畜禽养殖沼液回用土壤磷元素吸附解析环境行为分析

江莉 龚凯 柏沁含 黄洋洋 逯伟 朱家悦

摘 要：我国是畜禽养殖大国，产污量大且处理效率低，多数集约化养殖场的含磷污水未经深度处理直接排放到水体造成水体的富营养化。文章通过对集约化养殖场沼液中磷素进入土壤吸附解析环境行为进行研究，确定厌氧或好氧工艺处理畜禽养殖沼液，合理选择回灌土壤类型和土壤柱尺寸，最终根据Langmuir方程得出土壤磷最大吸附量（Qmax）、吸附常数（K）、最大缓冲容量（QmaxK）等参数探讨分析土壤对磷的吸附解析能力。对保护土壤环境和水环境，降低水体富营养化具有重要的现实意义。

关键词：沼液；土壤柱；磷；吸附；解析

近年来，随着市场经济的快速发展，我国畜禽养殖业发展迅速，集约化、发展规模化的水平也越来越高，但是畜禽养殖业发展带来了日益严重的环境污染问题。未经处理的畜禽粪便和废水直接排入环境对地下水、地表水、土壤和空气造成严重的污染。我国现阶段畜禽养殖场废水处理技术主要有“畜地平衡”模式、“达标排放”模式和“综合利用”模式，现阶段主要采用厌氧发酵产沼气处理工艺，但畜禽粪便厌氧发酵后，仍然含高浓度的有机污染物、氮和磷素。

目前，磷的可持续利用以及从生产和生活的再循环，已成为资源与环境管理方面的热点研究课题。当污水中的磷去除与回收同时考虑时，除磷可通过回收目标产物的方式实现。因此，研究畜禽养殖沼液回用土壤磷含量及吸附解析行为，对降低水体富营养化具有重要的现实意义。

一、畜禽养殖场沼液的处理工艺

畜禽养殖废水属于高浓度有机废水，废水中含有浓度较高的氮和磷，应采用具有脱氮除磷功能的工艺，如活性污泥法（SBR）、氧化沟等处理技术。好氧处理中推荐采用稳定塘处理、土地处理和人工湿地等自然生物处理。自然生物处理法基础建设成本低，功耗小，在一定条件下，这种方法可用废水灌溉水的资源利用来实现。然而，该法仍有缺点，如占地面积大、易影响环境卫生、处理效果易受季节影响等。

经厌氧处理后废水中的COD去除率为70%～85%，且运行成本相对较低。厌氧处理后既可以实现无害化，同时还可以回收沼气和有机肥料，是解决养殖废水无害化和资源化问题的最有效的技术方案，是规模化畜禽场粪便污水治理的最佳选择。目前行业内较为成熟的厌氧工艺主要有折流式反应器（ABR） 、全混合厌氧反应器（CSTR） 、升流式厌氧污泥床（UASB）、升流式固体反应器（USR）等。粪污种类、工程类型和工艺路线影响着厌氧反应器的选择和设计。CSTR、USR 等适用于固体悬浮物（SS）浓度高的废水处理和生猪粪污综合利用处理；UASB是粪污达标排放处理工艺推荐采用的厌氧反应器类型， 但要求进水的SS浓度较低，ABR介于两者之间。张智等人通过对两级A/0工艺处理沼液的效果COD、NH3-N、SS、TN分别为80.1%、83.2%、91.1%、48.6%。余薇薇等人通过对改良型A/O工艺处理沼液的效果SS、COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率为90.7%、90.7%、92.3%、76.4%、84%。

