沼液的概念、成分和再利用途徑及風(fēng)險(xiǎn)

韓敏等

摘 要：沼液的無(wú)害化、資源化利用對(duì)養(yǎng)殖業(yè)、沼氣能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。筆者認(rèn)識(shí)到沼液處理的重要性和必要性，提出沼液的定義，根據(jù)沼液的成分，綜述了沼液再利用存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)以及沼液再利用的途徑，并提出了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：沼液；定義；成分；廢棄物；環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；循環(huán)利用途徑

中圖分類號(hào)：X703，X713，S811.5，S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 論文編號(hào)：2014-0071

Abstract： It is important for agriculture sustainable development that harmless and resource of digested slurry from biogas production. The author gave a definition of biogas slurry， and described its composition and characteristic， and pointed out that there were some problems and risks at current in utilization of biogas slurry， and two approaches of usage was proposed， such as fertilizer and discharge out. Technology of improving treatment was a serious problem at current. Some suggestions were put forward.

Key words： Biogas Slurry； Definition； Ingredient； Residues； Risks of Environmental Pollution； Recycling Pathway

0 引言

社會(huì)的不斷發(fā)展，人們生活需求的不斷提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化發(fā)展，已成為中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，豬、羊飼養(yǎng)數(shù)量均居世界第一位，規(guī)模化養(yǎng)豬已達(dá)到養(yǎng)殖業(yè)的40%以上[1-2]。但是，隨著規(guī)模化養(yǎng)殖快速發(fā)展，養(yǎng)殖廢棄物（固體、液體和氣體）集中，且大量增加，每年生產(chǎn)的畜禽糞污已達(dá)30億t[3]，養(yǎng)殖廢棄物再利用和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題日益突出[4]。

中國(guó)多采用厭氧發(fā)酵工藝處理規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污[5]。厭氧發(fā)酵工藝在畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的生物能源開(kāi)發(fā)-沼氣方面得到比較廣泛的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)糞污資源化的同時(shí)，有效減少了養(yǎng)殖糞污的一次污染[6]。然而，養(yǎng)殖糞污厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的同時(shí)，還產(chǎn)生了大量的、集中的、二次污染物——沼渣和沼液[7]。

沼渣是固體或者近似固體，相對(duì)容易運(yùn)輸，可以加工制作有機(jī)肥料，回歸到土壤，得到利用；沼液也可以作為肥料直接施入土壤。但是，與沼渣不同，沼液是含有復(fù)雜有機(jī)物的液體，貯藏和運(yùn)輸不像固體那樣容易，沼液的處理和再利用技術(shù)成為急需研究解決的課題。

目前文獻(xiàn)對(duì)沼液的概念還沒(méi)有明確的定義，沼液的化學(xué)成分有不同的報(bào)道，作為農(nóng)業(yè)廢棄物，沼液對(duì)環(huán)境的影響和風(fēng)險(xiǎn)明顯增大，諸如作為農(nóng)林種植肥料直接利用[8]、用于植物無(wú)土栽培[9]。但是，沼液經(jīng)過(guò)工藝處理[10]、不處理排放方面的研究，還十分欠缺。因此，筆者從沼液的概念、成分、再利用的途徑和風(fēng)險(xiǎn)方面進(jìn)行綜述，提出相關(guān)建議，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物無(wú)害化、資源化循環(huán)利用、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)和支持。

1 沼液的概念、成分

1.1 沼液的概念

經(jīng)查閱資料：《中國(guó)大百科全書(shū)——總索引》、《中國(guó)大百科全書(shū)——農(nóng)業(yè)》以及《中國(guó)大百科全書(shū)——環(huán)境科學(xué)》上都未對(duì)沼液概念的解釋，全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)網(wǎng)（http：//www.cnctst.gov.cn）也未見(jiàn)有收集沼液一詞。中文期刊文獻(xiàn)有學(xué)者們給沼液下了不同的定義：楊懷[11]將沼液定義為：沼液是作物秸稈和人畜糞便等有機(jī)物經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后形成的殘余物，其生產(chǎn)可分3個(gè)階段：液化階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)甲烷階段，最終將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等氣體物質(zhì)、固體沼渣和剩余液態(tài)部分沼液。袁怡[12]定義沼液為發(fā)酵沼氣后的水系物質(zhì)。王月霞[13]將沼液定義為有機(jī)物質(zhì)（如人畜家禽糞便、秸稈、雜草等）在一定的溫度、水分以及厭氧條件下，通過(guò)微生物的分解代謝，形成沼氣以及有機(jī)殘?jiān)鸵后w，這部分液體即為沼液。

