畜禽養殖沼液回用土壤磷元素吸附解析環境行為分析

江莉 龔凱 柏沁含 黃洋洋 逯偉 朱家悅

摘 要：我國是畜禽養殖大國，產污量大且處理效率低，多數集約化養殖場的含磷污水未經深度處理直接排放到水體造成水體的富營養化。文章通過對集約化養殖場沼液中磷素進入土壤吸附解析環境行為進行研究，確定厭氧或好氧工藝處理畜禽養殖沼液，合理選擇回灌土壤類型和土壤柱尺寸，最終根據Langmuir方程得出土壤磷最大吸附量（Qmax）、吸附常數（K）、最大緩沖容量（QmaxK）等參數探討分析土壤對磷的吸附解析能力。對保護土壤環境和水環境，降低水體富營養化具有重要的現實意義。

關鍵詞：沼液；土壤柱；磷；吸附；解析

近年來，隨著市場經濟的快速發展，我國畜禽養殖業發展迅速，集約化、發展規模化的水平也越來越高，但是畜禽養殖業發展帶來了日益嚴重的環境污染問題。未經處理的畜禽糞便和廢水直接排入環境對地下水、地表水、土壤和空氣造成嚴重的污染。我國現階段畜禽養殖場廢水處理技術主要有“畜地平衡”模式、“達標排放”模式和“綜合利用”模式，現階段主要采用厭氧發酵產沼氣處理工藝，但畜禽糞便厭氧發酵后，仍然含高濃度的有機污染物、氮和磷素。

目前，磷的可持續利用以及從生產和生活的再循環，已成為資源與環境管理方面的熱點研究課題。當污水中的磷去除與回收同時考慮時，除磷可通過回收目標產物的方式實現。因此，研究畜禽養殖沼液回用土壤磷含量及吸附解析行為，對降低水體富營養化具有重要的現實意義。

一、畜禽養殖場沼液的處理工藝

畜禽養殖廢水屬于高濃度有機廢水，廢水中含有濃度較高的氮和磷，應采用具有脫氮除磷功能的工藝，如活性污泥法（SBR）、氧化溝等處理技術。好氧處理中推薦采用穩定塘處理、土地處理和人工濕地等自然生物處理。自然生物處理法基礎建設成本低，功耗小，在一定條件下，這種方法可用廢水灌溉水的資源利用來實現。然而，該法仍有缺點，如占地面積大、易影響環境衛生、處理效果易受季節影響等。

經厭氧處理后廢水中的COD去除率為70%～85%，且運行成本相對較低。厭氧處理后既可以實現無害化，同時還可以回收沼氣和有機肥料，是解決養殖廢水無害化和資源化問題的最有效的技術方案，是規模化畜禽場糞便污水治理的最佳選擇。目前行業內較為成熟的厭氧工藝主要有折流式反應器（ABR） 、全混合厭氧反應器（CSTR） 、升流式厭氧污泥床（UASB）、升流式固體反應器（USR）等。糞污種類、工程類型和工藝路線影響著厭氧反應器的選擇和設計。CSTR、USR 等適用于固體懸浮物（SS）濃度高的廢水處理和生豬糞污綜合利用處理；UASB是糞污達標排放處理工藝推薦采用的厭氧反應器類型， 但要求進水的SS濃度較低，ABR介于兩者之間。張智等人通過對兩級A/0工藝處理沼液的效果COD、NH3-N、SS、TN分別為80.1%、83.2%、91.1%、48.6%。余薇薇等人通過對改良型A/O工藝處理沼液的效果SS、COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率為90.7%、90.7%、92.3%、76.4%、84%。

