规模化养猪场上流式沼气池碳氮比变化分析

徐庆贤 吴晓梅 吴飞龙 叶美锋 阮传清

（1 福建省农业科学院农产品加工研究所 福建福州 350003 2 福建省农业科学院农业生物资源研究所 福建福州 350003）

随着我国养猪场集约化快速发展，带来养猪场粪污产生量的迅速增加。养猪场粪污是1 种高浓度有机污水［1-2］，但粪污处理技术相对滞后，这导致了猪场粪污成为水体重要污染源［3］。如果处理不当，会引起水体富营养化等环境问题，并对人体健康造成威胁［4］。在规模化养猪场应用沼气发酵技术［5］，不仅可以有效处理养殖废弃物，减少环境污染，而且还可以使沼气能源得到有效利用，比如集中供气为周边农户提供清洁能源等，这对于发展农业循环经济以及可再生能源利用都有重要意义［6-7］。

总氮、总磷含量等是衡量水体有机污染的主要指标，而水体中总氮、总磷的去除也是整个污水处理工程是否可以达标排放的关键影响因素。养猪场沼气工程中，沼液处理问题是沼气工程可持续发展的重要因素［8］。污水的碳氮磷比是影响传统生物脱氮除磷工艺效果的重要因素［9-10］。规模化养猪场粪污经厌氧处理后产生的沼液，其特性为高氨氮抑制微生物生长以及低碳氮比导致沼液可生化性差［11］，后续好氧深度处理效果差，污水达标排放困难［12］。同时，沼液是1 种同时拥有速效和长效肥效的微生物有机肥料［13-14］，它富含可以提高农作物生产所需要的大部分营养物质［15-16］，比如吲哚乙酸、氨基酸等。

本研究通过对上流式沼气池中不同发酵层和不同发酵时间沼液碳氮比变化进行分析，旨在为后续沼液深度处理或资源化利用奠定基础，同时为优化调整上流式沼气池运行参数提供参考。

1 材料与方法

1.1 上流式沼气池［17］

上流式沼气池建于福建省新星种猪育种有限公司建瓯市徐墩镇山边村规模化养猪场内，池体采用钢筋混凝土浇筑，并且在池内外涂刷有机玻璃钢。沼气池有效容积670 m3，水力滞留期（HRT）10 d。沼气池内安装发酵液增温系统，即采用太阳能真空面板300 m2加热铜管内循环水为发酵液加温。经过干清粪、固液分离以及酸化池预处理后，沼气池进出口猪粪便污 水CODCr分别为1 959、1234.5 mg/L，BOD5分别为1 256、752.5 mg/L。

1.2 样品采集［17］

沼液样品采集于福建省新星种猪育种有限公司上流式沼气池不同发酵层，从下到上1、2、3、4、5、6、7、8 层（1 代表离池底1 m，2 代表离池底2 m，3 代表离池底3 m，以此类推），另外，0 为进料口、9 为出料口。2017 年10 月13 日进料67 m3后0、24、48 h 取样，样品为相同发酵时间、相同发酵层3 点采集后混合为1 样品，采集样品装入干净塑料瓶中于4 ℃厌氧保存。

1.3 测试方法

pH 测定参照 《水质 pH 值的测定 玻璃电极法》（GB 6920—86）；总氮测定参照《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）；总有机碳测定参照《土壤有机碳的测定 重铬酸钾氧化-分光光度法》（HJ 615—2011）；CODCr测定参照《水和废水监测分析方法》（第三版）中重铬酸钾法；BOD5测定参照《水和废水监测分析方法》（第三版）五日生化需氧量测定方法。

1.4 数据分析

采用SPSS 17.0 数据处理系统对数据进行方差及均数比较分析。

2 结果与分析

2.1 沼液pH 变化分析

沼液pH 值对沼气产量和甲烷含量有重要的影响，它是沼气发酵中重要的影响因子。在养猪场沼气工程中，沼气发酵可适应的pH 值范围为6.0～8.0。pH 值直接或间接影响发酵液中微生物的生命活动，若发酵过程反常，pH 值也可出现异常情况［18］。pH 值能够直接反映厌氧发酵体系的稳定性。不同pH 值对应不同的发酵状态，监测沼气发酵液的pH 值，能够帮助有效控制沼气的发酵过程。有研究表明，pH 值＜6.1 或者＞8.3 均会抑制厌氧发酵的运行，导致底物发酵不完全［19］。对沼气池不同发酵层和不同发酵时间的沼液进行pH 测定，结果见图1。

图1 不同层、不同发酵时间沼液pH 值

从图1 中可以看出，相同发酵层、不同发酵时间沼液样品中，发酵时间48 h 沼液样品pH 值略高于发酵时间24 h 沼液样品，各不同发酵层、相同发酵时间的沼液样品pH 值变化不大。沼气池进出口沼液样品pH 值分别为6.39、7.70。

2.2 沼液中总氮含量分析

宁建凤等［20］监测分析研究了10 个规模化养猪场沼气发酵系统的总氮去除效果，5 个猪场沼气发酵系统对总氮具有较好的去除效果，另有5 个猪场出现总氮浓度增加的现象。本试验对不同发酵层、不同发酵时间沼液中总氮含量进行检测，结果见图2。从图2 可知，进水口和出水口沼液总氮含量分别为552.50、322.00 mg/L。

