文/王 菲 魯 琳 劉克鋒 王順利,3
(1農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室;2 北京農(nóng)學(xué)院動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院;3 北京農(nóng)學(xué)院生物與資源環(huán)境學(xué)院)
我國既是農(nóng)業(yè)大國又是人口大國,伴隨社會經(jīng)濟的繁榮和居民生活水平的提高,各類農(nóng)產(chǎn)品的需求量不斷增大,農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)調(diào)整。近年來畜牧養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展迅猛,隨之產(chǎn)生大量的畜禽糞便、各類秸稈及廢棄果蔬等農(nóng)業(yè)固體廢棄物。這些農(nóng)業(yè)固體廢棄物堆積、腐爛、變質(zhì)成為環(huán)境重要的污染源。目前,我國農(nóng)業(yè)固體廢棄物的同比增長速率達到5%~10%,預(yù)測到2020年,我國的農(nóng)業(yè)固體廢棄物將超過500 億噸[1,2]。到2016年為止,我國的畜禽糞污年產(chǎn)量達38 億余噸,但其綜合利用率卻不到60%[3]。循環(huán)式發(fā)展成為畜牧行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
利用厭氧發(fā)酵技術(shù)處理畜禽糞便不僅處理成本較低,而且同時達到了治理污染、保護環(huán)境和廢棄物資源化的三重效果,在環(huán)境、經(jīng)濟、能源、社會等諸多方面具有優(yōu)異效益[4]。干法厭氧發(fā)酵是在含固率20%~50%條件下對底物進行厭氧發(fā)酵,與傳統(tǒng)的濕法厭氧發(fā)酵相比,最大的優(yōu)勢在于進料需水量低,臭氣排放少且產(chǎn)物無沼液,不存在二次污染。因此,干法厭氧發(fā)酵成為目前厭氧發(fā)酵領(lǐng)域的一大熱點。
在干法厭氧發(fā)酵工藝中,物料的總固體(TS)含量對有機物的降解有顯著影響。劉曉風(fēng)等[5]研究表明,TS在間歇式反應(yīng)器中超過40%時會使TS和揮發(fā)性固體(VS)降解率開始下降。曲靜霞[6]在進行農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵時調(diào)整TS為20%,結(jié)果顯示產(chǎn)氣效果良好。對于連續(xù)式反應(yīng)器而言,在一定條件下,總固體含量過高,含水率過低,則會導(dǎo)致有機酸過量積累,從而使產(chǎn)氣停止或產(chǎn)氣量降低[7]。
本試驗以牛糞處理為目標,研究了牛糞與秸稈干法厭氧發(fā)酵過程中,物料的含固率對產(chǎn)氣與造肥的影響,并篩選出適宜的含固率條件,為后續(xù)利用大型發(fā)酵罐進行生產(chǎn)提供可靠的工藝參數(shù)。
試驗所用牛糞取自北京市回龍觀北郊農(nóng)場畜牧5隊。玉米秸稈作為輔料,取自北京農(nóng)學(xué)院試驗田,粉碎至粒徑小于2 mm。其中牛糞的總固形物含量為30.7%,總氮含量為3.31%,總碳含量為36.64%,碳氮比(C/N)為11.07;玉米秸稈的總固形物含量為92.5%,總氮含量為1.96%,總碳含量為87.65%,C/N為44.72。
試驗所用的接種物取自北京市北郎中種豬場三期沼氣工程中溫發(fā)酵產(chǎn)生的沼液。收集沼液為糞污水經(jīng)過上流式厭氧污泥床反應(yīng)器厭氧發(fā)酵15~20 天后沼氣場的新鮮沼液。沼液的化學(xué)需氧量(COD)為728 mg/L,總氮含量為0.56%。
