畜禽粪污沼液肥料化利用及优化途径

文│杨子森 程彩虹 张亚强 焦光月（山西省生态畜牧产业工作站）

张纪涛 史向远（山西农业大学山西有机旱作农业研究院）

焦翔翔（山西资环股份科技有限公司）

随着畜禽规模化养殖逐渐扩大，随之而来的粪污排放量不断增加。沼气作为处理畜禽粪污的主要工程措施之一，可以有效解决畜禽粪污处理的难题。目前，沼气工程发酵液中干物质浓度一般为6%～12%，发酵周期为28～40天，这对于规模化沼气工程的沼液排放量较大。沼液作为处理粪污的附属产物，适宜处置和资源化利用对于沼气工程的运营具有重要意义。

沼液中含有有机质、大量元素、微量元素、多种氨基酸等多种营养物质，兼具速效性和长效型，可以部分代替传统化学肥料。因此，肥料化利用是沼液增值利用的重要途径。

一、沼液特性

沼液中除含有大中微量元素之外，还含有17种氨基酸、腐殖酸、赤霉素、吲哚乙酸、玉米素等生物活性物质，以及挥发性有机成分和有毒重金属等。不同地区、不同原料、不同厌氧发酵工艺所产生的沼液营养元素含量差异较大。倪中应等（2017）从长三角地区的养猪场、养牛场和一般农户的39个沼液中检测结果表明，沼液中的氮、磷、钾含量与组分变化很大。饶中秀等（2019）对长沙地区的规模化养猪场的沼液调研也得到相似结果。

沼液的养分含量影响因素是多方面的。一般以鸡粪为原料的沼液中养分总含量高于牛粪、猪粪的沼液。沼液营养成分总含量随储存时间延长不断降低，且温度越高，营养成分损失率越大。在沼液储存过程中有机质含量变幅较小，氮、磷、钾总量明显降低，开放储存到50天时，氮、磷、钾降幅达到80%以上，而密闭储存的沼液氮、磷、钾降低少。一般情况下，厌氧发酵时间越长，沼液稳定性越好。此外，沼液的末端处理方式也会造成养分的损失。曲明山等（2013）试验表明过筛后的沼液中氮、磷、钾含量会降低，不同清粪工艺对沼气工程产生的沼液养分含量也有影响。

沼液中还含有丰富的微生物，且沼液中的微生物种类差异较大。王旭辉等（2019）利用高通量测序技术检测表明，沼液中的细菌主要为拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门，主要的真菌门是子囊菌门和担子菌门。沼液中还含有复杂的有机化合物。吴慧斌等（2015）从鸡粪沼液浓缩物里分离出四个化合物，其中一个为新化合物，将其命名为24-降齐墩果烷-4，12-二烯-3，22-二酮，其余3个为8-羟基-3，4-二氢喹啉-2酮、（E）-3-（2-羟基苯）丙烯酰胺、苯乙酸。

二、沼液及其配施化肥对土壤环境与作物生长的影响

1.沼液对土壤的改良作用及风险。

（1）沼液对土壤肥力的影响。发酵原料在厌氧发酵过程中损失的主要元素为碳、氮、硫等，在沼渣、沼液中会残留大部分的矿物质营养元素。沼液的合理施用，可以有效改善土壤环境，提高土壤肥力。郑健等（2019）试验表明灌施沼液能降低土壤容重、增加土壤的总孔隙度和含水率。罗伟等（2019）在成都平原地区冲积性水稻土上试验表明，施用沼液能提高土壤氮、钾元素含量，但需配施适量的磷、钾肥才能维持土壤养分平衡。孙天姿等（2020）试验表明，施用餐厨垃圾消化沼液制备的液态菌肥可以提高土壤有效氮、有效磷的含量，改善农田土壤的有机组分和土壤肥力。巩明明（2017）在旱作玉米的土壤上追施沼液可提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量。宋丽芬等（2017）研究鸡粪沼液在大田油菜上施用，提高了土壤的pH值和有机质。王康等（2019）研究表明施用300吨/公顷鸡粪沼液能够促进降低盐碱地和滩涂土壤的容重、EC值、氯离子含量，提高有机质、有效氮、有效磷、速效钾含量，以及微生物数量。唐华等（2011）试验表明灌溉沼液可增加土壤全氮、全磷、有机质含量和电导率等，提高了土壤脲酶活性。杨益琼等（2016）试验证明施用沼液提高了土壤养分含量。

（2）施用沼液对土壤生态安全的影响。沼液中还有部分重金属元素，施用沼液可能造成土壤或植物受到污染。宋丽芬等（2017）研究施用鸡粪沼液增加了土壤的铅、铬、砷、镉等重金属含量。汤逸帆等（2019）以江苏滨海稻麦轮作田为对象的试验表明，沼液施用5a后，虽然土壤和作物籽粒中铜、锌、铅、镉均未超标，但土壤铜和锌显著富集，小麦和水稻籽粒的锌含量随沼液施用年限增加而增加。郭全忠等（2020）指出施用沼液会造成土壤养分和盐分快速累积，给土壤环境带来较大的污染风险。许文志等（2019）也指出长期施用沼液，需注意土壤磷素及总铜和总锌含量增高带来的生态风险。

2.沼液对作物生长的影响及适宜用量。

（1）施用沼液对作物生长和品质的影响。沼液的合理施用可以改善作物品质，部分代替化肥，保障或提高作物产量。据报道，沼液对土壤种植的苜蓿、玉米、油菜、碱蓬和芦苇、黑麦草、白菜、薄皮甜瓜、辣椒、小白菜、小麦、大麦、番茄、茭白、毛竹、棉花等多种作物或植物的生长、品质、产量等有改善效果。在水培条件下，40%的沼液替代营养液提升了生菜产量，同时提高了可溶性糖、可溶性蛋白含量，降低了硝酸盐含量。

