接种新鲜沼液对牛粪与秸秆中温干法厌氧发酵产气与造肥的影响

文/王顺利 王 菲 刘克锋 王红利 鲁 琳＊

（北京农学院）

畜禽粪便干式厌氧发酵是相对于目前沼气的“湿法”发酵工艺而提出的，其基本原理就是畜禽粪便在发酵前不用添加大量的水，而是在固态状态下装入密闭的容器中进行厌氧发酵。发酵过程不断产生的沼气被收集并储存在储气罐里，生产过程没有沼液产生，最后得到的沼渣便是固态的有机肥，可对其进行进一步加工形成优质有机肥。沼气和有机肥生产合成在一个流程里“一气呵成”，具有水资源消耗少、资源化利用程度高、基本做到零排放、有机肥熟化程度好等优点。干式发酵相较于湿法发酵具有原料利用范围广、有机负荷高、污水处理量少、能耗低、工程占地少、投资费用低等优势[1]。

关于干法厌氧发酵制沼气，国内外已有一定的相关报道。姜庆宏等研究了牛粪和秸秆的不同物料配比、温度、初始pH值对沼气发酵的影响[2]。刘思颖等研究了稻草秸秆干发酵的最佳工艺条件[3]。Nkemka等对青口贝和芦苇混合干发酵进行了研究[4]。

接种物又称厌氧活性污泥，一般是指在厌氧发酵过程中残留的污泥或沼渣，其中含有大量有活性的厌氧微生物菌体，而在发酵过程中加入一定量的厌氧沼渣或沼液作为接种物是实现加快厌氧发酵启动速度、提高甲烷产量的重要措施。不同来源的接种物中菌种成分及微生物活性相差很大，接种物的选择与驯化情况对厌氧发酵过程起到至关重要的作用[5]。本试验以牛粪处理为目标，研究了新鲜沼液对牛粪与秸秆中温干法厌氧发酵产气与造肥的影响，并筛选出合适的接种量，为后续牛粪与秸秆中温干法厌氧发酵规模化生产提供可靠的工艺参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用牛粪取自北京市回龙观北郊农场畜牧5队。玉米秸秆作为辅料，取自北京农学院试验田，粉碎至粒径小于2 mm。其中牛粪的总固形物含量为30.7%，总氮含量为3.31%，总碳含量为36.64%，C/N为11.06；玉米秸秆的总固形物含量为92.5%，总氮含量为1.96%，总碳含量为87.65%，C/N为44.64。

试验所用的接种物取自北京市北郎中种猪场三期沼气工程中温发酵产生的沼液。收集沼液为粪污水经过上流式厌氧污泥床反应器厌氧发酵15～20 天后沼气场的新鲜沼液。沼液的COD为728 mg/L，总氮含量为0.56%。

1.2 试验装置

试验所用发酵装置为自行连接密封。采用2.5 L广口瓶3 个，分别作为发酵罐、集气罐及集水罐，相互之间以乳胶管连接，罐口及连接处利用热熔胶和胶带密封固定，使用前进行漏气检测，以保证试验装置的密封性。将发酵罐放置于恒温水浴锅中（图1）。

图1 实验室干法厌氧发酵装置

1.3 试验方法

将粉碎的玉米秸秆碎屑加蒸馏水调节含水率至60%，放于温室中自然堆沤15 天，堆沤温度保持在27～32 ℃，每2 天翻堆1 次，同时测量含水率，适当补充水分。堆沤好的秸秆与牛粪混合，调整物料的C/N为30。将新鲜沼液按照10%、20%、30%、40%和50%不同的接种量与物料混合（分别记为J1、J2、J3、J4、J5），再用蒸馏水调节干物质质量分数为20%。同时以不接种处理作为对照（CK）。每个处理设3 个重复。将发酵罐放置于恒温水浴锅中维持罐内温度35～38℃，进行厌氧发酵试验。发酵时间为30 天。发酵过程中每24 h记录1 次产气量，初始5 天每天测量甲烷含量，之后每3 天测量1 次甲烷含量。于发酵结束后，样品放至阴凉通风处自然风干，风干后样品粉碎，过20 目筛，封存待测。

1.4 测量指标及方法

1.4.1 产气指标分析

日产气量采用排水集气法，排出的饱和食盐水体积即为每天产生的气体体积。日产气甲烷体积分数测定采用气相色谱法，用Hewlett-Packard 5890 series II 气相色谱仪测定[6]。

1.4.2 沼渣分析

有机碳含量采用灼烧法测定。全氮、全磷和全钾的含量按照中华人民共和国农业行业标准NY525-2012测定。样品经H2SO4-H2O2联合消煮后，利用凯氏定氮仪测定全氮含量，利用钒钼黄比色法分光光度计测定全磷含量，利用火焰光度计测定全钾含量。种子发芽指数（GI）的测定参考文献[7]中的方法。

2 试验结果

2.1 不同接种量对产气特性的影响

2.1.1 不同接种量对日产气量的影响

不同接种量的日产气量变化如图2所示。接种新鲜沼液对牛粪干法厌氧发酵的启动速度有明显的促进影响。除处理J2以外，其他处理均比CK启动速度快，产气速度快。纵观整个发酵期间每日产气情况，处理J5和J3产气过程比较平稳。从产气高峰分析，接种新鲜沼液后，牛粪干法厌氧发酵的产气高峰延迟。处理J3、J4和J5产气高峰分别出现在发酵的第8天、第9天和第10天，与CK相比延后了1～3 天，这可能是因为接种新鲜沼液后堆料中的微生物演替活动频繁，导致产气高峰延迟。对比各处理与对照的产气高峰值可以发现，J5处理的日产气高峰值最高，为3 017 mL，比CK产气高峰值高出16.3%。J1、J3和J4的高峰值也高于CK，分别高出13.0%、12.4%和8.2%。从产气周期分析，CK处理在发酵的第24天停止产气，处理J4在发酵的第19天结束产气，其余接种新鲜沼液的处理与CK相比，均延长了产气周期，这说明接种新鲜沼液有助于牛粪中温干法厌氧发酵的进行，促进了发酵过程启动，日产气高峰值提高，产气的周期延长。但可能是新鲜沼液中微生物与堆料中的微生物存在竞争和适应的原因，导致接种新鲜沼液后，牛粪中温干法厌氧发酵的产气高峰延迟。

