畜禽糞污沼液肥料化利用及優(yōu)化途徑

文│楊子森 程彩虹 張亞強(qiáng) 焦光月（山西省生態(tài)畜牧產(chǎn)業(yè)工作站）

張紀(jì)濤 史向遠(yuǎn)（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院）

焦翔翔（山西資環(huán)科技股份有限公司）

隨著畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖逐漸增加，隨之而來(lái)的糞污排放量也不斷增加。沼氣是處理畜禽糞污主要的工程措施之一，可以有效解決畜禽糞污處理的問(wèn)題。目前，沼氣工程的發(fā)酵液中干物質(zhì)濃度一般為6%～12%，發(fā)酵周期為28～40天，對(duì)于規(guī)?；託夤こ?，沼液排放量也非常大。沼液作為處理糞污的附屬產(chǎn)物，適宜處置和資源化利用對(duì)于沼氣工程的運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

沼液中含有有機(jī)質(zhì)、微量元素、多種氨基酸等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，兼具速效性和長(zhǎng)效型，可以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)肥料，因此，肥料化利用是沼液增值利用的重要途徑。筆者從沼液特性研究、沼液施用對(duì)土壤與植物影響、沼液濃縮等方面總結(jié)了沼液肥料化利用相關(guān)研究信息，并分析了沼液肥料化利用存在問(wèn)題與解決途徑，對(duì)指導(dǎo)沼液資源化利用、保障生態(tài)安全性具有重要意義。

一、沼液特性

沼液中除含有大中微量元素之外，還含有17種氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物質(zhì)，以及揮發(fā)性有機(jī)成分和有毒重金屬等。不同地區(qū)、不同原料、不同厭氧發(fā)酵工藝所產(chǎn)生的沼液營(yíng)養(yǎng)元素含量差異很大，如表1所示。倪中應(yīng)等從長(zhǎng)三角地區(qū)的養(yǎng)豬場(chǎng)、養(yǎng)牛場(chǎng)和一般農(nóng)戶的39個(gè)沼液中檢測(cè)結(jié)果表明，沼液中的氮、磷、鉀含量與組分變化很大。此外，饒中秀等對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)的規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)的沼液調(diào)研也得到相似結(jié)果。

表1 沼液特性表

沼液的養(yǎng)分含量影響因素是多方面的。一般以雞糞為原料的沼液中養(yǎng)分總含量高于牛糞、豬糞的沼液。沼液營(yíng)養(yǎng)成分總含量隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)不斷降低，且溫度越高，營(yíng)養(yǎng)成分損失率越大。在沼液儲(chǔ)存過(guò)程中有機(jī)質(zhì)含量變幅較小，氮、磷、鉀總量明顯降低，開(kāi)放儲(chǔ)存到50天時(shí)，氮、磷、鉀降幅達(dá)到80%以上，而密閉儲(chǔ)存的沼液氮、磷、鉀降低少。一般情況下厭氧發(fā)酵時(shí)間越長(zhǎng)沼液穩(wěn)定性越好。沼液的末端處理方式也會(huì)造成養(yǎng)分的損失，曲明山等的試驗(yàn)表明過(guò)篩后的沼液中的氮、磷、鉀的含量會(huì)降低。不同清糞工藝對(duì)沼氣工程產(chǎn)生的沼液養(yǎng)分含量也有影響。

沼液中還含有豐富的微生物，且沼液中的微生物種類(lèi)差異很大。王旭輝等（2019）利用高通量測(cè)序技術(shù)檢測(cè)表明，沼液中的細(xì)菌主要為擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)，主要的真菌門(mén)是子囊菌門(mén)和擔(dān)子菌門(mén)。沼液中還含有復(fù)雜的有機(jī)化合物。吳慧斌等（2015）從雞糞沼液濃縮物里分離出四個(gè)化合物，其中一個(gè)為新化合物，將其命名為24-降齊墩果烷-4，12-二烯-3，22-二酮，其余3個(gè)為8-羥基-3，4-二氫喹啉-2酮、（E）-3-（2-羥基苯）丙烯酰胺、苯乙酸 。

