沼液的生态处理研究进展

陈 斌，张妙仙，单胜道

(浙江林学院 环境科技学院，浙江 临安 311300)

畜牧业是中国农村经济的支柱产业，但其排放的大量废弃物会造成严重环境污染，尤其是畜牧养殖废水污染物加剧了我国水资源短缺的矛盾，严重制约社会经济的可持续发展。近年来，厌氧消化技术已成为减少畜禽粪便污染的主要途径之一，虽然厌氧消化可以去除高浓度有机废水的大量可溶性有机物 (去除率达 85% ～90%)［1］，但厌氧消化液(沼液)中仍然含有相当数量的有机污染物，属高浓度有机废水，若不妥善处理仍会造成大的环境污染。

1 沼液的营养特性

沼液是经过厌氧发酵后的残留液体［2］，仍属高浓度有机废水，它主要包括发酵过程中产生的有机、无机盐类，如铵盐、钾盐、磷酸盐等可溶性物质，其总固体含量小于1%［3］。沼液含有丰富的氮(0.03% ～0.08%)、磷 (0.02% ～0.07%)、钾(0.05%～1.40%)等大量营养元素和钙、铜、铁、锌、锰等中、微量营养元素，还含有丰富的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、某些植物激素以及对病虫害有抑制作用的物质或因子［4－5］。其中COD 达 600～1 500 mg·L－1、氨氮 600～1 200 mg·L－1、全氮1 000 ～1 800 mg·L－1、浊度 150 ～300 NTU、电导率 >6 000 μS·cm－1。如果沼液未经处理直接排放到环境中，必将造成极大危害。

2 沼液的处理与利用现状

目前，沼液的处理与利用尚缺乏规范化的管理，除了因地制宜利用当地自然资源外，还需综合考虑当地经济发展水平和地域特点。如不合理地处理和利用沼液，就会造成二次污染。

2.1 处理

沼液处理技术可分为2大类:一是好氧微生物处理法，二是自然生物处理法。好氧处理法包括活性污泥法、生物滤池、生物转盘接触氧化法和间歇式活性污泥法等。好氧处理法具有处理能力强、适应性广等优点。但其工艺构筑物复杂、机械设备多、维护工作量大、投资大、能耗高、运行维护费用高，规模小的养殖场难以承受，与我国经济发展水平不相适应。

自然生物处理法主要包括:生物塘法和人工湿地处理。生物塘法具有运行费用低、操作简便、高效除污等优点，能有效去除有机污染物、病菌和病毒，同时通过种植水生植物、养鸭和鱼虾贝类等实现污水资源化［6］。生物塘技术符合我国国情，但还存在诸多问题，包括生物塘结构不合理、净化负荷低、普遍存在淤积问题等。湿地处理法具有建造及运行成本低、出水水质好、操作简便等优点，选择合适的植物品种还有美化环境的作用，是适合养殖废水特点和我国农村经济现状的废水处理新技术，尤其适用于解决我国生态型新农村建设面临的水环境问题，具有广阔的应用前景［7］。但其占地面积大，在土地稀缺的地方，难以实际应用。

2.2 利用

沼液利用也可以看作为沼液的一种处理技术。主要包括:沼液浸种、叶面喷施、沼液无土栽培、沼液养猪、沼液养鱼等。

沼液浸种。就是利用沼液所含的生物活性物质和速效养分，对种子进行预处理。它不仅可以提高种子的发芽率和成苗率，还可增强秧苗的抗旱、抗病及抗逆性能。

沼液叶面喷施。沼液所含的厌氧微生物的代谢产物，特别是铜铁锌锰等微量元素以及多种生物活性物质，能迅速被植株吸收，有效调节作物生长代谢，为作物提供营养，还可抑制某些病虫害。

蔬菜水培。湖南省农科院经过两年的试验，用沼液做营养液进行蔬菜水培，获得较好效果。由于发酵液的营养成分随发酵原料的不同而异，因此在使用时，应根据发酵液的营养成分分析结果，结合蔬菜的营养需求，补充适量的营养元素，最后用98%磷酸调节pH到微酸性才能使用。

