规模化养猪场上流式沼气池碳氮比变化分析.pdf

传源卤环境研究与探讨1SSN1672-9064CN35-1272/TK规模化养猪场上流式沼气池碳氮比变化分析徐庆贤1吴晓梅1吴飞龙1叶美锋1阝（1福建省农业科学院农产品加工研究所福建福州3500032福建省农业科学院农业生物资源研究所福建福州1350003)阮传清2摘要为实现沼液的深渡处理和资源化利用，以及调整优化上流式沼气池运行参数，以福建省新星种猪育种有限公司上流式沼气池为例,测定了不同发酵时间(2 4、48 h）、不同发酵层（0 9m)沼液的总氮含量、总有机碳含量以及碳氮比，并对其变化进行分析。结果表明：(1)相同发酵时间、不同发酵层，沼液总氮含量、有机碳含量差异均未达显著水平，沼液碳氮比差异达极显著水平；(2)相同发酵层、不同发酵时间，沼液总氮含量、有机碳含量、碳氮比差异均未达显著水平。关键词规模化养猪场易上流式沼气池沼液碳氮比中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 5-0 0 6-0 5随着我国养猪场集约化快速发展，带来养猪场粪污产生量的迅速增加。养猪场粪污是1种高浓度有机污水1-2 ,但粪污处理技术相对滞后，这导致了猪场粪污成为水体重要污染源3。如果处理不当，会引起水体富营养化等环境问题，并对人体健康造成威胁4。在规模化养猪场应用沼气发酵技术5,不仅可以有效处理养殖废弃物，减少环境污染，而且还可以使沼气能源得到有效利用，比如集中供气为周边农户提供清洁能源等，这对于发展农业循环经济以及可再生能源利用都有重要意义6-7 。总氮、总磷含量等是衡量水体有机污染的主要指标，而水体中总氮、总磷的去除也是整个污水处理工程是否可以达标排放的关键影响因素。养猪场沼气工程中，沼液处理问题是沼气工程可持续发展的重要因素18 。污水的碳氮磷比是影响传统生物脱氮除磷工艺效果的重要因素9-10 。规模化养猪场粪污经厌氧处理后产生的沼液，其特性为高氨氮抑制微生物生长以及低碳氮比导致沼液可生化性差!,后续好氧深度处理效果差,污水达标排放困难12 。同时,沼液是1种同时拥有速效和长效肥效的微生物有机肥料13-14,它富含可以提高农作物生产所需要的大部分营养物质15-16 ,比如吲哚乙酸、氨基酸等。本研究通过对上流式沼气池中不同发酵层和不同发酵时间沼液碳氮比变化进行分析，旨在为后续沼液深度处理或资源化利用奠定基础，同时为优化调整上流式沼气池运行参数提供参考。1材料与方法1.1上流式沼气池17 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，池体采用钢筋混凝土浇筑，并且在池内外涂刷有机玻璃钢。沼气池有效容积6 7 0 m,水力滞收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 6资助项目：福建省农业科学院科技创新团队（CXTD2021043);福建省自然科学基金资助项目（2 0 2 1J01497)；福建省科技厅公益类科研院所专项(2 0 2 0 R1034009,2022R1032003)作者简介：徐庆贤（197 9一），男，硕士，副研究员，从事畜禽粪污处理及农业废弃物资源化利用方面的研究与推广工作。通讯作者：阮传清（197 4一），男，博士，副研究员，主要从事农业微生物技术应用研究及推广工作。留期(HRT)10d。沼气池内安装发酵液增温系统,即采用太阳能真空面板30 0 m加热铜管内循环水为发酵液加温。经过干清粪、固液分离以及酸化池预处理后，沼气池进出口猪粪便污水CODc分别为1959、12 34.5mg/L,BOD，分别为12 56、752.5mg/L。1.2样品采集17 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1m,2代表离池底2 m,3代表离池底3m，以此类推）,另外，0 为进料口、9为出料口。2 0 17 年10 月13日进料6 7 m后0、2 4、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样品，采集样品装人干净塑料瓶中于4厌氧保存。