随着沼气工程的大量建设，沼气发酵废弃物沼渣沼液资源越来越丰富，其中沼液富含作物生长所必需的氮、磷、钾等营养元素，多种氨基酸、微量元素以及大量的有机质等，由于腐熟程度高，容易被作物吸收，是一种速、缓兼备的优质有机肥^[1-2]。然而沼液未经后续处理直接或间接超负荷排放将对周边环境的自净功能造成严重影响^[3-4]。特别是对于沼气池连续产生的数量巨大的沼液，远超农作物施肥规律的一次性消纳需求，因此沼液的后续存贮、管理和应用成为日渐关注的重点^[5-6]。另外，沼液管道化应用是目前沼液有机肥规模化、科学化利用的重要方式之一。但是，由于沼液中含有很多黏稠的沼渣颗粒，渣液往往混在一起，沼液在管道化运输过程中需要进行分级过滤，过滤对沼液的养分和理化性状变化的影响鲜有研究^[7-9]。

目前针对规模养殖场大型发酵工程中不同发酵工艺、不同原料产生的沼液贮存过程中的养分和理化性状变化国内外研究报道较多^[10-11]。然而实际生产过程中，受制于资金、规模和场地的制约，依然存在很多小型发酵工程，并未采用罐式发酵和参数规范的操作方式，而是建造地下或地上式发酵池（沤粪池），采用粗放式发酵方法。发酵原料直接投放入发酵池（沤粪池）中，进料时间和出料时间不规范。沼液施用频率具有随机性，造成沼液发酵周期短、不固定，没有规律性，很多沼液甚至是不完全发酵产物，因而造成产生的沼液的养分和物理性状不尽相同。这些沼液产生后，不能一次性施用的沼液会进行储存，然而针对这种不规律发酵周期出料沼液其贮存过程中的养分变化和应用的研究涉及较少。这显然不利于沼液的合理配置使用，不仅制约了资源的合理循环利用，也不利于农村生态环境的可持续发展。因此本试验根据这些粗放式厌氧发酵实际生产状况，通过设置不同的发酵周期模拟猪粪厌氧发酵不同出料沼液状况，研究不同发酵周期和贮存时间对沼液储存过程中养分和理化特性变化的影响以及分级过滤对沼液养分和理化特性的影响，以期为沼液养分管理和合理利用提供科学依据。

本课题组在进行沼液的资源化利用研究过程中，发现中小规模养殖场的厌氧发酵通常采用静态发酵方法，即猪粪尿直接入发酵池（沤粪池）进行发酵，发酵周期短。相比于规模化养殖场的大型沼气发酵工程，这种中小型发酵工程发酵工艺显然较为粗放，沼液发酵程度也不尽相同。根据这种实际情况，本试验采用模拟厌氧发酵的方法，用发酵罐进行批式发酵试验。试验用猪粪取自江苏省农业科学院六合基地养猪场，接种污泥为本研究室猪粪厌氧发酵后的消化液。试验设置2、4、6、8、10d（样品分别标记为P2、P4、P6、P8、P10）等5个不同的发酵周期，保持进料TS%（干物质浓度）为8%，37 ℃恒温发酵，每次进料2 000 mL，出料2 000 mL。

每个发酵周期结束时在该时间点取样，取出的沼液室温贮存，每隔3d测定COD和pH，每隔6 d测定养分含量，采样周期为28 d。每次测定时，每个处理沼液各取400 mL分别过40、60、80目筛。所取样品装入100 mL PVC瓶，每个样品取3瓶作为重复，密封保存，24 h内带至实验室测定pH值和化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）等指标。养分指标无法一次性测完的样品加入浓硫酸酸化至pH值≤1，于0~4 ℃条件下保存。

沼液pH值使用精密pH计（PHS-2F，上海精科-上海雷磁）测定；COD值使用COD多元速测仪（上海连华，5B-3（B）型）测定；总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）以及铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）采用连续流动分析仪（SAN++ System，SKALAR，Netherlands）测定。

