豬場沼液高值化綜合利用研究進展及前景分析

巫小丹, 岑慶靜, 吳冬梅, 鄭洪立, 向書玉, 廖鐘娟, 羅 玲, 阮榕生, 劉玉環

( 1.南昌大學食品學院， 南昌 330031； 2.南昌大學生物質轉化教育部工程研究中心， 南昌 330047； 3.南昌大學圖書館， 南昌 330031 )

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，生豬養殖正朝著規?；?、集約化的方向發展，成為我國農村經濟中最活躍的經濟增長點和主要的支柱產業。隨著規?；?、集約化所帶來高環境負荷量與耕地資源不斷萎縮矛盾的日益加劇，環境問題日益凸顯，成為制約養殖業可持續發展的瓶頸問題[1]，在環保政策的壓力下，我國生豬存欄量呈下降趨勢[2]。據中國環境保護部統計，2015年全國131837家規模化畜禽養殖場和7578家規模化畜禽養殖小區排放化學需氧量1015.5萬噸、氨氮55.2萬噸[3]。近年來，隨著《畜禽養殖業污染防治技術政策》(環發[2010]151號)、《畜禽規模養殖污染防治條例》(國務院令第643號)、《水污染防治行動計劃》(國發[2015]17號)、《畜禽養殖禁養區劃定技術指南》(環辦水體[2016]99號)、《“十三五”生態環境保護規劃》(國發[2016]65號)、《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》(國發[2017]48號)等政策法規的相繼出臺，國家明確要求對畜禽養殖業排放指標實施協同控制，大力推進畜禽養殖廢棄物污染治理與資源化利用，以厭氧發酵技術為核心的沼氣工程能消納有機廢棄物、緩解能源短缺，得到日益廣泛的應用。根據《可再生能源中長期發展規劃》，到2020年，我國將建成大型畜禽養殖場沼氣工程10000座，工業有機廢水沼氣工程6000座，年產沼氣約140億立方米，沼氣發電達到300萬千瓦。沼氣工程所產沼液數量龐大，沼液利用是循環農業產業鏈中的重要環節。養豬沼液中含有豐富的養分，可以作為有機肥料施用于農田，歐美發達國家對于沼液的處理均是經過長期貯存后作為肥料在大田消納[4]。由于沼液運輸成本高，且沼液連續生產與季節性施肥存在矛盾，加上我國的沼氣工程項目很少有足夠的土地貯存和消納沼液，導致養豬沼液的處理一直是我國畜禽養殖業和環保部門的棘手問題。面對數量龐大且日漸增多的沼液，若沒有進行無害化、資源化處理，而將其任意排放，將會造成二次污染，嚴重制約沼氣工程的發展。目前，我國畜牧業正處于轉型升級的關鍵時期，為了保證沼氣工程的穩定良好發展，促進畜禽養殖業的可持續發展，加快推進農村生態文明建設，養豬沼液高附加值資源化利用勢在必行。

本文通過文獻調研，綜述了養豬沼液在傳統產業應用現狀和高附加值資源化利用研究進展，提出我國養豬沼液應推行梯度資源化處理，構建高值化綜合利用體系，以期為拓寬養豬沼液利用途徑，實現其安全高效利用提供參考。

1 養豬沼液特性概述

養豬沼液是豬場糞污等有機物經厭氧發酵產生CH4和CO2等氣體后的殘留液。養豬沼液具有COD高、氨氮高、TP高的特點，特征污染物含量如表1所示。沼液中富含氮、磷、鉀等大量元素和銅、鐵、鋅等微量元素，還有各種氨基酸、維生素、水解酶、植物激素以及病蟲抑制因子等物質。除此以外，沼液中可能還存在較高濃度糞大腸菌群[5]，少量獸藥抗生素[6]，有毒副作用的激素，及Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金屬離子[7]。因此，在應用沼液過程中應形成安全處理和安全施用的意識。

