不同貯存條件對(duì)沼液成分的影響

劉慶玉， 李曉娟， 翟建宇， 張 敏

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110161)

不同貯存條件對(duì)沼液成分的影響

劉慶玉， 李曉娟， 翟建宇， 張 敏

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110161)

厭氧發(fā)酵之后產(chǎn)生的沼液營(yíng)養(yǎng)豐富，可以作為植物的液體肥料，但沼液在不同的貯存條件下，其特性會(huì)發(fā)生變化。文章研究了溫度、光照條件、氧氣含量和貯存時(shí)間對(duì)沼液成分的影響，分析影響因素的主次，確定最優(yōu)工藝。試驗(yàn)結(jié)果表明： 1)同原沼液相比，所有貯存條件下總氮和速效氮含量均呈下降趨勢(shì)。 2)所有貯存條件下總磷含量逐漸下降，而沼液的速效磷含量在溫度15℃，遮光自然條件貯存20天時(shí)升高，達(dá)到30.25 mg·L-1，在其他貯存條件下，沼液的速效磷含量降低。3)經(jīng)過(guò)一定的貯存條件可有效降低沼液中氨氮含量。4)影響沼液中氮磷含量的因素從主到次為溫度、氧氣含量、貯存時(shí)間、光照條件，當(dāng)溫度為-10℃，在自然光照條件下貯存20天為最佳工藝條件。5)影響沼液中氨氮含量的因素從主到次為氧氣含量、溫度、貯存時(shí)間和光照條件，當(dāng)溫度為30℃，在自然光照條件下貯存30天為最優(yōu)工藝參數(shù)。這對(duì)分析不同貯存條件下沼液的成分變化具有一定指導(dǎo)作用。

貯存條件； 沼液組分； 氮磷； 氨氮

近幾年來(lái)，我國(guó)大中型沼氣工程發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2005年到2009年底，我國(guó)大型工程從860處增長(zhǎng)到3717處，中型工程從2677處增長(zhǎng)到18853處, 增長(zhǎng)迅猛，截至2010年，沼氣工程已接近50000處，沼氣年產(chǎn)量為155億m3[1]。從營(yíng)養(yǎng)成分方面看，沼液[2]中含有大量的氮、磷、鉀元素，除此之外，還包含許多有機(jī)酸、氨基酸等有機(jī)物[3]，更重要的是這些物質(zhì)大部分可溶，能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，因此沼液可作為植物的速效肥[4-5]。但沼液中也含有許多有害物質(zhì)，COD(化學(xué)需氧量)，氨氮，BOD(生化需氧量)含量高，重金屬(如汞、鉻、鎘、砷、鉛)易沉降。段然等[6]對(duì)遼寧省昌圖縣的連續(xù)施用沼肥6 a的土壤進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤中Cu，Zn含量雖未超標(biāo),但其含量卻分別上升49.6%和26.3%,遠(yuǎn)高于對(duì)照土壤。

然而，不同貯存條件會(huì)使沼液里的物質(zhì)間發(fā)生不同種類、不同程度的化學(xué)反應(yīng)，使沼液里產(chǎn)生不同含量、不同種類的物質(zhì)，從而改變沼液特性，使其能夠發(fā)揮不同的作用[7-9]。目前為止，國(guó)內(nèi)外關(guān)于不同貯存條件對(duì)沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響研究甚少。因此確定不同貯存條件對(duì)沼液成分的影響具有重要意義。周海柱[10]等研究了露天自然堆儲(chǔ)、露天自然堆儲(chǔ)加遮雨棚和儲(chǔ)糞池加蓋堆儲(chǔ)三種堆儲(chǔ)方式對(duì)牛糞中氮磷的含量變化的影響，提出不同的貯存條件對(duì)牛糞中氮磷含量確有影響。

筆者研究在對(duì)影響沼液成分的單因素試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，以溫度、光照條件、氧氣含量和貯存時(shí)間為主要影響因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，以期確定適合貯存沼液的最佳工藝參數(shù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)沼液取自遼寧省沈陽(yáng)市某沼氣工程，將取來(lái)的沼液靜置后過(guò)濾，先分取2個(gè)樣品，分別測(cè)定沼液中的氮磷鉀和氨氮含量，取平均值。

