干清粪工艺下农村规模化沼气沼液养分分析

2017-12-06刘银秀聂新军董越勇范志斌

浙江农业科学 2017年11期

关键词：厌氧发酵沼液沼气

刘银秀，聂新军，董越勇，王强，叶波，范志斌，金娟

(1.浙江省农业生态与能源办公室，浙江杭州 310012； 2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江杭州 310021)

干清粪工艺下农村规模化沼气沼液养分分析

刘银秀1，聂新军1，董越勇1，王强2，叶波1，范志斌1，金娟1

(1.浙江省农业生态与能源办公室，浙江杭州 310012； 2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江杭州 310021)

对浙江省全省范围内37个农村规模化沼气工程沼液进行养分调查和分析。结果表明，浙江省农村规模化沼气工程沼液pH值均呈现中性及弱碱性，且不同工程之间沼液pH值差异性很小，因此沼液可以广泛用于农作物种植。沼液样品有机质含量在0.04%～1.00%，不同沼气工程的沼液有机质含量差异性很大，这与沼气工程的厌氧发酵池工艺、容积、料液停留时间、微生物的活性、有机质颗粒分解速度以及沉降速度等因素有关。沼液中含有氮、磷、钾等养分元素，但含量较化肥低很多；不同沼气工程沼液中氮、磷、钾等养分含量均呈现全氮>全钾>全磷的趋势，且沼液中全钾含量的差异性最小，全氮次之，全磷含量的差异性最大。沼气工程运行时间越长，发酵系统和微生物活性越稳定，沼液中有机质、氮、磷、钾等养分元素含量之间的差异性越小。杭嘉湖地区和宁绍舟地区沼气工程沼液有机质、全氮、铵态氮、全钾和总养分平均含量高于金衢地区和温台丽地区。不同沼气工程的沼液养分含量有差异，且部分养分指标差异性较大，因此在大规模施用沼液前，应根据土壤类型、肥力水平、作物品种、种植制度、自然环境等因素进行肥效试验，合理确定施用量，避免因养分过多或过少而影响作物生长。

畜禽养殖；沼气工程；沼液；养分

畜牧业是国民经济的基础产业，大力推进畜牧业生态高效发展，是关系食品供给、农业生态循环、农民增收、公共卫生安全和民生福祉改善的民生实事，是加快现代生态循环农业发展、打造绿色农业强省和建设“两美”浙江的必然选择与重要举措。2013年以来，浙江省加快推进畜牧业转型升级，全省畜禽养殖区域布局进行战略性调整，畜禽养殖由“低小散乱”向规模化发展。截至2015年底，全省标准化规模养殖水平大幅提高，生猪、奶牛、家禽规模化比重分别达89%、99%和91%，其中年出栏生猪>500头的规模养殖占70%[1]。2016年10月，农业部同意浙江省在全国首先开展畜牧业绿色发展示范省创建工作。2016年12月，浙江省印发《创建全国畜牧业绿色发展示范省三年行动方案(2017—2019年)》[2]，方案中指出：推进适度规模养殖，鼓励和引导发展年出栏猪1 000头、肉鸡50 000羽、存栏蛋鸡5 000羽、奶牛200头的标准化适度规模养殖场；力争到2019年，全省生猪出栏500头规模的养殖场比重达到80%。规模化养殖水平的提高，一方面提高了畜牧业发展产业化水平，另一方面也对畜禽粪污的处理提出了更高的要求和标准。

习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上强调，加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，关系6亿多农村居民生产生活环境，关系农村能源革命，关系能不能不断改善土壤地力、治理好农业面源污染，是一件利国利民利长远的大好事。要坚持政府支持、企业主体、市场化运作的方针，以沼气和生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向，力争在“十三五”时期，基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题[3]。中央2017年1号文件中指出：推进农业清洁生产，大力推行高效生态循环的种养模式，加快畜禽粪便集中处理，推动规模化大型沼气健康发展。畜禽粪污中含有大量的有机物、氮、磷、钾等营养元素，同时也有危害人体健康的病原菌、微生物[4]。实践证明，利用沼气工程处理畜禽粪污是行之有效的，不仅可以有效降低有机物含量、杀死危害人体健康的病原菌，还可以回收沼气作为可利用的能源。同时，沼液中含有丰富的氨基酸、B族维生素、某些植物激素，对病虫害有明显抑制作用，是各类农作物、花卉、果树、蔬菜的优良有机肥料[5]，可以有效提高农产品产量、提升农产品质量[6-7]。目前，浙江省规模化畜禽养殖场大多建有配套的沼气工程，这些工程不仅是可以持续提供清洁能源的优质能源工程，还是联结畜牧业和种植业的重要纽带。农村规模化沼气工程的效果显著，但是如何妥善处置畜禽粪污厌氧发酵过程中产生的大量沼液仍是亟待解决的问题，这个问题不解决，不仅制约了资源的再分配、再利用，还制约了沼气工程的进一步发展。