試驗所用發(fā)酵裝置為自行連接密封[8,9]。采用2.5 L廣口瓶3 個,分別作為發(fā)酵瓶、集氣瓶及集水瓶,相互之間以乳膠管連接,瓶口及連接處利用熱熔膠和膠帶密封固定,使用前進行漏氣檢測,以保證試驗裝置的密封性。將發(fā)酵瓶放置于恒溫水浴鍋中。見圖1。
將粉碎的玉米秸稈碎屑加蒸餾水調(diào)節(jié)含水率至60%,放于溫室中自然堆漚15 天,堆漚溫度保持在27~32 ℃,每2 天翻堆1 次,同時測量含水率,適當補充水分。堆漚好的秸稈與牛糞混合,調(diào)整物料的C/N為25。每個處理添加新鮮沼液為接種物量,添加量為總重量的30%。共計4 個處理,分別調(diào)整物料的含固率為10%、15%、20%和25%(分別標記為W1、W2、W3、W4)。每個處理設(shè)3 個重復(fù)。將發(fā)酵瓶放置于恒溫水浴鍋中維持瓶內(nèi)溫度35~38 ℃,進行厭氧發(fā)酵試驗。發(fā)酵時間為30 天。發(fā)酵過程中每24 h記錄1 次產(chǎn)氣量,初始5 天每天測量甲烷含量,之后每3 天測量1 次甲烷含量。發(fā)酵結(jié)束后,樣品放至陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干,風(fēng)干后樣品粉碎,過20 目篩,封存待測。
1.4.1 產(chǎn)氣指標分析
日產(chǎn)氣量采用排水集氣法,排出的飽和食鹽水體積即為每天產(chǎn)生的氣體體積。日產(chǎn)氣甲烷體積分數(shù)測定采用氣相色譜法,用Hewlett-Packard 5890 series II 氣相色譜儀測定[10]。
1.4.2 沼渣分析
有機碳含量采用灼燒法測定。全氮、全磷和全鉀的含量按照中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY525—2012測定。樣品經(jīng)H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮后,利用凱氏定氮儀測定全氮含量,利用釩鉬黃比色法分光光度計測定全磷含量,利用火焰光度計測定全鉀含量。種子發(fā)芽指數(shù)(GI)的測定參考文獻[11]中的方法。
圖1 實驗室干法厭氧發(fā)酵裝置
2.1.1 不同含固率對日產(chǎn)氣量的影響
不同處理的日產(chǎn)氣量變化如圖2所示。所有的處理在試驗過程中均產(chǎn)生了沼氣,并且具有明顯的3 次產(chǎn)氣高峰。從產(chǎn)氣速度來看,初始階段,即第1~4天,出現(xiàn)第一個產(chǎn)氣高峰,各處理產(chǎn)氣情況相似。第二階段,從第4~14天,產(chǎn)氣情況出現(xiàn)第二個升降過程,其中W1、W2、W3都在第8天達到第二次產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量分別達到640 mL、580 mL、540 mL,而W4在第9天達到此次對應(yīng)的產(chǎn)氣高峰,日產(chǎn)氣量較前三個處理少,僅為480 mL。第三階段,即各處理在第14天到達產(chǎn)氣低谷后,開始出現(xiàn)第三次產(chǎn)氣量上升和下降過程。此階段持續(xù)時間較長,各處理都在第21天到達產(chǎn)氣高峰,其中W3的日產(chǎn)氣量最高達到890 mL,而W1、W2和W4的日產(chǎn)氣量分別達到了760 mL 、780 mL和590 mL。從產(chǎn)氣穩(wěn)定性來看,W4日產(chǎn)氣量最少,也最穩(wěn)定,其他三個處理在發(fā)酵過程中日產(chǎn)氣量波動較大。從產(chǎn)氣時長來看,各處理都超過30 天。
2.1.2 不同含固率對累積產(chǎn)氣量的影響
圖2 不同含固率處理的日產(chǎn)氣量變化
圖3 不同含固率累積產(chǎn)氣量隨時間的變化特征