2 養豬沼液傳統資源化利用現狀

2.1 沼液在種植業的應用

養豬沼液含有大量的營養元素、豐富的有機物質(如氨和銨鹽、丁酸、植物激素赤霉素、吲哚乙酸以及維生素B12等)，速效營養能力強，養分可利用率高，不但能提高作物的產量和品質，而且具有防病抗逆作用，是一種優質的有機液體肥料[11-12]，享有“生物農藥”之美稱。目前，養豬沼液在種植業上的應用主要是在沼液浸種、沼液灌根、葉面噴施、改良土壤等方面(見表2)。

表2 沼液在種植業上的應用

2.2 沼液在林業的應用

沼液在林業也有較廣泛的應用，主要有根部施沼液和葉面噴施兩種方式，施用沼液可降低蟲口密度，提高坐果率5%以上，增產10%～30%，降低農業成本[24]。亓翠玲[25]等的研究表明沼渣沼液穴貯對于果園水肥的補充效果較好，可使櫻桃樹單株產量增加21.76%，單果重增加28.89%。王炳華[26]等對初果期香榧林施用不同濃度的沼液，發現合適濃度的沼液對香榧林的生長有促進作用。

2.3 沼液在養殖業的應用

沼液中含有多種氨基酸、維生素、有機酸和大量粗蛋白等營養物質，可以滿足多種生命體的營養需求，可應用于禽畜飼養、水產養殖等方面。將沼液與水混合供應給禽畜食用后，發現沼液能夠刺激家禽卵巢的排卵功能，促進其生產發育[27]。將沼液施入魚塘，沼液中豐富的營養元素能促進浮游生物生長，成為魚類餌料，同時沼肥中半消化或未消化的飼料可供魚食用。沼液養魚可彌補人工飼料營養不足的缺陷，減少飼料投放量，改善魚塘生態環境，實現穩產、高產養魚[28]。

3 養豬沼液高附加值資源化利用現狀

近年來，隨著科技的發展，養豬沼液結合一些高新技術開啟了高附加值資源化利用的研究道路。

3.1 膜分離技術獲得高濃縮液體有機肥

膜處理技術是一項成熟的水凈化技術[29]。養豬沼液中單位體積養分含量低，儲存、運輸成本較高，隨著膜分離技術的發展，可通過膜分離技術獲得高濃縮液體有機肥以實現高值化利用。沼液經膜濃縮處理后，有機肥營養成分濃度可明顯升高，重金屬含量低于國家規定的安全標準，主要大分子有機物為腐殖酸和氨基酸[30]。范蓓蓓[31]發現沼液10倍濃縮液各項指標含量均符合農業部NY1106-2010、NY1429-2010標準，將濃縮沼液配方肥與氨基酸水溶肥、“奧捷”水溶肥等的施用效果進行對比，發現濃縮沼液肥促進小白菜生長、改善土壤性質的效果最為顯著，突出了濃縮有機液肥的優勢[32]。毛金剛[33]采用超濾-納濾膜耦合技術處理養豬沼液，得到的20倍濃縮液可用作灌溉有機肥。沼液中的懸浮物、膠體含量較高，因此在膜濃縮前，需要對料液進行預處理以防膜污染[34]。王雷[9]提出的化學絮凝—納濾、電絮凝—納濾組合工藝可以減輕納濾膜污染程度。張智燁[35]的研究表明采用生物基濾料和膜濃縮一體化技術可以達到有效保留營養物質并去除大分子污染物的目的，也能為后續濃縮減輕膜污染負擔。

