畜禽粪污沼液的综合利用及处理方式研究综述

摘要 从沼液的初级资源化利用、沼液资源的深度开发以及沼液污水处理3个方面对畜禽粪污沼液的利用及处理方式进行系统地阐述，并对当前畜禽粪污沼液的利用及处理过程中存在的问题及研究方向进行展望。

关键词 沼液；资源化利用；污水处理

中图分类号 S216.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）29-0026-04

近年来，随着禽畜粪污沼气工程的规模化、集约化发展，大型沼气发电或生物燃气提纯项目越来越多，随之而来的沼液问题也日益严重。据不完全统计，截至2011年，全国大中型的沼气工程已达73 000多处，年产沼液沼渣量达10亿t。而随着国家生物能源战略的调整，沼气工程近几年的发展趋势更加迅速，产生的沼液量也更加庞大。

畜禽粪污沼液含有丰富的有机及无机营养物质，可用作叶面肥、浸种剂以及动物的饲料添加剂等。但由于沼液含水量较高、储存运输困难、经济价值相对较低等特点，因而其推广应用受到很大限制。当工程规模过大，产生的沼液量远远超过当地农田最大消纳量时，由于其含有较高的氨氮、磷酸盐、腐殖酸等有机成分，碳氮比例严重失衡，从而变成1种难以治理的废水，若随意排放会对自然环境尤其是水体环境造成严重伤害。针对沼液的不同利用及处理方式，国内外已进行了大量的研究报道，但主要是针对其单一方面的利用及处理进行介绍，系统全面的阐述文章相对较少。基于此，笔者将目前畜禽粪污沼液的主要利用及处理方式进行系统概述，以期为该领域的研究提供参考。

1 畜禽粪污沼液的初级资源化利用

畜禽粪污沼液不仅含有丰富的氮、磷、钾、钙、镁、铁、锰等中微量元素，而且还含有大量腐殖酸、氨基酸、核酸等有机有益成分，是1种非常良好的叶面肥资源和饲料添加剂。另外，畜禽粪污沼液还含有吲哚乙酸、细胞分裂素、赤霉素等植物生长调节物质以及喹啉酮、糖类、维生素、多胺等生物活性成分[1-2]，对作物的品质改善及抗病防虫具有良好的促进作用。

1.1 畜禽粪污沼液在作物生长、品质提高方面的应用

目前，国内外关于沼液在作物上的应用已有大量报道。Lavinia等[3]在《BIOSLURRY：A SUPEREME FERTILISER》中详细阐述了沼液对蔬菜、水果、豆类等几个品类50多种作物的应用效果，研究发现，沼液对其中几乎所有作物具有促进生长作用。国内对沼液作为肥料或拌种剂等方式在果树、蔬菜及棉花等多种作物上的应用也进行了大量的试验[4-5]。不同试验均表明沼液不仅可以增加作物的产量、提高种子发芽率[6-7]，而且还可以相应地提高农产品的品质。袁祖华等[8]发现，沼液可以有效提高黄瓜的可溶性糖和VC含量，最高可分别提高42.40%和30.15%。向永生[9]在试验中发现，沼液可以将茶中的水溶性浸出物含量提高7.5%，对茶多酚和咖啡碱含量也有一定的促进作用。王卫平等[10]利用沼液替代化肥对柑橘树进行灌溉，结果显示柑橘中的总糖含量可以提高0.60%，可滴定酸含量降低0.26%，柑橘的口感得到显著提高。

1.2 畜禽粪污沼液在作物抗病防虫方面的应用

据张无敌等[11]的报道，沼液对作物的抗病防虫作用非常明显，其已被证实至少对17种作物的近30种病害以及19种虫害有良好的防治作用。另外，尹芳等[12]在实验室内研究了沼液对14种作物常见病原菌的抑制作用，发现沼液对烟草赤星病菌、稻瘟病菌等5种病原菌具有强烈的抑制效果，对甘薯黑斑病菌、西芹细菌等5种病原菌具有中等的抑制作用，且沼液浓度越高抑制效果越好。桑得福等[13]采用沼液、沼渣不同处理方式对黄芪进行灌根处理，结果表明施用沼液、沼渣对黄芪根腐病具有很好的防治效果，并且沼液灌根次数越多防治效果越明显，病情指数从42.81%降至11.94%。张伦德等[14]发现，沼液在柑橘上应用对于红蜘蛛、蚜虫的防治效果优于农药。

