养殖沼液生态循环利用模式的建立与运行效果

沈阿林，奚辉，姜铭北，安文浩，王云龙，陈喜靖

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.淳安县农业技术推广中心 植保土肥站，浙江 淳安 311700)

我国是全球第一大猪肉生产和消费大国，2018年生猪存栏42 817万头，生猪出栏69 382万头，虽然相较于高峰时期(2012—2014年)的存栏数和出栏数均有较大幅度下降，但养殖量依然庞大。按1个万头猪场每天产生80～100 t养殖废水估算，全国每年产生的总量达到550万～700万t。为使养殖排泄物得到能源化利用，国家大力发展沼气工程，由此伴随着大量沼液如何处置的问题。由于沼液中含有大量氮、磷、钾等营养元素，以及铁、锌、铜和氨基酸等微量元素，故可作为有机养分替代、化肥减量增效的重要原料，并通过农田灌溉途径得以利用。这种方式已成为当前沼液资源化利用的重要方式，但随着生猪养殖规模化程度的快速提升，养殖产生的沼液量大且集中，使得养殖业周边农田难以安全消纳。同时，人们对农村生态环境的要求越来越高，沼液无害化处置与安全利用间的矛盾也日益突出。因此，研究探索沼液利用的新途径和新模式就显得尤为重要。近年来，国内在沼液利用模式建立及其应用方面已有不少案例，也取得较好效果[1-5]。本项目组通过3年的研究与示范，在传统沼液利用方式的基础上，创建了2个沼液生态循环利用的新模式，分别在嘉兴稻麦轮作区和淳安茶园进行了生产验证与应用。

1 沼液生态循环利用新模式

1.1 “林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法浓缩+排出水净化回用”种养耦合循环利用模式

在嘉兴南湖区科皇牧业公司创建的种养耦合沼液循环利用模式，是充分依托该公司周边赋存的生态条件(20 hm2农田与近0.33 hm2樟树林地)，同时考虑与当地现行的稻-麦和稻-油轮作体系有机结合。科皇牧业是一家中等规模(5 000头存栏)的生猪养殖场，采用粪污混合的“水泡粪”清粪养殖技术，沼液富含作物所需各种养分。

项目组研发的沼液利用模式由3个模块组合而成(图1)。第一模块是沼液直灌。在农田和林地需要灌溉时进行，灌溉前在农田的田埂边布设管道或利用已有可输送沼液的水沟，在林地的林带间开沟确保沼液通过顺畅且不积水；根据估算确定沼液灌溉量，沼液从沼液池中提取沿沟渠或布设的管道进入农田和林地；林地没有吸收利用的沼液，可再排入稻田进一步利用吸纳。为了减少管道和沟渠堵塞的情况，可在灌溉前通过重力沉淀和电絮凝或化学絮凝方法去除部分悬浮有机物。第二模块是沼液膜法浓缩。考虑周边农田林地无法安全消纳牧场全部的养殖沼液，在农业生产不能进行沼液灌溉的季节，通过工厂化的沼液膜浓缩-配肥技术浓缩贮存外运利用。第三模块是膜浓缩尾水或农田与林地的排出水通过净化处置再循环利用。膜浓缩产生的尾水以及通过林地(樟树)和稻田利用后的排出水通过生态沟渠初级净化和池塘沉水植物再净化，进入猪场回用或排入河道。

图1 沼液林地稻田灌溉与膜浓缩沼液肥及尾水的循环利用

经过上述3个模块的运行，不仅实现了沼液中养分和水分的全年资源化循环利用，而且保证了排出的尾水达标排放或牧场回用，有利于水资源利用和环境水体的保护。

1.2 茶园“沼液配送+絮凝+水肥一体”喷滴灌的生态循环利用模式

利用淳安县汾口强龙茶场地处低山丘陵的地貌特点，在茶园最高处兴建50 m3的沼液储存池，同时组装沼液混凝沉淀一体化设备、加压泵、自动反冲洗叠片过滤器、比例施肥器、压力补偿式滴灌带等，完成百亩沼液喷滴灌系统建设(图2)。在具体生产管理中，将沼液作为有机替代化学肥料技术的重要部分，与有机肥和绿肥等利用有机结合，制定出有机茶生产的养分全程供应和病虫综合绿色防控技术解决方案，即在秋季茶园翻耕时施用以蚕沙为主要原料的茶叶专用有机肥；引进白三叶和黑麦草绿肥品种混播茶园行间，进行茶园土壤改良和生态培肥；利用沼液喷灌等设施，将发酵沼液匀追施到茶园；利用黄板-绿板(诱虫板)合理间作诱杀和压制蚜虫、粉虱和小绿叶蝉虫口基数，采用苦参碱等植物源农药控害。通过全程施用有机养分和病虫绿色防控，使茶叶生产实现了向有机茶生产的转型和提质增效。