3.2 超濾膜技術提取腐植酸類物質

腐植酸是動植物殘骸經過微生物的分解和轉化及其他物理化學過程所積累的天然有機物質[36]。沼液中難降解有機物腐植酸使其可生化性較差，但其特定的結構(含有羥基、羧基、烯醇基等多種官能團)給腐植酸帶來了一定的化學活性和生物活性，可有效增加植物的抗逆性，改良農作物品質。有研究表明，腐植酸可以鈍化重金屬[37]，修復重金屬污染土壤[38]，改善作物表觀性狀，并促進其對氮肥的吸收，提高產量[36]。沼液中含有各種腐植酸[39]，尤其是戶用型沼氣池所產沼液中含量最高，可達0.13%[40]。從沼液中分離提取腐植酸類物質既可解決沼液中有機物難降解的處理難題，又可獲得腐植酸類物質，實現腐植酸資源化利用。目前，可采用超濾膜技術分離提取腐植酸類物質[41]，但該方法極易造成膜污染，膜運行成本高。岳東北[42]等使用離子交換樹脂-超濾膜提取沼液中的腐植酸類物質：先利用離子交換樹脂選擇性吸附沼液中腐植酸，樹脂解吸可得以重復使用，再采取超濾膜分離法將腐植酸類物質和解吸藥劑分離。腐殖酸類物質回收率達80%以上，純度大于80%，解吸附藥劑循環利用率大于85%。

3.3 氨氮提取回收技術

3.3.1 石灰-吹脫技術獲得氨氣

沼液中富含氨氮，可通過投加石灰的方法調節pH值到11左右，使氮以NH3的形式逸出，也可向沼液中通入蒸汽將NH3高效吹脫提取出來[43]，可以氨水形式[44]或制成硫酸銨晶體實現回收利用[45]，氨肥可用于農業生產。

3.3.2 鳥糞石結晶技術獲得緩釋肥料

3.3.3 介質吸附技術回收氨氮

吸附法去除氨氮是利用多孔性固體(如硅酸鈣、活性炭、生物炭、沸石等)吸收污水中的氨氮。袁基剛[52]等采用自制的改性粉煤灰吸附沼液中氨氮，當改性粉煤灰添加量為0.013 g·mL-1，中性條件下吸附30 min時，吸附效果良好，氨氮吸附率高達78.60%。SanchoI[53]等通過集成天然沸石和中空纖維膜接觸器，從生活污水中回收氮作為液體肥料。生物碳對氨氮也有較好的吸附性能，蔣旭濤[54]研究了以小麥秸稈作為原料制備的生物碳用于吸附氨氮。刑賾[55]的研究表明吸附飽和的沸石可部分代替氮磷肥，改善冬小麥的生物學指標和酸性紫色土的理化性質。

3.4 生物質轉化技術

3.4.1 微藻技術獲得微藻生物質

隨著能源危機和環境問題的日益加劇，微藻生物質能開發研究受到廣泛關注[56]。沼液中富含碳源、氮源等，能夠為微藻生長提供基本營養要素[57]。若將沼液用于微藻培養，可達到沼液低成本排放的目的，又可節約微藻培養的成本，同時微藻生物質還可加工成多種高附加值產品，在醫藥工業、食品工業、飼料工業、可再生能源等領域都有廣闊的應用前景。Tan F[58]等的研究發現，用稀釋沼液培養微藻不僅可以有效去除氮磷，還可獲得較多的碳水化合物產物。Park[59]等的研究表明:當氨氮的濃度在100 mg·L-1時，微藻生長的細胞密度可達最大值，微藻細胞受其影響不大，當氨氮含量在200 mg·L-1時，與正常生長的微藻相比，細胞密度會降低至70%;而當氨氮值升高為1000 mg·L-1，細胞密度會降低至35%，細胞的生長嚴重受影響。沼液養殖微藻應與以高值化利用為目標的降氨氮技術緊密結合。

