穩定化處理條件對沼液污染指標的影響及綜合評價

摘要 為探究全年不同時期、穩定化處理天數對于沼液污染性的影響，以江蘇省連云港市東旺奶牛養殖場沼液為供試材料，分別在2023年1月13日、5月12日、7月11日取厭氧發酵輸出沼液，模擬當地氧化塘環境進行穩定化處理0、60、120、180、240 d后，檢測沼液電導率、化學需氧量（COD）及Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量，研究不同穩定化處理條件對沼液污染性的影響。結果表明，隨著穩定化處理天數的延長，各項污染指標均有不同程度降低；穩定化初始日期影響沼液污染指標初始含量，7月11日的沼液初始污染性相對較低。利用主成分分析法對各處理進行綜合排名，由大到小為T3（1月13日，120 d）gt;T6（5月12日，0 d）gt;T1（1月13日，0 d）gt;T7（5月12日，60 d）gt;T11（7月11日，0 d）gt;T2（1月13日，60 d）gt;T13（7月11日，120 d）gt;T8（5月12日，120 d）gt;T4（1月13日，180 d）gt;T9（5月12日，180 d）gt;T12（7月11日，60 d）gt;T14（7月11日，180 d）gt;T10（5月12日，240 d）gt;T15（7月11日，240 d）gt;T5（1月13日，240 d）。其中，T5、T15、T10處理整體效果較好，不僅降低了沼液還原性物質含量和重金屬元素含量，還在一定程度上降低了鹽分含量，說明處理天數對沼液穩定化處理過程影響最為重要，無論何時開展沼液穩定化處理，240 d的穩定化處理天數均可以較好地降低沼液的污染性，可以在生產中推廣應用。

關鍵詞 沼液；重金屬；鹽分；化學需氧量（COD）；穩定化處理

中圖分類號 S 141.6" 文獻標識碼 A" 文章編號 0517-6611（2025）03-0182-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.038

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Different Stabilizing Treatments on Pollution Index of Biogas Slurry and Its Comprehensive Evaluation

JI Jing chun， WANG Kang kang， ZHOU Jia shun et al

（Jiangsu Provincial Agricultural Reclamation and Development Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 210031）

Abstract In order to investigate the effect of different aerobic stabilization treatments on the contamination of biogas slurry， the biogas slurry from Dongwang Dairy Farm in Lianyungang City， Jiangsu Province， was taken as test material， 15 treatments with different inception dates and days of treatment were set in this experiment. Three batches of biogas slurry were sampled from anaerobic fermentation engineering on January 13， May 12 and July 11， 2023， respectively， and the electrical conductivity （Ec）， chemical oxygen demand （COD） and the contents of Hg， As， Pb， Cd， Cr， Cu and Zn of the biogas slurry were measured after the varied aerobic stabilization days of 0， 60， 120， 180 and 240 d. The results showed that with the extension of aerobic stabilization days， all pollution indexes decreased to different degrees. The batches of sampling affected the initial pollution index of biogas slurry， and the initial pollution index of biogas slurry sampled on July 11 was relatively low. Comprehensively rank of the treatment effects obtained by principal component analysis was as T3 （January 13， 120 d）gt;T6（May 12， 0 d）gt;T1 （January 13， 0 d） gt;T7 （May 12， 60 d） gt;T11 （July 11， 0 d） gt;T2 （January 13， 60 d）gt;T13 （July 11， 120 d）gt;T8 （May 12， 120 d） gt;T4 （January 13， 180 d） gt;T9 （May 12， 180 d） gt;T12 （July 11， 60 d） gt;T14 （July 11， 180 d） gt;T10 （May 12， 240 d） gt;T15 （July 11， 240 d） gt;T5 （January 13， 240 d）. Among all treatments， T5， T15 and T10 performed better， which not only reduces the COD and heavy metal content of biogas slurry， but also reduces the Ec to a certain extent， indicating that the days of aerobic stabilization have the most important impact on the biogas slurry stabilization process， regardless of when the biogas slurry stabilization treatment is carried out. The aerobic stabilization days of 240 d can reduce the pollution degree of biogas slurry， so it was worth promoting and applying in production practice.