1.3汉测试方法pH测定参照水质pH值的测定玻璃电极法（CB6920一8 6)；总氮测定参照水质总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ6362012)；总有机碳测定参照土壤有机碳的测定重铬酸钾氧化-分光光度法(HJ6152011)；CODc测定参照水和废水监测分析方法（第三版）中重铬酸钾法；BOD，测定参照水和废水监测分析方法（第三版）五日生化需氧量测定方法。1.4数据分析采用 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pH变化分析沼液pH值对沼气产量和甲烷含量有重要的影响，它是沼2023.NO.5.传源卤环境研究与探讨气发酵中重要的影响因子。在养猪场沼气工程中，沼气发酵可2.2沼液中总氮含量分析适应的pH值范围为6.0 8.0。pH值直接或间接影响发酵液中宁建风等2 0 监测分析研究了10 个规模化养猪场沼气发微生物的生命活动，若发酵过程反常，pH值也可出现异常情酵系统的总氮去除效果，5个猪场沼气发酵系统对总氮具有较况18 。pH值能够直接反映厌氧发酵体系的稳定性。不同pH值好的去除效果,另有5个猪场出现总氮浓度增加的现象。本试对应不同的发酵状态，监测沼气发酵液的pH值，能够帮助有验对不同发酵层、不同发酵时间沼液中总氮含量进行检测，结效控制沼气的发酵过程。有研究表明，pH值 8.3均果见图2。从图2 可知，进水口和出水口沼液总氮含量分别为会抑制厌氧发酵的运行,导致底物发酵不完全19。对沼气池不552.50,322.00 mg/L。同发酵层和不同发酵时间的沼液进行pH测定，结果见图1。6009.005508.505008.004507.50400三7.0 0350+24h3006.50-48h6.00一进出口5.505.00从图1中可以看出，相同发酵层、不同发酵时间沼液样品中,发酵时间48 h沼液样品pH值略高于发酵时间2 4h沼液样品，各不同发酵层、相同发酵时间的沼液样品pH值变化不大。沼气池进出口沼液样品pH值分别为6.39、7.7 0。方差来源校正模型截距发酵时间取样口发酵时间取样口误差总计校正的总计注：模型的R=0.876(调整R=0.759)。相同发酵层、不同发酵时间沼液总氮均数两两比较，结果见表2。从表2 可知，发酵0 h时即进样口样品中沼液总氮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总氮含量下降。表2 不同发酵时间沼液总氮均数的两两比较(S-N-K法，=0.05)发酵时间/h24480P值相同发酵时间、不同发酵层沼液总氮均数两两比较，结果见表3。从表3中可知,进样口（即取样口为0)中沼液总氮与1SSN1672-9064CN35-1272/TK+24h-48 h进出口25020012图1不同层、不同发酵时间沼液pH值表17不同层、不同发酵时间对沼液中总氮方差分析结果型平方和df184 071.000172.982 305.36415 176.531116 224.719821 650.219726 018.000183.367 818.00036210089.00035n/个总氮含量/(mg/L)子集1子集216265.81318294.66720.252.1345发酵层数267552.5001.0002023.NO.5.38图2不同层、不同发酵时间沼液总氮含量不同的养猪场沼气发酵系统中pH、发酵温度、水力负荷、水力停留时间、污染物负荷等运行参数存在差异，可能导致总氮等污染物去除效果不同2 1。对不同层、不同发酵时间沼液总氮进行方差分析，结果见表1。从表1可知，其P值分别为0.0 7 5、0.2 6 1,P值均 0.0 5，不同发酵时间、不同层间沼液总氮含量不存在显著差异。均方P值10.827.7067.4912 982 305.3642.063.2455.176.5313.5812.028.0901.4033092.8882.1401 445.444表3不同层沼液总氮均数的两两比较(S-N-K法，=0.05)发酵层数/个74443454241464849202P值4发酵层数F值总氮含量/(mg/L)子集1子集2242.000253.750259.750290.500291.500294.500297.750298.500322.0000.209560.0000.000.0.0750.2610.092552.5001.00078传源卤环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK其他不同层取样口中沼液总氮在不同的子集内，说明进样口中沼液总氮含量高于其他取样口。