牛粪沼液转化液体有机肥及应用研究

王 悦，张志强，张 润

(衡水学院 生命科学学院，河北 衡水 053000)

1 绪论

1.1 选题研究背景及意义

目前大部分农村通过直接燃烧畜粪来提供生活用能，由于科技的崛起，起补充和替代作用的能源有很多种类，包括商品能源、新能源及可再生能源[1]。这种不正确的用能结构造成了一些不好的影响，如乡村养殖业的发展被制约，又浪费了本该回到生态系统中的原料，这些原料参与系统中的能量和物质循环，并且降低了土壤的肥力，使生态环境进一步恶化，提高了生产本钱，降低了农民的收益[2]。使用牛粪、鸡粪和餐厨垃圾等高氮高碳[3]有机废料进行厌氧发酵，一方面可减少有机废物，解决了由于粪便的不合理排放的任意焚烧带来的环境问题，另一方面从有机碳中回收可利用能源并加工成沼气，用于我国人民生活燃料[4]等，缓解我国农村能源缺乏的压力。

1.2 国内外产沼液技术现状研究及存在的问题

1.2.1 国内产沼液技术现状研究

温度是影响厌氧发酵的重要因素之一，与有机物的厌氧反应过程密切相关，温度对厌氧发酵进程的影响主要表现在以下3个方面：(1)对微生物宏观活性的影响；(2)对厌氧反应动力学参数的影响；(3)温度突变对厌氧反应器运行情况的影响[5]。理论上讲，温度在11～59℃范围内，沼气池均能正常发酵产气[6-7]。刘荣厚等[8-9]研究了在不同温度条件下猪粪的厌氧发酵过程，发现高温试验组日产气量高于室温和中温试验组；楚丽丽等[10]研究了不同温度下农作物秸秆的产气效率，得出了秸秆的发酵效果在30～40℃最好结论；吴满昌等[11]研究了不同温度对城市生活垃圾厌氧消化的过程的影响，发现不同温度对消化开始的时间有一定的影响。

1.2.2 国外产沼液技术现状研究

在国外，厌氧发酵技术已经发展了大约240年[12]，并且国外很多国家也已经取得了令人瞩目的发展成果。H.Bmoller等探究了秸秆与粪便的厌氧发酵反应对产甲烷能力的影响，试验结果表明：秸秆的挥发性干物质含量(VS)产气量比粪便的挥发性干物质含量产气量要高[13]。El-Shinnawi等研究了玉米秸秆、水稻秸秆和棉花秸秆的厌氧发酵产气情况，试验结果表明：玉米秸秆的累积产气量最大其次是水稻秸秆的累积产气量，再次是棉花秸秆的累积产气量[14]。此外，他们还对经过预处理的玉米秸秆、水稻秸秆和棉花秸秆分别与鸡粪的混合物进行了厌氧发酵试验研究，试验结果表明：经过7d预处理的玉米秸秆混合物的产沼气的潜在能力最大[15]。

1.2.3 厌氧发酵工艺条件

1.2.3.1 高温发酵工艺

指发酵温度在44～59℃之间的沼气发酵。其特点是微生物代谢特别活跃，有机物分解转化快，滞留期短，产气率高[16]。高温发酵工艺的优点是可以提高发酵速度，缩小反应器体积，提高灭活病原微生物的能力，但其也存在一些缺点，如在高温运行时，增加了能量的消耗[1]，提高了对温度变化的敏感性，另外挥发性有机酸浓度的增加使得工艺也存在许多不足[17-18]。

1.2.3.2 中温发酵工艺

指发酵温度维持在26～39℃的沼气发酵。有机物消化转化速度较快，产气率较高[1]。与高温发酵工艺相比较，中温发酵工艺所需的热量要少得多[16]。中温发酵工艺在能量回收方面被认为是一种较理想的发酵工艺类型[16]，目前大部分世界各国将中温发酵工艺应用到大、中型沼气工程中，在农村也存在中温发酵工艺比如沼气发酵[20-22]。