采用SPSSV17. 0和Excel软件分析数据。

试验结果表明（图 1），所有出料沼液均呈弱碱性，在贮存过程中pH值变化均呈现逐渐升高的趋势，从刚出罐时的7.6~7.9变为8.2~8.7。这一结果与黄丹丹^[12]和Clemens等^[13]对猪粪和牛粪发酵后的沼液存中pH值的研究结果一致。贮存11 d后各P10处理沼液的pH值显著高于其他周期处理（P＜0.05），平均值分别比P2、P4、P6、P8处理高3%、4.9%、5.2%、3.6%。初步表明，发酵时间和贮存时间越长对沼液的pH值影响越大。

图 1 不同发酵周期出料沼液pH值变化对比 Figure 1　The contrast of pH value changes of discharged biogas slurry in different fermentation periods

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图 2表明，不同的出料沼液的COD值变化趋势基本相似，即随储存时间的延长逐渐降低，并在某个时间节点后趋于平稳。P2和P4均在4d后COD值由30 000 mg·L^-1左右降至10 000 mg·L^-1以下并趋于平稳，P6、P8和P10均在存放1 d后由20 000 mg·L^-1左右整体降至10 000 mg·L^-1以下并趋于平稳。从处理来看，沼液储存0~4 d时，不同发酵周期的出料沼液其COD值差异明显（P＜0.05），并随着发酵时间的延长逐渐减小，发酵不完全的P2和P4其COD值显著高于其他处理。储存11 d后，各处理沼液COD值差异不显著。由此可见，发酵越完全的沼液其COD值相对较低，更有利于后期农田利用；出料沼液存放7 d之后可以适当稀释后应用于农田安全消纳，不会对农作物造成损伤^[14]。

图 2 不同发酵周期出料沼液COD值变化对比 Figure 2　The contrast of COD changes of discharged biogas slurry in different fermentation periods

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图 3表明，不同发酵周期处理的沼液在同一时间点（0d）出料时，TN含量随发酵时间的延长而减少，未发酵完全的P2其TN含量比发酵完全的P10高37%左右。由此可见发酵越完全的沼液有机质降解比较完全，TN含量因此相对较低。5种处理的出料沼液TN含量随时间延长变化趋势基本一致，即随时间延长逐渐降低。该结果与吴华山等^[15]和李祎雯等^[16]的研究结果相似。以P2与P10出料沼液为例（图 4），在出料时TN含量分别是1 736 mg·L^-1（P2）、1 088 mg·L^-1（P10），在贮存过程中TN的含量随时间延长呈现逐渐降低的趋势，两个处理TN下降趋势基本一致，在28 d分别降至932 mg·L^-1（P2）和643 mg·L^-1（P10）。其中7 d到14 d之间降幅最大，从1 329 mg·L^-1（P2）、981 mg·L^-1（P10）分别降至1 012 mg·L^-1（P2）、798 mg·L^-1（P10），降幅分别达到24%和19%。14 d后TN含量基本保持平稳下降且降幅不大，明显P10的变化幅度显著小于P2，结果表明，发酵越完全的沼液储存过程中TN含量越稳定，这也与有机质降解趋于平稳有关。

图 3 不同发酵周期新鲜出料沼液（0 d）TN含量对比 Figure 3　The contrast of TN contents of discharged biogas slurry(0 d) in different fermentation periods

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图 4 P2和P10沼液TN随贮存时间变化特征 Figure 4　TN variation characteristics of biogas slurry of P2 and P10 with storage time

