，测定过程中沼液成分的变化。

此基础上，综合温度、光照条件、氧气含量和贮存时间这4个因素进行正交试验，将取来的沼液分取18个样品，按照正交试验方案表(见表2)分别在9种不同的条件下贮存，每组条件下设置一组平行试验，在试验结束后，分别测定沼液中氮磷、氨氮含量。表1为正交试验的因素水平表，表2为试验方案表。(因光照条件为2水平，故采用拟水平。)

表1 因素水平表

表2 试验方案表

2 结果与分析

2.1 不同贮存条件对沼液中总氮、速效氮和氨氮含量的影响

沼液在不同贮存过程中，总氮、速效氮和氨氮含量变化(原沼液试验序号设置为0)及变化率(与原沼液相比，+表示增加，-表示减少)见表3。

图1 不同贮存条件下沼液的总氮、速效氮和氨氮含量

贮存过程中虽然是有机物质的分化降解过程，但同时也伴随着比较明显的硝化反应[11-13]。由图1可知，同原沼液相比，各贮存条件下的沼液中总氮含量均呈现下降的趋势。试验号7含量最低，为132 mg·L-1。对比9组数据，试验号7，8和9下降幅度最大，分别下降了79.7%，69.1%和41.6%，可能原因是这3组贮存温度较高，有机物分解迅速，造成总氮的大量消耗。

同原沼液相比，各贮存条件下的速效氮含量呈下降趋势，试验号5的速效氮含量最多，为48.0 mg·L-1；试验号7的速效氮含量最少，为11.2 mg·L-1，下降了77.6%。 试验号7，8，9的速效氮含量下降幅度较大，分别下降了77.6%，50.7%和41.9%；试验号4，5和6速效氮含量下降幅度较小，分别下降了8.2%，4.2%和19.4%。

氨氮对厌氧微生物的生长有刺激和抑制之分，不同的微生物对氨氮的抑制作用是不同的[14-16]。从图1中可知，沼液经过一定条件下的贮存，可降低沼液中的氨氮含量。其中试验号9氨氮含量最少，为561.2 mg·L-1，下降了31.6%。试验号2，6，7这3组氨氮含量均升高，可能原因是这3组沼液均处于厌氧条件，甲烷菌厌氧消化，将一部分含氮有机物降解为氨氮，导致氨氮含量的增加。

2.2 不同贮存条件对沼液中总磷、速效磷含量的影响

由图2可知，总体来说，同原沼液相比，各试验组总磷含量呈现下降的趋势。试验号4，5和6下降幅度较小，分别下降了22.3%，12.0%和26.1%；试验号7，8，9下降幅度最大，分别下降了67.3%，51.1%和56.3%。下降幅度不同的原因可能跟贮存温度有关，当贮存条件为30℃时，微生物活性较好，极大得消耗了沼液中的营养元素。比较试验号7，8和9，可以看出当贮存条件为厌氧条件时，总磷含量下降幅度较大。

同原沼液相比，试验1的速效磷含量升高，达到30.25 mg·L-1，其他试验组速效磷含量下降；试验8的速效磷含量最低，为0.35 mg·L-1。出现这种原因的可能是：沼液中的有机物质还没被分解，降解的有机酸含量也较少，尚不能快速地溶解无机磷。

图2 不同贮存条件下沼液的总磷、速效磷含量

2.3 不同贮存条件下沼液指标的极差分析

从表3和表4的各指标的极差分析结果来看，影响沼液中氮磷含量的因素从主到次是温度、氧气含量、贮存时间、光照条件。对于沼液中营养成分的最优工艺参数为A2D1B1C2，即当温度为-10℃，在自然光照条件下贮存20天。影响沼液中氨氮的因素从主到次是氧气含量、温度、贮存时间和光照条件，最优工艺参数为D1A3B3C2，即当温度为30℃，在自然光照条件下贮存30天。

表3 钾、氨氮试验结果分析 (mg·L-1)

表4 氮磷试验结果分析 (mg·L-1)

3 结论

笔者研究中将沼液置于不同条件下贮存，分析沼液的成分变化。从数据可以看出：

(1)与原沼液相比，在不同的贮存条件下，沼液中的总氮和速效氮含量逐渐减少，当沼液在30℃，遮光厌氧条件下贮存20天时达最低值，分别为132 mg·L-1，11.2 mg·L-1，分别下降79.7%和77.6%。

(2)沼液的总磷含量逐渐下降，当沼液在30℃，遮光厌氧条件下贮存20天时总磷含量最低，为301 mg·L-1。沼液的速效磷含量在15℃，遮光自然条件贮存20天时升高，达到30.25 mg·L-1，在其他贮存条件下，沼液的速效磷含量降低。当温度为30℃，遮光好氧条件贮存20天时速效磷含量最低，为0.35 mg·L-1，下降了97.1%。

(3)通过不同条件的贮存，沼液中的氨氮有害物均可一定程度上达到降解。当温度为30℃，遮光厌氧条件贮存下20天时，氨氮含量升高，达902.8 mg·L-1，增加了10%。当温度为30℃，光照自然条件下贮存30天时，氨氮含量最少，为561.2 mg·L-1，下降了31.6%。

(4)综合沼液中营养成分和氨氮含量，温度和贮存条件是主要影响因素，而贮存时间和光照条件则是次要影响因素。可以看出温度较高时，有机物分解迅速，造成营养元素的大量消耗，导致总氮、总磷、速效磷的快速下降。

[1] 田宜水.2013年中国农村能源发展现状与趋势[J].中国能源,2014,36(8):10-14.

