片区沼气工程沼液沼渣还田对水环境的影响

2018-01-15朱志玲许英杰上海农林职业技术学院农业生物与生态技术系上海市松江区201699

上海农业科技 2017年6期

朱志玲许英杰（上海农林职业技术学院农业生物与生态技术系,上海市松江区 201699）

2010年，我国的畜禽养殖业已经成为继钢铁、煤炭行业之后污染排放最大的行业[1]，也成为了农业源污染减排工作的重点。在开展畜禽养殖业污染减排工作中，规模化畜禽养殖场的污染减排工作是重中之重。经研究，畜禽养殖场污染减排模式包括以生态还田为主线的五种鼓励模式和五种普通模式[2]；上海市在“十二五”期间大力推进了畜禽养殖业污染减排，技术集成了生态还田、沼气工程、污水纳管、达标排放四种模式，结合上海地区经济状况、环境条件、种养结合水平等因素，通过投入、产出对比分析，确定前三种为鼓励模式，而达标排放模式的应用逐渐弱化[3]。

在上海地区规模化畜禽养殖场养殖量约占总养殖量的52%[3]，农户散养畜禽养殖量约占总养殖量的48%。由于散养畜禽粪便处理不易管理，更易随意排放，造成周边水体、土壤和大气的污染，破坏村容村貌[4]。因此，上海市在推进规模化畜禽养殖场污染减排的同时，也关注到农户散养畜禽粪便的处理问题。在规模化养殖场畜禽粪便处理技术日趋成熟的情况下，上海市将资源化效果显著的沼气工程模式引入到农户散养畜禽粪便的处理上，形成了一种新的应用模式——小型片区沼气工程[5]。该模式将农户散养畜禽粪便收集后集中进行沼气工程处理，沼气供给村民作为燃气使用，沼液沼渣做肥料还田。为了解该模式的污染减排效果及综合效益，对该工程中的沼液沼渣还田对地表径流的影响进行了监测，同时对片区沼气工程进行了投入、产出效益分析，以期为散养畜禽粪便处理技术的推广应用以及沼液还田制度的完善和减排政策的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验场地

试验地片区小型沼气工程（亦称“沼气集中供气工程”）位于上海市崇明区港沿镇鲁屿村沼气工程处理站（编号：崇沼10-05）。该工程将全村5户养猪户（存栏母猪量195头，生猪年出栏量3 100头，生猪年存栏量1 550头）的猪粪尿全部进行发酵处理，沼气供全村229户居民常年使用，沼液沼渣作为有机肥供周边98.33 hm2农田使用。

该沼气工程系统总池容956.1 m3，其中发酵池池容为527.04 m3，理论日产气量为270 m3。该沼气站沼气主要用于居民用能，考虑到居民用能的季节性变化，沼气站在运行工程中通过工艺措施调节和控制产气量，以免产生过多沼气，排空污染大气。夏季，沼气发酵池内温度控制在26～28℃，进行常温发酵，进料池每日搅拌2次，每次15～30 min，日产气量为120～130 m3；冬季，沼气发酵池由外部加温，池内温度控制在33 ℃，进行中温发酵，日产气量为170～180 m3。自2012年4月运行至2015年4月，合计产气量为81 858 m3，合计居民用气量达69 867 m3。

崇明区港沿镇鲁屿村沼气工程沼液沼渣还田的匹配农田为崇明区合兴村等周边农田，种植模式均为水稻、冬小麦轮作。根据所匹配农田及其周边农田的布局，结合日常监测和管理的可操作性，在合兴村十二队匹配农田中选取3块农田作为实施沼液沼渣还田的处理农田，在邻近的周边农田选取3块农田作为实施沼液沼渣还田的对照农田。在每块处理农田和对照农田所处的排水沟渠两端，设置挡水土坝收集径流水，作为地表径流水监测点。在每块处理农田和对照农田内，分别设立地下水监测孔，监测孔的深度根据当地地下水水位确定为1 m。监测孔为直径15～25 cm、长度1.2 m的PVC管，底端敞口包裹纱布，顶端加盖防止雨水进入，安装时底端需先铺设石英砂，顶端则需露出地面超过20 cm。