二、土壤類型的確定

重慶市分布面積最廣的土類是紫色土，面積為2737346.10 hm2，占全市土地面積的33.22%。紫色土可以保持穩定的土壤性質，具有優良的生產性能和很高的土壤生產率。紫色土是發育于紫色巖層的幼年土，豐富的礦物成分，不同母質、肥力紫色土間差異較大。郭松松等人的研究表明消落帶土壤有機質含量黃壤土>紫色土>沖積潮土，土壤類型對土壤有機質含量影響不明顯；不同土壤類型氧化還原電位沖積潮土>黃壤土>紫色土，氧化還原電位差異明顯，沖積潮土的還原性最強，紫色土最弱；不同土壤類型含水率紫色土>黃壤土>沖積潮土，含水率的差異不大。紫色土為初育巖性土，受氣候帶的影響較小，土壤的診斷層發育顯著，紫色風化物母質和土壤的碳酸鈣含量大于3%，pH值大于7.5，劃為石灰性紫色土亞類；碳酸鈣含量1-3%，pH值6.5-7.5，劃為中性紫色土亞類；碳酸鈣含量<1%，pH值小于6.5，劃為酸性紫色土亞類。李靜等人研究表明淹水和干濕交替能促進紫色土和水稻土對磷的吸附行為，減小磷的解吸率，降低磷水土界面的遷移能力，其向環境釋磷風險為未淹水土壤>干濕交替土壤>淹水土壤，紫色土>水稻土。

三、土壤柱的設計

土壤柱的相關尺寸決定的實驗的效果。如張雨梅等人在洛克沙胂在土壤柱中的淋溶遷移實驗中，土壤柱為內徑5cm，高度15cm，并用蠕動泵控制淋溶的速度；趙慶良等人在再生水用于地下回灌過程中有機物的遷移和去除實驗中，土壤柱材料為有機玻璃，柱高150cm，直徑10cm，并且為取樣方便，將土壤柱分為3個串聯，各段用法蘭連接；王玉軍等人在阿特拉津在土柱中的淋溶規律研究實驗中，土壤柱為高度30cm，每10cm為一采樣點。綜上研究可得：當土壤柱的高度達到一定高度的時候，會對土壤柱中土壤的裝取形成一定干擾。因此，可以考慮使用多個小土壤柱串聯，在土壤柱串聯處使用法蘭連接，便于土壤的裝取；沼液的灌入使用蠕動泵控制流速；取樣的開口盡量有規律且相對集中；土壤柱應選擇透明度高的材料，如PVC、有機玻璃等；土壤柱表面刻有尺度，便于讀取數據。

四、土壤對磷元素的吸附過程

土壤對磷元素的吸附可分為物理吸附，物理化學吸附和化學吸附。Langmuir 和Freundlich方程描述了土壤磷元素吸附過程，得出土壤對磷吸附的重要參數：吸附常數（K）、磷最大吸附量（Qmax）、最大緩沖容量（QmaxK）。吸附常數在一定程度上反映了土壤吸附磷的幾個能級，該值越大，顯示處土壤與磷的結合能越大。許多研究表明，土壤對磷的吸附不僅與粒度、本身的化學組分等有關，還受有機質含量、pH、鹽度、溫度等的影響。

1.淹水條件下的影響

李靜等人研究表明同一種土樣對磷的吸附量：淹水條件>干濕交替>未淹水條件，并且未淹水條件下土壤對磷的吸附量遠小于淹水和干濕交替條件下土壤對磷的吸附量。郭松松等人研究表明周期性淹水可能導致消落帶土壤磷的流失，并增大其空間異質性的分布。

2.不同土壤質地的增加

朱強等人研究表明：隨著粘土含量的增加，土壤對磷的吸附量，即粘土>壤土>砂壤土；隨著粘土含量的增加，易解吸磷、解吸量、解吸率均呈下降趨勢，即砂壤土>壤土>粘土。

3.有機質的影響

李華等人研究表明：有機質含量和CEC也是影響磷吸附的重要因素，CEC越高的土壤，其表面負電荷數量越多，對磷的排斥作用就越大，從而吸附量就越小。有機質與磷競爭土壤表面的吸附位，使有機質含量增加，對磷的吸附影響增大。紅壤性水稻土和磚紅壤CEC和有機質含量均高于紅壤，并且隨著pH升高，土壤表面可變負電荷增加，其可能是兩種土壤對磷吸附量隨pH升高而明顯減少的原因。

