幾種畜禽糞便厭氧發酵前后氮含量的變化

陳芬張紅麗余高

(1.銅仁學院農林工程與規劃學院，貴州 銅仁 554300；2.國信司南(北京)地理信息技術有限公司，北京 100048；3.江口鑫力農業發展有限公司，貴州 銅仁 554400)

隨著我國畜禽養殖業快速發展，畜禽糞便已經成為我國環境的重要污染源之一，資源化利用畜禽糞便對改善生態環境、實現資源循環利用具有重大的現實意義和戰略意義[1]。厭氧沼氣發酵處理有機廢棄物具有能耗小、剩余污泥少、可回收能源等優點，是有機固體廢物處理處置方向之一[2]。畜禽糞便經過沼氣發酵,不僅能解決環境衛生問題,而且能回收能源。

目前，國內外厭氧消化處置的有機廢棄物種類主要集中于畜禽糞便、城市生活垃圾、城市污泥等[2]。然而，國外較大部分研究工作者致力于消化物料的預處理方式、厭氧消化工藝及參數對系統產氣率的影響[3-5]。消化物料預處理方式的研究內容主要包括粉碎、浸泡、超聲波、微波、熱水解、酸、堿、臭氧物質等處理，而厭氧消化工藝及運行參數的研究內容主要包括消化物料固體濃度、有機負荷、水力停留時間、反應器溫度、攪拌方式、消化液回流比等[6,7]。但對發酵體系肥力指標(如氮、磷、鉀等)研究的卻較少。

因此，本研究擬采用實驗室控制條件下發酵培養試驗，比較3種主要畜禽糞便在高溫厭氧發酵前后體系中全氮(TN)、銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)含量的變化，以期為不同畜禽糞便肥料化利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 發酵原料與接種物及預處理

1.1.1 發酵原料

試驗用雞糞取自山西忻州農戶，豬糞取自山西省忻府區旭明養殖專業合作社，牛糞取自山西農業大學牧站。雞糞、豬糞和牛糞的揮發性固體(VS)分別為64.43%、60.49%和74.77%；總有機碳(TOC)含量分別為302.83g·kg-1、284.30g·kg-1和351.44g·kg-1；TN含量分別為20.98g·kg-1、15.03g·kg-1和13.64g·kg-1。樣品取回后風干去雜過篩后用于試驗。

1.1.2 接種物

用采自山西省高平市農村沼氣池的沼液與采自山西農業大學牧站的牛糞按體積比為10∶1混合后進行常溫密封馴化，馴化時間為10d。

1.2 試驗設計與實施

本試驗按發酵原料不同設3個處理，分別為雞糞、豬糞和牛糞。設畜禽糞便與水的比例按10%(固體質量比)進行添加，其中雞糞、豬糞和牛糞分別添加72g、69g和68g，接種液270g，然后加自來水至900g，充分混勻；取樣200g，部分用于固體含量測定，剩余部分通過離心進行固液分離，用于厭氧發酵初始固、液相TN、NH4+-N和NO3--N含量的測定；反應器中保留700g進行厭氧發酵試驗，初始固體含量均為10%，即均為70g。3次重復。培養過程參照陳芬等的實驗方法[8]。

1.3 測定項目與方法

畜禽糞便揮發性固體(VS)采用550℃灼燒法；總有機碳(TOC)含量采用K2Cr2O7容量法測定(NY525-2002)；畜禽糞便以及發酵起止固相中全氮(TN)含量參照有機肥料標準測定方法；發酵起止液相中的全氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法，銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)含量采用連續流動分析儀(FIAstarTM 5000 Systems，FOSS，America)測定。

1.4 統計分析方法

試驗數據處理采用 Microsoft Excel 2003 和SPASS 18.0。

2 結果與分析

2.1 3種畜禽糞便厭氧發酵前后TN含量的變化差異

厭氧發酵過程中，由于有一部分氮素轉化為N2和NH3等氣體而損失，導致發酵原料總氮含量均不同程度下降。反應初期，雞糞、豬糞和牛糞處理發酵原料總氮量分別為3.37g、2.14g和2.43g；反應結束后，相應處理總氮量分別為3.04g、1.94g和2.25g，損失率分別為9.18%、9.50%和7.31%，各處理之間差異不顯著，見圖1。