3.4.2 現代農業技術獲得綠色有機農產品

水培是一種新型環保的現代化蔬菜栽培技術，有效解決了土壤資源受限的問題。水培蔬菜生長周期短，需肥少，產量高，品質好，無環境污染，已成為發展現代農業的重要方式[60]。養豬沼液經過一系列處理后，氮磷含量明顯降低，可依托現代農業技術進行水培蔬菜，實現氮磷資源最大化利用。吳冬青[61]等的研究發現，在營養液中添加40%的沼液可大大提高快菜的產量，而且能顯著提高快菜中的維生素C、可溶性糖、粗纖維和粗蛋白等的含量。俞超[62]等研究表明，相比普通土壤栽培，沼液無土栽培對蕹菜根長、側根長、總產量影響顯著，可溶性糖含量明顯提高，增幅為68.5%；蕹菜中硝基氮含量顯著降低，降幅為31.5%。沼液中養分含量特性使得水培蔬菜過程中也存在一些問題，如需要進行較高倍數的稀釋處理。梁飛虹[63]等將沼液經脫氨處理后，對比不同濃度沼液水培生菜效果，發現沼液稀釋倍數在5～15倍時，氨氮脫除率高達98%，生菜相對增長量最大，外觀品質與營養品質最佳。因此，沼液水培蔬菜應緊密結合以高值化利用為目標的預處理技術。

3.5 光催化技術

光催化技術是一種新興的高效節能的現代處理技術。將光催化技術應用于沼液處理，為解決沼液環境污染問題和沼液資源化利用提供了新的思路和方向。王菲鳳[64]研究N摻雜TiO2納米材料的催化性能及其對腐殖酸的降解效果，發現適當摻入N可顯著提高可見光催化性能，腐殖酸的降解率可達80%。肖文靜[65]等使用TiO2作為催化劑，加入到經沉淀、過濾的預處理沼液中，紫外光照條件下進行光催化反應，發現光催化處理可降低沼液的COD值和降解腐殖酸等有機物。光催化技術還可為光解制氫提供水源，產生的氫氣又可以作為甲烷的氫源，實現資源的循環利用。光催化處理技術具有成本低、效率高的優點，將光催化沼液處理裝置與沼氣工程結合，有望成為沼液資源化利用的新途徑。

4 養豬沼液梯度處理及多級資源化利用體系的構建

目前，沼液利用存在沼肥生產的連續性與農業使用的季節性之間的矛盾，而規模化、集約化養殖模式更是加劇了養殖高環境負荷量與農用空間有限的矛盾，沼氣工程運轉受到威脅，循環農業產業鏈亟待尋求突破。開展多渠道的養豬沼液高附加值資源化利用是打破這一局面的唯一出路，構建養豬沼液梯度處理及資源化利用體系迫在眉睫。徐暢[10]采用“沸石吸附-斜生柵藻凈化”兩步法處理高氨氮養豬沼液，研究發現利用沸石吸附將沼液的氨氮值降低到90 mg·L-1左右后斜生柵藻生長很好，而未經沸石吸附預處理的對照組沼液在斜生柵藻接種后第二天即出現死亡現象，且經過沸石處理沼液中養殖的柵藻油脂含量為30%，明顯高于稀釋沼液中培養藻類的油脂含量，可用于開發微藻生物質能源，實現了高氨氮養豬沼液的梯度處理?！胺N養一體化”實現了養殖廢水、沼渣沼液經過無公害處理后用于種植業，構建一種立體、循環的生態農業模式，可顯著改善生態農業經濟，合理利用農業資源、保護生態環境。石鵬飛[66]等分析了沼液-有機肥-蔬菜種植等循環鏈，系統間物質循環減少了環境污染，證實了沼液多級處理的生態經濟效益。

5 養豬沼液高值化綜合利用可行性和前景分析

目前，養豬沼液高值化利用發展進程中，要更多關注沼液成分的波動情況和影響因素，對沼液成分控制進行深入研究，將沼液的傳統處理方法與高值化綜合利用處理技術結合起來，實現養豬沼液梯度處理及多級資源化利用?？墒紫瓤紤]回收大部分氮磷元素，再通過微藻培養、水培蔬菜、魚類養殖等方式構建一個能量循環自供的良好生態體系，形成“生物固碳-廢水深度凈化-微藻生物質生產-水培蔬菜栽培-魚類養殖”耦合系統，實現經濟效益的進一步延伸，以期形成運行良好的循環農業產業鏈。