农业废弃物厌氧发酵及沼肥利用全过程碳氮变化研究

刘 烨， 赵立欣， 沈玉君， 孟海波

(1. 农业部规划设计研究院 农村能源与环保研究所， 北京 100121； 2. 武汉轻工大学 生物与制药工程学院， 武汉 430023)

据估算我国每年产生畜禽粪污38亿吨，综合利用率不到60%；每年产生秸秆近9亿吨，未利用的约2亿吨[1]，带来了严重的环境问题。厌氧发酵是实现废弃物资源化利用、减少环境污染、促进农业可持续发展的有效途径。

厌氧发酵(Anaerobic fermentation)是微生物在厌氧条件下，将大分子有机物逐步分解成水溶性小分子有机物，最后产生沼气的过程。根据总固体(Total solid，TS)浓度，厌氧发酵分为湿发酵(TS < 10%)、半干发酵(10% < TS <20%)和干发酵(TS > 20%)[2-4]。湿发酵技术应用较广泛，发酵残留物主要以沼液为主，常被储存利用；干发酵残留物以沼渣为主，多用于堆肥生产有机肥。过去学者在厌氧发酵方面的研究主要集中在以提升产气率为主要目标的工艺优化和技术装备研发上。随着农业生产方式的转变和人们对优质农产品需求的增加，沼气点灯做饭需求减弱，沼肥使用需求增加[5]。然而大多数沼肥中有机质与养分含量往往不高，达不到有机肥现行行业标准，有些甚至达不到沼肥行业标准，且目前厌氧发酵过程有机质和养分变化的研究报道相对分散，结果差异大。因此笔者重点综述农业废弃物厌氧发酵及沼肥处理过程碳氮元素含量的变化，为提升沼肥养分含量提供参考依据。

1 湿发酵及沼液储存过程C和N元素变化

图1 湿发酵沼液储存过程C和N元素形态变化

1.1 湿发酵过程C和N变化

发酵原料中的有机碳经过胞外酶水解转变成 DOC溶于沼液，由产乙酸菌和产甲烷菌进一步水解生成CH4和CO2随沼气挥发，少量碳元素以无机碳(Inorganic carbon, IC)形式存在。由表1可知，发酵原料中15.40%～27.29%的碳元素转变为CH4和少量CO2，4.00%～7.60%以DOC形式流入沼液，大部分仍以OC形式留在沼渣中。

研究表明厌氧发酵过程碳氮变化与物料产气性能具有一定的相关性[6]，原料性质，TS浓度，C/N等影响发酵进程的因素都能导致物料碳氮变化差异。混合原料湿发酵产气性能比单一原料较好[7-8]，造成碳氮损失大于单一原料；过高的TS浓度导致酸中毒，抑制发酵进程，过低则不足以提供微生物生长的营养物质，导致发酵效率低下[9]；在适宜范围内初始C/N值的上升使碳元素损失增大，氮元素损失减小[6]。因此，必需调整适宜的发酵条件以保证厌氧湿发酵顺利进行，并减少碳氮损失。

1.2 沼液储存过程C和N变化

厌氧发酵后，沼液中的有机物主要以水溶性分子形式存在[10]，是一种营养丰富的优质液体肥料。但沼液在储存期间，液面会出现结壳现象，形成相对厌氧环境[11]，沼液中的DOC会继续降解释放CH4和CO2等气体[12-13]，导致碳元素损失2.94%～29.63%。研究表明，长时间储存会使沼液体积减少[14]，在部分研究中沼液碳浓度下降0.50%～38.24%[11-12]，也有部分研究表示碳浓度上升0.59%～23.68%[12, 15-16]，碳含量变化尚不能得出一致结论。