4.pH的影響

馬良等人研究表明：不同土壤對磷的吸附量隨pH變化表現出不同的發展趨勢。在pH 為3.0～5.5范圍內，紅壤性水稻土和磚紅壤對磷的吸附量會隨pH增加呈直線減少的變化趨勢，紅壤性水稻土對磷的吸附量隨pH的變化幅度較大；紅壤對磷的吸附量先隨pH增加而增加，約在pH 4.0時達最大值，之后有所下降，但土壤對磷的吸附量隨pH變化的幅度比紅壤性水稻土和磚紅壤小得多。

五、土壤對磷元素的解析過程

土壤對磷的解析過程是復雜的，主要包括無機磷酸鹽的溶解和有機磷酸鹽的礦化作用。土壤的組成、土壤磷含量、氧化還原電位、溫度及微生物含量等因素都影響土壤對磷的解析過程。

1.溫度及微生物的影響

Liikanen研究發現無論是好氧還是厭氧條件，磷的釋放都將隨溫度升高而增加，溫度每升高1-3℃，底泥釋磷量會增加9-57%。劉玉蘭等人的研究表明微生物的分解加速溶解氧的耗竭，微生物的活動促進磷釋放到水體，微生物的作用可把有機磷轉化為無機磷，并促使不溶性磷溶解。通過各結合態磷之間的相互轉化，可能增加或減少土壤總磷的含量。

2.氧化還原電位的影響

氧化還原電位對磷的解析有較顯著的影響，較高的氧化還原電位（>350mV）能使 Fe3+與磷酸鹽形成不溶的磷酸鐵，可溶性磷也會被氫氧化鐵吸附而逐漸沉降，較低的氧化還原電位（<200mV）有利于Fe3+轉化為Fe2+，使鐵結合磷與被吸附的磷酸鹽變成溶解態而析出，使不同的Fe（OH）3 轉化為Fe2+形式，磷釋放量增加。

3.磷濃度的影響

在不同處理過程中，磷的解析試驗顯示，對照處理隨磷濃度的增加，磷的解析量逐漸增大，且解析率也呈現升高的趨勢；當加入的磷濃度小于20mg/L時，解析率平均為18.36%；當加入的磷濃度大于20mg/L時，解析率平均為29.65%。

4.土壤顆粒大小及土壤來源的影響

對不同大小土壤顆粒間比較發現，隨著土壤顆粒粒徑的增大，磷的解析率增加。0.25～1mm、1～2mm、2～5mm、>5mm粒徑顆粒與<0.25mm土壤顆粒相比，磷的解析率分別平均增加11.8%、18.4%、21.6%、22.6%。由此說明，大顆粒不利于磷的吸附，但有利于磷的解析。與土壤原樣相比，1mm以下的兩個土壤顆粒（<0.25mm、0.25～1mm）的磷素解析率比土壤原樣的小，而大于1mm的土壤顆粒（1～2mm、2～5mm、>5mm）的磷素解析率比土壤原樣的高。土壤對磷的解吸量和解吸率都隨吸附量的增加而增加，除自然生草CK外，其他4種土壤對磷的解吸率都較低，為9.29%～19.05%。自然生草果園土壤對磷的解析率達到55%，而且在相同吸附量，自然生草土壤對磷的解吸量也遠遠大于人工生草土壤，說明該地區自然生草果園土壤對磷的緩沖能力較弱，而經人工種植牧草均明顯的提高土壤對磷的緩沖能力。

六、結語

我們發現土壤對磷的吸附在淹水條件下>干濕交替>未淹水條件；土壤對磷的吸附量隨粘粒含量的增加而增大；不同土壤對磷的吸附量隨pH變化呈不同的變化趨勢；土壤對磷的吸附量隨有機質含量增加而增大。土壤對磷的解析隨溫度升高而增大；隨土壤顆粒粒徑變大而增加；加入磷濃度的增加，磷的解析量逐漸增加，而且解析率也呈升高的趨勢。通過畜禽養殖沼液回用土壤磷元素吸附解析環境行為分析與影響因素的研究，可闡明畜禽養殖沼液的可持續利用，降低水體富營養化具有重要的現實意義。

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