2.3沼液中总有机碳含量分析水中总有机碳含量反映了水体中有机物污染的程度。对不同层、不同发酵时间沼液中有机碳含量进行检测，结果见图3。从图3可知，进水口和出水口沼液有机碳含量分别为939.50、320.55 mg/L。对不同发酵层、不同发酵时间沼液中有机碳含量进行方差分析，结果见表4。从表4中可知，其P值分别为0.2 96、0.795,均大于0.0 5，不同发酵时间、不同层间沼液有机碳含量不存在显著差异。相同发酵层、不同发酵时间沼液有机碳均数两两比较,结果见表5。从表5中可知，发酵0 h时即进样口样品中沼液有机碳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有机碳含量明显下降。相同发酵时间、不同发酵层沼液有机碳均数两两比较，结方差来源d校正模型816480.121截距4 632.486.317发酵时间1 888.051取样口7326.432发酵时间取样口19 916.849误差29362.515总计4.766 968.670校正的总计845.842.636注:模型的 R=0.965(调整 R=0.933)。表5不同发酵时间沼液总有机碳均数的两两比较(S-N-K法,=0.05)总有机碳含量/(mg/L）发酵时间/hn/个2416481802P值表6不同层沼液总有机碳均数的两两比较（S-N-K法，=0.05)发酵层数n/个54443474146424928402P值1000900800700600500400300200图3不同层、不同发酵时间沼液总有机碳含量果见表6。从中可知，进样口（即取样口为0)沼液有机碳与其他不同发酵层取样口沼液有机碳在不同的子集内，说明进样口沼液有机碳含量高于其他取样口。表4不同层、不同发酵时间对沼液中总有机碳方差分析结果型平方和171187183635子集1子集2284.850302.4720.505总有机碳含量/(mg/L）子集1子集2270.750283.350285.625290.775294.075294.550296.750320.550324.3750.731+24 h+48 h+进出口12均方48 028.2424 632.486.3171.888.051915.8042.845.2641 631.2512.4沼液中碳比分析沼气池发酵原料碳氮比等是影响沼气发酵的重要因素2 0 。郑晓伟等2 在餐厨垃圾厌氧发酵试验中，碳氮比对餐厨垃圾干式厌氧发酵启动和产气效率有显著的影响。本试验对不同发酵层、不同发酵时间沼液中碳氮比进行检测分析，结果见图4。从图4中可知，进水口和出水口沼液碳氮比分别为1.7 0、939.5001.03。经沼气池发酵后，沼液碳氮比下降，沼气池中的碳氮比基1.000本上低于进样中的含量。对其进行方差分析，结果见表7。从表7中可知，不同发酵时间沼液碳氮比不存在显著差异（P=0.2180.05），不同层间沼液碳氮比呈极显著差异（P=0.0020.01)。1.91.71.51.31.10.90.70.5939.5001.002023.NO.5.3F值29.4432.839.8371.1570.5611.74412图4不同层、不同发酵时间沼液碳氮比84发酵层数34发酵层数556P值0.0000.0000.2960.7950.161+24h+48 h进出口67788传源卤环境1SSN1672-9064CN35-1272/TK研究与探讨表7 不同层、不同发酵时间对沼液中碳氮比方差分析结果方差来源型平方和校正模型1.077截距36.726发酵时间0.008采样口0.205发酵时间采样口0.080误差0.082总计42.983校正的总计1.159注：模型的R=0.929(调整R=0.858)。相同发酵层、不同发酵时间沼液碳氮比均数两两比较结果见表8。从表8 中可知，发酵0 h时即进样口样品中沼液碳氮比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碳氮比下降。表8 不同发酵时间沼液碳氮比均数的两两比较(S-N-K 法,=0.05)发酵时间/hn/个4817241602P值相同发酵时间、不同发酵层沼液碳氮比均数两两比较结果见表9。从中可知,进样口（即取样口为0)中沼液碳氮比在3子集内，沼气池7、3、4、8 层中取的沼液样中碳氮比在子集2内，3、4.8、2、1、6、5及出样口（即取样口为9)沼液样中碳氮比在子集3内，说明不同发酵层沼液碳氮比存在显著差异。