二、沼液及其配施化肥對(duì)土壤環(huán)境與作物生長(zhǎng)的影響

1.沼液對(duì)土壤的改良作用及風(fēng)險(xiǎn)。

（1）沼液對(duì)土壤肥力的影響。發(fā)酵原料在厭氧發(fā)酵過(guò)程中損失的主要元素為碳、氮、硫等，在沼渣、沼液中會(huì)殘留下大部分的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。沼液的合理施用，可以有效改善土壤環(huán)境、提高土壤肥力。鄭健等試驗(yàn)表明灌施沼液能降低土壤容重、增加土壤的總孔隙度和含水率。羅偉等在成都平原地區(qū)沖積性水稻土上試驗(yàn)表明，施用沼液能提高了土壤氮、鉀元素含量，但需配施適量的磷、鉀肥才能維持土壤養(yǎng)分平衡。孫天姿等試驗(yàn)表明，施用餐廚垃圾消化沼液制備的液態(tài)菌肥可以提高土壤有效氮、有效磷的含量，改善農(nóng)田土壤的有機(jī)組分和土壤肥力。鞏明明在旱作玉米的土壤上追施沼液可提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量。宋麗芬等研究雞糞沼液在大田油菜上施用，提高了土壤的pH值和有機(jī)質(zhì)。王康等研究表明，施用300噸/公頃雞糞沼液能夠促進(jìn)降低鹽堿地和灘涂土壤的容重、EC值、氯離子含量，提高有機(jī)質(zhì)含量、有效氮、有效磷、速效鉀含量，以及微生物數(shù)量。唐華等的試驗(yàn)表明，灌溉沼液可增加土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率等，并提高了土壤脲酶活性。楊益瓊等的試驗(yàn)也證明施用沼液提高了土壤養(yǎng)分含量。

（2）施用沼液對(duì)土壤生態(tài)安全的影響。沼液中還有部分重金屬元素，施用沼液也可能造成土壤或植物受到污染。宋麗芬等研究施用雞糞沼液增加了土壤的鉛、鉻、砷、鎘等重金屬含量。湯逸帆等以江蘇濱海稻麥輪作田為對(duì)象的試驗(yàn)表明，沼液施用5年后，雖然土壤和作物籽粒中銅、鋅、鉛、鎘均未超標(biāo)，但土壤銅和鋅顯著富集，小麥和水稻籽粒的鋅含量隨沼液施用年限增加而增加。郭全忠等指出，施用沼液會(huì)造成土壤養(yǎng)分和鹽分快速累積，對(duì)土壤環(huán)境帶來(lái)較大的污染風(fēng)險(xiǎn)。許文志等也指出長(zhǎng)期施用沼液，需注意土壤磷素及總銅和總鋅含量增高帶來(lái)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.沼液對(duì)作物生長(zhǎng)的影響及適宜用量。

（1）施用沼液對(duì)作物生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響。沼液的合理施用可以改善作物品質(zhì)，部分代替化肥保障或提高作物產(chǎn)量。據(jù)研究，沼液對(duì)土壤種植的苜蓿、玉米、油菜、堿蓬和蘆葦、黑麥草、白菜、薄皮甜瓜、辣椒、小白菜、小麥、大麥、番茄、茭白、毛竹、棉花等多種作物或植物的生長(zhǎng)、品質(zhì)或產(chǎn)量等有改善效果。而在水培條件下，40%的沼液替代營(yíng)養(yǎng)液提高了生菜產(chǎn)量，同時(shí)提高了生菜的可溶性糖、可溶性蛋白含量，降低了硝酸鹽含量。