1.2.3.3 常温发酵工艺

指沼气发酵在自然温度条件下进行的发酵工艺类型。常温发酵工艺的发酵温度，主要随天气温度变化而变化，经过科研人员研究发现通常产气率在夏季较高，产气率在冬季较低[19]。这种工艺的特点是沼气池构造较简单，造价较低，因此农村产沼气池常采用此工艺[20-22]。

1.3 试验设计

将牛粪按照干物质的质量比进行试验；分别在常温、中温、高温三个温度梯度下分三组，每组四个；将牛粪、接种污泥和水加入100 mL锥形瓶中，塞好橡胶塞，将瓶口密封好，至于恒温水浴锅中(温度分别为20℃、35℃、55℃)进行发酵；量筒倒置于饱和食盐水水槽中，试验周期为43d；实验每日测产气量，在发酵的第1、2、3、5、10、16、32、43日使用橡胶塞上配备的取样管取出沼液约3mL，测定pH值和甲烷体积分数；COD和TN在发酵初期和后期进行测定。

1.4 论文研究技术路线

图1 技术路线图

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

取自衡水市养殖场的新鲜牛粪，取回后放置于环境生态工程专业404实验室冰箱中备用[20]；

接种物取自衡水市污水处理厂厌氧污泥。试验物料的理化性质见表1。试验原料见图2。

表1 试验物料理化指标(%)

注： TS表示总固体；VS表示挥发性固体；SV表示污泥沉降比。

图2 试验原料

2.2 试验装置

1-恒温水浴装置；2-发酵装置；3-乳胶管；4-沼液取样管；5-集气量筒；6-微量进样器；7-100mL取样器；8-“L”形玻璃弯管；9-饱和NaCl水槽 图3 发酵试验装置示意图

试验所用装置是用100 mL锥形瓶、橡胶管、250 mL量筒、水浴锅和铁架台自行组装设计的(如图3)。

图4 发酵试验装置实际图

2.3 试验测定项目和方法

(1)用烘干法[21]测定总固体的质量(TS)和挥发性固体的质量(VS)：先将坩埚和滤纸放入烘箱中于100℃烘干1 h，冷却后称重，记为m0，再取鲜牛粪m1放入盛有滤纸的坩埚中，放入烘箱中于100℃烘干2 h，冷却后称重，记为m2，然后放入马弗炉中在550℃条件下灼烧2h后取出放在干燥器中冷却至室温并称重，记为m3，则TS=m2-m0，VS=TS-灰分=m2-m3；

(2)用快速消解法测COD；

(3)用PHS-3E精密pH测pH值；

(4)用气相色谱仪测CH4浓度；

(5)日产气量用向下排饱和食盐水的方法在每天晚上8:00左右定时测定，并记录试验数据。

(6)用过硫酸钾消解紫外分光光度法[22]测总氮(TN)：标准曲线的绘制：分别取0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、8.0mLKNO3，最后，用10 mm石英比色皿分别在220 nm、275 nm处测其吸光度，并结合标准曲线计算其浓度。

①标准曲线的绘制；②水样测定。

3 试验结果与分析

3.1 日产气量对比

在20℃、35℃和55℃温度下，牛粪物厌氧发酵反应观察进行了43d，探究温度对混合厌氧发酵过程中日产气量的影响(见图5～8)。

图5 20℃日产气量

图6 35℃日产气量

图7 55℃日产气量

图8 三个温度下的日产气量

由图5可以看出，在反应过程中，20℃时日产气量在第7d达到产气高峰，为41 mL/d，发酵反应进行了43d或更长时间，由图6可以看出，35℃时日产气量在第6d达到产气高峰，为77.5mL/d，发酵反应进行了43d或更长时间，在20℃、35℃、55℃3个恒定温度组下，20℃时发酵1～11d的总产气量占总累积产气量的23.36%，发酵反应基本完成。由图8总体综合来看：试验组中，20℃时产气波动频率较少，出现4个峰值；35℃时产气波动频率较多，出现多个峰值；55℃时产气波动频率最少，只有一个产气最大值。而空白试验组中55℃时产气最多，35℃时产气居中，20℃时产气最少。