另外，沼液经常与杀虫、杀菌剂配合使用可以提高杀菌、杀虫效果。顾伟涛等[15]利用猪粪沼液复配5种不同农药对番茄早疫病病原菌进行防治效果研究，发现复配沼液后农药的杀菌效果均得到显著提升，且其对菌丝的抑制效果优于对孢子的抑制效果。郭生虎等[16]利用沼液复配的杀菌剂进行黄瓜霜霉病防效试验，结果表明10%丙烷脒甲霜灵+沼液的复配杀菌剂的防治效果显著优于其他处理，其5 000倍稀释液与10%丙烷脒甲霜灵500倍水乳液防治效果相当。

关于沼液在防病抗虫方面的机理报道较少，李正华[17]研究认为，氨氮、赤霉素、吲哚乙酸以及有机酸是最主要的抗病防虫因子；而马艳等[18]认为，拮抗微生物是防病抗病的主要因子，同等条件下无菌滤液的抗病效果远远低于沼液原液。

1.3 沼液在农业养殖方面的应用

沼液在农业养殖方面的应用亦有报道。郝民杰等[19]发现沼液对生长期的成蚓和幼蚓均有明显的促生长作用。有研究表明，在粗放的饲养环境下，猪日增重可达26%，育肥期可缩短20%[20]。吴巨昌[21]的研究结果表明，沼液施用于鱼塘可使鱼苗成活率提高10%～20%，成鲜鱼产量可提高19%～38%，同时还可改善鱼的鲜味。

2 沼液价值的深度开发利用

由于沼液具有含水量高、营养成分偏低、气味大等特点，因而制约了其产业化和商品化的进行。随着工业技术的发展，沼液浓缩逐渐成为沼液价值深度开发的重要方式。利用不同方式将沼液中多余水分去除可以提高沼液养分含量，从而使其成为养分全、效果好的高端有机肥料。山东民和生物科技股份有限公司已经建成了可处理300 t/d鸡粪沼液的沼液膜浓缩工程，浓缩后的“新状态”产品已推向市场且取得良好的反响，其膜浓缩后的清液可以直接回用冲刷鸡舍，达到了循环利用的目的。

2.1 沼液浓缩技术

膜技术应用之前，沼液浓缩主要依靠加热蒸馏法进行，该方法能耗高，对沼液成分破坏大，经济性不佳。随着膜技术在污水处理方面的发展与应用，利用不同膜工艺对沼液进行提纯浓缩已逐渐成为沼液浓缩的主要技术手段，其优点是纯物理过程浓缩，对沼液破坏小，可截留重金属、抗生素等有害物质，提高浓缩液的商品性和安全性。

目前国内外应用于沼液膜浓缩的研究主要集中在超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）以及反渗透膜（RO）等。梁康强等[22]利用DTRO设备对沼液进行了浓缩，经过预处理后，在运行压力为4.5～5.5 MPa情况下取得了最佳的浓缩效果，可将沼液浓缩4～5倍。宋成芳等[23]采用超滤膜和纳滤膜相结合的方法，在不同pH下，沼液体积浓缩倍数均可超过20倍，且磷元素和部分微量元素浓度甚至可提高100倍以上。Ruan等[24]利用MF+UF+RO对沼液进行了浓缩，RO工艺可将UF清液浓缩5倍，97%以上的化学需氧量（COD）和氨氮被截留在浓液当中。徐国瑞[25]利用纳滤膜将猪粪和牛粪进行了不同浓度地浓缩，并根据国家NY1429—2010含氨基酸水溶肥料标准进行配制，结果表明猪粪浓缩沼液配制的无土栽培营养液种植的作物产量和叶绿素较纯无机营养配方均有明显提高。

2.2 其他高价值利用

随着生物能源的需求越来越大，利用富油微藻炼制生物柴油逐渐成为热点。利用沼液中养分全的特点进行微藻养殖，一方面可以减少温室气体排放，另一方面可回收利用污水氮、磷元素，同时还可降低生物能源成本。王翠[26]将富油小球藻在不同浓度沼液的培养基中进行培养，结果发现在沼液浓度为50%、接种OD680值为1.023左右、光照强度为4 000 lx、光暗周期20∶4、初始pH为7.0的条件下，生物量和油脂含量达到最佳，总氮、总磷利用率均在90%以上。赵凤敏等[27]利用4种产油小球藻在不同沼液添加比例的培养基中筛选出了1株产油率最高的BJ05藻种，在沼液污水与绿藻培养基体积比为1∶3情况下，其产油率为9.20 mg/（d·L），高于纯绿藻培养基的8.66 mg/（d·L）。

另外，吴慧斌[28]在鸡粪沼液中分离得到了叶黄素、6-羟基-3，4-二氢喹啉-2-酮和大豆甾醇3种化合物，发现喹啉酮类对2种肿瘤细胞具有良好的抑制作用，该研究为沼液的深度开发提供了一定的方向和基础。