（2）沼液在作物上的適宜用量。因作物養(yǎng)分需求特性不同，沼液的適宜施用量不同。25%～50%的沼液灌溉可以提高苜蓿的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而種植辣椒的適宜施用的沼液濃度為30%，小白菜適用的沼液滴灌濃度為20%。水稻上適宜的施用量為108～144噸/公頃，同時(shí)需要配施磷、鉀肥；對(duì)于玉米以45噸/公頃的施用量，在拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期各追施1次為最佳，過(guò)量則造成玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)旺盛；而對(duì)于黑麥草，667毫升/千克的沼液灌溉量即可滿足其生長(zhǎng)所需。劉庭付等指出沼液作為茭白的追肥，每畝不宜超過(guò)5噸，化肥可以減量施用50%。另外，沼液基肥施用效果優(yōu)于追肥施用。

（3）沼液在作物生產(chǎn)上的生防作用。沼液對(duì)病蟲(chóng)害還具有防治作用，與農(nóng)藥配施可以改善防治效果，降低農(nóng)藥使用量。李鈺飛等通過(guò)試驗(yàn)證明，種植前沼液淹沒(méi)土壤可抑制根結(jié)線蟲(chóng)，防效高達(dá)97.1%。孫星星等指出沼液的合理使用以及與殺蟲(chóng)劑的混用能夠有效控制大麥蚜蟲(chóng)的發(fā)生。王洪濤等研究，雞糞沼液能夠提高氟啶蟲(chóng)酰胺對(duì)蘋(píng)果黃蚜的防效，可減少化學(xué)農(nóng)藥氟啶蟲(chóng)酰胺用量10%～20%。

三、沼液濃縮對(duì)養(yǎng)分含量的影響

1.沼液的濃縮工藝。沼液中的氮、磷、鉀的總含量一般均低于10克/升（表1），與相關(guān)的肥料標(biāo)準(zhǔn)要求（表2）有很大差距。沼液中的大量營(yíng)養(yǎng)元素含量遠(yuǎn)低于肥料標(biāo)準(zhǔn)中的要求，因此沼液也不適宜于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸使用。沼液濃縮可以回收沼液中營(yíng)養(yǎng)物，使沼液體積減量化，進(jìn)而提高沼液營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和節(jié)約運(yùn)輸成本。目前，常用的沼液濃縮方式有：第一，膜濃縮，包括微濾、納濾、超濾、反滲透、正滲透等工藝。第二，蒸發(fā)濃縮，包括循環(huán)蒸發(fā)、沼液負(fù)壓蒸發(fā)濃縮、三效蒸發(fā)濃縮、低溫蒸發(fā)、常壓蒸發(fā)和減壓蒸發(fā)等。膜濃縮工藝技術(shù)成熟，設(shè)備投入與運(yùn)行成本高，但存在膜污染嚴(yán)重、濃縮沼肥市場(chǎng)化認(rèn)可低等問(wèn)題，而蒸發(fā)工藝多存在能耗高、養(yǎng)分損失等問(wèn)題。

表2 液態(tài)肥料標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)指標(biāo)

2.濃縮對(duì)沼液養(yǎng)分含量的影響。沼液通過(guò)膜濃縮后，造成了養(yǎng)分的損失。宋成芳等采用“預(yù)處理+超濾膜分離器”濃縮的20倍的牛糞沼液的氮、磷、鉀分別由170、50、340毫克/升提高到1934、669、425毫克/升，而豬糞沼液的氮、磷、鉀分別由320、42、350毫克/升提高到2239、481、354毫克/升。白曉鳳等采用蒸發(fā)法濃縮處理沼液，結(jié)果表明，低溫蒸發(fā)過(guò)程沼液中的氨氮在蒸發(fā)過(guò)程中損失高達(dá)98%，蒸發(fā)對(duì)磷、鉀的影響不大。