圖1 3種畜禽糞便厭氧發酵過程中總氮含量損失率

2.2 3種畜禽糞便厭氧發酵前后NH4+-N含量的變化差異

高溫厭氧發酵過程中，反應器中微生物不斷分解基質，體系中發生劇烈的生化反應，同時由于反應器中微生物氨化作用及有機氮的礦化分解，導致液相中NH4+-N含量增加。由圖2可知，厭氧發酵68d中，發酵初期雞糞、豬糞、牛糞的NH4+-N含量分別為0.52g、0.46g和0.35g，發酵末期雞糞、豬糞、牛糞的NH4+-N含量分別為0.67g、0.74g和0.57g，發酵末期體系中的NH4+-N含量均顯著高于發酵初期。這與其它報道中畜禽糞便厭氧發酵條件下NH4+-N的變化趨勢相似[9]，宋成芳[9]等人研究了畜禽養殖廢棄物沼液的濃縮及其成分，結果表明，濃縮液的常規營養成分顯著高于原沼液。靳紅梅[10]等人研究了豬、牛糞厭氧發酵中氮素形態轉化及其在沼液和沼渣中的分布，研究結果表明，豬糞和牛糞發酵結束時液相中NH4+-N質量均有不同程度的增加，增幅分別達162.2%和90.0%。在整個厭氧發酵過程中，雞糞發酵前后液相中的NH4+-N含量都比較高，主要是因為雞糞中含有較高的粗蛋白和較多的氨、尿素、尿酸、肌酸和肌酸肝等非蛋白態氮素化合物[11]。

圖2 3種畜禽糞便發酵前后料液中NH4+-N的含量

2.3 3種畜禽糞便厭氧發酵前后NO3--N含量的變化

厭氧發酵68d后，3種發酵原料中的NO3--N均顯著降低，雞糞、豬糞和牛糞分別降低了70.0%、30.7%和43.4%見圖3。造成NO3--N減少的原因主要有2個，厭氧過程中缺乏氧等電子受體；硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧氨氧化分解代謝。

圖3 3種畜禽糞便發酵前后料液中NO3--N的含量

畜禽糞便經過厭氧發酵后，NH4+-N占總氮的比例均有不同程度的升高，見表1。雞糞、豬糞和牛糞分別升高了6.24%、16.12%和10.33%，其中豬糞升高顯著(P<0.05)。畜禽糞便中NH4+-N占液相總氮的比例也均有不同程度的升高，差異不顯著。厭氧發酵降低了NO3--N在總氮及液相總氮的比例，降幅在豬糞和牛糞總量中達到顯著水平(P<0.05)，雞糞降幅比較小。

表1 3種畜禽糞便發酵過程中NH4+-N和NO3--N在總量和液相中的比例

3 結論與討論

厭氧發酵68d中，雞糞、豬糞和牛糞的TN含量均有不同程度的降低，其損失率分別為9.18%、9.50%和7.31%。其原因可能是發酵原料中的有機氮經微生物作用發生氨化、厭氧氨氧化、反硝化[12]等反應，使氮素轉化為NH3和N2等物質而損失，從而降低了總氮的含量。高溫厭氧發酵過程中，反應器中微生物不斷分解基質,體系中發生劇烈的生化反應[13]，同時由于反應器中微生物氨化作用及有機氮的礦化分解，從而導致液相中NH4+-N含量增加[14]，雞糞、豬糞和牛糞發酵原料中NH4+-N在液相中的增幅分別為28.5%、61.5%和64.5%。在整個厭氧發酵過程中，雞糞、豬糞和牛糞發酵原料中NO3--N均有不同程度的下降，其降幅分別為70.0%、30.7%和43.4%，造成NO3--N減少的原因可能有2個,厭氧過程中缺乏氧等電子受體；硝酸鹽和亞硝酸鹽被厭氧氨氧化分解代謝。