不同處理的累積產(chǎn)氣量如圖3所示。由圖3可看出,累積產(chǎn)氣量大小順序為: W3>W(wǎng)1>W(wǎng)2>W(wǎng)4。W4累積產(chǎn)氣量最少為13 450 mL。W3處理累積產(chǎn)氣量最多,達到16 650 mL,約是W4的1.24倍。其次是W1的處理,累積產(chǎn)氣量達到16 390 mL,與W3最接近,為W4的1.22 倍。W1在前期保持較高的產(chǎn)氣量,但是后期W3日產(chǎn)氣量增長幅度較大,使總產(chǎn)氣量多過W1。W4產(chǎn)氣啟動較慢,且日產(chǎn)氣量一直較少,因此累積產(chǎn)氣量最少。
W1產(chǎn)氣量較高與其有足夠的水分含量有關(guān),90%的含水率可以算得上半濕法發(fā)酵,此條件下,發(fā)酵瓶中有相當數(shù)量的沼液,反應(yīng)物整體呈液態(tài),每次搖晃發(fā)酵瓶時,反應(yīng)物更容易得到充分混勻,促進物質(zhì)流動,且在發(fā)酵過程中,較多水分也使熱量傳輸和微生物轉(zhuǎn)移更容易發(fā)生[11]。而W2、W3、W4的含水率較低,W2反應(yīng)物整體呈較濃稠泥狀,W3和W4為較濕潤固體。W2的濃稠程度決定了其產(chǎn)期初期產(chǎn)酸和產(chǎn)CO2菌的發(fā)酵產(chǎn)物不能很好地擴散和對流,從而影響了后期產(chǎn)甲烷菌的活性和產(chǎn)量[12]。與之相比,W4則是因為含水率太低,反應(yīng)物間接觸較少,人為晃動發(fā)酵瓶對物質(zhì)攪動的效果也被削減,非常不利于菌種擴散和繁殖,從而導(dǎo)致從始至終整體產(chǎn)氣量一直較低。而W3的水分含量使其反應(yīng)物保持著較松散的濕潤狀態(tài),晃動發(fā)酵瓶時反應(yīng)物較容易因碰撞發(fā)生位置交換,從而達到類似攪拌效果的目的[13]。比W2處理的含水率使厭氧菌的發(fā)酵產(chǎn)物更容易在空隙間交換,并釋放出來,因此產(chǎn)氣效果較其他處理都好。
不同含固率的產(chǎn)氣量情況如表1所示。W1、W2、W3都在第25天時累計產(chǎn)氣量達到了總產(chǎn)氣量的80%,W4在第26天時達到。四個處理間相差不大。從圖2及表1中都可看出,W4產(chǎn)氣高峰期較遲,這在生產(chǎn)中會對經(jīng)濟效益有一定影響,如何把產(chǎn)氣高峰期提前也是需要后續(xù)研究的內(nèi)容。在本研究條件下,從日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣量來看,W3處理是最佳的含固率條件。
2.1.3 不同含固率對甲烷含量的影響
不同含固率處理在產(chǎn)氣過程中的甲烷含量變化如圖4所示。由圖4可看出,在發(fā)酵運行的30 天內(nèi),各個處理的甲烷含量均與日產(chǎn)氣量三個階段有一定相關(guān)性,處理不同,其波動幅度不同。第一個階段,是甲烷濃度快速提高,各處理在第3~4 天達到第一個小高峰,W3的甲烷含量初始高峰最高;第二階段和第三階段,各處理的甲烷含量有一個或多個升高又降低的過程。所有處理中,W2和W3在第5天甲烷含量超過50%后,波動相對較小,基本能維持在55%,甚至60%以上。而W4在第5天和第19天有兩個甲烷含量高峰,W1則是在第11天和第28天有兩個甲烷含量高峰,都達到約80%,但其過程中甲烷含量波動較大,甚至在第17天都跌至小于50%的程度。
表1 不同含固率牛糞中溫干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣情況
圖4 不同含固率產(chǎn)氣中甲烷含量變化特征
發(fā)酵過程中甲烷含量影響到整體產(chǎn)氣質(zhì)量,如W2和W3這樣整體較平穩(wěn)且有較高甲烷比例的處理在生產(chǎn)中才更加實用。W4會出現(xiàn)甲烷含量忽高忽低應(yīng)該與發(fā)酵物料不均勻,造成局部反應(yīng)有關(guān),且低含水率也會使發(fā)酵反應(yīng)過程中氨態(tài)氮和揮發(fā)酸積累得過多,抑制甲烷菌的繁殖和代謝速率[14]。