图2 养殖沼液在茶园资源化利用的模式

该模式的运行步骤如下：1)由县沼液配送中心通过专用槽罐车将经发酵的沼液送达至茶园，存入沼液储存池；2)沼液经过化学絮凝装置，絮凝去除悬浮在沼液中的细小有机物(SS)，以解决喷滴灌过程中堵塞喷头问题；3)根据茶园生长需要设计灌溉量，并进行喷灌或滴灌，必要时用清水调节沼液浓度，实现沼液的定量灌溉；4)完成沼液喷滴灌作业后及时清理管道，以免沼液对喷滴灌相关部件的腐蚀。

2 沼液利用新模式的运行效果

2.1 沼液种养耦合循环利用模式的运行效果

由表1可知，采用传统生化方法处置沼液，处理成本在8～10元·m-3，年总处理成本达14.60万～18.25万元，但在冬季低温条件下沼液生化处置无法达标排放，必须进入污水处理系统再处理。而采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜浓缩+排出水净化回用”的沼液循环利用模式，该牧场每年产生的1.825万t沼液中，约有70%可通过稻-麦轮作系统的农田消纳利用，剩余的30%通过膜法浓缩(浓缩5倍左右，浓缩成本约为20元·m-3)后运至外地农田进行利用，也可通过配制水溶性复合液体肥将其商品化，可增值20%以上。同时，约有75%以上的尾水(排水)通过植物和微生物联合生态净化后在牧场内得到回用(冲洗栏舍或牧场园林绿化)，从而通过沼液带出的养分2 883 kg和1.8万m3水资源全部得到有效利用。

表1 沼液种养耦合循环利用模式效果

2.2 茶园一体喷滴灌生态循环利用模式的运行效果

在淳安县汾口强龙茶场的茶园设3个处理的大区示范性试验，以常规施用化肥为对照。设每年沼液喷(滴)灌4次，每次300 m3·hm-2的沼液利用处理(替代15.83%化学肥料)和沼液喷(滴)灌+有机肥施用+行间种植绿肥处理(替代53.3%化学肥料)。

由表2可知，沼液利用处理中，用沼液灌溉替代15.83%化学养分，节约化肥投入190 kg·hm-2，按6.0元·kg-1计算，节约化肥投入1 140元·hm-2；通过水肥一体化技术节约人工6 000元·hm-2；因沼液替代了部分化肥，提高了茶叶的品质，3年茶叶的产值较常规对照平均增加6 000元·hm-2。三项共计节本增效达13 140元·hm-2。但由于沼液絮凝过滤工序增加了2元·m-3的成本，该工序增加的成本为2 400元·hm-2，因此，实际增加的直接经济效益为10 740元·hm-2。相较于常规对照处理(CK)，替代53.3%化学肥料的“沼液+有机肥+行间种植绿肥”处理，其经济效益增加12 540元·hm-2，效果更为显著。

表2 “沼液配送+絮凝+水肥一体喷滴灌”的茶园生态循环利用模式效果

注：化学养分用量以(N+P2O5+K2O)kg·hm-2计。沼液利用处理：沼液中N、P2O5和K2O含量分别为1 000、80和500 mg·kg-1，总含量平均按0.015 8%计，折合氮磷钾养分投入量为190 kg·hm-2；除沼液提供的养分外，其他养分(1 010 kg·hm-2)使用化学肥料。沼液由政府派送，不计成本，但絮凝过滤的成本2元·m-3计。沼液+有机肥+绿肥：沼肥用量与次数同沼液利用处理；商品有机肥氮磷钾含量6%，每年秋冬季施用1次，用量6 t·hm-2；商品有机肥按照650元·t-1计价。绿肥平均每年可提供氮磷钾90 kg·hm-2，种子按750元·hm-2计价。常规管理用肥：N、P2O5、K2O用量分别为900、45和135 kg·hm-2，总计1 200 kg·hm-2；化肥按基肥+2次追肥的施用方法进行；平均养分的单价以6元·kg-1计。节约人工：沼液利用处理和沼液+有机肥+绿肥处理，由于追肥施用喷滴灌技术，每公顷可节约追肥2次的用工，即60个工作日(每日浇灌1 hm2·人-1)，按照100元·d-1的薪酬计算。