（2）沼液在作物上的适宜用量。因作物养分需求特性不同，沼液的适宜施用量不同。25%～50%的沼液灌溉可以提高苜蓿的产量和营养价值，而种植辣椒的适宜施用沼液浓度为30%，小白菜适宜的沼液滴灌浓度为20%。水稻上适宜的施用量为108～144吨/公顷，同时需要配施磷、钾肥。对于玉米以45吨/公顷的施用量，在拔节期、抽雄期和灌浆期各追施1次为最佳，过量则造成玉米营养生长旺盛。对于黑麦草，667毫升/千克的沼液灌溉量即可满足其生长所需。刘庭付等（2019）指出沼液作为茭白的追肥，每亩不宜超过5吨，化肥可以减量施用50%。另外，沼液基肥施用效果优于追肥施用。

（3）沼液在作物生产上的生防作用。沼液对病虫害还具有防治作用，与农药配施可以改善防治效果，降低农药使用量。李钰飞等（2020）通过试验证明种植前沼液淹没土壤可抑制根结线虫，防效率高达97.1%。孙星星等（2020）指出合理使用沼液及与杀虫剂能够有效控制大麦蚜虫的发生。王洪涛等（2020）报道鸡粪沼液能够提高氟啶虫酰胺对苹果黄蚜的防效，可减少化学农药氟啶虫酰胺用量10%～20%。

三、沼液浓缩对养分含量的影响

1.沼液的浓缩工艺。沼液中的氮、磷、钾总含量一般均低于10克/升，与相关的肥料标准要求有较大差距。沼液中的大量营养元素含量远低于肥料标准中的要求，因此沼液不适宜于远距离运输使用。沼液浓缩可以回收沼液中营养物，使沼液体积减量化，进而提高沼液营养物质浓度和节约运输成本。目前，常用的沼液浓缩方式有膜浓缩和蒸发浓缩。膜浓缩包括微滤、纳滤、超滤、反渗透、正渗透等工艺。蒸发浓缩包括循环蒸发、沼液负压蒸发浓缩、三效蒸发浓缩、低温蒸发、常压蒸发和减压蒸发等。

2.浓缩对沼液养分含量的影响。沼液通过膜浓缩后，易造成养分损失。宋成芳等（2011）采用“预处理+超滤膜分离器”浓缩的20倍牛粪沼液的氮、磷、钾分别由170、50、340毫克/升提高到1934、669、425毫克/升，而猪粪沼液总的氮、磷、钾分别由320、42、350毫克/升提高到2239、481、354毫克/升。白晓凤等（2015）采用蒸发法浓缩处理沼液，结果表明低温蒸发对沼液中的氨、氮损失高达98%，但对磷、钾影响不大。

四、存在的问题与优化利用途径分析

沼液合理利用是优良的肥料资源，利用不当则造成生态环境污染。沼液的处理方式可以归纳为直接还田消纳、自然生态净化技术、生化处理技术、高附加值开发处理技术等。目前，在生产中仍以还田消纳和自然净化为主。自然净化周期较长，需要配套场地。还田消纳和沼液配肥利用可以合理利用资源，节约化肥，改善土壤生态环境。沼液的肥料化利用还存在着以下方面问题，需进一步深入研究与优化。

第一，沼液利用的生态环境风险问题。首先，需要明确沼液对“土壤—植物”生态系统的影响。不同区域环境、不同作物、不同类型土壤对沼液的重金属和盐分的代谢不同，因此需要通过长期定位监测确定安全限值，为合理、安全施用沼液提供技术指导，建立起科学的沼液施肥体系。同时，应在源头上降低重金属、抗生素等风险因素进入生态循环中，进而降低沼液在农业生产中的生态安全风险。

第二，不同原料沼液的标准化生产与施用问题。不同原料及其组合所产生的沼液特性不同，导致沼液的施用方式和用量也不相同。陈志龙等（2019）指出目前存在沼液质量标准和无害化标准缺失、沼液还田量缺乏计算依据、沼液还田政策配套不够完善等问题，需加强沼液无害化还田规范制定、沼液精准还田及沼液还田长效运行机制等方面。从经济成本考虑，浓缩沼液存在着成本高等问题，未浓缩沼液不适宜于远距离运输。对于相对固定的沼气工程，其服务半径相对固定，而区域内种植的作物类型及种植制度也基本稳定。因此，在相对固定的区域内，为更好建立沼液标准化肥料利用模式，应对沼气工程原料、发酵工艺、沼液处理与存放、沼液施用等方面实施标准化管理，以利于建立稳定的种养结合模式，推进区域沼液资源化利用效率。

基于以上问题，首先需要建立和完善适应现阶段农业生产的沼液利用配套设施。例如为配合现阶段的灌溉方式，可以将沼液输送到田间，形式为水沼肥一体化灌溉等。其次，制定区域沼肥施用指南，并加强政策监管。建议制定区域沼液安全评价技术导则与施用技术指南，出台相关激励补偿政策措施等。

五、小结

目前，沼液处理是许多大型沼气工程亟需解决的问题。养殖企业较化工或煤焦化产业效益低，受成本限制，难以直接使用现有的工业化的水处理工程或设备进行处理后达标排放。为解决沼液对沼气工程企业的负担，还应进行深入技术研究、制定积极政策并加强管理，构建高值化综合利用体系，以建立良好的产业循环模式，促进产业可持续健康发展。