Key words Biogas slurry;Heavy metals;Salt;COD;Stabilization treatment

基金項目 國家重點研發計劃項目（2023YFD2300505）。

作者簡介 紀景純（1993—），女，江蘇南京人，農藝師，博士，從事智慧農業研究。

*通信作者，高級農藝師，碩士，從事農業生產相關科研和管理工作。

收稿日期 2024-04-11；修回日期 2024-10-28

隨著中國養殖業的發展，越來越多萬頭以上的大型畜禽養殖場建立，然而也帶來大量的畜禽養殖糞污亟待處理^［1］。沼氣工程以養殖業糞污、種植業秸稈等有機廢棄物為原料，厭氧發酵產生沼氣、沼液和沼渣，沼氣作為能源，沼渣經烘干加工后生產有機肥，沼液經穩定化處理后作為液態有機肥還田，是一種環境友好型技術^［2-3］。沼液含有豐富的C、N、P、K等元素，用作有機肥還田能夠改善作物冠層結構、增加產量，改善土壤結構^［4-5］。但是，由于畜禽養殖過程中往往在飼料中添加重金屬以促進動物生長并提高抗菌性，且重金屬吸收率低，不會通過厭氧消化過程被降解，因此剛剛通過厭氧發酵的沼液中通常含有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等重金屬，且鹽分、還原性物質有機污染物含量較高，不當施用會降低土壤質量，影響作物生長^［6-7］。

沼液穩定化處理采用的好氧發酵過程可以降低沼液毒性并提高養分的生物有效性^［8］。張學政等^［9］研究表明，好氧發酵過程可以降低Cu和Zn的生物可利用性。王振等^［10］研究表明，好氧發酵過程使有機物質進一步分解，產生的腐殖質可以絡合、吸附重金屬元素，是降低重金屬生物可利用性的關鍵。

前人對于好氧發酵穩定化處理的研究主要集中于發酵過程的影響因素，包括原料C/N比、發酵過程環境溫度、供氧量等^［11-13］。在實際生產過程中，沼液穩定化處理的原料C/N比受到飼養條件和沼氣工程的制約，穩定化處理的溫度、供氧量受到自然環境影響^［14］。對于已建成的沼氣工程，明確現有沼液穩定化處理過程對沼液污染性影響，從而指導優化穩定化處理過程十分必要^［15］。筆者以江蘇省連云港市東旺奶牛養殖場產生的沼液為供試材料，研究不同時期、不同穩定化處理時間對沼液污染指標的影響，以期為評價全年沼液穩定化處理效果、指導沼液清潔還田提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2023年1月—2024年3月在江蘇省連云港市東辛農場進行，該地區屬暖溫帶南緣濕潤性季風氣候，年平均溫度14.6 ℃。供試沼液來源于東旺養殖場一場、二場、三場沼液設施（DW），地理位置如圖1所示。沼液工程均采用先固液分離后經黑膜氧化塘厭氧發酵的方式。

1.2 試驗設計與管理

環境溫度為-15～10 ℃（2023年1月13日，5 d均溫4.0 ℃）、10～25 ℃（2023年5月12日，5 d均溫16.8 ℃）、25～40 ℃（2023年7月11日，5 d均溫28.9 ℃）時，分別取DW厭氧發酵新鮮沼液（0 d沼液），投貯至沼液貯存罐，模擬當地氧化塘環境進行穩定化處理，每個模擬處理設置3個重復。分別穩定化處理60、120、180、240 d后從每個沼液貯存罐中取樣2份，檢測沼液成分，穩定化處理情況見表1。

1.3 測定指標與方法

沼液電導率采用電極法測定，化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）采用重鉻酸鉀法測定，Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量采用微波消解-石墨爐法檢測，測定方法參考《沼液中砷、鎘、鉛、鉻和銅、鋅等元素含量的測定》（農質標函〔2021〕76號）。

1.4 數據處理與分析

試驗數據采用 Excel 2019 和 SPSS 20.0 軟件進行統計、分析，采用OriginPro2024 進行繪圖。采用Duncan′s新復極差法分析差異顯著性，雙變量相關分析法分析相關性，主成分分析評價沼液污染綜合情況。

