畜禽糞污沼液肥料化利用及優化途徑

文│楊子森 程彩虹 張亞強 焦光月（山西省生態畜牧產業工作站）

張紀濤 史向遠（山西農業大學山西有機旱作農業研究院）

焦翔翔（山西資環科技股份有限公司）

隨著畜禽規模化養殖逐漸增加，隨之而來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題。目前，沼氣工程的發酵液中干物質濃度一般為6%～12%，發酵周期為28～40天，對于規模化沼氣工程，沼液排放量也非常大。沼液作為處理糞污的附屬產物，適宜處置和資源化利用對于沼氣工程的運營具有重要意義。

沼液中含有有機質、微量元素、多種氨基酸等多種營養物質，兼具速效性和長效型，可以部分代替傳統化學肥料，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、沼液施用對土壤與植物影響、沼液濃縮等方面總結了沼液肥料化利用相關研究信息，并分析了沼液肥料化利用存在問題與解決途徑，對指導沼液資源化利用、保障生態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，以及揮發性有機成分和有毒重金屬等。不同地區、不同原料、不同厭氧發酵工藝所產生的沼液營養元素含量差異很大，如表1所示。倪中應等從長三角地區的養豬場、養牛場和一般農戶的39個沼液中檢測結果表明，沼液中的氮、磷、鉀含量與組分變化很大。此外，饒中秀等對長沙地區的規模化養豬場的沼液調研也得到相似結果。

表1 沼液特性表

沼液的養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分總含量高于牛糞、豬糞的沼液。沼液營養成分總含量隨儲存時間的延長不斷降低，且溫度越高，營養成分損失率越大。在沼液儲存過程中有機質含量變幅較小，氮、磷、鉀總量明顯降低，開放儲存到50天時，氮、磷、鉀降幅達到80%以上，而密閉儲存的沼液氮、磷、鉀降低少。一般情況下厭氧發酵時間越長沼液穩定性越好。沼液的末端處理方式也會造成養分的損失，曲明山等的試驗表明過篩后的沼液中的氮、磷、鉀的含量會降低。不同清糞工藝對沼氣工程產生的沼液養分含量也有影響。

沼液中還含有豐富的微生物，且沼液中的微生物種類差異很大。王旭輝等（2019）利用高通量測序技術檢測表明，沼液中的細菌主要為擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門，主要的真菌門是子囊菌門和擔子菌門。沼液中還含有復雜的有機化合物。吳慧斌等（2015）從雞糞沼液濃縮物里分離出四個化合物，其中一個為新化合物，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土壤環境與作物生長的影響

1.沼液對土壤的改良作用及風險。

（1）沼液對土壤肥力的影響。發酵原料在厭氧發酵過程中損失的主要元素為碳、氮、硫等，在沼渣、沼液中會殘留下大部分的礦質營養物質。沼液的合理施用，可以有效改善土壤環境、提高土壤肥力。鄭健等試驗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沖積性水稻土上試驗表明，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分平衡。孫天姿等試驗表明，施用餐廚垃圾消化沼液制備的液態菌肥可以提高土壤有效氮、有效磷的含量，改善農田土壤的有機組分和土壤肥力。鞏明明在旱作玉米的土壤上追施沼液可提高土壤有機質、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值和有機質。王康等研究表明，施用300噸/公頃雞糞沼液能夠促進降低鹽堿地和灘涂土壤的容重、EC值、氯離子含量，提高有機質含量、有效氮、有效磷、速效鉀含量，以及微生物數量。唐華等的試驗表明，灌溉沼液可增加土壤全氮、全磷、有機質含量和電導率等，并提高了土壤脲酶活性。楊益瓊等的試驗也證明施用沼液提高了土壤養分含量。

（2）施用沼液對土壤生態安全的影響。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象的試驗表明，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，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，施用沼液會造成土壤養分和鹽分快速累積，對土壤環境帶來較大的污染風險。許文志等也指出長期施用沼液，需注意土壤磷素及總銅和總鋅含量增高帶來的生態風險。