二、土壤类型的确定

重庆市分布面积最广的土类是紫色土，面积为2737346.10 hm2，占全市土地面积的33.22%。紫色土可以保持稳定的土壤性质，具有优良的生产性能和很高的土壤生产率。紫色土是发育于紫色岩层的幼年土，丰富的矿物成分，不同母质、肥力紫色土间差异较大。郭松松等人的研究表明消落带土壤有机质含量黄壤土>紫色土>冲积潮土，土壤类型对土壤有机质含量影响不明显；不同土壤类型氧化还原电位冲积潮土>黄壤土>紫色土，氧化还原电位差异明显，冲积潮土的还原性最强，紫色土最弱；不同土壤类型含水率紫色土>黄壤土>冲积潮土，含水率的差异不大。紫色土为初育岩性土，受气候带的影响较小，土壤的诊断层发育显著，紫色风化物母质和土壤的碳酸钙含量大于3%，pH值大于7.5，划为石灰性紫色土亚类；碳酸钙含量1-3%，pH值6.5-7.5，划为中性紫色土亚类；碳酸钙含量<1%，pH值小于6.5，划为酸性紫色土亚类。李静等人研究表明淹水和干湿交替能促进紫色土和水稻土对磷的吸附行为，减小磷的解吸率，降低磷水土界面的迁移能力，其向环境释磷风险为未淹水土壤>干湿交替土壤>淹水土壤，紫色土>水稻土。

三、土壤柱的设计

土壤柱的相关尺寸决定的实验的效果。如张雨梅等人在洛克沙胂在土壤柱中的淋溶迁移实验中，土壤柱为内径5cm，高度15cm，并用蠕动泵控制淋溶的速度；赵庆良等人在再生水用于地下回灌过程中有机物的迁移和去除实验中，土壤柱材料为有机玻璃，柱高150cm，直径10cm，并且为取样方便，将土壤柱分为3个串联，各段用法兰连接；王玉军等人在阿特拉津在土柱中的淋溶规律研究实验中，土壤柱为高度30cm，每10cm为一采样点。综上研究可得：当土壤柱的高度达到一定高度的时候，会对土壤柱中土壤的装取形成一定干扰。因此，可以考虑使用多个小土壤柱串联，在土壤柱串联处使用法兰连接，便于土壤的装取；沼液的灌入使用蠕动泵控制流速；取样的开口尽量有规律且相对集中；土壤柱应选择透明度高的材料，如PVC、有机玻璃等；土壤柱表面刻有尺度，便于读取数据。

四、土壤对磷元素的吸附过程

土壤对磷元素的吸附可分为物理吸附，物理化学吸附和化学吸附。Langmuir 和Freundlich方程描述了土壤磷元素吸附过程，得出土壤对磷吸附的重要参数：吸附常数（K）、磷最大吸附量（Qmax）、最大缓冲容量（QmaxK）。吸附常数在一定程度上反映了土壤吸附磷的几个能级，该值越大，显示处土壤与磷的结合能越大。许多研究表明，土壤对磷的吸附不仅与粒度、本身的化学组分等有关，还受有机质含量、pH、盐度、温度等的影响。

1.淹水条件下的影响

李静等人研究表明同一种土样对磷的吸附量：淹水条件>干湿交替>未淹水条件，并且未淹水条件下土壤对磷的吸附量远小于淹水和干湿交替条件下土壤对磷的吸附量。郭松松等人研究表明周期性淹水可能导致消落带土壤磷的流失，并增大其空间异质性的分布。

2.不同土壤质地的增加

朱强等人研究表明：随着粘土含量的增加，土壤对磷的吸附量，即粘土>壤土>砂壤土；随着粘土含量的增加，易解吸磷、解吸量、解吸率均呈下降趋势，即砂壤土>壤土>粘土。

3.有机质的影响

李华等人研究表明：有机质含量和CEC也是影响磷吸附的重要因素，CEC越高的土壤，其表面负电荷数量越多，对磷的排斥作用就越大，从而吸附量就越小。有机质与磷竞争土壤表面的吸附位，使有机质含量增加，对磷的吸附影响增大。红壤性水稻土和砖红壤CEC和有机质含量均高于红壤，并且随着pH升高，土壤表面可变负电荷增加，其可能是两种土壤对磷吸附量随pH升高而明显减少的原因。