2 結果與分析

2.1 穩定化處理條件對沼液電導率及COD值的影響

由圖2可知，不同穩定化處理條件對沼液電導率及COD值均有較大影響。2023年7月11日取樣的沼液電導率、COD初始值（0 d）較低，分別較其他時間段內（2023年5月12日、2023年1月13日）的沼液初始值低 15.44%～20.83%、35.79%～42.01%。COD值隨著穩定化處理天數的延長而下降，其中0～60 d，COD值快速下降，降幅達 65.66%～ 78.40%；60～240 d下降速度放緩，在180 d后，COD去除率在75%以上。電導率隨穩定化處理天數延長而波動下降，降幅較小。

2.2 穩定化處理條件對沼液重金屬元素含量的影響

由圖3可知，不同穩定化處理條件中穩定化處理天數對沼液重金屬含量影響較大。隨著穩定化處理天數的延長，沼液中重金屬含量總體呈下降趨勢，穩定化處理240 d后降幅較大。其中，5月12日開始穩定化處理的沼液240 d后Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在24.12%～94.49%，平均降幅為72.36%；7月11日開始穩定化處理的沼液240 d后As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在20.75%～92.58%，平均降幅為65.42%，Hg含量上升0.37 μg/kg；1月13日開始穩定化處理的沼液240 d后As、Pb、Cd含量有所下降，降幅在50.32%～92.98%，平均降幅為83.77%，Cr、Cu、Zn含量分別上升了4.54 μg/kg、2.17 mg/kg、0.43 mg/kg。

穩定化處理起始日期對初始沼液重金屬含量影響較大，1月13日開始穩定化處理的沼液初始Hg、As含量分別較其他時間段（2023年5月12日、2023年7月11日）的沼液初始值高25.27%～1 700.00%、38.68%～99.83%； Cr、Cu、Zn含量分別較其他時間段（2023年7月11日、2023年5月12日）的沼液初始值低90.00%～95.82%、85.12%～87.69%、96.92%～97.29%。

2.3 沼液污染性指標間的相關性分析

由圖4可知，沼液各污染指標間均呈現一定的相關性。電導率與COD值、Hg、As、Cr、Cu、Zn含量呈極顯著正相關，其中電導率表征沼液鹽分含量，COD表征還原性物質含量，說明沼液總鹽分含量越高，還原性物質及重金屬含量越高。COD值與Zn、Cr、Hg含量呈極顯著正相關，說明還原性物質含量越高，Zn、Cr、Hg含量越高。Hg含量與Zn、As、Pb含量呈極顯著正相關，與Cr含量呈顯著正相關，說明沼液中Hg含量越高，Zn、As、Pb、Cr含量越高。Pb含量與Cr、Zn含量呈極顯著正相關，Pb含量越高，Cr、Zn含量越高。Cr含量與Cu、Zn含量呈極顯著正相關，Cr含量越高，Cu、Zn含量越高。

2.4 不同處理沼液污染性指標的主成分分析和綜合評價

各處理沼液穩定化處理起始日期、穩定化處理天數不同，對沼液污染指標初始值、穩定化處理時間段內的積溫均有所影響，各污染指標變化情況也不一致，為了進一步研究不同處理沼液的污染性程度、綜合評價各穩定化處理效果，采用主成分分析法進行綜合評價，結果見表2。

由表2可見，根據特征值gt;1、方差累積貢獻率gt;65%的原則共提取出3個主成分，這3個主成分可以反映沼液不同穩定化處理后污染情況的信息量。其中，第1主成分占信息總量的39.92%，貢獻率最大，其特征向量中載荷較高的為Zn、Cr、電導率、COD，第2主成分中載荷較高的為As、Cd、Hg，第3主成分中載荷較高的為Cd、Cu，說明第1主成分除反映沼液污染指標中重金屬含量外，同時表征了鹽分含量及還原性物質含量，第2、3主成分則側重反映不同重金屬含量。