外文文獻(xiàn)中，與沼液相關(guān)的詞如：biogas slurry、fermentation slurry、digested slurry、anaerobic digested slurry、digested bio-slurry、digestate等，名稱和所指不一，而大多數(shù)外文文獻(xiàn)稱其與厭氧發(fā)酵相關(guān)（anaerobic digested），即厭氧發(fā)酵剩余物。可生物降解的廢棄物經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵以后的產(chǎn)物有2個(gè)：沼氣及其殘留物（digestate）；有的稱沼氣的殘留物（digestate）是固體物，有的則稱固體和液體。事實(shí)上，干法厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的殘留物以固體為主，一般的厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的殘留物以液體為主，所謂的slurry。總之，是經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物。

結(jié)合上述學(xué)者沼液的討論，將沼液定義如下，供商榷：沼液是厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物之一，是指可生物降解的有機(jī)廢棄物（如人畜糞便或各種農(nóng)林廢棄物），在一定的含水量、溫度、甲烷細(xì)菌的條件及作用下，經(jīng)密閉容器進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等氣體后的殘留物，其中固體物質(zhì)稱沼渣，液體物質(zhì)稱沼液。

本概念強(qiáng)調(diào)原料是“可生物降解的有機(jī)物廢棄物”包括“人畜糞便或各種農(nóng)林廢棄有機(jī)物”，“溫度、含水量和甲烷細(xì)菌”、“密閉容器”是該生物化學(xué)反應(yīng)的條件，“厭氧發(fā)酵”是該過(guò)程中生物化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，“甲烷”為目標(biāo)生成物，至于“二氧化碳等”、“殘留物”是目標(biāo)生成物的副產(chǎn)品，該殘留液即為沼液，而殘留固體物，即沼渣。

1.2 沼液的成分

從上述沼液的概念出發(fā)，可知：沼液是一種很復(fù)雜的混合物，上部可能存在懸浮物，液體中含有一定量的已經(jīng)產(chǎn)生但溶于液體或未釋放的氣體、礦物養(yǎng)分等無(wú)機(jī)物、各種分子大小不一的有機(jī)物，以及泥土等沉淀物。

對(duì)于沼液的成分測(cè)定分析，可以從2個(gè)不同角度進(jìn)行：一是按照液體肥料為目的進(jìn)行測(cè)定分析；二是按照畜禽養(yǎng)殖污染物排放為目的的測(cè)定分析。

從液體肥料和營(yíng)養(yǎng)角度看，大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道比較一致：沼液中含有一定量的植物生長(zhǎng)和發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，如氮、磷、鉀大量營(yíng)養(yǎng)元素，鈣中量元素和銅、鐵、鋅、錳等微量元素。此外，沼液含有比較豐富的氨基酸、有機(jī)酸、水解酶、維生素、激素，以及對(duì)病蟲(chóng)害有抑制作用的物質(zhì)[14-15]。另外有報(bào)道：沼液中還含有一些對(duì)人體有害的重金屬，如汞、鎘、鉻、砷、鉛等[16-17]。但是，由于取樣的方法、時(shí)間和地點(diǎn)的不同，所測(cè)定的營(yíng)養(yǎng)成分的量值存在比較大的差異：總氮、總磷、總鉀一般分別在200～900 mg/L、30～100 mg/L、100～500 mg/L的范圍；鋅、銅的濃度分別在<10 mg/L和<5 mg/L的范圍。鐘攀等[18]研究發(fā)現(xiàn)，除Pb外，以豬糞為主要原料，經(jīng)厭氧發(fā)酵后所得的沼液中毒性重金屬均存在不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象，以As最嚴(yán)重，Cr、Hg、Cd次之。武麗娟等[19]對(duì)沼液中多種重金屬含量進(jìn)行了測(cè)定，其中含量較高的是銅和鋅，濃度分別為2.18 mg/L和 0.48 mg/L。總之，沼液中含有植物營(yíng)養(yǎng)成分和有害重金屬，但是植物營(yíng)養(yǎng)成分含量不高，而重金屬含量因發(fā)酵原料不同而出現(xiàn)較大差異，但是不可避免的有超標(biāo)現(xiàn)象。

