规模化养猪场沼气工程沼液特性研究

陈 贵, 孙 达, 鲁晨妮, 朱静娜, 胡文凌, 章 斐, 张红梅, 沈亚强, 王保君, 程旺大

(1.浙江省嘉兴市农业科学研究院，浙江 嘉兴 314016；2. 浙江省嘉兴市南湖区农作物管理站，浙江 嘉兴 314051；3.浙江省嘉兴生态环境监测中心，浙江 嘉兴 314000)

沼液是生猪养殖场粪尿及冲洗污水沼气化利用过程中的产品之一，含有丰富的氮磷钾等营养元素，其中保氮率高达90%以上，氮素结构得到优化，磷和钾的回收率也可达80%～90%[1,2]。另外，沼液中还含有丰富的中微量元素。沼液还田利用是发展生态循环农业，种养结合，减少化学肥料投入、降低河湖水体富营养化程度和减轻城镇污水处理负荷的有效途径[3]。针对不同作物类型，包括粮食作物、蔬菜、果树等应用沼液，前人已经开展了很多相关研究。如沼液浇灌对作物生长、产量和品质，土壤理化性状以及微生物结构特性的影响[4-6]；对生态环境，如田间氨挥发、渗漏水氮浓度等的影响[7-8]。一些研究也明确了作物生长季沼液浇灌总用量[1,4,9-10]。然而，大多数研究并未关注沼液特性的时空差异，这很可能使研究结果与实际应用效果之间存在一定误差。

了解沼液特性的时空变化特性不仅有利于为科学开展沼液研究提供指导，而且有利于为沼液资源化利用提供理论指导。本研究以规模化养猪场沼气工程沼液为研究对象，在不同时间点采集8个生猪养殖场沼液储存池沼液样品，测定分析其中不同形态氮含量及各自占比，沼液磷钾含量、酸碱度和化学需氧量，以及重金属元素含量，分析不同沼液储存池沼液在同一时间采集或同一沼液储存池沼液在不同时间采集时的沼液特性，沼液科学合理农用提供指导。

1 试验点和采样方式

选取浙江省嘉兴市8家规模化生猪养殖场作为沼液样品采集地，8家规模养殖场详细信息如表1所示。分别于2015年9月份和同年12月份进行沼液样品采集，在每处沼液储存池中取代表性5份沼液样品，并混合在一起组成混合样品，带回实验室，用定性滤纸过滤后进行分析测定。

表1 南湖区8生猪养殖场信息

2 测定项目与方法

全氮采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，氨氮采用靛粉蓝比色法，硝态氮采用紫外分光光度法，全磷采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法，全钾采用火焰分光光度法测定，COD采用重铬酸钾法，电导率采集电导率仪测量，重金属元素(As，Cd，Cu，Fe，Mn，Ni，Pb和Zn) 采用微波消解后电感耦合等离子体质谱法(ICP-Ms) 测定。

3 结果与分析

3.1 氮浓度和形态变化特性

由图1可见，当在同一时间采集时，8个养殖场沼液存储池沼液中的TN浓度变化较大。其中，9月24日采集变化幅度为320～1358 mg·L-1，平均903 mg·L-1，变异系数为40.2%；12月22日采集变化幅度为260～779 mg·L-1，平均600 mg·L-1，变异系数为28.1%。当在不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液中TN浓度差值为46.1～731 mg·L-1，平均427 mg·L-1，变异系数为55.6%。由此可见，不管是同一时间采集不同沼液存储池沼液样品，还是不同时间点采集同一沼液存储池沼液样品，沼液中TN含量均存在较大差异。本研究中监测到的TN浓度的最大值为1358 mg·L-1。

图1 沼液存储池沼液中TN浓度变化

图2 沼液存储池沼液中浓度变化

图3 沼液存储池沼液中浓度变化

由图4所知，沼液中也存在一定数量的可溶性有机态氮(DON)。在同一时间采集的8个养殖场沼液存储池沼液中DON浓度在9月24日的变幅为47.1～211 mg·L-1，平均100 mg·L-1，变异系数为62.7%，在12月22日的变幅为20.2～91.5 mg·L-1，平均58.7 mg·L-1L，变异系数为38.4%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液中DON浓度差值为1.41～160 mg·L-1，平均46.8 mg·L-1，变异系数为113%。

图4 沼液存储池沼液中DON浓度变化

表1 沼液中不同形态氮素占全氮含量比例 (%)