为了充分了解浙江省农村规模化沼气工程沼液的组分构成，对浙江省37个农村规模化沼气工程进行了调查。本文主要对沼液样本的pH值、有机质、氮、磷、钾等指标进行分析，以期为沼液的合理利用提供基础数据和技术支撑，为全省生态循环农业发展和环境保护提供指导。

1 材料与方法

1.1 样点概况

选取浙江省11个设区市的27个县(市、区)挑选37个农村规模化沼气工程进行调查采样，其中杭嘉湖地区9个，宁绍舟地区15个，金衢地区6个，温台丽地区7个。选取的37个采样点均为生猪存栏量在1 000头规模养殖场的配套工程，其中厌氧发酵池总容积小于500 m3的有12个，500～1 000 m3的13个，>1 000 m3的12个；厌氧发酵工艺有CSTR工艺和UASB工艺2种，其中CSTR 24个，UASB 13个；沼气工程运行时间2～5 a的20个，5～10 a的12个，>10 a的5个。37个采样点均采用干清粪工艺，发酵原料均为猪粪尿+冲洗水。沼气工程取样期间运行良好。供检样品均取自厌氧发酵池排放出的沼液。采样期间全省最高气温5～25 ℃、最低气温2～18 ℃。

1.2 样品采集

于2016年11月15日至12月5日取样，每个采样点在采样当天的9:00—10:00、11:30—12:30、14:00—15:00分别采集3份样品，每份样品的量应相同且不少于300 mL。然后将3份样品均匀混合成1份样品，以供检测。供检样品装入500 mL PVC瓶中，密封、冷藏保存，24 h内送往检测机构进行分析测定。如果指标无法一次性测完，剩余样品加入浓硫酸酸化，并于0～4 ℃条件下保存。

1.3 测定项目与方法

1.4 统计与分析

采用数据处理软件Excel进行统计与分析。

2 结果与讨论

2.1 沼液pH值指标变化情况

由表1可知，样品pH值6.78～8.05，大多呈现中性及弱碱性，这与其他研究的结果基本一致[8-9]。不同运行年限的沼气工程之间沼液pH值差异性不大，pH值相对比较稳定，其中运行时间>10 a的沼气工程沼液pH值波动幅度最小。不同池容、不同地域的沼气工程沼液之间的pH值差异也不大，这主要是因为不同规模的沼气工程经过长时间运行后系统比较稳定，厌氧发酵池中各种微生物相对比较活跃，能够充分分解料液中的有机酸，使pH值可以保持在一个相对稳定的水平。

表1 浙江省沼液pH值的情况

2.2 沼液有机质含量变化情况

由表2可知，沼液样品有机质含量在0.04%～1.00%，有机质平均含量为0.22%。不同沼气工程的沼液有机质含量差异性较大，变异系数达到92.58%。由于沼气工程的厌氧发酵池容积和发酵工艺选择、工程运行过程中进料量和进料频次不同，厌氧发酵池中料液停留时间、微生物活性、有机质颗粒分解速度以及沉降速度均有所差异，沼液有机质含量存在较大差异。

表2 浙江省沼液有机质含量的情况

不同运行年限的沼气工程之间，沼液有机质平均含量由大到小为5～10 a、2～5 a、>10 a，且运行>10 a的沼气工程沼液有机质含量差异性最小。这可能是因为沼气工程运行时间越长，厌氧发酵池中微生物对有机质的降解作用越稳定，沼液中有机质的含量越稳定，不同沼气工程沼液有机质含量之间的差异性也就越小。

不同池容的沼气工程沼液之间有机质含量差异性比较大，池容小于500 m3的沼气工程沼液有机质含量明显低于池容>500 m3的沼气工程。池容>500 m3的沼气工程之间沼液的有机质含量差异性较大。

从区域分布来看，沼液有机质平均含量呈现杭嘉湖地区>宁绍舟地区>温台丽地区>金衢地区的趋势，金衢地区被调查沼气工程沼液有机质含量相同。杭嘉湖地区和宁绍舟地区沼气工程沼液有机质含量明显高于金衢地区和温台丽地区，这可能是因为杭嘉湖地区和宁绍舟地区经济发达，规模化猪场管理水平较高，干清粪过程中冲洗水用量少，进入沼气工程的料液浓度较高，而金衢地区和温台丽地区猪场干清粪过程中冲洗水用量多，进入沼气工程的料液浓度较低。

2.3 沼液养分含量变化情况

由表3可知，沼液样品全氮含量范围为0.05%～0.35%，且沼液中的氮主要以铵态氮形式存在，铵态氮含量范围为0.05%～0.28%，占全氮的60%～99%。沼液样品中全磷含量范围为0.001%～0.060%，全钾含量范围为0.028%～0.162%。沼液中的大量养分元素的含量均保持全氮>全钾>全磷的趋势。总体上看，沼液中全钾含量的差异性最小，全氮次之，全磷含量的差异性最大，因为厌氧发酵过程对氮、磷、钾元素的削减量很少，因此造成这种现象主要是与料液中氮、磷、钾的含量差异性有关。沼液中总养分含量范围为0.088%～0.549%，不同沼气工程之间沼液总养分含量差异性也较大。

