徐慶賢 吳曉梅 吳飛龍 葉美鋒 阮傳清

（1 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所 福建福州 350003 2 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所 福建福州 350003）

隨著我國養(yǎng)豬場集約化快速發(fā)展，帶來養(yǎng)豬場糞污產(chǎn)生量的迅速增加。養(yǎng)豬場糞污是1 種高濃度有機(jī)污水［1-2］，但糞污處理技術(shù)相對滯后，這導(dǎo)致了豬場糞污成為水體重要污染源［3］。如果處理不當(dāng)，會引起水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題，并對人體健康造成威脅［4］。在規(guī)?；B(yǎng)豬場應(yīng)用沼氣發(fā)酵技術(shù)［5］，不僅可以有效處理養(yǎng)殖廢棄物，減少環(huán)境污染，而且還可以使沼氣能源得到有效利用，比如集中供氣為周邊農(nóng)戶提供清潔能源等，這對于發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)以及可再生能源利用都有重要意義［6-7］。

總氮、總磷含量等是衡量水體有機(jī)污染的主要指標(biāo)，而水體中總氮、總磷的去除也是整個污水處理工程是否可以達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵影響因素。養(yǎng)豬場沼氣工程中，沼液處理問題是沼氣工程可持續(xù)發(fā)展的重要因素［8］。污水的碳氮磷比是影響傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝效果的重要因素［9-10］。規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污經(jīng)厭氧處理后產(chǎn)生的沼液，其特性為高氨氮抑制微生物生長以及低碳氮比導(dǎo)致沼液可生化性差［11］，后續(xù)好氧深度處理效果差，污水達(dá)標(biāo)排放困難［12］。同時，沼液是1 種同時擁有速效和長效肥效的微生物有機(jī)肥料［13-14］，它富含可以提高農(nóng)作物生產(chǎn)所需要的大部分營養(yǎng)物質(zhì)［15-16］，比如吲哚乙酸、氨基酸等。

本研究通過對上流式沼氣池中不同發(fā)酵層和不同發(fā)酵時間沼液碳氮比變化進(jìn)行分析，旨在為后續(xù)沼液深度處理或資源化利用奠定基礎(chǔ)，同時為優(yōu)化調(diào)整上流式沼氣池運行參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 上流式沼氣池［17］

上流式沼氣池建于福建省新星種豬育種有限公司建甌市徐墩鎮(zhèn)山邊村規(guī)?；B(yǎng)豬場內(nèi)，池體采用鋼筋混凝土澆筑，并且在池內(nèi)外涂刷有機(jī)玻璃鋼。沼氣池有效容積670 m3，水力滯留期（HRT）10 d。沼氣池內(nèi)安裝發(fā)酵液增溫系統(tǒng)，即采用太陽能真空面板300 m2加熱銅管內(nèi)循環(huán)水為發(fā)酵液加溫。經(jīng)過干清糞、固液分離以及酸化池預(yù)處理后，沼氣池進(jìn)出口豬糞便污 水CODCr分別為1 959、1234.5 mg/L，BOD5分別為1 256、752.5 mg/L。

1.2 樣品采集［17］

沼液樣品采集于福建省新星種豬育種有限公司上流式沼氣池不同發(fā)酵層，從下到上1、2、3、4、5、6、7、8 層（1 代表離池底1 m，2 代表離池底2 m，3 代表離池底3 m，以此類推），另外，0 為進(jìn)料口、9 為出料口。2017 年10 月13 日進(jìn)料67 m3后0、24、48 h 取樣，樣品為相同發(fā)酵時間、相同發(fā)酵層3 點采集后混合為1 樣品，采集樣品裝入干凈塑料瓶中于4 ℃厭氧保存。

1.3 測試方法

pH 測定參照 《水質(zhì) pH 值的測定 玻璃電極法》（GB 6920—86）；總氮測定參照《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）；總有機(jī)碳測定參照《土壤有機(jī)碳的測定 重鉻酸鉀氧化-分光光度法》（HJ 615—2011）；CODCr測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第三版）中重鉻酸鉀法；BOD5測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第三版）五日生化需氧量測定方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差及均數(shù)比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液pH 變化分析