图2 不同接种量牛粪中温干法厌氧发酵日产气量情况

2.1.2 不同接种量对累积产气量的影响

图3为不同接种量处理的牛粪中温干法厌氧发酵的累积产气情况。各个处理的累积产气量大小依次为：J5＞J1＞J3＞J2＞J4＞CK。这说明添加新鲜沼液促进了牛粪中温干法厌氧发酵的进行。CK处理累积产气量最少，为24 882 mL。J5累积产气量最多，达到46 347 mL，约是CK的1.86 倍。其次是J1和J3，累积产气量分别达到42 603 mL和39 720 mL，为CK的1.71 和1.60 倍。J2和J4累积产气量较少，为31 273 mL和30 267 mL，分别为CK的1.26 倍和1.22 倍。

通过分析各个处理达到80%产气量的时间（表1），J4在第13天时产气量就达到了总产气量的80%，但是该处理产气周期最短，仅为18 天。CK处理和J3均在第17天达到了总产气量的80%，处理J5、J1和J2分别在第18、19和20天达到。J3虽然总产气量较J5和J1低，但其前期产气效率较高，在工业生产中可更早续料，缩短工程周期，达到更好的生产效益。

2.1.3 不同接种量对甲烷含量的影响

图3 不同接种量牛粪中温干法厌氧发酵累积产气量情况

图4 不同接种量处理的甲烷含量

不同接种量处理产气过程中的甲烷含量变化如图4所示。接种新鲜沼液可以提高牛粪中温干法厌氧发酵产生气体中的甲烷含量。在整个发酵期间，所有处理产生气体中的甲烷含量均在发酵的前6 天表现出快速上升的趋势，并均在第6 天达到40%以上，其中J3处理的甲烷含量最高为48%。除CK处理外，其他所有处理所产生的甲烷含量均在随后的发酵过程中表现出波动上升的趋势，并于发酵第18天达到50%以上，并于发酵第24天达到最大峰值。甲烷含量是衡量沼气质量的重要指标。综合各个处理日产气量、累积产气量以及甲烷含量的高低，J3和J5两个处理在产气方面显现出较好的效果。

2.2 不同接种量对沼渣特性的影响

2.2.1 种子发芽指数（GI）

评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的指标是植物生长试验[8]。种子发芽指数不仅考虑了种子的发芽率，还考虑了植物毒性物质对种子生根的影响。当发芽指数达到80%时，可认为堆肥已没有植物毒性或者说明堆肥已经腐熟[9]。

表1 不同接种量牛粪中温干法厌氧发酵产气情况

表2 不同接种量处理的沼渣养分含量及种子发芽指数特征

在本研究中，不同接种量的处理在中温干式厌氧发酵30 天后，其发酵产物的GI值均超过了80%（表2）。该试验结果说明在本试验条件下，不同接种量处理的牛粪中温干式厌氧发酵30 天的沼渣均已发酵腐熟，不会对植物生长产生毒害。此外，在研究中也发现，随着接种量的提高，其沼渣的GI值出现增加的趋势，并且J4和J5两个处理的GI值已经高于对照，推测这可能与这两个处理发酵产物的养分含量较高有关系。

2.2.2 沼渣的总养分含量与碳氮比

对各个处理发酵30 天后的沼渣的养分含量进行测定，并对测定结果进行多重比较（表2）发现，不同接种量处理的发酵产物，其总养分含量随接种量的增加而逐渐增加。其中J1与CK处理的总养分含量在0.01水平显著低于其他处理。总养分含量最高的处理为J5，在0.01水平显著高于其他处理。所有处理的总养分含量均高于我国农业行业标准NY525-2012中有机肥总养分含量“≥5%”的规定。由表2可以看到，对各个处理的总养分含量随着接种量的增加而增加贡献比较大的是总磷的含量，其次为总氮含量，而总钾含量在各个处理之间没有显著差异。

3 结论

以新鲜沼液作为接种物，可以促进牛粪和秸秆中温干法厌氧发酵过程启动，日产气高峰值提高，产气的周期延长；发酵前期产气效率提高，甲烷含量增加。本试验条件下，物料的接种量不同，产气速度和产气质量存在明显差异。接种量为50%时，产气量最多，但产气高峰期甲烷含量较低。接种量30%时，虽然总产气量较接种量50%少，但在产气高峰期甲烷含量较高，更为适合工业生产。

在本试验条件下，干法厌氧发酵处理后的沼渣具有良好的造肥潜力。沼渣对生物没有毒害，并且总养分含量符合有机肥农业标准（NY525-2012）。

在本试验条件下，综合发酵过程的启动速度、日产气量、总产气量、甲烷含量和沼渣的种子发芽指数、养分含量等多个指标，同时考虑到提高处理效率和降低应用成本，推荐接种新鲜沼液30%是牛粪和秸秆中温干法厌氧发酵的最佳产气与造肥条件。