3 沼液废水的处理

当沼液产生量超过当地土壤的消纳能力后，由于其氨氮、总磷和COD含量较高，成分复杂且碳氮比失衡，从而成为1种难以处理的工业污水。若单纯利用化学法处理成本太高，对企业是1种巨大的负担，因此目前主要采用相对经济的生物法进行处理。生物法主要分为自然生物处理方法和生化处理法。

3.1 自然生物处理方法

自然生物处理方法主要为氧化塘和人工湿地处理方法。氧化塘与水体的自净化类似，是1类依靠自然生物净化使污水达到净化的方式，而人工湿地是人为建造和控制的类似于沼泽的地面，利用物理、生物和化学方法对沼液进行处理。二者均适用于土地宽广、气候温和且周边有荒地和林地的地区，优势是投资少、设备简单，劣势为占地面积大，在土地稀缺地区难以实现，处理效果受外界因素干扰多，尤其是在北方其受温度影响较大。靳红梅等[29]的研究结果表明，多级氧化塘可显著降低沼液中的氮、磷含量。朱凤香等[30]对茭白、莲藕和水稻的沼液净化能力进行了研究，结果表明茭白和莲藕需7 d左右可将COD和氨氮含量约为1 000 mg/L 的猪粪沼液处理到畜禽养殖业污水排放标准，而水稻需要14 d左右。

3.2 生化处理法

当前常用的污水处理工艺有厌氧-好氧活性污泥法（AN/O）、氧化沟法、间歇式活性污泥法（SBR）、生物膜法等。其中SBR方法因为工艺简单、操作灵活、出水稳定、抗冲击能力强而被广泛应用，是沼液处理最常用方法，约占所有工程的90%。由于沼液碳氮比失调，腐殖酸、富里酸等难以分解的有机物质含量较多，可生化性较低，因此直接利用1种工艺很难使沼液达到污水排放标准，尤其是以鸡粪为原料产生的沼液，其COD和氨氮含量是猪粪沼液的数倍，生物法处理难度更大，通常需要配合其他化学、物理工艺或不同生物处理方式组合进行处理。

3.2.1 AN/O工艺。

AN/O工艺是污水处理中应用较为广泛的技术，具有出水水质好、脱氮效率高、占地省等优点。毕胜兰[31]利用正交试验探索AN/O工艺处理沼液的最佳运行条件，结果表明在溶解氧（DO）含量为2.0～3.0 mg/L、回流比为200%、停留时间为36 h的最优工况下，沼液中的COD和氨氮去除率分别为91%和95%。余薇薇等[32]采用改良型二级 A/O工艺处理畜禽养殖场的沼液，经过1个月的驯化，当全进沼液后，通过调节沼液与原水的比例，使碳氮比达到5，并以7∶3的比例注入第1、第2厌氧池内，COD、氨氮和总磷的去除率分别可达89.0%、93.2%和98.8%。邓觅[33]利用一体式的A/O工艺处理猪粪沼液，在进水碳氮比为2.6的情况下，出水COD含量维持在330～380 mg/L，消化液回流比为200%时，氨氮去除率为89.4%。

3.2.2 SBR工艺及其改进工艺。

SBR法又称续批式活性污泥法，原理同活性污泥法，只是该方法是通过时间控制将调节池、曝气池和沉淀池等集中在1个池子进行。方炳南等[34]利用常规SBR工艺对COD含量为1 500～4 000 mg/L、氨氮含量为200～600 mg/L的沼液直接处理，COD去除率仅为20%，氨氮去除为60%，在处理过程中添加碱维持平衡，氨氮去除效果仍不理想，说明畜禽粪便厌氧发酵沼液不适合直接利用SBR工艺进行处理，需要对工艺进行优化调整。

邓良伟等[35]利用SBR工艺直接处理猪粪沼液发现效果不佳，经过检测，发现厌氧发酵后的沼液BOD5∶N∶P仅为2.3∶8.0∶1.0，且其碳氮比严重失调。利用生活污水将沼液BOD5∶N∶P变为11∶7∶1，增加沼液的可生化性，并对氨氮菌进行驯化，COD和BOD去除率分别可达89.9%～93.4%、97.9%，氨氮去除率可达99%以上。邓良伟等[36]利用厌氧+原水+间隙曝气（Anarwia）工艺处理猪粪废水，并与厌氧-SBR以及SBR处理猪场废水进行比较，结果表明Anarwia工艺与SBR方法去除效果相当，其污染物去除率高，氨氮和COD可以达到GB18596—2001的排放标准。陈碧美等[37]利用2次进水SBR方法处理猪粪沼液，前后添加原水比例为2∶1，前后SBR停留时间为2.9 d，结果显示出水氨氮含量为58.64 mg/L，COD含量降至400 mg/L以下，但总磷含量相对较高，需用硫酸亚铁进行沉淀才可以达标。王锋等[38]利用鸟粪石+SBR+混凝工艺可将鸡粪沼液中的COD含量由9 200 mg/L降至280 mg/L、氨氮含量由3 200 mg/L降至36 mg/L、总磷含量由270 mg/L降至3 mg/L。马焕春[39]利用三级微电解-电极-SBBR工艺处理畜禽养殖场沼液，可将氨氮含量由800～1 600 mg/L降至56～79 mg/L、COD含量由4 400～6 600 mg/L降至231～396 mg/L，均达到GB18586—2001的排放标准。