沼液pH 值對沼氣產(chǎn)量和甲烷含量有重要的影響，它是沼氣發(fā)酵中重要的影響因子。在養(yǎng)豬場沼氣工程中，沼氣發(fā)酵可適應(yīng)的pH 值范圍為6.0～8.0。pH 值直接或間接影響發(fā)酵液中微生物的生命活動，若發(fā)酵過程反常，pH 值也可出現(xiàn)異常情況［18］。pH 值能夠直接反映厭氧發(fā)酵體系的穩(wěn)定性。不同pH 值對應(yīng)不同的發(fā)酵狀態(tài)，監(jiān)測沼氣發(fā)酵液的pH 值，能夠幫助有效控制沼氣的發(fā)酵過程。有研究表明，pH 值＜6.1 或者＞8.3 均會抑制厭氧發(fā)酵的運行，導(dǎo)致底物發(fā)酵不完全［19］。對沼氣池不同發(fā)酵層和不同發(fā)酵時間的沼液進(jìn)行pH 測定，結(jié)果見圖1。

圖1 不同層、不同發(fā)酵時間沼液pH 值

從圖1 中可以看出，相同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液樣品中，發(fā)酵時間48 h 沼液樣品pH 值略高于發(fā)酵時間24 h 沼液樣品，各不同發(fā)酵層、相同發(fā)酵時間的沼液樣品pH 值變化不大。沼氣池進(jìn)出口沼液樣品pH 值分別為6.39、7.70。

2.2 沼液中總氮含量分析

寧建鳳等［20］監(jiān)測分析研究了10 個規(guī)?；B(yǎng)豬場沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的總氮去除效果，5 個豬場沼氣發(fā)酵系統(tǒng)對總氮具有較好的去除效果，另有5 個豬場出現(xiàn)總氮濃度增加的現(xiàn)象。本試驗對不同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液中總氮含量進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖2。從圖2 可知，進(jìn)水口和出水口沼液總氮含量分別為552.50、322.00 mg/L。

圖2 不同層、不同發(fā)酵時間沼液總氮含量

不同的養(yǎng)豬場沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中pH、發(fā)酵溫度、水力負(fù)荷、水力停留時間、污染物負(fù)荷等運行參數(shù)存在差異，可能導(dǎo)致總氮等污染物去除效果不同［21］。

對不同層、不同發(fā)酵時間沼液總氮進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表1。從表1 可知，其P 值分別為0.075、0.261，P 值均＞0.05，不同發(fā)酵時間、不同層間沼液總氮含量不存在顯著差異。

表1 不同層、不同發(fā)酵時間對沼液中總氮方差分析結(jié)果

相同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液總氮均數(shù)兩兩比較，結(jié)果見表2。從表2 可知，發(fā)酵0 h 時即進(jìn)樣口樣品中沼液總氮與其他發(fā)酵時間中的在不同子集內(nèi)，說明沼液在沼氣池發(fā)酵后其總氮含量下降。

表2 不同發(fā)酵時間沼液總氮均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發(fā)酵時間、不同發(fā)酵層沼液總氮均數(shù)兩兩比較，結(jié)果見表3。從表3 中可知，進(jìn)樣口（即取樣口為0）中沼液總氮與其他不同層取樣口中沼液總氮在不同的子集內(nèi)，說明進(jìn)樣口中沼液總氮含量高于其他取樣口。

表3 不同層沼液總氮均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.3 沼液中總有機(jī)碳含量分析

水中總有機(jī)碳含量反映了水體中有機(jī)物污染的程度。對不同層、不同發(fā)酵時間沼液中有機(jī)碳含量進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖3。從圖3 可知，進(jìn)水口和出水口沼液有機(jī)碳含量分別為939.50、320.55 mg/L。

圖3 不同層、不同發(fā)酵時間沼液總有機(jī)碳含量

對不同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液中有機(jī)碳含量進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。從表4 中可知，其P 值分別為0.296、0.795，均大于0.05，不同發(fā)酵時間、不同層間沼液有機(jī)碳含量不存在顯著差異。

表4 不同層、不同發(fā)酵時間對沼液中總有機(jī)碳方差分析結(jié)果

相同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液有機(jī)碳均數(shù)兩兩比較，結(jié)果見表5。從表5 中可知，發(fā)酵0 h 時即進(jìn)樣口樣品中沼液有機(jī)碳與其他發(fā)酵時間中的在不同子集內(nèi)，說明沼液在沼氣池發(fā)酵后其有機(jī)碳含量明顯下降。