图2 不同层、不同发酵时间沼液总氮含量

不同的养猪场沼气发酵系统中pH、发酵温度、水力负荷、水力停留时间、污染物负荷等运行参数存在差异，可能导致总氮等污染物去除效果不同［21］。

对不同层、不同发酵时间沼液总氮进行方差分析，结果见表1。从表1 可知，其P 值分别为0.075、0.261，P 值均＞0.05，不同发酵时间、不同层间沼液总氮含量不存在显著差异。

表1 不同层、不同发酵时间对沼液中总氮方差分析结果

相同发酵层、不同发酵时间沼液总氮均数两两比较，结果见表2。从表2 可知，发酵0 h 时即进样口样品中沼液总氮与其他发酵时间中的在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其总氮含量下降。

表2 不同发酵时间沼液总氮均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同发酵时间、不同发酵层沼液总氮均数两两比较，结果见表3。从表3 中可知，进样口（即取样口为0）中沼液总氮与其他不同层取样口中沼液总氮在不同的子集内，说明进样口中沼液总氮含量高于其他取样口。

表3 不同层沼液总氮均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.3 沼液中总有机碳含量分析

水中总有机碳含量反映了水体中有机物污染的程度。对不同层、不同发酵时间沼液中有机碳含量进行检测，结果见图3。从图3 可知，进水口和出水口沼液有机碳含量分别为939.50、320.55 mg/L。

图3 不同层、不同发酵时间沼液总有机碳含量

对不同发酵层、不同发酵时间沼液中有机碳含量进行方差分析，结果见表4。从表4 中可知，其P 值分别为0.296、0.795，均大于0.05，不同发酵时间、不同层间沼液有机碳含量不存在显著差异。

表4 不同层、不同发酵时间对沼液中总有机碳方差分析结果

相同发酵层、不同发酵时间沼液有机碳均数两两比较，结果见表5。从表5 中可知，发酵0 h 时即进样口样品中沼液有机碳与其他发酵时间中的在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其有机碳含量明显下降。

表5 不同发酵时间沼液总有机碳均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同发酵时间、不同发酵层沼液有机碳均数两两比较，结果见表6。从中可知，进样口（即取样口为0）沼液有机碳与其他不同发酵层取样口沼液有机碳在不同的子集内，说明进样口沼液有机碳含量高于其他取样口。

表6 不同层沼液总有机碳均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.4 沼液中碳氮比分析

沼气池发酵原料碳氮比等是影响沼气发酵的重要因素［20］。郑晓伟等［22］在餐厨垃圾厌氧发酵试验中，碳氮比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动和产气效率有显著的影响。本试验对不同发酵层、不同发酵时间沼液中碳氮比进行检测分析，结果见图4。从图4 中可知，进水口和出水口沼液碳氮比分别为1.70、1.03。经沼气池发酵后，沼液碳氮比下降，沼气池中的碳氮比基本上低于进样中的含量。对其进行方差分析，结果见表7。从表7 中可知，不同发酵时间沼液碳氮比不存在显著差异（P=0.218＞0.05），不同层间沼液碳氮比呈极显著差异（P=0.002＜0.01）。

表7 不同层、不同发酵时间对沼液中碳氮比方差分析结果

图4 不同层、不同发酵时间沼液碳氮比

相同发酵层、不同发酵时间沼液碳氮比均数两两比较结果见表8。从表8 中可知，发酵0 h 时即进样口样品中沼液碳氮比与其他发酵时间中的在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其碳氮比下降。

表8 不同发酵时间沼液碳氮比均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同发酵时间、不同发酵层沼液碳氮比均数两两比较结果见表9。从中可知，进样口（即取样口为0）中沼液碳氮比在3子集内，沼气池7、3、4、8 层中取的沼液样中碳氮比在子集2内，3、4、8、2、1、6、5 及出样口（即取样口为9）沼液样中碳氮比在子集3 内，说明不同发酵层沼液碳氮比存在显著差异。

表9 不同层沼液碳氮比均数的两两比较（S－N－K 法，α ＝0.05）

3 结论与讨论

本试验构建了以规模化猪场粪污为原料的上流式沼气池厌氧发酵工艺，对上流式沼气池中不同发酵层和不同发酵时间沼液碳氮比变化进行了研究。试验结果表明，沼气池进水口沼液pH 值为6.39、总氮含量为552.50 mg/L、有机碳含量为939.50 mg/L、碳氮比为1.70，经沼气池发酵后，沼液pH 值上升，总氮含量、有机碳含量、碳氮比均减少，出水口沼液样品pH值为7.70、总氮含量为322.00 mg/L、有机碳含量为320.55 mg/L、碳氮比为1.03。相同发酵时间、不同发酵层的沼液总氮含量、有机碳含量均不存在显著差异，沼液碳氮比呈显著差异。相同发酵层、不同发酵时间的沼液总氮含量、有机碳含量均不存在显著差异，碳氮比呈显著差异。

经测试分析沼气池出口猪粪便污水BOD5和CODCr，可计算得知沼液可生化性指标BOD5/CODCr为0.61，说明粪便污水经过上流式沼气池厌氧发酵处理后，沼液中有机质是易于生物降解的，但是由于碳氮比过低，导致沼液可生化性较差。因此，在下一步好氧深度处理系统中，可以通过增加碳源或者应用短程硝化、同步硝化反硝化等节碳脱氮新污水处理技术，使粪污进一步得到处理以及资源化利用。