片區沼氣工程沼液沼渣還田對水環境的影響

朱志玲 許英杰 （上海農林職業技術學院農業生物與生態技術系,上海市松江區 201699）

2010年，我國的畜禽養殖業已經成為繼鋼鐵、煤炭行業之后污染排放最大的行業[1]，也成為了農業源污染減排工作的重點。在開展畜禽養殖業污染減排工作中，規模化畜禽養殖場的污染減排工作是重中之重。經研究，畜禽養殖場污染減排模式包括以生態還田為主線的五種鼓勵模式和五種普通模式[2]；上海市在“十二五”期間大力推進了畜禽養殖業污染減排，技術集成了生態還田、沼氣工程、污水納管、達標排放四種模式，結合上海地區經濟狀況、環境條件、種養結合水平等因素，通過投入、產出對比分析，確定前三種為鼓勵模式，而達標排放模式的應用逐漸弱化[3]。

在上海地區規模化畜禽養殖場養殖量約占總養殖量的52%[3]，農戶散養畜禽養殖量約占總養殖量的48%。由于散養畜禽糞便處理不易管理，更易隨意排放，造成周邊水體、土壤和大氣的污染，破壞村容村貌[4]。因此，上海市在推進規模化畜禽養殖場污染減排的同時，也關注到農戶散養畜禽糞便的處理問題。在規模化養殖場畜禽糞便處理技術日趨成熟的情況下，上海市將資源化效果顯著的沼氣工程模式引入到農戶散養畜禽糞便的處理上，形成了一種新的應用模式——小型片區沼氣工程[5]。該模式將農戶散養畜禽糞便收集后集中進行沼氣工程處理，沼氣供給村民作為燃氣使用，沼液沼渣做肥料還田。為了解該模式的污染減排效果及綜合效益，對該工程中的沼液沼渣還田對地表徑流的影響進行了監測，同時對片區沼氣工程進行了投入、產出效益分析，以期為散養畜禽糞便處理技術的推廣應用以及沼液還田制度的完善和減排政策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗場地

試驗地片區小型沼氣工程（亦稱“沼氣集中供氣工程”）位于上海市崇明區港沿鎮魯嶼村沼氣工程處理站（編號：崇沼10-05）。該工程將全村5戶養豬戶（存欄母豬量195頭，生豬年出欄量3 100頭，生豬年存欄量1 550頭）的豬糞尿全部進行發酵處理，沼氣供全村229戶居民常年使用，沼液沼渣作為有機肥供周邊98.33 hm2農田使用。

該沼氣工程系統總池容956.1 m3，其中發酵池池容為527.04 m3，理論日產氣量為270 m3。該沼氣站沼氣主要用于居民用能，考慮到居民用能的季節性變化，沼氣站在運行工程中通過工藝措施調節和控制產氣量，以免產生過多沼氣，排空污染大氣。夏季，沼氣發酵池內溫度控制在26～28℃，進行常溫發酵，進料池每日攪拌2次，每次15～30 min，日產氣量為120～130 m3；冬季，沼氣發酵池由外部加溫，池內溫度控制在33 ℃，進行中溫發酵，日產氣量為170～180 m3。自2012年4月運行至2015年4月，合計產氣量為81 858 m3，合計居民用氣量達69 867 m3。

崇明區港沿鎮魯嶼村沼氣工程沼液沼渣還田的匹配農田為崇明區合興村等周邊農田，種植模式均為水稻、冬小麥輪作。根據所匹配農田及其周邊農田的布局，結合日常監測和管理的可操作性，在合興村十二隊匹配農田中選取3塊農田作為實施沼液沼渣還田的處理農田，在鄰近的周邊農田選取3塊農田作為實施沼液沼渣還田的對照農田。在每塊處理農田和對照農田所處的排水溝渠兩端，設置擋水土壩收集徑流水，作為地表徑流水監測點。在每塊處理農田和對照農田內，分別設立地下水監測孔，監測孔的深度根據當地地下水水位確定為1 m。監測孔為直徑15～25 cm、長度1.2 m的PVC管，底端敞口包裹紗布，頂端加蓋防止雨水進入，安裝時底端需先鋪設石英砂，頂端則需露出地面超過20 cm。

1.2 監測頻率

2014年6～9月對片區沼氣工程沼液沼渣還田的水環境展開監測。在每次農田灌水時，分別采集1塊處理農田和對照農田的灌溉水樣品。根據降雨和地表徑流產生情況，每次降雨產流24 h內在每塊處理農田和對照農田的排水溝渠內分別采集1個徑流水樣品。在每塊處理農田和對照農田的地下水監測孔，每次暴雨24 h后分別采集1個地下水樣品。采樣時，需先將監測孔內的積水抽干，等地下水重新滲入后再進行采集。