2.沼液對作物生長的影響及適宜用量。

（1）施用沼液對作物生長和品質的影響。沼液的合理施用可以改善作物品質，部分代替化肥保障或提高作物產量。據研究，沼液對土壤種植的苜蓿、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、品質或產量等有改善效果。而在水培條件下，40%的沼液替代營養液提高了生菜產量，同時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量和營養價值，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，同時需要配施磷、鉀肥；對于玉米以45噸/公頃的施用量，在拔節期、抽雄期和灌漿期各追施1次為最佳，過量則造成玉米營養生長旺盛；而對于黑麥草，667毫升/千克的沼液灌溉量即可滿足其生長所需。劉庭付等指出沼液作為茭白的追肥，每畝不宜超過5噸，化肥可以減量施用50%。另外，沼液基肥施用效果優于追肥施用。

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

三、沼液濃縮對養分含量的影響

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），與相關的肥料標準要求（表2）有很大差距。沼液中的大量營養元素含量遠低于肥料標準中的要求，因此沼液也不適宜于遠距離運輸使用。沼液濃縮可以回收沼液中營養物，使沼液體積減量化，進而提高沼液營養物質濃度和節約運輸成本。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，蒸發濃縮，包括循環蒸發、沼液負壓蒸發濃縮、三效蒸發濃縮、低溫蒸發、常壓蒸發和減壓蒸發等。膜濃縮工藝技術成熟，設備投入與運行成本高，但存在膜污染嚴重、濃縮沼肥市場化認可低等問題，而蒸發工藝多存在能耗高、養分損失等問題。

表2 液態肥料標準及其技術指標

2.濃縮對沼液養分含量的影響。沼液通過膜濃縮后，造成了養分的損失。宋成芳等采用“預處理+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。白曉鳳等采用蒸發法濃縮處理沼液，結果表明，低溫蒸發過程沼液中的氨氮在蒸發過程中損失高達98%，蒸發對磷、鉀的影響不大。

四、存在的問題與優化利用途徑分析

沼液合理利用則是優良的肥料資源，利用不當則造成生態環境污染。沼液的處理方式可以歸納為直接還田消納、自然生態凈化技術、生化處理技術、高附加值開發處理技術等幾種。目前，在生產中仍是以還田消納和自然凈化為主，自然凈化周期較長，需要配套場地，而還田消納和沼液配肥利用可以合理利用資源，節約化肥、改善土壤生態環境。目前，沼液的肥料化利用還存在著以下幾個方面的問題，需要進一步深入研究與優化。

一是沼液利用的生態環境風險的問題。首先，需要明確沼液對“土壤——植物”生態系統的影響。不同區域環境、不同作物、不同類型土壤對沼液的重金屬和鹽分的代謝不同，因此，需要通過長期的定位監測確定安全限值，為合理、安全施用沼液提供技術指導，建立起科學的沼液施肥體系。同時應在源頭上降低重金屬、抗生素等風險因素進入生態循環中，進而降低沼液在農業生產中的生態安全風險。

二是不同原料沼液的標準化生產與施用問題。不同原料及其組合所產生的沼液特性不同，因此沼液的施用方式和量也不相同。陳志龍等也指出，存在著沼液質量標準和無害化標準缺失、沼液還田量缺乏計算依據、沼液還田的政策配套不夠完善等問題，需在沼液無害化還田規范制定、沼液精準還田以及沼液還田的長效運行機制等方面加大力氣。從經濟成本上說，濃縮沼液存在著成本高的問題，而未濃縮的沼液還不適宜于遠距離運輸，因此，沼液肥料化利用是存在合理的推廣半徑。對于相對固定的沼氣工程，其服務半徑也相對固定，而區域的種植作物類型及種植制度也基本穩定。因此，在相對固定的區域內，為了更好地建立沼液標準化肥料利用模式，應對沼氣工程原料、發酵工藝、沼液處理與存放、沼液施用等多個方面實施標準化的管理，以有利于建立穩定的種養結合模式，推進區域沼液資源化利用效率。

基于以上問題，首先需要建立和完善適應現階段農業生產的沼液利用配套設施，例如為了配合現階段的灌溉方式，可以將沼液輸送到田間，形式水沼肥一體化灌溉等。其次，制定區域沼肥施用指南，建議制定區域沼液安全評價技術導則與施用技術指南，出臺相關激勵補償政策措施等。同時加強政策監管。

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題。養殖企業較化工或煤焦化產業效益的低，受成本限制，難以直接使用現有的工業化的水處理工程或設備進行處理后達標排放。為了解決沼液對沼氣工程企業的負擔，還應進行深入的技術研究，制定積極的政策，并加強管理，構建高值化綜合利用體系，以建立良好的產業循環模式，促進產業可持續健康發展。