沼液养猪。人畜粪便经沼气发酵之后，其中的粗蛋白、粗纤维和脂肪在厌氧环境中，经微生物分解发酵，粗纤维分解成葡萄糖，粗蛋白分解成氨基酸，再加上其它的微量元素以及B族维生素等都可成为猪生长必需的营养来源。

沼液养鱼。我国使用新鲜的有机肥养鱼有悠久历史，然而新鲜有机肥含有许多病原微生物，有机肥在转变过程中，会大量消耗溶氧，造成氧气不足。如果在施用之前有机肥先经过厌氧发酵，利用发酵后的沼液喂鱼，就能取得较好的社会经济效益。

3 污水的生态处理技术

污水生态处理技术是将污水有控制投配到生态系统中，利用土壤、植物 (动物)、微生物复合系统的物理、化学、生物学和生物化学特征对污水中的水、肥资源加以利用，对污水中的可降解污染物进行净化，基于循环再生、和谐共存、整体优化和区域分异的生态学原理的生态处理技术［8］。

目前污水生态处理工艺主要包括:污水土地处理系统、生态塘处理系统、蚯蚓滤池处理系统等。这些处理工艺主要利用天然能源，通过污染物质在食物链中的转移和转化达到去除的目的，具有建设管理费用低、节约能耗等优点。

3.1 污水土地处理系统

污水土地处理系统由土壤 (介质)、植物、土壤-植物环境中的微生物组成，以土壤介质的净化功能为核心，强调在污水污染成分处理过程中修复植物-微生物体系与处理环境或介质 (如土壤)的相互关系，特别注意对环境因子的优化与调控。土地处理系统包括慢渗生态处理系统、快渗生态处理系统、地表漫流生态处理系统、污水湿地生态处理系统、地下渗滤生态处理系统，其中污水湿地生态处理系统又称人工湿地，目前研究最为深入、应用最广泛。土地处理系统造价低，处理效果佳，其工程造价及运行费用仅为传统工艺的10% ～50%［9］。

以人工湿地处理系统为例，土地生态处理系统对污水的净化机理如下:系统中的填料 (介质)具有巨大的比表面积，易形成生物膜，污水流经颗粒表面时，其中的污染物质通过沉淀、过滤、吸附作用而被截留。

土地处理系统的局限性主要有: (1)占地面积较大，占地面积是传统二级生物处理法的2～3倍;(2)污水会堵塞处理系统，使透水性变差;(3)底部需要设隔水层，一旦隔水层遭到破损，污水会渗入自然土壤中，污染地下水体; (4)污水会产生短流或在过水断面上分布不均匀; (5)寒冷地区易受冰冻影响，热带地区易产生疟疾等病原体;(6)国内的研究应用尚处于起步阶段，工艺设计参数及应用实例较少，技术上有待进一步探索。

3.2 生态塘处理系统

生态塘系统通过塘内种植水生作物，进行水产和水禽养殖，建立人工生态系统，以太阳能为初始能源，将污水中的有机污染物降解和转化［10］。生态塘处理系统包括厌氧塘、兼性塘、好氧塘等，本身既是污水处理单元又是利用单元，不仅可以去除污染物，而且以水生作物、水产的形式作为资源回收，在污水处理的同时实现污水的资源化利用，可将原来荒废土地变为良田，如藕田、稻田、菜田、鱼塘、蟹场等于一体的现代化生态农业基地和游览胜地。生态塘处理系统能够有效处理生活污水及有机工业废水，对有机物和病原体有很好的去除效果。

生态塘系统中对净化污水的机理不同。厌氧塘中大部分有机物质和部分难降解物质被兼性厌氧产酸菌分解成低分子有机物如有机酸类，部分污染物质被彻底降解为 CH4、CO2、NH3等。兼性塘主要由细菌和藻类组成，并存在一定数量的原生动物和后生动物。简单有机物质在细菌的作用下进行好氧和厌氧作用，逐渐被降解、同化和转化。好氧生态塘是由分解者、生产者和消费者构成的复杂生态系统，建立菌、藻→浮游动物→鱼→鸭，藻→贝、螺，水草→鹅、鸭等各种食物链，形成一个十分复杂的食物网，各自形成独特的物理化学和生物环境，大大增加了系统的生物多样性。被细菌和真菌降解净化的最终产物——无机化合物作为碳源、氮源和磷源，参与食物网中的新陈代谢过程，并从低营养级到高营养级逐级迁移转化，最后转变成水生作物、鱼、虾、蚌、鹅、鸭等产物。

