规模化养猪场上流式沼气池发酵液养分变化分析

徐庆贤 官雪芳 黄菊青

摘要：为实现沼液的有效利用、上流式沼气池运行参数优化调整，以及为沼液深度处理奠定基础，以福建省新星种猪育种有限公司上流式沼气池为例，测定不同发酵时间（0、24、48 h）、不同发酵层（0～9 m）沼液的养分含量，并对其变化规律进行探讨。结果表明：相同发酵时间、不同发酵层的沼液乙酸含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、有机质含量差异均不显著;相同发酵层、不同发酵时间沼液的乙酸含量、有效钾含量、有机质含量均存在显著（P<0.05）或极显著（P<0.01）差异;相同发酵层、不同发酵时间沼液的碱解氮含量、有效磷含量差异均不显著。

关键词：规模化养猪场;上流式沼气池;沼液;發酵时间;发酵层;养分

中图分类号： S216.4  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）11-0281-07

收稿日期：2019-06-25

基金项目：福建省科技公益类科研院所专项（编号：2014R1015-12、2018R1014-4）;福建省农业科学院科技服务团队项目（编号：kjfw15）。

作者简介：徐庆贤（1979—），男，福建宁德人，硕士，副研究员，从事农村能源和农业环保研究与推广工作。E-mail：xqx591@126.com。

通信作者：林 斌，博士，研究员，从事农村能源和农业环保研究与推广工作。E-mail：linbin591@126.com。  养猪场粪便污水是一种高浓度有机废水[1-2]，我国养猪场集约化快速发展以及养猪场粪便污水处理技术相对滞后，导致猪场污水成为重要的污染源[3]。在环境持续恶化的同时，国家对于能源的需求又急剧增加，这促使国家大力发展沼气事业[4]。规模化沼气技术是可再生能源和环境保护领域关注的重点[5]。利用沼气技术处理规模化养猪场粪污，不但能够有效处理养殖废弃物，避免环境污染，而且还可以通过沼气生产向周围用户提供清洁能源，对开发可再生能源及发展农业循环经济都具有重要意义[6-7]。

沼气工程可持续发展的重要因素就是沼液处理问题[8]。沼液是粪便污水通过厌氧发酵后的产物，富含多种氨基酸、吲哚乙酸等能够提高农作物产量的营养物质[9-10]，是一种兼备速效与长效的微生物有机肥[11]，能有效改良土壤[12]。张媛等的研究表明，在施用沼液后，土壤速效养分在一定阶段会随沼液施入量的增加而有所增加[13]。农作物吸收利用的是土壤速效养分，它们的含量决定了土壤的肥力水平[14]。本试验通过研究上流式沼气池中不同发酵层和不同发酵时间沼液的养分含量变化，旨在为合理施用沼液和培肥土壤提供依据，同时对上流式沼气池运行参数进行优化调整以及后续沼液深度处理与利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 上流式沼气池

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，有效容积670 m3，主体结构为钢筋混凝土，沼气池内外涂刷有机玻璃钢，安装300 m2的太阳能真空面板用于加热循环水为沼气池发酵液加温，水力滞留期（HRT）10 d。

1.2 样品采集

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，分别于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个样品，采集样品装入干净塑料瓶中4 ℃厌氧保存。

1.3 测试方法

碱解氮含量的测定采用碱解扩散法;乙酸含量的测定采用气相色谱法;有效钾含量的测定采用 1.0 mol/L NH4OAc浸提-火焰光度法[15];有机质含量的测定参照NY/T 1976—2010《水溶肥料有机质含量的测定》;有效磷含量的测定采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法;总氮含量的测定采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法;总有机碳含量的测定采用HJ 501—2009燃烧氧化-非色散红外吸收法。

1.4 数据处理

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 沼液中乙酸含量分析

有机物在厌氧发酵过程中，一般分为3个阶段：发酵水解、产氢产乙酸和产甲烷阶段[16-17]。产生甲烷的主要原料是乙酸、CO2、H2及甲醇[18]，其中乙酸分解产生的甲烷占甲烷总量的70%[19]，因而厌氧水解酸化产物中乙酸占总挥发性脂肪酸的比例，可以有效反映厌氧发酵是否稳定以及是否发酵完全。对不同层、不同发酵时间沼液中乙酸含量进行检测，结果详见图1。

从图1可以看出，进水口和出水口沼液乙酸含量分别为4.45、25.50 mg/L，经沼气池发酵后，沼液乙酸含量增加，沼气池中的乙酸含量基本上高于进样中的含量。对不同层、不同发酵时间沼液的乙酸含量进行方差分析（表1），可以看出，不同发酵时间沼液乙酸含量呈极显著差异（P=0.006<0.01）;不同层间沼液乙酸含量差异不显著（P=0.626>005）。

表2为不同发酵时间沼液的乙酸含量均数两两比较结果，可以看出，发酵0 h（进样口）样品中沼液乙酸含量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乙酸含量明显增加。

表3为不同取样口中沼液乙酸含量均数两两比较结果，可以看出，进样口样品中沼液乙酸含量与其他不同层取样口中沼液乙酸含量在不同子集内，说明进样口中沼液乙酸含量低于其他取样口。