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不同发酵周期处理的新鲜沼液（0 d）TP含量随发酵时间的延长而减少（图 5），未发酵完全的P2其TP含量比发酵完全的P10高41%左右。同样发酵越完全的沼液TP含量相对较低。5种出料沼液TP含量随时间延长逐渐降低，与相关研究结果一致^[15]（图 6）。以P2与P10出料沼液为例，在出料时TP含量分别是262 mg·L^-1（P2）、155 mg·L^-1（P10），在贮存过程中TP的含量随时间延长呈现逐渐降低的趋势，两个处理TP下降趋势基本一致，在28 d分别降至169 mg·L^-1和72 mg·L^-1，降幅分别为35%和53%。P2贮存4 d后降幅最大，从262 mg·L^-1降至206 mg·L^-1（P2），降幅达21%左右，之后平稳下降。P10贮存7 d后降幅达51%，之后TP含量下降不明显，保持平稳。由此可见，发酵越完全的沼液其TP含量在贮存过程中降幅越大，造成这种现象的原因是由于磷酸根离子被颗粒物吸附下沉或与其他离子反应形成沉淀，不断沉降到沼渣中。

图 5 不同发酵周期新鲜出料沼液（0 d）TP含量对比 Figure 5　The contrast of TP contents of discharged biogas slurry(0 d) in different fermentation periods

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图 6 P2和P10处理沼液TP随贮存时间变化特征 Figure 6　TP variation characteristics of biogas slurry of P2 and P10 with storage time

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5种处理的新鲜沼液（0d）TK含量同样随发酵周期的延长而减少（图 7），但5个处理之间差别不显著，未发酵完全的P2其TK含量仅比发酵完全的P10高17%左右。同样发酵越完全的沼液TK含量相对较低。相对于TP含量，TK的浓度变化幅度较小（图 8），在新鲜沼液贮存的一个月内，P2处理和P10处理的TK含量随贮存时间延长略有升高，但在第28 d有小幅下降，分别从出料时的1 257 mg·L^-1（P2）和1 036 mg·L^-1（P10）增加到28 d的1 299 mg·L^-1（P2）、1 102 mg·L^-1（P10）。有研究表明，沼液贮存一个月后TK含量会逐步降低^[15]，也有研究显示，沼液总钾含量在储存2个月后无显著变化^[16]，基本可以确定，新鲜出料沼液贮存一个月内TK含量基本保持稳定。

图 7 不同发酵周期新鲜出料沼液（0 d）TK含量对比 Figure 7　The contrast of TK contents of discharged biogas slurry(0 d) in different fermentation periods

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图 8 P2和P10处理沼液TK随贮存时间变化特征 Figure 8　TK variation characteristics of biogas slurry of P2 and P10 with storage time

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由图 9可知，发酵越完全沼液的NH₄⁺-N含量越低，P2的NH₄⁺-N含量比P10高41%左右。与之相反，发酵越完全的沼液NO₃^--N的含量越高，与P2相比，P10的NO₃^--N的含量提高了25%左右。由此初步推测，发酵越完全的沼液其氨挥发的速率相对会较低，有利于存储和农田利用时减少氮损失。

图 9 不同发酵周期新鲜出料沼液（0 d）NH4+-N（左）和NO3--N（右）含量对比 Figure 9　The contrast of NH4+-N(left) and NO3--N(right) contents of discharged biogas slurry(0 d) in different fermentation periods

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沼液中氮主要以铵态氮形式存在^[10]。沼液贮存过程中，铵态氮含量持续下降（图 10），其变化趋势与全氮变化趋势相似，但铵态氮下降速度要高于全氮，初始沼液铵态氮浓度占全氮的92%（P2）和86%（P10），28d时占49.84（P2）和59.56%（P10），表明有部分铵态氮转化为其他形式的氮。与之相反，硝态氮含量随贮存时间的延长而逐渐缓慢升高。P2从37.56 mg·L^-1升高到50.23 mg·L^-1，增幅达33.73%；P10从50.21 mg·L^-1上升到61.62 mg·L^-1，增幅达22.72%。此结果与吴华山等^[15]的研究结果相同。在厌氧环境中，沼液中硝态氮含量低，出料时初始铵态氮/硝态氮比值为42.49（P2）、18.68（P10），铵态氮含量占绝对优势；沼液排出后，在有氧环境下，到第28 d 2个处理铵态氮/硝态氮比值就迅速降为9.25（P2）、6.21（P10），表明沼液中的硝化作用相当强烈。