4.pH的影响

马良等人研究表明：不同土壤对磷的吸附量随pH变化表现出不同的发展趋势。在pH 为3.0～5.5范围内，红壤性水稻土和砖红壤对磷的吸附量会随pH增加呈直线减少的变化趋势，红壤性水稻土对磷的吸附量随pH的变化幅度较大；红壤对磷的吸附量先随pH增加而增加，约在pH 4.0时达最大值，之后有所下降，但土壤对磷的吸附量随pH变化的幅度比红壤性水稻土和砖红壤小得多。

五、土壤对磷元素的解析过程

土壤对磷的解析过程是复杂的，主要包括无机磷酸盐的溶解和有机磷酸盐的矿化作用。土壤的组成、土壤磷含量、氧化还原电位、温度及微生物含量等因素都影响土壤对磷的解析过程。

1.温度及微生物的影响

Liikanen研究发现无论是好氧还是厌氧条件，磷的释放都将随温度升高而增加，温度每升高1-3℃，底泥释磷量会增加9-57%。刘玉兰等人的研究表明微生物的分解加速溶解氧的耗竭，微生物的活动促进磷释放到水体，微生物的作用可把有机磷转化为无机磷，并促使不溶性磷溶解。通过各结合态磷之间的相互转化，可能增加或减少土壤总磷的含量。

2.氧化还原电位的影响

氧化还原电位对磷的解析有较显著的影响，较高的氧化还原电位（>350mV）能使 Fe3+与磷酸盐形成不溶的磷酸铁，可溶性磷也会被氢氧化铁吸附而逐渐沉降，较低的氧化还原电位（<200mV）有利于Fe3+转化为Fe2+，使铁结合磷与被吸附的磷酸盐变成溶解态而析出，使不同的Fe（OH）3 转化为Fe2+形式，磷释放量增加。

3.磷浓度的影响

在不同处理过程中，磷的解析试验显示，对照处理随磷浓度的增加，磷的解析量逐渐增大，且解析率也呈现升高的趋势；当加入的磷浓度小于20mg/L时，解析率平均为18.36%；当加入的磷浓度大于20mg/L时，解析率平均为29.65%。

4.土壤颗粒大小及土壤来源的影响

对不同大小土壤颗粒间比较发现，随着土壤颗粒粒径的增大，磷的解析率增加。0.25～1mm、1～2mm、2～5mm、>5mm粒径颗粒与<0.25mm土壤颗粒相比，磷的解析率分别平均增加11.8%、18.4%、21.6%、22.6%。由此说明，大颗粒不利于磷的吸附，但有利于磷的解析。与土壤原样相比，1mm以下的两个土壤颗粒（<0.25mm、0.25～1mm）的磷素解析率比土壤原样的小，而大于1mm的土壤颗粒（1～2mm、2～5mm、>5mm）的磷素解析率比土壤原样的高。土壤对磷的解吸量和解吸率都随吸附量的增加而增加，除自然生草CK外，其他4种土壤对磷的解吸率都较低，为9.29%～19.05%。自然生草果园土壤对磷的解析率达到55%，而且在相同吸附量，自然生草土壤对磷的解吸量也远远大于人工生草土壤，说明该地区自然生草果园土壤对磷的缓冲能力较弱，而经人工种植牧草均明显的提高土壤对磷的缓冲能力。

六、结语

我们发现土壤对磷的吸附在淹水条件下>干湿交替>未淹水条件；土壤对磷的吸附量随粘粒含量的增加而增大；不同土壤对磷的吸附量随pH变化呈不同的变化趋势；土壤对磷的吸附量随有机质含量增加而增大。土壤对磷的解析随温度升高而增大；随土壤颗粒粒径变大而增加；加入磷浓度的增加，磷的解析量逐渐增加，而且解析率也呈升高的趋势。通过畜禽养殖沼液回用土壤磷元素吸附解析环境行为分析与影响因素的研究，可阐明畜禽养殖沼液的可持续利用，降低水体富营养化具有重要的现实意义。

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