3.2 沼液酸碱度、磷和钾含量特性

由图5可见，9月24日采集不同沼液存储池沼液样品pH值变化幅度为7.50～8.66，平均8.11，变异系数为4.34%，12月22日采集变化幅度为7.67～8.89，平均8.23，变异系数为4.37%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液酸碱度差值变幅为0.15～1.39，平均0.45，变异系数为93.1%。

图5 沼液存储池沼液中pH值浓度变化

由图6可见，当在同一时间采集时，8个养殖场沼液存储池沼液中的P浓度变化也较大。然而，沼液中P含量远低于N含量。9月24日采集沼液样品变化幅度为4.52～33.7 mg·L-1，平均17.8 mg·L-1，变异系数为57.4%，12月22日采集变化幅度为4.80～49.1 mg·L-1，平均23.1 mg·L-1，变异系数为62.1%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液中P浓度差异亦较大，差值变幅为2.53～22.5 mg·L-1，平均11.5 mg·L-1，变异系数为68.3%。由此可见，不管是同一沼液存储池的不同批次沼液还是不同沼液存储池间沼液中P含量也存在较大差异，尽管含量相对较低。

图6 沼液存储池沼液中P的浓度变化

沼液中K浓度低于N浓度，但高于P浓度，变幅同样较大。当在同一时间采集的8个养殖场沼液存储池沼液中K浓度在9月24日的变幅为51.7～259 mg·L-1，平均159 mg·L-1，变异系数为49.6%；在12月22日的变幅为29.0～201 mg·L-1，平均111 mg·L-1，变异系数为48.0%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液中K浓度差值为9.41～148 mg·L-1，平均87.8 mg·L-1，变异系数为55.7%(见图7)。

图7 沼液存储池沼液中K的浓度变化

3.3 COD和电导率特征

COD可作为衡量水中有机物质含量多少的重点指标。由图8可见，9月24采集不同沼液存储池沼液样品变化幅度为730～3559 mg·L-1，平均1718 mg·L-1，变异系数为53.8%，12月22日采集变化幅度为637～1592 mg·L-1，平均905 mg·L-1，变异系数为32.8%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液中COD浓度变幅为16.4～2775 mg·L-1，平均874 mg·L-1，变异系数为95.4%。由此可见，尽管已经过一定阶段的厌氧发酵，沼液中仍含有相当数量的有机物质，且同一时间采集不同养殖场沼液存储池沼液和不同时间采集同一沼液存储池沼液中有机物质含量变化均较大。

图8 沼液存储池沼液中COD变化

9月24日采集不同沼液存储池沼液样品中电导率值变化幅度为1.93～7.60 ms·cm-1，平均4.86 ms·cm-1，变异系数为37.2%，12月22日采集变化幅度为4.87～8.34 ms·cm-1，平均6.98 ms·cm-1，变异系数为16.7%。当不同时间点采集同一沼液存储池沼液时，沼液电导率差值变幅为0.06～5.49 ms·cm-1，平均2.30 ms·cm-1，变异系数为82.9% (见图9)。沼液中除大量无机态氮，磷和钾元素以外，同时还含有相当数量的中微量元素，可供作物吸收利用。

图9 沼液存储池沼液中电导率变化

3.4 重金属元素含量

由图10～图15可见，同一时间采集不同养殖场沼液存储池沼液中重金属元素含量和不同时间采集同一沼液存储池沼液重金属元素含量也存在较大差异和变动。8个沼液储存池两次采集沼液中Cr的浓度范围为0.04～0.15 mg·L-1(平均为0.07 mg·L-1)，Cu的浓度范围为0.11～2.78 mg·L-1(平均为1.02 mg·L-1)，Zn的浓度范围为0.93～10.9 mg·L-1(平均为3.87 mg·L-1)，As的浓度范围为0.006～0.040 mg·L-1(平均为0.014 mg·L-1)，Cd的浓度范围为0.00～0.03 mg·L-1(平均为0.01 mg·L-1)，Pb的浓度范围为0.03～0.08 mg·L-1(平均为0.07 mg·L-1)。