在沼液储存过程中，沼液性质、储存方式、储存温度等都会影响沼液碳氮元素含量。不同种类沼液储存过程中，碳元素损失率：牛粪>猪粪>秸秆，氮元素损失率：秸秆>鸡粪>牛粪>猪粪[13, 24-25]；适当降低沼液初始pH值可减少CH4和NH3挥发，从而减少碳氮损失[26]；沼液敞口储存比加盖储存氮含量损失要大[14-15]，秸秆覆盖比木板覆盖损失大[22, 27]；自然形成的硬壳、小鹤卵石、稻草等能显著降低气体释放量[28]；夏季储存比冬季储存碳氮损失大[23, 29]，高温储存比低温储存碳氮损失大[30-32]。因此，尽可能选择低温加盖条件下储存沼液，同时适当降低沼液初始pH值，达到减少碳氮损失的效果。

表1 湿发酵及沼液储存过程C和N元素分布及质量平衡 (%)

注释：“—”表示不明确。

2 干发酵及沼渣堆肥过程碳氮变化

2.1 干发酵过程C和N变化

图2 干发酵沼渣堆肥全过程C和N元素形态变化

在干发酵阶段，TS浓度、初始pH值、初始C/N值等对干发酵进程和物料碳氮元素变化至关重要。在适宜范围内，增加TS 浓度，导致气体损失增加，其中CH4含量下降， CO2含量上升[38]；当pH值低于6.1或者高于8.3 均会抑制干发酵的运行，导致底物发酵不完全[39-40]；C/N过高会导致微生物所需氮源不足，生长受限；C/N过低会使发酵物料含氮过多，CH4排放量减少，但NH3排放量增加。因此，在发酵过程中要调节适宜的TS浓度，pH值，C/N等，以保证发酵的顺利进行且减少发酵过程碳氮损失。

2.2 堆肥过程C和N变化

好氧堆肥是沼渣肥无害化、资源化处理的重要手段，在有氧条件下微生物代谢产生的高温能够杀灭沼渣中可能残留的病原微生物[44, 49]。畜禽粪和秸秆的沼渣中主要含有难降解的有机质[50]，沼渣单独堆肥达不到无害化要求[43, 46]。在多数报道中，常加入畜禽粪或秸秆等混和堆肥，一方面沼渣可作为调理剂改善堆肥初始条件，减少养分损失；另一方面畜禽粪或秸秆又能带动沼渣的进一步发酵，达到完全无害化[51]。

在堆肥过程中，碳元素主要因CO2挥发而损失。随着堆肥温度的升高，微生物数量和活性越来越高，有机质被大量降解释放出CO2，到降温期只剩下聚合度较高难以降解的物质，碳元素不再损失[52]。在沼渣与其他物质混合堆肥过程中，碳元素损失33.75%～35.01%，大于原料损失率，碳含量下降。

表2 干发酵及沼渣堆肥过程C和N分配及质量平衡 (%)

注：干发酵沼液损失忽略不计；堆肥渗滤液较少，忽略不计；“—”表示不明确。

3 小结

大量研究表明相同容积下干发酵产气量高于湿发酵，但干发酵的碳氮流失率却低于湿发酵。但从发酵到沼肥处理整个过程来看，湿法发酵-沼液储存过程碳氮损失小于干法发酵-沼渣堆肥过程。在实际应用过程中，应根据产气或产肥需求来选择合适的发酵方式，以保证发酵原料得到合理利用。

湿发酵产生的大量沼液，常被储存用于浸种、作物浇灌或叶面喷施。在沼液储存期间，微生物代谢释放CH4，CO2，NH3，N2O等气体导致碳氮元素损失，应尽可能选择低温密闭环境储存，以减少沼液养分损失。

干发酵几乎不产生沼液，沼渣是主要的残留物，用于堆肥时，氮元素损失较少，而碳元素损失相对较大。在沼渣堆肥过程中应调节适宜的通风供养和C/N等，减少养分损失，以提高堆肥养分含量，以达到有机肥标准，实现完全资源化和无害化。

笔者通过分析大量已报道的数据，研究厌氧发酵和沼肥处理过程碳氮养分变化情况。但由于实验结果差异较大，相关数据资料有限，如干发酵氮含量变化、沼液储存过程碳含量变化等，尚无法得出一致的结论，期待以后能有更多相关研究提供科学依据，以得到一致结论。

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