3.2 累积产气量对比

图9 20℃的累积产气量

图10 35℃的累积产气量

图11 55℃的累积产气量

图12 三个温度下的累积产气量

由图9可以看出，在反应过程中，20℃时发酵装置在第4d开始启动，在第43d累积产气量达到最大，为239.7mL；而空白试验装置在该温度下几乎不产气。由图10可以看出，在反应过程中，35℃时发酵装置在第1d就开始启动，且产气量为4.7mL，随着反应的进行，在第43d累积产气量达到最大，为1029mL；而空白试验装置在该温度下几乎不产气。由图11可以看出，在反应过程中，55℃时发酵装置在第1d就开始启动，且产气量为37.0mL，随着反应的进行，在第43d累积产气量达到最大，为878.4mL；而空白试验装置在该温度下几乎不产气。

3.3 pH值的变化

在20℃、35℃和55℃温度下，牛粪与玉米秸秆混合物厌氧发酵反应观察进行了43d，探究温度对混合发酵反应过程中pH值的变化(如图13所示)。

图13 三个温度下的pH值的变化情况

由图13可以看出，在20℃、35℃和55℃温度下，发酵液pH值变化趋势大体一致，先下降后上升。总体来看，三个温度下pH值的变化情况相似，波动范围都比较小。

3.4 COD含量的变化

在20℃、35℃和55℃温度下，牛粪厌氧发酵反应观察进行了43d，探究温度对混合发酵原料中COD的影响(如表2所示)。

由表2可以看出，在20℃、35℃和55℃温度下，混合发酵原料中COD的量的变化很明显：一定时间内，在55℃时COD消耗量最大，为1727.8mg/L；在35℃时COD的消耗量次之，为1546.7 mg/L；而在20℃时COD的消耗量最少，为1280mg/L。总体来看，温度对混合发酵原料中COD的影响较大。

表2 混合发酵原料中COD的量

3.5 TN的变化

在20℃、35℃和55℃温度下，牛粪厌氧发酵反应观察进行了43d，探究温度对混合发酵原料中TN的影响(如表3所示)。

表3 混合发酵原料中TN的含量

由表3可知，一定温度下，随着厌氧发酵混合物温度的升高，试验发酵原料中TN的降解率也逐渐增加，温度从20℃上升到35℃，从35℃上升到55℃时，降解率分别增加13.3%及9.5%。

4 试验结论

(1)本试验并且该温度下出现多个较明显的产气高峰，在第7d左右达到产气最高峰。而在35℃和55℃的温度下，分别在第6d和第3d左右达到产气高峰。混合原料需要经过约三天左右才能正常产气，并且该温度下出现多个较明显的产气高峰，在第7d左右达到产气最高峰。而在35℃和55℃的温度下，分别在第6 d和第3 d左右达到产气高峰。

(2)在20℃、35℃和55℃3个恒定温度组下，20℃时发酵前11d和前24d累积产气量分别到达总累积产气量的23.36%和71.34%；

(3)在3个恒定温度组下，发酵反应消耗的COD的量分别约占发酵反应前混合原料的COD的量的66.7%、80.6%和90.0%。

(4)在20℃、35℃和55℃3个恒定温度组下，以牛粪作为发酵原料，总体来看三个温度下pH值的变化情况相似，波动范围都比较小。

(5)一定温度下，随着厌氧发酵混合物温度的升高，试验发酵原料中TN的降解率也逐渐增加，温度从20℃上升到35℃，从35℃上升到55℃时，降解率分别增加13.3%及9.5%。