1.3 監測指標

水質監測指標及各類監測指標分析方法見表1。

2 結果與分析

2.1 肥料施用情況

該片區沼氣工程的沼液沼渣未做固液分離，還田物為沼液沼渣混合物。沼液沼渣混合物的理化基本性質為有機質含量2.28 g/L、總氮含量135 mg/L、總磷含量80 mg/L、總鉀含量1 050 mg/L。處理農田面積為14 674 m2，水稻耕種方式為機插秧，對照農田面積為10 672 m2，水稻耕種方式為直播。試驗期間處理農田和對照農田施肥情況見表2。

表1 水質監測指標及分析方法

表2 處理農田和對照農田施肥情況 （單位：kg）

2.2 片區沼氣工程沼液沼渣還田對地表徑流的影響

對處理農田和對照農田地表徑流分別進行4次采樣監測，結果見圖1。用t檢驗法分別對處理農田和對照農田的4次測定結果進行顯著性分析，結果見表3。

圖1 崇明片區沼氣工程沼液沼渣還田地表徑流檢測結果

由表3可知，第一次檢測結果（2014年6月7日），處理農田和對照農田間的地表徑流中CODcr、總氮、總磷等5項指標差異均不顯著。其中，CODcr值較高，處理農田和對照農田的CODcr平均值分別為371.33 mg/L和359.33 mg/L。這可能是由于水稻插秧前深翻土地將前茬作物秸稈翻入土壤導致地表徑流中有機物含量較高。

第二次檢測結果（2014年7月3日），處理農田和對照農田間的地表徑流中CODcr、總氮和氨氮差異達極顯著水平，總磷差異達顯著水平，硝酸鹽氮差異不顯著。其中處理農田的CODcr明顯高于對照農田，平均值分別為133.33 mg/L和36.83 mg/L。分析原因可能是由于處理農田施入沼液沼渣混合物，導致了地表徑流中有機物含量較高；同時，對照農田施入的化肥中，純氮和P2O5含量高于處理農田。因此，對照農田的地表徑流中總磷、總氮和氨氮的數值明顯高于處理農田。

第三次檢測結果（2014年7月13日），處理農田和對照農田間的地表徑流中CODcr、總磷、總氮差異達極顯著水平，硝酸鹽氮差異達顯著水平，氨氮差異不顯著。原因與第二次檢測結果相同。

第四次檢測結果（2014年8月18日），處理農田和對照農田間的地表徑流中CODcr、總磷差異達極顯著水平，總氮、氨氮、硝酸鹽氮差異不顯著。其中處理農田和對照農田的CODcr平均值分別為138 mg/L和42.93 mg/L，處理農田和對照農田的總磷平均值分別為0.35 mg/L和0.59 mg/L。原因與第2次檢測結果相同。在對照農田純氮施入量遠遠高于處理農田的情況下，總氮、氨氮和硝酸鹽氮均無顯著差異，分析原因可能是由于連續降雨造成了氮的流失。因此，處理農田和對照農田的地表徑流中氮含量已無明顯差異。

2.3 片區沼氣工程沼液沼渣還田對地下徑流的影響

對處理農田和對照農田的地下水分別進行4次采樣監測，結果見圖2。根據《地下水環境質量標準》中的III類標準，對處理農田和對照農田的地下徑流檢測結果進行達標分析，同時采用t檢驗法對處理農田和對照農田的檢測結果進行顯著性分析，結果見表4。

由表4可知，處理農田和對照農田的氨氮檢測結果除第三次為達標外，其余均不達標。說明土壤和地下水中氨氮本底值較高。處理農田和對照農田的硝酸鹽氮四次檢測結果均達標，且硝酸鹽氮的檢測結果遠遠低于標準值。

經顯著性分析，第三次檢測結果中處理農田和對照農田間氨氮差異達顯著水平，第四次檢測結果中處理農田和對照農田的總磷、硝酸鹽氮差異達顯著水平，氨氮差異達極顯著水平，其余各次各指標測定結果差異均不顯著。說明沼液沼渣還田未對地下徑流中CODcr、總氮、總磷、硝酸鹽氮造成顯著影響，但沼液沼渣還田的處理農田與施用化肥的對照農田相比，地下徑流中氨氮數值明顯較低。