1.2 监测频率

2014年6～9月对片区沼气工程沼液沼渣还田的水环境展开监测。在每次农田灌水时，分别采集1块处理农田和对照农田的灌溉水样品。根据降雨和地表径流产生情况，每次降雨产流24 h内在每块处理农田和对照农田的排水沟渠内分别采集1个径流水样品。在每块处理农田和对照农田的地下水监测孔，每次暴雨24 h后分别采集1个地下水样品。采样时，需先将监测孔内的积水抽干，等地下水重新渗入后再进行采集。

1.3 监测指标

水质监测指标及各类监测指标分析方法见表1。

2 结果与分析

2.1 肥料施用情况

该片区沼气工程的沼液沼渣未做固液分离，还田物为沼液沼渣混合物。沼液沼渣混合物的理化基本性质为有机质含量2.28 g/L、总氮含量135 mg/L、总磷含量80 mg/L、总钾含量1 050 mg/L。处理农田面积为14 674 m2，水稻耕种方式为机插秧，对照农田面积为10 672 m2，水稻耕种方式为直播。试验期间处理农田和对照农田施肥情况见表2。

表1 水质监测指标及分析方法

表2 处理农田和对照农田施肥情况（单位：kg）

2.2 片区沼气工程沼液沼渣还田对地表径流的影响

对处理农田和对照农田地表径流分别进行4次采样监测，结果见图1。用t检验法分别对处理农田和对照农田的4次测定结果进行显著性分析，结果见表3。

图1 崇明片区沼气工程沼液沼渣还田地表径流检测结果

由表3可知，第一次检测结果（2014年6月7日），处理农田和对照农田间的地表径流中CODcr、总氮、总磷等5项指标差异均不显著。其中，CODcr值较高，处理农田和对照农田的CODcr平均值分别为371.33 mg/L和359.33 mg/L。这可能是由于水稻插秧前深翻土地将前茬作物秸秆翻入土壤导致地表径流中有机物含量较高。

第二次检测结果（2014年7月3日），处理农田和对照农田间的地表径流中CODcr、总氮和氨氮差异达极显著水平，总磷差异达显著水平，硝酸盐氮差异不显著。其中处理农田的CODcr明显高于对照农田，平均值分别为133.33 mg/L和36.83 mg/L。分析原因可能是由于处理农田施入沼液沼渣混合物，导致了地表径流中有机物含量较高；同时，对照农田施入的化肥中，纯氮和P2O5含量高于处理农田。因此，对照农田的地表径流中总磷、总氮和氨氮的数值明显高于处理农田。

第三次检测结果（2014年7月13日），处理农田和对照农田间的地表径流中CODcr、总磷、总氮差异达极显著水平，硝酸盐氮差异达显著水平，氨氮差异不显著。原因与第二次检测结果相同。

第四次检测结果（2014年8月18日），处理农田和对照农田间的地表径流中CODcr、总磷差异达极显著水平，总氮、氨氮、硝酸盐氮差异不显著。其中处理农田和对照农田的CODcr平均值分别为138 mg/L和42.93 mg/L，处理农田和对照农田的总磷平均值分别为0.35 mg/L和0.59 mg/L。原因与第2次检测结果相同。在对照农田纯氮施入量远远高于处理农田的情况下，总氮、氨氮和硝酸盐氮均无显著差异，分析原因可能是由于连续降雨造成了氮的流失。因此，处理农田和对照农田的地表径流中氮含量已无明显差异。

2.3 片区沼气工程沼液沼渣还田对地下径流的影响

对处理农田和对照农田的地下水分别进行4次采样监测，结果见图2。根据《地下水环境质量标准》中的III类标准，对处理农田和对照农田的地下径流检测结果进行达标分析，同时采用t检验法对处理农田和对照农田的检测结果进行显著性分析，结果见表4。