图 10 P2与P10处理NH4+-N和NO3--N含量随贮存时间变化特征 Figure 10　NH4+-N and NO3--N variations of biogas slurry of P2 and P10 with storage time

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沼液的管道化利用是沼液农田利用的一种模式，然而由于沼液中含有大量未降解颗粒物，很容易使管道堵塞甚至爆裂，因此滤除沼液中的残留颗粒物尤为重要^[17]。滤除颗粒物后对沼液的养分含量和理化性状会不会造成严重影响是本试验关注的重点。

以P2为例，由图 11可知，在贮存时间相同的条件下，通过4种不同孔径筛网（20、40、60目和80目）的沼液，其TN、TP和TK含量差异不显著，表明粒径大于178μm的颗粒物去除后对沼液的养分含量变化影响较小，此结果与刘本生等^[7]的研究结果相似。因此，过滤并不会显著减少沼液养分含量；为减少沼液管道化利用过程中管道堵塞和爆裂的风险，农田施用前有必要对沼液进行初步过滤。

图 11 过滤对P2处理沼液养分（TN、TP、TK）含量的影响 Figure 11　Effects of filtration on the contents of nutrients(TN, TP, TK) in biogas slurry of P2

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以P10处理沼液为例，出料沼液通过不同孔径的筛网过滤后，沼液pH值均随网筛孔径的减小而升高，虽不具有显著性差异，但通过80目筛沼液的pH值明显高于通过20目筛沼液的pH值（图 12）。由此可见，颗粒物的去除会使沼液pH值略微升高，过滤对沼液的酸碱度仅具有微弱的影响，但不具备显著差异。

图 12 过滤后P10 pH值变化特征 Figure 12　pH variation characteristics of P10 after filtration

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图 13a表明，P2处理沼液通过不同孔径的筛网过滤后，0~4 d内COD随着孔径的减小而升高，虽不具备显著性差异，但筛网孔径大小对P2的COD值影响比较明显；7 d之后，P2的COD值降到10 000 mg·L^-1以下趋于平稳，过滤并不会对其造成影响。而P10处理沼液通过不同孔径的筛网过滤后（图 13b），COD基本没有变化。由此可以推测过滤对沼液COD值的影响与发酵的状况有一定的相关性，发酵越不完全，COD值越高，过滤对COD的影响越大。

图 13 过滤后2种不同沼液COD变化特征 Figure 13　COD changes in two different biogas slurry after filtration

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（1）随着发酵周期与贮存时间的延长，28 d后5种沼液中TN和TP含量分别减少了40.9%~46.31%、35.62%~53.61%；

（2）TK的含量呈现随时间延长有小幅增加，基本维持稳定。贮存期内铵态氮含量逐渐降低，贮存14 d各降幅接近62%；与之相反，硝态氮的含量则呈现逐渐增高的趋势。

（3）所有处理沼液在贮存过程中COD下降了69.97%~85.86%，pH值变化均呈现逐渐升高的趋势，从偏中性（7.6~7.9）变为弱碱性（8.2~8.7）。

（4）经过不同孔径网筛过滤后，沼液的养分含量、COD含量和pH值变化不具有显著性差异，因此过滤不会对沼液的养分存储造成影响。

（5）在农业生产过程中，为有效合理地将沼液作为液体有机肥利用，减少沼液对周围环境的负面影响，如COD值过高、氨挥发过量、氮磷流失增加面源污染等，建议粗放型厌氧发酵池中猪粪沼液的发酵周期不少于8 d。新鲜出料沼液放置一个月后氮、磷、钾等养分含量仍然能够满足农业施肥灌溉的需求。