1.2 試驗(yàn)方案

以沼液中的總氮、速效氮、總磷、速效磷和氨氮含量為試驗(yàn)指標(biāo)，研究溫度(因素A)、貯存時(shí)間(因素B)、光照條件(因素C)和氧氣含量(因素D)對(duì)沼液成分的影響。本試驗(yàn)前期為了確定不同因素對(duì)沼液成分的影響，分別對(duì)溫度、貯存時(shí)間、光照條件和氧氣含量4個(gè)因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，測(cè)定過(guò)程中沼液成分的變化。

此基礎(chǔ)上，綜合溫度、光照條件、氧氣含量和貯存時(shí)間這4個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，將取來(lái)的沼液分取18個(gè)樣品，按照正交試驗(yàn)方案表(見表2)分別在9種不同的條件下貯存，每組條件下設(shè)置一組平行試驗(yàn)，在試驗(yàn)結(jié)束后，分別測(cè)定沼液中氮磷、氨氮含量。表1為正交試驗(yàn)的因素水平表，表2為試驗(yàn)方案表。(因光照條件為2水平，故采用擬水平。)

表1 因素水平表

表2 試驗(yàn)方案表

2 結(jié)果與分析

2.1 不同貯存條件對(duì)沼液中總氮、速效氮和氨氮含量的影響

沼液在不同貯存過(guò)程中，總氮、速效氮和氨氮含量變化(原沼液試驗(yàn)序號(hào)設(shè)置為0)及變化率(與原沼液相比，+表示增加，-表示減少)見表3。

圖1 不同貯存條件下沼液的總氮、速效氮和氨氮含量

貯存過(guò)程中雖然是有機(jī)物質(zhì)的分化降解過(guò)程，但同時(shí)也伴隨著比較明顯的硝化反應(yīng)[11-13]。由圖1可知，同原沼液相比，各貯存條件下的沼液中總氮含量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。試驗(yàn)號(hào)7含量最低，為132 mg·L-1。對(duì)比9組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)號(hào)7，8和9下降幅度最大，分別下降了79.7%，69.1%和41.6%，可能原因是這3組貯存溫度較高，有機(jī)物分解迅速，造成總氮的大量消耗。

同原沼液相比，各貯存條件下的速效氮含量呈下降趨勢(shì)，試驗(yàn)號(hào)5的速效氮含量最多，為48.0 mg·L-1；試驗(yàn)號(hào)7的速效氮含量最少，為11.2 mg·L-1，下降了77.6%。 試驗(yàn)號(hào)7，8，9的速效氮含量下降幅度較大，分別下降了77.6%，50.7%和41.9%；試驗(yàn)號(hào)4，5和6速效氮含量下降幅度較小，分別下降了8.2%，4.2%和19.4%。

氨氮對(duì)厭氧微生物的生長(zhǎng)有刺激和抑制之分，不同的微生物對(duì)氨氮的抑制作用是不同的[14-16]。從圖1中可知，沼液經(jīng)過(guò)一定條件下的貯存，可降低沼液中的氨氮含量。其中試驗(yàn)號(hào)9氨氮含量最少，為561.2 mg·L-1，下降了31.6%。試驗(yàn)號(hào)2，6，7這3組氨氮含量均升高，可能原因是這3組沼液均處于厭氧條件，甲烷菌厭氧消化，將一部分含氮有機(jī)物降解為氨氮，導(dǎo)致氨氮含量的增加。

2.2 不同貯存條件對(duì)沼液中總磷、速效磷含量的影響

由圖2可知，總體來(lái)說(shuō)，同原沼液相比，各試驗(yàn)組總磷含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。試驗(yàn)號(hào)4，5和6下降幅度較小，分別下降了22.3%，12.0%和26.1%；試驗(yàn)號(hào)7，8，9下降幅度最大，分別下降了67.3%，51.1%和56.3%。下降幅度不同的原因可能跟貯存溫度有關(guān)，當(dāng)貯存條件為30℃時(shí)，微生物活性較好，極大得消耗了沼液中的營(yíng)養(yǎng)元素。比較試驗(yàn)號(hào)7，8和9，可以看出當(dāng)貯存條件為厭氧條件時(shí)，總磷含量下降幅度較大。

同原沼液相比，試驗(yàn)1的速效磷含量升高，達(dá)到30.25 mg·L-1，其他試驗(yàn)組速效磷含量下降；試驗(yàn)8的速效磷含量最低，為0.35 mg·L-1。出現(xiàn)這種原因的可能是：沼液中的有機(jī)物質(zhì)還沒(méi)被分解，降解的有機(jī)酸含量也較少，尚不能快速地溶解無(wú)機(jī)磷。