表3 浙江省沼液养分含量的情况

不同运行时间沼气工程沼液中氮、磷、总养分平均含量由大到小为5～10 a、2～5 a、>10 a，钾平均含量由大到小为2～5 a、5～10 a、>10 a。这是因为不同运行时间的沼气工程发酵系统稳定性以及发酵环境有所差异，发酵料液中悬浮颗粒物的含量及其沉降速度也不同，而氮、磷、钾的含量与悬浮颗粒物数量有关联[10]，一般情况下，沼液中悬浮颗粒物越多，其氮、磷、钾的含量也越多。运行时间越长的沼气工程，其系统稳定性越强，发酵料液中颗粒物的沉降速度可能也越快，从而导致沼液中氮、磷、钾等元素的含量偏低。沼液养分含量与沼气工程运行时间的确切关联性还需要进一步研究。

不同池容的沼气工程沼液之间养分含量差异性比较大，池容小于500 m3的沼气工程沼液氮、磷、钾及总养分平均含量明显低于池容>500 m3的沼气工程。池容>500 m3的沼气工程之间沼液的氮、磷、钾及总养分平均含量接近，主要原因可能在于池容越大，料液停留时间越充分，含有氮、磷、钾等元素的悬浮颗粒物沉降量越多，沼液中氮、磷、钾的含量就越接近。

从地域分布来看，杭嘉湖地区和宁绍舟地区沼气工程沼液中全氮、铵态氮、全钾和总养分平均含量高于金衢地区和温台丽地区，这可能与杭嘉湖地区和宁绍舟地区规模化猪场管理水平较高，干清粪过程中冲洗水用量少，进入沼气工程的料液浓度较高有关。杭嘉湖地区和温台丽地区沼气工程沼液中全磷平均含量高于宁绍舟地区和金衢地区。

3 小结

调查的全省37个规模化沼气工程沼液的pH值均呈现中性及弱碱性，因此沼液施用范围较广，可以广泛用于农作物种植。沼气工程沼液有机质含量与运行时间、厌氧发酵池容积和发酵工艺选择等因素有关联，因此不同沼气工程的沼液有机质含量差异性较大。杭嘉湖地区和宁绍舟地区沼气工程沼液有机质含量明显高于金衢地区和温台丽地区。在发酵原料相同的条件下，运行时间越长、料液在发酵池中反应越充分、发酵工艺先进，都会在一定程度上提高沼气工程对有机物的去除效果，降低沼液中有机物质含量。这几种因素与有机质含量之间的确切联系，尚需进一步分析和研究。沼液中含有氮、磷、钾等大量营养元素，但养分含量较化肥低很多。沼液中氮、磷、钾含量均呈现全氮>全钾>全磷的趋势，且氮元素主要以铵态氮形式存在。不同沼气工程的沼液养分含量有差异，且部分养分指标差异性较大，因此在大规模施用沼液前，应根据土壤类型、肥力水平、作物品种、种植制度、自然环境等因素进行肥效试验，合理确定施用量，避免因养分过多或过少而影响作物生长。

[1] 浙江省农业厅. 浙江省畜牧业“十三五”规划 [EB/OL]. (20160822) [2016-08-02]. http://www.zj.gov.cn/art/2016/8/22/art_5495_2181197.html.

[2] 浙江省人民政府办公厅. 浙江省人民政府办公厅关于印发《创建全国畜牧业绿色发展示范省三年行动方案(2017—2019年)》的通知 [EB/OL]. (20170105) [2016-12-09]. http://www.zj.gov.cn/art/2017/1/5/art_38271_289999.html.

[3] 新华社. 中央财经领导小组第十四次会议召开[EB/OL]. (20161221) [2016-12-21]. http://www.gov.cn/xinwen/2016-12/21/content_5151201.htm.

[4] 秦翠兰，王磊元，刘飞，等. 畜禽粪便生物质资源利用的现状与展望[J]. 农机化研究, 2015(6): 234-238.

[5] 曹汝坤，陈灏，赵玉柱，等. 沼液资源化利用现状与新技术展望[J]. 中国沼气, 2015, 33(2): 42-50.

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[7] 庞喜定. 沼液在白脆瓜生产中的应用效果试验[J]. 中国沼气, 2012, 30(5): 63-64.DOI:10.3969/j.issn.1000-1166.2012.05.017.

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[10] 靳红梅, 常志州, 叶小梅,等. 江苏省大型沼气工程沼液理化特性分析[J]. 农业工程学报, 2011, 27(1):291-296.

(责任编辑：万晶)

2017-09-15

浙江省科技厅重点研发计划项目(2015C03013)；2016年度“三农六方”科技协作项目(CTZB-F160728AWZ-SNY1-20)

刘银秀(1977—)，女，浙江江山人，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向为农村能源与农业生态，E-mail: 151429677@qq.com。