图10 沼液存储池沼液中重金属元素Cr含量变化

图11 沼液存储池沼液中重金属元素Cu含量变化

图12 沼液存储池沼液中重金属元素Zn含量变化

图13 沼液存储池沼液中重金属元素As含量变化

图14 沼液存储池沼液中重金属元素Cd含量变化

图15 沼液存储池沼液中重金属元素Pb含量变化

4 结论与讨论

(2)沼液呈碱性(pH值7.50～8.89，平均8.20)，同一时间采集不同沼液储存池沼液酸碱度变异较小，而不同时间采集同一沼液储存池沼液酸碱度差值的变异系数则较大。因此，利用沼液浇灌农作物对土壤，特别是酸性土壤具有调节作用。一些研究成果也证明了这一点[9,14]，主要因为沼液使用会使硝化土壤中的硝化作用减缓，降低硝态氮含量，防止土壤酸化[14]。然而，一些研究表明，浇灌沼液有利于改良碱性土壤，主要原因可能与所浇灌沼液酸碱度小于土壤酸碱度紧密相关[15-16]。

(3)沼液具有高的化学需氧量(COD)(637～3559 mg·L-1)。不论是同一时间采集不同沼液储存池沼液还是不同时间采集同一沼液储存池沼液的化学需氧量(COD)的变异幅度均较大。COD表征水中受还原性物质污染的程度，包括各种有机化合物和亚硝酸盐、硫化物、亚铁盐等无机化合物[17-18]。在农业部印发的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》里主要是将氮、磷等元素作为还田负荷量计算的关键因子，而对COD无具体要求。然而，也有研究表明，低量沼液COD 1556 kg·hm-2能够促进黄瓜幼苗生长，但是高量沼液COD 3132 kg·hm-2能够抑制幼苗生长，并认为COD含量是影响沼液农田利用的关键限制因子[18]。因此，建议在实际沼液农用过程中最好能够根据不同作物类型和耕作模式进行合理化应用。

(4)沼液中重金属元素浓度从大到小依次为：Zn，Cu，Pb，Cr，As，Cd。同一时间采集不同沼液储存池沼液和不同时间采集同一沼液储存池沼液重金属元素含量存在较大差异和变化。根据农用灌溉水标准(GB 5084-2005)中Zn，Cu，Pb，Cr，As和Cd的限值分别为2 mg·L-1，1 mg·L-1，0.2 mg·L-1，0.1 mg·L-1，0.05 mg·L-1和0.01 mg·L-1。因此，如果以农用灌溉水标准作为标准，沼液中Zn，Cu，Cr和Cd浓度存在超标风险。然而，如果根据有机肥标准(NY 525-2011)中Pb，Cr，As和Cd的限值(50 mg·kg-1，150 mg·kg-1，15 mg·kg-1和3 mg·kg-1)，则沼液符合安全标准。陈瑶[19]等研究发现，连续浇灌沼液对土壤重金属Cu，Zn，Pb，Cd含量影响不大，均未超过国家土壤环境二级标准，但随浇灌时间延长，Pb和Cd含量呈缓慢上升趋势。因此，如果长期大量浇灌沼液仍需进行安全风险监测，以防范可能存在的土壤环境重金属和食品安全风险。

(5)本研究中秋季(9月24日)采集沼液储存池沼液的氮浓度和COD浓度大多高于冬季(12月22日)采集样品；而pH值和电导率则相反，表出为秋季沼液低于冬季沼液。沼液其它参数则无明显特征。秋季沼液氮浓度高的主要原因可能是秋季温度相对较高，猪粪尿产生量大于冬季[20]，为了及时处理干湿分离后的液体，秋季沼液发酵与冬季相比时间较短，储存时间也相对较短。而有研究表明，沼液中氮浓度随储存时间延长呈下降趋势[21]。秋季沼液COD浓度高的主要原因可能与温度紧密相关[21]。秋季温度相对较高，猪粪中的有机物质易溶于尿液中；另外，秋季产生尿液量相对较大[20]，为加速处理沼液，消化时间相对较短，其中有机物质分解不彻底。吴华山[21]等研究结果也表明，冬季沼液pH值要高于秋季。主要原因可能是冬季尿液氮含量高于秋季，且主要以氨氮为主[22]。冬季沼液消化和储存时间相对较长，氨氮损失量亦大[21]，使更多碱性离子留于沼液中，导致沼液pH值略高。有研究也证实，随沼液储存时间延长，沼液pH值呈升高趋势[23]。冬季沼液电导率大多高于秋季，表明冬季沼液中总盐离子浓度较高。初步判断电导率高可能与引起冬季沼液pH值高的碱性离子数量紧密相关。但具体原因仍需进一步深入研究。