處于畜禽養(yǎng)殖污染物排放的角度，測(cè)定指標(biāo)包括：生物需氧量（BOD）、化學(xué)需氧量（COD）、氨態(tài)氮（NH3-N）、全磷（TN）、懸浮物（SS）、糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲(chóng)卵數(shù)量。一般認(rèn)為，沼液屬于高濃度有機(jī)廢水，各個(gè)指標(biāo)量值測(cè)定分析結(jié)果同樣存在比較大的差異，一般的測(cè)定結(jié)果為COD高達(dá)1000～5000 mg/L、氨氮600～1200 mg/L、全氮1000～1800 mg/L、濁度150～300 NTU[20]。張曉軍等[21]研究的用UASB（“UASB”指升流式厭氧污泥床）工藝處理的養(yǎng)豬場(chǎng)沼液COD達(dá)2316 mg/L，氨態(tài)氮達(dá)915 mg/L，全磷量為135 mg/L；Ken Smith等[22]的研究也表明，厭氧發(fā)酵的沼液中含有大量的氨態(tài)氮以及磷等元素；陳亮等[23]和陳志遠(yuǎn)等[24]分別用USB（USB為厭氧反應(yīng)器）和CSTB（CSTB為傳統(tǒng)完全混合反應(yīng)器）工藝處理奶牛場(chǎng)沼液和雞糞沼液，經(jīng)處理的奶牛場(chǎng)沼液COD為2928 mg/L，氨態(tài)氮為948 mg/L，全磷量為 375 mg/L；而經(jīng)處理的雞糞沼液氨態(tài)氮高達(dá)5000 mg/L。

很明顯，以上沼氣發(fā)酵后殘留液體均無(wú)法達(dá)到國(guó)家養(yǎng)殖業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)[14]。

2 沼液再利用的風(fēng)險(xiǎn)和途徑

對(duì)于沼液的再利用，目前存在以下風(fēng)險(xiǎn)和途徑：沼液是農(nóng)業(yè)廢棄物再利用、生產(chǎn)沼氣的、成分十分復(fù)雜的液體，與過(guò)去相比，存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：過(guò)去，沼氣的規(guī)模比較小，一家一戶的，沼液排放，以戶為單位，施用到農(nóng)田里，從數(shù)量上可以得到自行消納，而近年來(lái)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化程度不斷提高和擴(kuò)大，伴隨而來(lái)大量的沼液，超過(guò)了就近消化的容量，遠(yuǎn)不能像過(guò)去一樣直接作為肥料就地消納，而且易流動(dòng)，運(yùn)輸和貯存困難，容易影響周邊環(huán)境衛(wèi)生，存在污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)去，畜禽養(yǎng)殖沿用傳統(tǒng)技術(shù)，不存在一些添加劑，諸如有害重金屬、抗生素、激素等，沼液中有害成分低，而現(xiàn)在的沼液中含有害重金屬、抗生素、激素，甚至嚴(yán)重超出國(guó)家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，存在污染和危害生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

沼液的無(wú)害化、資源化利用涉及到農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等行業(yè)，將成為今后中國(guó)養(yǎng)殖業(yè)、沼氣能源、農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理和可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題。

沼液的再利用歸納為以下2個(gè)途徑：一是作為肥料或者養(yǎng)殖的原料而利用，原因是沼液含有一定成分和量值的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可以被植物和動(dòng)物利用：有報(bào)道采用沼液浸種，能使農(nóng)作物增產(chǎn)5%以上[25-26]，有做葉面肥噴施于果樹(shù)、蔬菜，能顯著增加葉綠素含量和產(chǎn)量[27-32]，有用沼液作為無(wú)土栽培的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，可以大大節(jié)約成本[33]，也有用沼液做養(yǎng)殖，如喂豬和養(yǎng)魚(yú)，使豬每天增重0.2 kg，并能降低豬發(fā)病率[34-36]，沼液能使魚(yú)產(chǎn)量增加15%以上[37]；二是達(dá)標(biāo)安全排放，如果將沼液不經(jīng)處理而排放，將會(huì)污染環(huán)境，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)壓力和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)報(bào)道較少，在此提出沼液的達(dá)標(biāo)排放，原因是現(xiàn)實(shí)中存在不經(jīng)處理而亂排放的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。達(dá)標(biāo)排放處理的成本和代價(jià)比較高，相關(guān)技術(shù)有待研究。

3 結(jié)論與建議

（1）沼液是厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物之一，指可生物降解的有機(jī)廢棄物（如人畜糞便或各種農(nóng)林廢棄），在一定的含水量、溫度、甲烷細(xì)菌的條件及作用下，經(jīng)密閉容器進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳等氣體后的殘留物，其中固體物質(zhì)稱沼渣，液體物質(zhì)稱沼液。

（2）沼液的成分中既含有對(duì)植物有益的營(yíng)養(yǎng)元素，也存在對(duì)環(huán)境和食品健康不利的因素，均不能直接施用或者直接排放；否則，存在污染環(huán)境和危害健康的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）沼液的利用途徑有許多種，其中主要途徑有2個(gè)，即：作為肥料回歸土壤和達(dá)標(biāo)安全排放。

（4）沼液無(wú)害化和資源化利用技術(shù)，將是今后擺在農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境等行業(yè)的重要課題，亟待研究和解決。

（5）建議相關(guān)部門(mén)從源頭規(guī)范和控制飼料填加劑的使用，避免或減少食品及其下游畜禽糞便或沼液中有害重金屬、激素等污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

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