四、存在的問(wèn)題與優(yōu)化利用途徑分析

沼液合理利用則是優(yōu)良的肥料資源，利用不當(dāng)則造成生態(tài)環(huán)境污染。沼液的處理方式可以歸納為直接還田消納、自然生態(tài)凈化技術(shù)、生化處理技術(shù)、高附加值開(kāi)發(fā)處理技術(shù)等幾種。目前，在生產(chǎn)中仍是以還田消納和自然凈化為主，自然凈化周期較長(zhǎng)，需要配套場(chǎng)地，而還田消納和沼液配肥利用可以合理利用資源，節(jié)約化肥、改善土壤生態(tài)環(huán)境。目前，沼液的肥料化利用還存在著以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，需要進(jìn)一步深入研究與優(yōu)化。

一是沼液利用的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題。首先，需要明確沼液對(duì)“土壤——植物”生態(tài)系統(tǒng)的影響。不同區(qū)域環(huán)境、不同作物、不同類(lèi)型土壤對(duì)沼液的重金屬和鹽分的代謝不同，因此，需要通過(guò)長(zhǎng)期的定位監(jiān)測(cè)確定安全限值，為合理、安全施用沼液提供技術(shù)指導(dǎo)，建立起科學(xué)的沼液施肥體系。同時(shí)應(yīng)在源頭上降低重金屬、抗生素等風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)入生態(tài)循環(huán)中，進(jìn)而降低沼液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。

二是不同原料沼液的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)與施用問(wèn)題。不同原料及其組合所產(chǎn)生的沼液特性不同，因此沼液的施用方式和量也不相同。陳志龍等也指出，存在著沼液質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和無(wú)害化標(biāo)準(zhǔn)缺失、沼液還田量缺乏計(jì)算依據(jù)、沼液還田的政策配套不夠完善等問(wèn)題，需在沼液無(wú)害化還田規(guī)范制定、沼液精準(zhǔn)還田以及沼液還田的長(zhǎng)效運(yùn)行機(jī)制等方面加大力氣。從經(jīng)濟(jì)成本上說(shuō)，濃縮沼液存在著成本高的問(wèn)題，而未濃縮的沼液還不適宜于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，因此，沼液肥料化利用是存在合理的推廣半徑。對(duì)于相對(duì)固定的沼氣工程，其服務(wù)半徑也相對(duì)固定，而區(qū)域的種植作物類(lèi)型及種植制度也基本穩(wěn)定。因此，在相對(duì)固定的區(qū)域內(nèi)，為了更好地建立沼液標(biāo)準(zhǔn)化肥料利用模式，應(yīng)對(duì)沼氣工程原料、發(fā)酵工藝、沼液處理與存放、沼液施用等多個(gè)方面實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化的管理，以有利于建立穩(wěn)定的種養(yǎng)結(jié)合模式，推進(jìn)區(qū)域沼液資源化利用效率。

基于以上問(wèn)題，首先需要建立和完善適應(yīng)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的沼液利用配套設(shè)施，例如為了配合現(xiàn)階段的灌溉方式，可以將沼液輸送到田間，形式水沼肥一體化灌溉等。其次，制定區(qū)域沼肥施用指南，建議制定區(qū)域沼液安全評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則與施用技術(shù)指南，出臺(tái)相關(guān)激勵(lì)補(bǔ)償政策措施等。同時(shí)加強(qiáng)政策監(jiān)管。

五、討論

目前，沼液處理是許多大型沼氣工程面臨亟需解決的問(wèn)題。養(yǎng)殖企業(yè)較化工或煤焦化產(chǎn)業(yè)效益的低，受成本限制，難以直接使用現(xiàn)有的工業(yè)化的水處理工程或設(shè)備進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。為了解決沼液對(duì)沼氣工程企業(yè)的負(fù)擔(dān)，還應(yīng)進(jìn)行深入的技術(shù)研究，制定積極的政策，并加強(qiáng)管理，構(gòu)建高值化綜合利用體系，以建立良好的產(chǎn)業(yè)循環(huán)模式，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。