[2] 王月霞.沼液农田消解利用技术及其土壤环境效应研究[D].杭州：浙江师范大学,2010:16-18.

[3] GB 18596—2001 畜禽养殖业污染物排放标准[S].

[4] Qin w, Egolfopouos F N, Tsotsis TT. Fundamental andenvironmental aspects of land 6ll gas utilization for power generation [J].Chemical Engineering Journal, 2001,82:157-172.

[5] 李尧琴,杨丽军,张乃华.养猪场沼液重金属含量及安全性分析[J].农业环境与发展, 2012(3):106-108.

[6] 段 然,王 刚,杨世琦,等.沼肥对农田土壤的潜在污染分析[J].吉林农业大学学报,2008,30(3):312-313.

[7] 陈小华，朱洪光. 农作物秸秆产沼气研究进展与展望[J]. 农业工程学报，2007，23(3): 279-283.

[8] 靳红梅，付广青，常志州，等. 猪、奶牛粪厌氧发酵中 Pb 的形态转化及其分布特征[J]. 农业工程学报，2013，29(22)：218-225.

[9] Carney K N, Rodgers M, et al. Treatment of separated piggery anaerobic digest liquid using woodchip biofilters [J].Environmental Technology,2013, 34(5):663-670.

[10] 周海柱，王 军，张 涛，等, 不同堆储方式对牛粪中氮磷含量变化的影响[J]. 农业环境与发展,2012(3):106-108.

[11] 陕西师范大学化学系分析化学教研室，陕西省农林科学院分析室. 农业化学常用分析方法[M]. 西安：陕西科学技术出版社，1980

[12] B Beck Fris，S Smart.Gaseous emissions carbon dioxide， ammonia and nitrous oxide from waste in a compost reactor under different temperature regimes[J].Agric Engny Res，2001，78(4):423-430.

[13] 于群英.不同有机肥料对土壤有机磷组分的影响[J].安徽农业科学，2003，31(004)：540-541

[14] 文方芳.有机结合态磷肥研制与有效性研究[D].北京:中国农业科学院,2009.

[15] Marcato E，Pinelli E，Cecchi M，et al. Bioavailability of Cuand Zn in raw and anaerobically digested pig slurry [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2009, 72: 1538-1544.

[16] Mantylahti V, Laakso P. Arsenic and heavy metal concentrations in agricultural soils in South Savo province[J]. Agricultural and Food Science in Finland, 2002 (11)，285-300.

Influence of Different Storage Conditions on Biogas Slurry Composition /

LIU Qing-yu, LI Xiao-juan，ZHAI Jian-yu, ZHANG Min /

(Engineering College, Shenyang Agricultural University， Shenyang 110161, China)

The biogas slurry produced by anaerobic fermentation has lot of nutrition, can be a liquid fertilizer for plants, but its properties changes with storage conditions. This paper studied the influence of temperature, light conditions, oxygen content and storage period on the composition of biogas slurry, analyzed the primary and secondary factors, and determined the optimal conditions. The results showed that: 1) Compared with the original biogas slurry, the total nitrogen and available nitrogen content showed a trend of decline for all tested storage conditions. 2) The total phosphorus content of the biogas slurry presented a downward trend for all tested storage conditions, but the available phosphorus content was rising to 30.25 mg·L-1at condition of 15 ℃, 20 days storage of natural shading. 3) After a storing under all tested conditions, the ammonia nitrogen content could be effectively reduced in the biogas slurry. 4) The influence factors on nitrogen and phosphorus content from main to secondary were: temperature, oxygen content, storage period, light conditions. At the temperature of -10℃, storage of 20 days under natural light was the optimum. 5) The influence factors on ammonia nitrogen content from main to secondary were: oxygen content, temperature, storage time, light conditions. At the temperature of 30 ℃, storage of 30 days under natural light was the optimum.

storage conditions; biogas slurry composition; nitrogen and phosphorus; ammonia nitrogen

2016-05-11

2016-10-25

项目来源： 国家自然科学基金青年科学基金项目(31400442)

刘庆玉(1967-)，男，教授，主要从事可再生能源开发与利用方面的研究工作，E-mail：qyliu@126.com 通信作者： 张 敏，E-mail：minzhang412@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)01-0063-04