表9不同层沼液碳氮比均数的两两比较(S-N-K法，=0.05)发酵层数n/个54641424928344347402P值3结论与讨论本试验构建了以规模化猪场粪污为原料的上流式沼气池厌氧发酵工艺，对上流式沼气池中不同发酵层和不同发酵时间沼液碳氮比变化进行了研究。试验结果表明，沼气池进水口沼液pH值为6.39、总氮含量为552.50 mg/L、有机碳含量为939.50mg/L、碳氮比为1.7 0，经沼气池发酵后，沼液pH值上升，总氮含量、有机碳含量、碳氮比均减少，出水口沼液样品pHdf171187173534碳氮比子集1子集21.0381.0760.416碳氮比子集1子集20.9330.9831.0181.0251.0301.1001.1081.1080.078均方0.06336.7260.0080.0260.0110.005值为7.7 0、总氮含量为32 2.0 0 mg/L、有机碳含量为32 0.55mg/L、碳氮比为1.0 3。相同发酵时间、不同发酵层的沼液总氮含量、有机碳含量均不存在显著差异，沼液碳氮比呈显著差异。相同发酵层、不同发酵时间的沼液总氮含量、有机碳含量均不存在显著差异，碳氮比呈显著差异。经测试分析沼气池出口猪粪便污水BOD，和CODc，可计算得知沼液可生化性指标BOD/CODc为0.6 1，说明粪便污水经过上流式沼气池厌氧发酵处理后，沼液中有机质是易于生物降解的，但是由于碳氮比过低，导致沼液可生化性较差。因此，在下一步好氧深度处理系统中，可以通过增加碳源或者应1.700用短程硝化、同步硝化反硝化等节碳脱氮新污水处理技术，使1.000粪污进一步得到处理以及资源化利用。参考文献1汪植三，李其谦，廖新佛，等.畜禽舍粪便污水及废气净化的研究J.农业工程学报,1995,11(4):90-95.2李亮，王德汉，邹璇，等.畜禽废水沼气发酵液中磷回收的影响因素J.农业工程学报,2 0 10,2 6(8):2 6 5-2 7 1.3段妮娜，董滨，何群彪，等.规模化养猪废水处理模式现状和发展趋势J.净水技术,2 0 0 8,2 7(4):9-15,39.4何佳敏，孟佳，张永.等.温度降低对UMSR处理高氨氮低碳氮比养子集3猪废水效能的影响J.化工学报,2 0 17,6 8(5)：2 0 7 4-2 0 8 0.5张华生，邵一奇，颜成，等.庆氧消化时间对猪场粪污废水理化性质及其生物沥浸效果的影响J.南京农业大学学报,2 0 19,42(1)：124-129.6林代炎，叶美锋，吴飞龙，等.规模化养猪场粪污循环利用技术集成与模式构建研究J.农业环境科学学报,2 0 10,2 9(2):38 6-391.1.1007林斌.生物质能源沼气工程发展的理论与实践M.北京：中国农业1.108科学技术出版社，2 0 10.1.1088陈彪，黄婧，肖艳春，基于净化剂处理畜禽厌氧消化液达标排放的1.203滞留期实验研究J.能源与环境,2 0 15(6):6 3-6 5.1.7009张为堂，薛晓飞，庞洪涛，等.碳氮比对AAO-BAF工艺运行性能的0.2751.0002023.NO.5.F值13.0507567.6831.6395.2732.356影响J.化工学报,2 0 15,6 6(5)：192 5-1930.10傅金祥,徐岩岩.碳氮比对短程硝化反硝化的影响J.沈阳建筑大学学报,2 0 0 9,2 5(4):7 2 8-7 31.11刘向阳,张千，吴恒，等.HN-AD菌生物强化接触氧化工艺处理猪场沼液J.环境科学,2 0 19,40(5)：2 349-2 356.12何清明，李廷友，韦平和.低碳氮比畜禽粪水厌氧消化液短程消化脱氮试验研究J.农业环境科学学报,2 0 16,35(10):2 0 0 5-2 0 10.13倪中应，章明奎.沼液中氮磷钾化学形态组成及其生物有效性评价J.壤通报,2 0 17,48(5):1114-1118.(下转第37 页）P值0.0000.0000.2180.0020.071能源开发传源南环境1SSN.1672-9064CN35-1272/TK表7 矩阵型中深孔直眼掏槽爆破效果格控制炮眼的角度和方向，打眼的过程在掏心眼插1根长钻序号技术指标名称1岩石硬度2炮眼深度/m3循环进度/m4总装药量/kg5炸药消耗量/(kg/m）6雷管消耗量/（发/m）4使用中深孔直眼掏槽爆破注意事项4.1画好轮廓线提高炮眼质量打眼前首先按中腰线先画出巷道的轮廊线，按炮眼布置图事先布好眼，打眼时控制好炮眼的角度和方向，这一步骤的准确性对于后续的爆破作业至关重要2 。