生态塘处理系统的应用局限性是: (1)占地面积大，适合在有大面积荒地的地区推广; (2)易出现短流现象，导致实际水力停留时间小于设计水力停留时间; (3)温度较高时，易产生臭气，孳生蚊虫干扰居民生活，故而应远离居民生活区;(4)对氮磷的去除效果不稳定。如果与其它工艺相结合，采用可调节的人工强化除氮磷方法，可以解决这一不足。

3.3 蚯蚓微生物滤池系统

蚯蚓生态滤池是滤床中建立的人工生态系统，由滤床填料、蚯蚓及布水系统等组成。系统利用蚯蚓和微生物的协同作用对污水中各种形态的污染物质进行处理和转化。污水中的生物膜污泥和微生物通过食物链最终被有效地转化为蚯蚓的增殖及其排泄物，而蚯蚓的机体及其排泄物又可成为其它微生物的分解利用对象，从而进行新一轮的生态循环［11］。它既可高效、低能耗地去除城镇污水中的污染物质，又可避免剩余污泥等二次污染物的产生，是一种全新概念的污水处理工艺。

处理效果好。将蚯蚓引入传统生物滤池不仅解决了滤床容易堵塞的问题，而且有利于污水和污泥的分解和吸收，从而提高滤床的有机处理负荷。经比较该系统的出水水质优于传统二级活性污泥法。蚯蚓的存在，还可消灭飞蝇虫卵和病原菌，改善环境卫生状况。

物耗、能耗低。蚯蚓生态滤池处理污水的工艺流程简单，大幅度简化了污水处理流程，而且不需要复杂的机械设备和投加任何化学药剂，运行管理和设备维修十分方便。

废物的零排放。实现剩余污泥零排放，杜绝二次污染，其环境影响远小于活性污泥法以及其它二级生物处理工艺。

污水处理的资源化。在蚯蚓生态滤池中，废水中的固体悬浮物和增殖的微生物被小粒径填料截留和吸附，成为蚯蚓的食物，一部分吸收后转化为蚓粪。蚯蚓具有重要的饲用、食用和药用价值，系统繁殖的蚯蚓可作为畜禽和鱼类的高蛋白饲料;蚓粪含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，可作为农肥或园艺肥料。

4 小结

沼液的速效营养丰富，养分利用率高，能有效地被作物吸收利用，它含有丰富的可溶性无机盐类，还含有厌氧发酵的生化产物，具有营养、抑菌、刺激、抗逆等功效。不过沼液利用尚缺乏规范化和程序化的管理，沼液利用不当会产生严重的二次污染。污水生态处理具有投资费用低、节能、运行和管理方便等优点，且环境友好，基本上不涉及化学能的投入和化学品的消耗。如果将污水的生态处理应用在沼液处理上，就可提高沼液的处理与回收利用水平，保护和改善生态环境，实施可持续发展。

［1］卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用 ［M］.北京:化学工业出版社，2005:271，287，550.

［2］Qin W，Egolfopoulos F N，Tsotsis T T.Fundamental and environmental aspects of land fill gas utilization for power generation ［J］.Chemical Engineering Journal，2001，82:157－172.

［3］叶子良，刘荣厚，郝元元.沼气发酵接种物对沼气及沼液成分的影响 ［J］.农机化研究，2007(6):24－27.

［4］刘荣厚，郝元元，叶子良.沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究 ［J］.农业工程学报，2006(增刊1):12－15.

［5］武丽娟.沼气发酵原料及产物特性的分析 ［J］.农机化研究，2007(7):42－45.

［6］彭建华，陈文祥，陈会明.综合生物塘处理养殖废水初探［J］.水利渔业，2004(4):77－79.

［7］丁玲，沈耀良.人工湿地处理技术及其研究进展 ［J］.江苏环境科技，2006(2):70－72.

［8］孙铁珩，周启星，张凯松.污水生态处理技术体系及应用［J］.水资源保护，2002(3):6－9.

［9］李慧，王俊岭.污水的土地处理特性分析 ［J］.北方环境，2004(5):108－110.

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