搅拌频率对液体粪污氮养分变化规律的影响

摘 要：为解决我国中小规模养殖场液体粪污发酵效果差、氨气排放多、养分损失大等问题，基于液体粪污回流搅拌技术，探索不同搅拌频率对液体粪污贮存过程中氮养分变化的影响。试验设有4组处理，分别为CK（静置贮存）、T1（3 d进行一次回流搅拌）、T2（6 d进行一次回流搅拌）、T3（9 d进行一次回流搅拌），对液体粪污贮存过程中pH值、电导率（EC）、氨气排放量与氮养分（总氮、铵态氮、硝态氮、亚硝态氮、有机氮质量浓度）等指标变化规律进行研究。结果表明：T2处理相较于其他处理，对氨气减排能力更佳，且在氮素固持方面效果更好。搅拌处理液体粪污提高了液体粪污贮存效果，在氨气减排与氮素固持方面更具优势，为液体粪污贮存技术的发展和应用提供了理论支撑。

关键词：液体粪污；贮存发酵；试验研究

中图分类号：X713 文献标志码：A 文章编号：1674-7909（2024）4-146-5

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.04.033

0 引言

近年来，在国家政策的大力支持下，我国畜牧业取得长足发展，规模化、集约化和现代化养殖场（户）不断增加［1］。养殖规模逐年扩大，随之带来的是粪污排放量快速增加及愈发严峻的环境污染问题［2-3］。“十三五”时期，我国每年产生的畜禽粪污总量达到30.5亿t［4］，其中粪水产生量超过粪污总量的50%［5］。而液体粪污具有养分含量低、就地消纳难、运输成本高等缺点，如果不妥善处理，会引发面源污染，对环境治理产生较大风险［6］。

目前，我国规模化养殖场所使用的液体粪污贮存设施主要有舍内贮存池、舍外贮存罐、密闭贮存囊和氧化塘等［7］。这类设施存在底部沉积物难以清理、贮存发酵效果差、占用建设用地、臭气排放量大等问题，且因缺乏标准化管理，时常出现发酵不彻底造成的肥料烧苗现象［8］。在液体粪污处理设备研制方面，不同类型的厌氧反应器在该领域的应用较为普遍，其中外循环厌氧反应器是一种常用于处理有机液体废物的高效生物处理设备［9］。钱焕江等［10］设计了一款新型外循环（OC）厌氧反应器，通过更改回流比对反应器水力特性及流态进行分析，发现装置下段混合效果较好，流体流动较剧烈，装置上段流体则较为平缓。宿程远等［11］对所设计的新型双循环厌氧反应器进行水力特性研究，发现装置内双循环模式可以增加内部流体的混合效果，第二阶段相比于第一阶段趋近推流式。Luo 等［12］基于水力循环作用的内循环厌氧反应器对处理高有机负荷率废水的性能、动力学行为及微生物群落进行了研究，发现该类型反应器可去除85%的COD，而取消外循环作用会导致COD去除率低于60%且不稳定。目前，该类型装置的研究多应用于处理低浓度废水，而学者对应用此类装置处理养殖业液体粪污的研究相对较少。

笔者以某养猪场液体粪污为试验材料，分析不同搅拌频率对液体粪污贮存过程中氮养分变化规律的影响，以期为液体粪污的资源化利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用粪污为北京市顺义区某养猪场水泡粪工艺的全量液体粪污，其理化性质见表1。

1.2 试验装置

液体粪污一体化贮存试验装置如图1所示。

1.3 试验方案

为研究不同搅拌频率下装置的最优工艺，在150 L贮存罐内进行试验，共设计4个处理，分别为CK（静置贮存）、T1（3 d进行一次回流搅拌）、T2（6 d进行一次回流搅拌）、T3（9 d进行一次回流搅拌），每次搅拌时间为10 min。分别于贮存第0天、第9天、第18天、第27天、第36天、第45天、第54天、第63天采样，回流搅拌完成后，由采样口取出50 mL均质样品，重复3次。对贮存过程中粪污的pH值、电导率（EC）、总氮（TN）质量浓度、铵态氮（NH4+-N）质量浓度、硝态氮（NO3--N）质量浓度、亚硝态氮（NO2--N）质量浓度和有机氮（ON）质量浓度的变化趋势及氨气（NH3）排放情况进行分析。