為了進一步說明前3個主成分對各因子影響大小，利用各指標的載荷量和特征值，計算主成分系數（表3），構建主成分與各指標之間的線性關系式：

Y1=0.384 6 X1+0.327 9 X2+0.302 1 X3+0.223 6 X4+0.278 6 X5-0.109 7 X6+0.457 3 X7+0.292 4 X8+0.468 0 X9

Y2=0.141 6 X1+0.104 6 X2+0.466 1 X3+0.503 1 X4+0.117 5 X5-0.472 4 X6-0.273 6 X7-0.394 6 X8-0.176 3 X9

Y3=0.218 8 X1-0.194 9 X2-0.320 8 X3+0.277 2 X4-0.374 1 X5+0.562 7 X6+0.050 1 X7+0.524 6 X8+0.009 3 X9

利用各污染指標主成分系數計算不同處理污染情況的綜合得分，結合方差貢獻率構建污染情況綜合評價模型P=0.399 2 Y1+0.146 3 Y2+0.114 3 Y3。利用該模型對15個處理進行綜合評價，結果見表4。不同處理下沼液污染性指標的整體表現為T3gt;T6gt;T1gt;T7gt;T11gt;T2gt;T13gt;T8gt;T4gt;T9gt;T12gt;T14gt;T10gt;T15gt;T5。其中T3處理綜合污染性最高，鹽分、還原性物質及重金屬含量均較高。總體而言，穩定化處理天數越長，污染指標綜合得分越低，處理后沼液污染性越低；2023年7月11日開始穩定化處理的沼液，污染指標綜合得分較低，沼液污染性較低。

3 討論

該試驗中，沼液穩定化處理起始日期和穩定化處理時間對沼液穩定化處理后各類污染指標具有不同的作用。穩定化處理起始日期的環境溫度（-15～10、10～25、25～40 ℃）對奶牛的飼養條件、生長狀態、奶牛糞污的厭氧發酵進程有著重要影響。穩定化處理天數影響沼液重金屬等元素的沉降及好氧發酵程度。而穩定化處理起始日期決定著后續穩定化處理階段的積溫、溫度變化趨勢、濕度等環境條件，對好氧發酵過程影響深刻。目前關于沼液處理的研究表明，穩定化處理時間通常需要超過90 d，部分地區甚至長達1年，這與該研究結果基本一致^［16-17］。

沼液處理后污染情況的綜合評價指標體系應由多個指標因子構成。該試驗基于沼液電導率、COD、重金屬含量指標，采用主成分分析法綜合評價各沼液穩定化處理起始日期和穩定化處理天數對沼液綜合污染性的影響程度，篩選出綜合污染指標最低的處理，對指導沼液清潔還田具有重要意義。該研究結果表明，2023年7月11日（溫度25～40 ℃）開始穩定化處理的沼液初始污染程度較輕；隨著沼液穩定化處理天數的延長，沼液總體污染程度降低，這與徐飛^［18］的研究結果相近。不同穩定化起始日期的沼液在經過相同天數的穩定化處理后的污染程度相近，總體看來，穩定化處理240 d，各時期開始穩定化處理的沼液污染程度均較低，可以滿足清潔還田的需求。

4 結論

沼液穩定化處理可以降低沼液還原性物質含量，沉降重金屬元素，從而降低沼液的污染性，穩定化起始日期所影響的沼液初始污染情況和后續穩定化處理環境條件以及穩定化處理時間對沼液穩定化處理結果有深刻影響。利用主成分分析法對不同穩定化處理起始日期和穩定化處理天數的沼液處理效果進行綜合排名，由大到小為T3（1月13日，120 d）gt;T6（5月12日，0 d）gt;T1（1月13日，0 d）gt;T7（5月12日，60 d）gt;T11（7月11日，0 d）gt;T2（1月13日，60 d）gt;T13（7月11日，120 d）gt;T8（5月12日，120 d）gt;T4（1月13日，180 d）gt;T9（5月12日，180 d）gt;T12（7月11日，60 d）gt;T14（7月11日，180 d）gt;T10（5月12日，240 d）gt;T15（7月11日，240 d）gt;T5（1月13日，240 d）。其中，T5、T15、T10處理整體效果較好，不僅降低了沼液還原性物質含量和重金屬元素含量，還在一定程度上降低了鹽分含量。說明處理天數對沼液穩定化處理過程影響最為重要，無論何時開展沼液穩定化處理，240 d的穩定化處理天數均可以較好地降低沼液的污染性，可以在生產中推廣應用。

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