表3 崇明片區沼氣工程沼液沼渣還田地表徑流檢測結果顯著性分析 （單位：mg/L）

圖2 崇明片區沼氣工程沼液沼渣還田地下水檢測結果

3 討 論

3.1 片區沼氣工程沼液沼渣還田的水環境效益

本試驗中對照農田的施肥量遠高于處理農田，尤其是氮肥，每667 m2純氮總施用量為35.42 kg，為處理農田的2.68倍。地表徑流監測結果表明，與施用化肥的對照農田相比，處理農田采用沼液沼渣還田可使畜禽糞污水減排CODcr，地表徑流的總磷、總氮也均顯著低于對照農田，其原因可能是由于對照農田施肥量明顯高于處理農田，這說明沼液沼渣還田與施用化肥相比，可以有效減少地表徑流中氮磷的流失。地下徑流監測結果表明，沼液沼渣還田未對地下徑流中CODcr、總氮、總磷、硝酸鹽氮造成顯著影響，但采用沼液沼渣還田的處理農田較施用化肥的對照農田的地下徑流中氨氮含量明顯較低。

3.2 片區沼氣工程沼液沼渣還田的經濟效益

以崇明縣合興村沼氣集中供氣工程為例，總投資50萬元，發酵池有效容積為69.3 m3，發酵池容積產氣率為0.6～1 m3/（m3·d），日產氣55.2 m3左右，沼渣沼液無償供應周邊農田使用，項目使用壽命為10年，固定資產殘值按10%計算。年運行成本為25萬元。沼氣按1.5元/m3出售給農戶，沼氣出售所得收入剛好可維持沼氣工程的后續運行管理，使工程長效運行成為可能[5]。

3.3 片區沼氣工程沼液沼渣還田的社會效益

片區沼氣工程的實施使養殖戶周邊環境得到了顯著改善，養殖場糞污得到了全部處理和資源化利用，周邊農戶的生活環境得到了極大改觀，緩解了農村鄰里矛盾。同時沼氣價格僅相當于液化氣價格的40%，周邊居民用上了低廉高效的清潔能源。種植戶用沼液沼渣作有機肥還田，不僅提高了作物產量，還減少了化肥施用量，有力推動了崇明生態島建設，具有較好的社會效益。

3.4 建議沼液沼渣分離，制取液體有機肥和固體有機肥

目前，魯嶼村的片區沼氣工程由于工程體量小、運行成本高等原因未進行沼液沼渣分離，以混合物形式還田，迫使還田面積增加。同時，由于季節性原因，在有些季節沼液沼渣無法還田處理，儲存成了難題。如將沼液沼渣分離，僅沼液還田，可有效解決還田面積問題；同時，研發沼液制作液體有機肥技術，使其商品化，不僅能解決沼液儲存問題，且將沼液出售還能增加經濟收入。目前，關于沼液沼渣有機肥研制的試驗開展已較多[6]，且形成了一定的行業規模，但行業標準有待完善。

4 結 論

試驗結果表明，與施用化肥的農田相比，片區沼氣工程沼液沼渣還田后，有效減少了畜禽糞污的有機污染排放和地表徑流中氮磷的流失，且對地下徑流中的有機物、總氮、總磷含量沒有顯著影響，但地下徑流中的氨氮含量有一定程度的降低。同時，片區沼氣工程在水環境效益、經濟效益和社會效益方面均取得了較好的成效，且因工程有一定的持續經濟收益，使其長期運行成為可能，該工程運行模式適用于散養戶畜禽糞便集中處理。

表4 崇明片區沼氣工程沼液沼渣還田地下水檢測結果顯著性分析 （單位：mg/L）

[1]環保部,國家統計局,農業部.第一次全國污染源普查公報[Z].2010.

[2]環保部.關于印發《“十二五”主要污染物總量減排核算細則》的通知[環發（2011）148][Z].2010.

[3]王振旗,錢曉雍,沈根祥.上海市規模化畜禽場污染減排模式分析與應用[J].農業環境科學學報.2014,33（10）：2030-2035.

[4]吳二社,張松林,劉煥萍,等.農村畜禽養殖與土壤重金屬污染[J].中國農學通報 2011,27(3)：285-288.

[5]熊飛龍,朱洪光,石惠嫻,等.關于農村沼氣集中供氣工程沼氣價格分析[J].中國沼氣.2011,29(4)：16-19.

[6]楊北橋.寧夏沼渣沼液有機肥開發應用前景[J].寧夏農林科技.2012,53(6)：66-68.