表5 不同發(fā)酵時間沼液總有機(jī)碳均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發(fā)酵時間、不同發(fā)酵層沼液有機(jī)碳均數(shù)兩兩比較，結(jié)果見表6。從中可知，進(jìn)樣口（即取樣口為0）沼液有機(jī)碳與其他不同發(fā)酵層取樣口沼液有機(jī)碳在不同的子集內(nèi)，說明進(jìn)樣口沼液有機(jī)碳含量高于其他取樣口。

表6 不同層沼液總有機(jī)碳均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

2.4 沼液中碳氮比分析

沼氣池發(fā)酵原料碳氮比等是影響沼氣發(fā)酵的重要因素［20］。鄭曉偉等［22］在餐廚垃圾厭氧發(fā)酵試驗中，碳氮比對餐廚垃圾干式厭氧發(fā)酵啟動和產(chǎn)氣效率有顯著的影響。本試驗對不同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液中碳氮比進(jìn)行檢測分析，結(jié)果見圖4。從圖4 中可知，進(jìn)水口和出水口沼液碳氮比分別為1.70、1.03。經(jīng)沼氣池發(fā)酵后，沼液碳氮比下降，沼氣池中的碳氮比基本上低于進(jìn)樣中的含量。對其進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7。從表7 中可知，不同發(fā)酵時間沼液碳氮比不存在顯著差異（P=0.218＞0.05），不同層間沼液碳氮比呈極顯著差異（P=0.002＜0.01）。

表7 不同層、不同發(fā)酵時間對沼液中碳氮比方差分析結(jié)果

圖4 不同層、不同發(fā)酵時間沼液碳氮比

相同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間沼液碳氮比均數(shù)兩兩比較結(jié)果見表8。從表8 中可知，發(fā)酵0 h 時即進(jìn)樣口樣品中沼液碳氮比與其他發(fā)酵時間中的在不同子集內(nèi)，說明沼液在沼氣池發(fā)酵后其碳氮比下降。

表8 不同發(fā)酵時間沼液碳氮比均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

相同發(fā)酵時間、不同發(fā)酵層沼液碳氮比均數(shù)兩兩比較結(jié)果見表9。從中可知，進(jìn)樣口（即取樣口為0）中沼液碳氮比在3子集內(nèi)，沼氣池7、3、4、8 層中取的沼液樣中碳氮比在子集2內(nèi)，3、4、8、2、1、6、5 及出樣口（即取樣口為9）沼液樣中碳氮比在子集3 內(nèi)，說明不同發(fā)酵層沼液碳氮比存在顯著差異。

表9 不同層沼液碳氮比均數(shù)的兩兩比較（S－N－K 法，α ＝0.05）

3 結(jié)論與討論

本試驗構(gòu)建了以規(guī)?；i場糞污為原料的上流式沼氣池厭氧發(fā)酵工藝，對上流式沼氣池中不同發(fā)酵層和不同發(fā)酵時間沼液碳氮比變化進(jìn)行了研究。試驗結(jié)果表明，沼氣池進(jìn)水口沼液pH 值為6.39、總氮含量為552.50 mg/L、有機(jī)碳含量為939.50 mg/L、碳氮比為1.70，經(jīng)沼氣池發(fā)酵后，沼液pH 值上升，總氮含量、有機(jī)碳含量、碳氮比均減少，出水口沼液樣品pH值為7.70、總氮含量為322.00 mg/L、有機(jī)碳含量為320.55 mg/L、碳氮比為1.03。相同發(fā)酵時間、不同發(fā)酵層的沼液總氮含量、有機(jī)碳含量均不存在顯著差異，沼液碳氮比呈顯著差異。相同發(fā)酵層、不同發(fā)酵時間的沼液總氮含量、有機(jī)碳含量均不存在顯著差異，碳氮比呈顯著差異。

經(jīng)測試分析沼氣池出口豬糞便污水BOD5和CODCr，可計算得知沼液可生化性指標(biāo)BOD5/CODCr為0.61，說明糞便污水經(jīng)過上流式沼氣池厭氧發(fā)酵處理后，沼液中有機(jī)質(zhì)是易于生物降解的，但是由于碳氮比過低，導(dǎo)致沼液可生化性較差。因此，在下一步好氧深度處理系統(tǒng)中，可以通過增加碳源或者應(yīng)用短程硝化、同步硝化反硝化等節(jié)碳脫氮新污水處理技術(shù)，使糞污進(jìn)一步得到處理以及資源化利用。