根据炮眼布置图,严炮眼深度/单循环进尺/名称m参数2.1/2.34.3防倒棚调整炮眼的布置方式为防止倒棚，梯形支架巷道的掏心眼和掏槽眼布置位置适当放低（掏心眼布置在底板上约1m左右处)4。这样的设计可以有效地增加巷道的稳定性，防止在爆破过程中出现巷道倒塌，确保施工的顺利进行和人员的安全。5结语福建煤电股份有限公司试验的2 种中深孔直眼掏槽爆破技术试验取得了良好的效果，对提高单循环进尺、降低雷管消耗量等指标完成较好。在当前使用数码电子电雷管成为必然的趋势之下，可有效解决因数码电子雷管单价增加带来的掘进成本增加的难题。在今后的矿山掘进生产过程中如何持续做好新产品新工艺使用带来新的问题，还需组织生产技术人员针对不同岩性、不同断面掘进等选择合理的炮眼布置方式(上接第9 页）14刘荣厚，郝元元，叶子良，等.沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究J.农业工程学报,2 0 0 6,2 2(S1)：8 5-8 8.15郑学博，樊剑波，周静，等.沼液化肥配施对红壤旱地土壤养分和花生产量的影响J.土壤学报,2 0 16,53(3)：6 7 5-6 8 4.16丁京涛，沈玉君，孟海波，等.沼渣沼液养分含量及稳定性分析J中国农业科技导报,2 0 16,18(4)：139-146.17徐庆贤，官雪芳，黄菊青，等.规模化养猪场上流式沼气池发酵液养分变化分析J.江苏农业科学，2 0 2 0,48(11)：2 8 1-2 8 7.18尹璐，胡瑶玫，戴华兵，等.沼气发酵液的pH值测量J.北京农业职业学院学报,2 0 13,2 7(3):2 7-2 9.参数682.1/2.31.803016.6716.7表8 矩阵型中深孔直眼掏槽火工材料成本分析表火工材料消耗单循环雷管消耗(m/循环）（个/循环）1.830杆做为施工空眼的参照物，确保空眼的距离和角度符合设计要求。通过精确布置炮眼，可以使爆破能够充分发挥作用，达到设计要求。4.2视围岩情况适当增减装药量装药量要根据现场实际施工时的围岩软硬程度及地质条件变化情况，适当增减装药量，以达到最佳爆破效果。装药量的调整是爆破作业中的关键环节。在实际施工中，煤岩的软硬程度和地质条件会发生变化。因此，需要根据现场实际情况适当增减装药量，以达到最佳爆破效果。对于软煤或软岩层，适当增加装药量可以增强爆破效果；而对于硬煤或硬岩层，适当减少装药量可以避免过度破碎3。通过灵活调整装药量，可以在爆破作业中最大限度地提高爆破效率和安全性。火工材料消单循环雷管消耗/联接线/(元/m）(元/m)333.330.83开展相应的技术研究，从经济角度加以分析、比较、优化，为矿山可持续发展奠定良好的基础。参考文献1工业和信息化部安全生产司工业和信息化部安全生产司关于进一步做好数码电子雷管推广应用工作的通知：工安全函2 0 2 2 10 9号A/0L.(2022-10-08)2023-07-10.https:/ 0 2 1(13):146-147.3王家有.煤矿掘进中深孔爆破技术的有效运用J.中国石油和化工标准与质量,2 0 19,39(2 1)：2 2 5-2 2 6.4张永明.煤矿掘进中深孔爆破技术的有效运用研究J.当代化工研究,2 0 19(0 1):7 7-7 8.19熊向峰，贾丽娟，宁平，等.射流搅拌提高牛粪中温庆氧发酵产沼气性能J.农业工程学报，2 0 15,31(19)：2 2 2-2 2 7.20宁建凤，陈家欢，李盟军，等规模化猪场新建厌氧发酵系统对废水氮、磷养分的处理效应J.广东农业科学,2 0 15(2 3)：5-11.21CIOABLA A E,IONEL I,DUMITREL G A,et al.Comparative studyon factors affecting anaerobic digestion of agricultural vegetalresiduesJ.Biotechnology for Biofuels,2012,5:39.22郑晓伟，李兵，郭栋，等.餐厨垃圾厌氧发酵启动特性与产甲烷效率J.环境工程,2 0 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