1.4 主要仪器

上海雷磁PHS-3C型pH计（上海仪电科学仪器有限公司），笔式电导率仪SX-650（上海三信仪表厂）。

1.5 分析方法

pH值采用pH计进行测定，EC值采用笔式电导率仪进行测定，TN质量浓度采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行测定，NH4+-N质量浓度采用纳氏试剂法进行测定，NO3--N质量浓度采用紫外分光光度法进行测定，NO2--N质量浓度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法进行测定，ON质量浓度采用插值法进行计算，NH3排放量采用纳氏试剂分光光度法进行测定。

2 验证试验

2.1 pH值变化

贮存期间粪水各阶段pH值变化情况如图2所示。由图2可以看出，CK处理的pH值整体呈上升趋势，而T1、T2、T3处理的pH值整体呈现下降趋势。T1、T2、T3处理的pH值要低于CK组，这可能是因为在粪污贮存期间，回流搅拌使粪污中微生物大量繁殖，促使有机物快速降解产生有机酸，降低了粪污的pH值［13］。在贮存后期，各处理的pH值变化趋于稳定，其范围为7.19～7.87。参考《沼肥》（NY/T 2596—2014）［14］，沼液肥施用的pH值为5～8。

2.2 EC值变化

EC值是反映粪污盐分的直接指标，粪污盐分含量越多，对应EC值越大。在试验过程中，粪水各阶段EC值变化曲线如图3所示。由图3可以看出，所有处理组EC值整体均呈下降趋势，且T1、T2、T3处理的EC值远低于CK处理。这说明经过回流搅拌的粪水的含盐量要少于静置贮存处理，故回流搅拌对减少其含盐量具有一定效果。

2.3 氨气排放量变化

NH3是粪污贮存中造成环境污染的重要因素。在贮存过程中，粪污排放NH3过多［15］，会导致其氮素减少［16］。氨气排放量变化曲线如图4所示。由图4可知，CK组顶部空气中NH3排放量为1 542 mg·m-3，T1、T2、T3处理粪水上层空气中NH3排放量分别为646.15、521.45、593.48 mg·m-3。与CK组相比，T1、T2、T3组可分别减少粪水初始阶段58.09%、66.18%、61.51%的NH3 排放。试验结果表明，粪水经过回流搅拌处理对NH3的减排效果要明显高于CK处理，各处理NH3减排速率的大小关系为T2>T3>T1>CK。

2.4 总氮质量浓度变化

总氮是衡量粪水养分水平的主要指标之一，降低贮存过程中TN的损耗可提高肥效，也有助于减少NH3的排放。在试验过程中，粪水各阶段TN质量浓度变化曲线如图5所示。各处理TN质量浓度的变化趋势相似，均呈逐渐降低的趋势，但降低速度和幅度存在差别。贮存初期，各处理的TN质量浓度在1 445.35～1 465.91 mg·L-1；随着试验的进行，贮存后期各处理TN降低幅度为10.25%～29.25%。由此可以看出，回流搅拌处理的TN损失要远低于CK处理，各处理TN降低幅度的大小关系为CK>T3>T1>T2。这说明回流搅拌可以显著降低粪水贮存中氮素的损失。