圖2 不同貯存條件下沼液的總磷、速效磷含量

2.3 不同貯存條件下沼液指標(biāo)的極差分析

從表3和表4的各指標(biāo)的極差分析結(jié)果來(lái)看，影響沼液中氮磷含量的因素從主到次是溫度、氧氣含量、貯存時(shí)間、光照條件。對(duì)于沼液中營(yíng)養(yǎng)成分的最優(yōu)工藝參數(shù)為A2D1B1C2，即當(dāng)溫度為-10℃，在自然光照條件下貯存20天。影響沼液中氨氮的因素從主到次是氧氣含量、溫度、貯存時(shí)間和光照條件，最優(yōu)工藝參數(shù)為D1A3B3C2，即當(dāng)溫度為30℃，在自然光照條件下貯存30天。

表3 鉀、氨氮試驗(yàn)結(jié)果分析 (mg·L-1)

表4 氮磷試驗(yàn)結(jié)果分析 (mg·L-1)

3 結(jié)論

筆者研究中將沼液置于不同條件下貯存，分析沼液的成分變化。從數(shù)據(jù)可以看出：

(1)與原沼液相比，在不同的貯存條件下，沼液中的總氮和速效氮含量逐漸減少，當(dāng)沼液在30℃，遮光厭氧條件下貯存20天時(shí)達(dá)最低值，分別為132 mg·L-1，11.2 mg·L-1，分別下降79.7%和77.6%。

(2)沼液的總磷含量逐漸下降，當(dāng)沼液在30℃，遮光厭氧條件下貯存20天時(shí)總磷含量最低，為301 mg·L-1。沼液的速效磷含量在15℃，遮光自然條件貯存20天時(shí)升高，達(dá)到30.25 mg·L-1，在其他貯存條件下，沼液的速效磷含量降低。當(dāng)溫度為30℃，遮光好氧條件貯存20天時(shí)速效磷含量最低，為0.35 mg·L-1，下降了97.1%。

(3)通過(guò)不同條件的貯存，沼液中的氨氮有害物均可一定程度上達(dá)到降解。當(dāng)溫度為30℃，遮光厭氧條件貯存下20天時(shí)，氨氮含量升高，達(dá)902.8 mg·L-1，增加了10%。當(dāng)溫度為30℃，光照自然條件下貯存30天時(shí)，氨氮含量最少，為561.2 mg·L-1，下降了31.6%。

(4)綜合沼液中營(yíng)養(yǎng)成分和氨氮含量，溫度和貯存條件是主要影響因素，而貯存時(shí)間和光照條件則是次要影響因素?？梢钥闯鰷囟容^高時(shí)，有機(jī)物分解迅速，造成營(yíng)養(yǎng)元素的大量消耗，導(dǎo)致總氮、總磷、速效磷的快速下降。

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Influence of Different Storage Conditions on Biogas Slurry Composition /

LIU Qing-yu, LI Xiao-juan，ZHAI Jian-yu, ZHANG Min /

(Engineering College, Shenyang Agricultural University， Shenyang 110161, China)

The biogas slurry produced by anaerobic fermentation has lot of nutrition, can be a liquid fertilizer for plants, but its properties changes with storage conditions. This paper studied the influence of temperature, light conditions, oxygen content and storage period on the composition of biogas slurry, analyzed the primary and secondary factors, and determined the optimal conditions. The results showed that: 1) Compared with the original biogas slurry, the total nitrogen and available nitrogen content showed a trend of decline for all tested storage conditions. 2) The total phosphorus content of the biogas slurry presented a downward trend for all tested storage conditions, but the available phosphorus content was rising to 30.25 mg·L-1at condition of 15 ℃, 20 days storage of natural shading. 3) After a storing under all tested conditions, the ammonia nitrogen content could be effectively reduced in the biogas slurry. 4) The influence factors on nitrogen and phosphorus content from main to secondary were: temperature, oxygen content, storage period, light conditions. At the temperature of -10℃, storage of 20 days under natural light was the optimum. 5) The influence factors on ammonia nitrogen content from main to secondary were: oxygen content, temperature, storage time, light conditions. At the temperature of 30 ℃, storage of 30 days under natural light was the optimum.

storage conditions; biogas slurry composition; nitrogen and phosphorus; ammonia nitrogen

2016-05-11

2016-10-25

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(31400442)

劉慶玉(1967-)，男，教授，主要從事可再生能源開發(fā)與利用方面的研究工作，E-mail：qyliu@126.com 通信作者： 張 敏，E-mail：minzhang412@163.com

S216.4

B

1000-1166(2017)01-0063-04