3.2.3 膜生物反应器（MBR）工艺及其组合工艺。

张威等[40]利用AO工艺+浸没式MBR工艺处理猪场废水，进水COD含量为9 100 mg/L、氨氮含量为450 mg/L，经处理后，出水COD含量<85 mg/L、氨氮含量<5 mg/L。税勇等[41]采用MBR（传统膜生物反应器）和BF-MBR（生物膜式膜生物反应器，无纺布填料）2种工艺对沼液进行处理，在COD/TN提高至2.3±0.4时，BF-MBR对氨氮和COD的去除率分别为92.3%±2.4%和97.5%±4.1%，而MBR对氨氮和COD的去除率分别为91.9%±1.5%和91.2%±14.0%。冯亮[42]的研究结果表明，当低浓度沼液（COD含量≤500 mg/L，氨氮和总氮含量≤500 mg/L，总磷含量≤20 mg/L ）经过A/O-MBR处理后，可以达到《农田灌溉水水质标准》要求，而高浓度沼液（COD含量为500～3 000 mg/L，氨氮和总氮含量为500～1 500 mg/L，总磷含量为20～50 mg/L ）需经过化学絮凝-A/O-MBR工艺处理，沼液才可以达到农田排放标准，但二者对总氮的去除效率均不佳，氮主要以硝酸盐形式排出。

3.2.4 新型工艺。

短程硝化反硝化除氮工艺又称Sharon工艺，其基本原理是通过控制好氧段工艺，使氨氮转化为亚硝态氮，抑制亚硝态氮向硝态氮转化，然后直接回流至厌氧段进行脱氮处理，从而缩短硝化反应路程。厌氧氨氧化工艺又称ANAMMOX工艺，其基本原理是厌氧条件下，氨氮可以和亚硝酸盐直接反应生成氮气，减少对有机物和溶氧的依赖。二者可以从根本上降低沼液处理的加碱量和能耗。

赵楠婕等[43]利用ANAMMOX工艺处理猪场沼液，结果表明该工艺可以大大减少有机物的加入，工艺最佳运行条件下，氨氮去除率达87.60%，亚硝态氮去除率达99.96%，该工艺还可节约62.5%的耗氧量和50.0%的耗碱量；随后该学者利用Sharon 和ANAMMOX工艺组合对氨氮含量为700 mg/L的沼液进行处理，结果表明氨氮和COD去除率分别可达94.3%和89.3%[44]。

宋国梁[45]利用Sharon-ANAMMOX工艺处理高氨氮浓度猪场废水厌氧消化液，在进水氨氮含量为431.09 mg/L时，出水氨氮含量为35.63 mg/L，总氮去除率达83.31%，完全达到GB18586—2001污水排放标准的要求。

4 展望

目前，关于沼液应用及处理方面研究很多，并取得了一定的进展，但仍有许多方面需要加强。

（1）沼液在不同作物上的应用已有大量研究和报道，但沼液作为生物农药方面的开发相对不足，其抗病防虫机理研究相对不够深入。

（2）沼液浓缩膜的价格相对昂贵，且长时间运行会存在堵膜或膜寿命缩短的现象。膜的耐用及抗堵塞性能方面需进一步研究。另外，浓缩后的沼液产品国家暂无相应的肥料标准，为使其走向商品化而添加其他化学成分以达到国家现有肥料标准会对沼液的有机特性产生一定的破坏作用。

（3）目前COD和氨氮含量过高的鸡粪沼液处理仍是1个难题，许多沼液处理工程需额外添加碳源和碱来维持处理效果，这不仅造成二次污染，而且还大大增加了处理成本。理论上短程硝化反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺联合可降低能源和碱的消耗，但大多停留在实验室研究阶段，真正在工程上应用的较少，需进一步加强研究，克服现有技术难题，使其得到广泛应用。

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