2.5 铵态氮质量浓度变化

NH4+-N是粪污中氮素的重要组成部分。粪污在静置贮存过程中的NH4+-N以NH3的形态逸散在空气中，导致EC值降低［17］。粪水中NH4+-N质量浓度占粪水初始TN质量浓度的42.44%～47.95%。分析粪污中NH4+-N的质量浓度，可以了解回流搅拌对粪污中NH4+-N质量浓度的影响，铵态氮质量浓度变化曲线如图6所示。由图6可以看出，各处理的NH4+-N质量浓度变化整体趋势相似，从初始质量浓度降为564.17～588.04 mg·L-1，其降低幅度为7.02%～17.12%。在贮存前期，NH4+-N质量浓度呈下降趋势，这可能是因为贮存前期NH3大量排放；但随着回流搅拌处理的进行，NH3排放量降低，其底部固形物逐渐降解，故贮存后期NH4+-N质量浓度呈上升趋势并趋于稳定［18］。

2.6 硝态氮质量浓度变化

NO3--N质量浓度过高会导致养分淋溶造成损失［19］。此试验中的硝态氮质量浓度变化曲线如图7所示。由图7可知，粪污贮存过程中NO3--N质量浓度在20 mg·L-1以下，其质量浓度整体呈上升趋势。随贮存时间的增加，各处理NO3--N质量浓度变为12.21～18.99 mg·L-1，与贮存初期相比，上升幅度为46.11%～160.45%。而粪污中NO3--N的转化主要与粪污中溶解氧含量和NH4+-N质量浓度有关，溶解氧含量越高，硝化细菌活性越高，粪污中的NH4+-N会通过硝化反应产生更多的NO3--N。

2.7 亚硝态氮质量浓度变化

NO2--N会使血液中正常携氧的低铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，使血红蛋白失去携氧能力而造成组织缺氧，会对生态环境产生影响，且影响生物的正常活动［20-22］。亚硝态氮质量浓度变化曲线如图8所示，各处理NO2--N质量浓度整体呈上升趋势，贮存后期上升幅度为9.77%～84.04%。因NO2--N是硝化和反硝化过程的中间产物，所以其质量浓度变化与NO3--N质量浓度变化相似。

2.8 有机氮质量浓度变化

粪污中ON降解率是衡量其肥效的重要因素［23-25］。此试验中的有机氮质量浓度变化曲线如图9所示，ON质量浓度约占粪污中TN质量浓度的47%～61%。从氮素固持方面来说，ON降解越快，贮存过程中氮素消耗越多，故降低贮存过程中ON的转化有利于保留更多养分。各处理的初始ON质量浓度范围为749.21～839.15 mg·L-1，贮存结束时降低幅度为13.15%～43.88%。各处理ON质量浓度降低幅度的大小关系为CK>T3>T1>T2。由此可以看出，回流搅拌对贮存过程中ON的降解有抑制效果，可保留粪污中更多的养分。

3 结论

①经回流搅拌处理的液体粪污的pH值与电导率要低于静置贮存的液体粪污；在贮存后期，各处理pH值与电导率由低到高的顺序均为T2<T1<T3<CK。相较于CK组处理，T1、T2、T3处理可分别减少贮存期间58.09%、66.18%、61.51%的NH3排放，证明回流搅拌处理具有较好的氨气减排效果。

②在液体粪污贮存过程中，与CK组处理相比，T1、T2、T3处理均能降低TN损失。NH4+-N质量浓度在各处理中无显著性差异，NO3--N和NO2--N的质量浓度降低幅度最大的是T2处理。各处理ON质量浓度降低幅度的大小关系为CK>T3>T1>T2。这说明回流搅拌处理有助于减少含氮有机物的矿化作用，从而减少粪污中有机态氮向无机态氮转化，降低贮存过程中氮素的损失。

③相较于静置贮存，回流搅拌处理在液体粪污在氨气减排与氮素固持方面更具优势。在各处理中，氨气减排效果与总氮固持能力最好的是T2处理，其贮存发酵效果最佳。因此，在液体粪污处理中宜选择6 d进行一次回流搅拌的频率。

参考文献：

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