3年来，强龙茶园通过沼液追施及有机肥、绿肥应用等有机替代技术，辅以茶园病虫综合绿色防控技术的应用，化肥用量和化学农药用量减少，累计增加经济效益100余万元。此外，连续3年利用沼液处理的茶园土壤有机质为13.4～15.6 g·kg-1，而“沼液+有机肥+绿肥”处理的土壤有机质增至23.5 g·kg-1，在变废为宝、提升土壤肥力的同时，茶园生态环境得到明显改善。

2.3 2种沼液利用创新模式的应用分析

2.3.1 2种沼液资源化利用模式应用的条件与适用范围

2种沼液资源化利用模式的适用条件与范围不同。“林地(果园)-稻田定量灌溉+非灌溉期膜法浓缩+排出水净化回用”种养耦合循环利用模式适合牧场周边具有较大农田消纳面积，且有种植林果和粮油作物轮作的生产系统，适用于养殖规模较大的牧场和配置有沼液膜浓缩装备。为了尾水或排出水的资源化回用，还需要有一定面积的水塘或湿地，以确保净化效果。“沼液配送+絮凝+水肥一体喷滴灌”的生态循环利用模式适用于距离养殖场较远、地处丘陵低山的农区，特别是种植茶叶、果园、设施蔬菜等经济效益较高的农作体系，同时需要配备沼液运输车、沼液储存池和絮凝设备设施。

表3列出了不同清粪工艺的沼液水质状况。由于水泡粪清粪方式的用水量较多，相较于干清粪方式而言，其沼液中CODcr、氨氮、总氮、总磷和盐含量均较低；SS则视沼液储存时间长短和是否搅动而变异较大。因此，在农田灌溉时要充分考虑沼液来源(养分和盐分的高低)，酌情调整单位面积的施用量。

表3 不同清粪工艺的沼液水质指标 mg·L-1

2.3.2 沼液资源化利用过程中可能产生的氮磷、抗生素和重金属积累污染的风险

为了促进生猪快速生长，养殖饲料中添加有各类抗生素和铜、锌等微量元素，因而沼液携带不同数量的重金属和抗生素很可能会在利用过程中对土壤和生态环境产生风险。卫丹等[6]研究发现，沼液中10种抗生素的浓度最高达1 000 μg·L-1以上，超过欧盟水环境抗生素的阈值。施用沼液后土壤中抗生素类兽药残留检出率为41.7%，环丙沙星类残留量为9.66 mg·kg-1，均高于对照土壤[7]。笔者采集了浙江省部分市区养殖场的沼液，检测了氨氮、T-N、T-P、SS、全盐量、CODcr(以重铬酸钾(K2Cr2O7)作为氧化剂测定的化学耗氧量)、铜、锌及土霉素、泰妙菌素等8种抗生素。

表4显示，11个沼液样品中，T-N、T-P、SS、全盐量和CODcr均有较大差异；8种抗生素中土霉素的检出量最高，泰妙菌素有9份检出，磺胺噻唑、磺胺甲恶唑、磺胺地索辛、磺胺二甲嘧啶、磺胺甲二唑、四环霉素等6种均未检出。重金属铜、锌也有检出，且含量有差异。因此，当单次用量过大，或长期高量使用沼液，可能会引起土壤含盐量增加、氮磷养分淋失及抗生素和铜锌积累的可能。建议在实际应用中应根据作物类型、生态条件等进行科学施用。

表4 浙江省2018年部分市区养殖场的沼液检测结果

3 小结

传统的沼液农田灌溉模式只能在养殖场周边农田进行推广应用，且存在抗生素、重金属等对水体和农田的污染风险。本文在传统沼液利用方式基础上，建立了2个沼液生态循环利用的新模式，分别在稻区和茶园进行应用。结果表明，采用“林地-稻田定量灌溉+非灌溉期膜浓缩+排出水净化回用”的沼液循环利用模式，牧场产生的沼液可以在类似(林)稻-麦生产系统的农田土壤中消纳和通过膜法浓缩技术实现更远农田的利用；浓缩沼液还可通过配制水溶性复合液体肥将其商品化进一步增值，同时浓缩产生的尾水通过植物和微生物联合生态净化后用于冲洗栏舍或牧场园林绿化，进而实现沼液中养分和水得到充分资源化利用。茶园采用“沼液配送+絮凝+水肥一体”喷滴灌的生态循环利用模式，通过自动化喷滴灌技术实现沼液在茶园的高效应用和化学肥料的部分替代，既提高茶叶产量与品质，又提升茶园土壤肥力；特别是与绿肥和商品有机肥的结合应用，可进一步提升茶叶品质，有望实现有机茶生产，产生更好的经济、环境和生态效益。开发养殖沼液资源化利用新模式，对于最大限度利用消纳养殖废水，在抗生素、重金属等对水体和农田的污染风险可控的前提下使其变废为宝，具有重要的生产指导意义。