2.2.1 種子發(fā)芽指數(shù)(GI)
本試驗中所有處理的沼渣,其種子發(fā)芽指數(shù)均達到了80%以上(表2)。該結(jié)果說明在本研究條件下,所有處理在干法厭氧發(fā)酵30 天之后,其沼渣對植物生長來說均不會產(chǎn)生不良影響。
2.2.2 沼渣的總養(yǎng)分含量與碳氮比
沼渣中的總碳及總氮含量如表2所示。沼渣中總碳與含固率之間并無對應(yīng)變化關(guān)系。其中W3沼渣中的總碳含量最低,為51.57%;W2沼渣中的總碳含量最高,為55.71%。經(jīng)方差分析并進行多重比較后,四個處理在0.05水平上有差異,但在0.01水平上沒有顯著差異。差異的形成應(yīng)該與產(chǎn)氣時碳含量隨氣體釋放流失有關(guān)。沼渣中總氮含量,W2最高,為4.23%,而W4最低,為3.94%。經(jīng)過方差分析,并進行多重比較后,結(jié)果表明,處理之間均無顯著差異。沼渣碳氮比沒有明顯規(guī)律。碳氮比與初始碳氮比相比呈下降趨勢。本研究結(jié)果顯示,其變化與各處理的產(chǎn)氣量有一定相關(guān)性。本研究中W3產(chǎn)氣量最多,理論上碳素減少更多,而其他處理碳氮比與下降與產(chǎn)氣量不成比例,也許與產(chǎn)氣成分差異有關(guān)。
沼渣中的總磷及總鉀含量也列在表2中。沼渣中的磷含量基本沒有較大數(shù)量差,W3中磷含量最高,達到1.16%;W1中磷含量最低,為1.08%。經(jīng)過方差分析,并進行多重比較結(jié)果表明,各處理間存在較顯著差異。
沼渣中的鉀含量基本上與產(chǎn)氣量沒有較大相關(guān)性,W1中鉀含量最低,為1.55%;W3中鉀含量最高,為2.20%。經(jīng)過方差分析,并進行多重比較結(jié)果表明,各處理間存在顯著差異。
表2 不同含固率處理的沼渣養(yǎng)分含量及種子發(fā)芽指數(shù)特征
所有處理的總養(yǎng)分含量都高于農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY525—2012《有機肥料》中規(guī)定有機肥總養(yǎng)分含量“≥5%”的標準,都有作為有機肥的營養(yǎng)價值。各個處理沼渣中養(yǎng)分含量從高到低依次是:W2>W(wǎng)3>W(wǎng)4>W(wǎng)1。
在本試驗條件下,物料的含固率不同,其產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣質(zhì)量存在差異。物料含固率20%時,產(chǎn)氣量最多,同時甲烷含量相對較高。在生產(chǎn)中可依據(jù)需要調(diào)節(jié)物料中水的添加量,在保證發(fā)酵產(chǎn)氣質(zhì)量的同時,減少沼液的產(chǎn)生。在本試驗條件下,干法厭氧發(fā)酵處理后的沼渣,其有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)和總養(yǎng)分含量都大于農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY525—2012中對有機肥料的要求,并且經(jīng)過生物學(xué)方法檢測,沼渣均對于種子發(fā)芽沒有毒性作用。因此其干法發(fā)酵處理后的沼渣均具有作為有機肥應(yīng)用的潛力。
綜合產(chǎn)氣及沼渣兩方面結(jié)果,兼顧產(chǎn)氣效率和減少沼液污染,推薦牛糞與秸稈干法厭氧發(fā)酵體系中含固率保持在20%,能獲得較高的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣質(zhì)量,且發(fā)酵后的沼渣可用于有機肥使用。