由表4可知，处理农田和对照农田的氨氮检测结果除第三次为达标外，其余均不达标。说明土壤和地下水中氨氮本底值较高。处理农田和对照农田的硝酸盐氮四次检测结果均达标，且硝酸盐氮的检测结果远远低于标准值。

经显著性分析，第三次检测结果中处理农田和对照农田间氨氮差异达显著水平，第四次检测结果中处理农田和对照农田的总磷、硝酸盐氮差异达显著水平，氨氮差异达极显著水平，其余各次各指标测定结果差异均不显著。说明沼液沼渣还田未对地下径流中CODcr、总氮、总磷、硝酸盐氮造成显著影响，但沼液沼渣还田的处理农田与施用化肥的对照农田相比，地下径流中氨氮数值明显较低。

表3 崇明片区沼气工程沼液沼渣还田地表径流检测结果显著性分析（单位：mg/L）

图2 崇明片区沼气工程沼液沼渣还田地下水检测结果

3 讨论

3.1 片区沼气工程沼液沼渣还田的水环境效益

本试验中对照农田的施肥量远高于处理农田，尤其是氮肥，每667 m2纯氮总施用量为35.42 kg，为处理农田的2.68倍。地表径流监测结果表明，与施用化肥的对照农田相比，处理农田采用沼液沼渣还田可使畜禽粪污水减排CODcr，地表径流的总磷、总氮也均显著低于对照农田，其原因可能是由于对照农田施肥量明显高于处理农田，这说明沼液沼渣还田与施用化肥相比，可以有效减少地表径流中氮磷的流失。地下径流监测结果表明，沼液沼渣还田未对地下径流中CODcr、总氮、总磷、硝酸盐氮造成显著影响，但采用沼液沼渣还田的处理农田较施用化肥的对照农田的地下径流中氨氮含量明显较低。

3.2 片区沼气工程沼液沼渣还田的经济效益

以崇明县合兴村沼气集中供气工程为例，总投资50万元，发酵池有效容积为69.3 m3，发酵池容积产气率为0.6～1 m3/（m3·d），日产气55.2 m3左右，沼渣沼液无偿供应周边农田使用，项目使用寿命为10年，固定资产残值按10%计算。年运行成本为25万元。沼气按1.5元/m3出售给农户，沼气出售所得收入刚好可维持沼气工程的后续运行管理，使工程长效运行成为可能[5]。

3.3 片区沼气工程沼液沼渣还田的社会效益

片区沼气工程的实施使养殖户周边环境得到了显著改善，养殖场粪污得到了全部处理和资源化利用，周边农户的生活环境得到了极大改观，缓解了农村邻里矛盾。同时沼气价格仅相当于液化气价格的40%，周边居民用上了低廉高效的清洁能源。种植户用沼液沼渣作有机肥还田，不仅提高了作物产量，还减少了化肥施用量，有力推动了崇明生态岛建设，具有较好的社会效益。

3.4 建议沼液沼渣分离，制取液体有机肥和固体有机肥

目前，鲁屿村的片区沼气工程由于工程体量小、运行成本高等原因未进行沼液沼渣分离，以混合物形式还田，迫使还田面积增加。同时，由于季节性原因，在有些季节沼液沼渣无法还田处理，储存成了难题。如将沼液沼渣分离，仅沼液还田，可有效解决还田面积问题；同时，研发沼液制作液体有机肥技术，使其商品化，不仅能解决沼液储存问题，且将沼液出售还能增加经济收入。目前，关于沼液沼渣有机肥研制的试验开展已较多[6]，且形成了一定的行业规模，但行业标准有待完善。

4 结论

试验结果表明，与施用化肥的农田相比，片区沼气工程沼液沼渣还田后，有效减少了畜禽粪污的有机污染排放和地表径流中氮磷的流失，且对地下径流中的有机物、总氮、总磷含量没有显著影响，但地下径流中的氨氮含量有一定程度的降低。同时，片区沼气工程在水环境效益、经济效益和社会效益方面均取得了较好的成效，且因工程有一定的持续经济收益，使其长期运行成为可能，该工程运行模式适用于散养户畜禽粪便集中处理。