2.2 沼液中碱解氮含量分析

土壤碱解氮含量是反映土壤供氮能力的重要指标之一[20]。张媛等的研究表明，沼液能有效增加土壤碱解氮含量[13]。对不同层、不同发酵时间沼液中的碱解氮含量进行检测，结果详见图2。可以看出，进水口和出水口沼液碱解氮含量分别为33100、230.00 mg/L，经沼气池发酵后，沼液中碱解氮减少，而沼气池中的碱解氮含量也低于进口沼液。

对不同层、不同发酵时间沼液中的碱解氮含量进行方差分析（表4），可以看出，不同发酵时间和不同层间沼液碱解氮含量差异不显著，其对应P值分别为0.082、0.517，均大于0.05。

表5为不同发酵时间沼液的碱解氮含量均数两两比较结果，可以看出，发酵0 h（进样口）样品中沼液碱解氮含量与其他发酵时间处理在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其碱解氮含量降低。

表6为不同取样口中沼液的碱解氮含量均数两两比较结果，进样口样品中沼液碱解氮含量与其他不同层取样口中沼液碱解氮含量在不同的子集内，说明进样口中沼液碱解氮含量高于其他取样口。

2.3 沼液中有效磷含量分析

對不同层、不同发酵时间沼液中有效磷含量进行检测（图3），可以看出，进水口和出水口沼液有效磷含量分别为87.05、40.70 mg/L，经沼气池发酵后，沼液有效磷含量下降，沼气池中的有效磷含量基本上低于进样口。

对不同层、不同发酵时间沼液的有效磷含量进行方差分析（表7），可以看出，不同发酵时间和不同层沼液的有效磷含量差异均不显著，其P值分别为0.108、0.613，均大于0.05。

表8为不同发酵时间沼液有效磷含量均数两两比较结果，可以看出，发酵0 h（进样口）样品中沼液有效磷含量与其他发酵时间处理在不同子集内，说明沼液经沼气池发酵后其有效磷含量下降。

表9为不同取样口中沼液有效磷含量均数两两比较结果，进样口（即取样口为0）中沼液有效磷含量与其他不同层取样口沼液的有效磷含量在不同的子集内，说明进样口中沼液有效磷含量高于其他

2.4 沼液中有效钾含量分析

土壤中全钾测定可以反映出土壤含钾量，有效钾含量的测定可以反映出土壤实际供钾状况[21]。祝延立等利用沼液种植玉米研究沼液对土壤理化性质的影响，结果表明，在一定施用量范围内，沼液能够有效增加土壤全钾、速效钾含量[22]。对不同层、不同发酵时间沼液中有效钾含量进行检测，结

果如图4所示。可以看出，各样品中有效钾含量在 0.35～0.55 mg/L 之间。

对其进行方差分析（表10），可以看出，不同发酵时间沼液有效钾含量呈极显著差异（P=0.005<0.01）;不同层间沼液有效钾含量差异不显著（P=0.146﹥0.05）。

表11为不同发酵时间沼液乙酸含量均数两两比较结果，可以看出，发酵0 h（进样口）样品中沼液有效钾含量与其他发酵时间处理在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其有效钾含量明显降低。

表12为不同取样口中沼液有效钾含量均数两两比较结果，进样口（取样口为0）与取样层3、6、7、8、出样口在同一子集，但1～8层及出样口同在另一子集，说明除了进样口，各取样口沼液中有效钾含

2.5 沼液中有机质含量分析

对不同层、不同发酵时间沼液中有机质含量进行检测（图5），可以看出，进水口和出水口沼液有机质含量分别为35.60%、19.57%，经沼气池发酵后，沼液有机质含量降低，沼气池中的有机质含量基本上低于进样口。

对不同层、不同发酵时间沼液的有机质含量进行方差分析（表13），可以看出，不同发酵时间沼液有机质含量差异显著（P=0.031<0.05），不同层间沼液有机质含量差异不显著（P=0.788﹥0.05）。

表14为不同发酵时间沼液有机质含量均数两两比较结果，可以看出，发酵0 h（进样口）样品中沼液有机质含量与其他发酵时间处理在不同子集内，说明沼液在沼气池发酵后其有机质含量明显下降。

表15为不同取样口中沼液有机质含量均数两两比较结果，进样口中沼液有机质含量与其他不同

3 结论与讨论

沼气池进水口沼液乙酸含量为4.45 mg/L、碱解氮含量为331.00 mg/L、有效磷含量为 87.05 mg/L，有效钾含量为0.55 mg/L，有机质含量为35.60%;经沼气池发酵后，沼液乙酸含量增加，沼液碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、有机质含量均减少;出水口沼液乙酸含量为25.50 mg/L，沼液碱解氮含量为230.00 mg/L，有效磷含量为 40.70 mg/L，有效钾含量为0.47 mg/L，有机质含量为19.57%。

相同发酵时间、不同发酵层的沼液乙酸含量、碱解氮含量、有效磷含量、有效钾含量、有机质含量差异均不显著。

相同发酵层、不同发酵时间的沼液乙酸含量、有效钾含量、有机质含量均存在显著或极显著差异;相同发酵层、不同发酵时间的沼液碱解氮含量、有效磷含量差异均不显著。

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