畜禽養(yǎng)殖沼液回用土壤磷元素吸附解析環(huán)境行為分析

江莉 龔凱 柏沁含 黃洋洋 逯偉 朱家悅

摘 要：我國(guó)是畜禽養(yǎng)殖大國(guó)，產(chǎn)污量大且處理效率低，多數(shù)集約化養(yǎng)殖場(chǎng)的含磷污水未經(jīng)深度處理直接排放到水體造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化。文章通過對(duì)集約化養(yǎng)殖場(chǎng)沼液中磷素進(jìn)入土壤吸附解析環(huán)境行為進(jìn)行研究，確定厭氧或好氧工藝處理畜禽養(yǎng)殖沼液，合理選擇回灌土壤類型和土壤柱尺寸，最終根據(jù)Langmuir方程得出土壤磷最大吸附量（Qmax）、吸附常數(shù)（K）、最大緩沖容量（QmaxK）等參數(shù)探討分析土壤對(duì)磷的吸附解析能力。對(duì)保護(hù)土壤環(huán)境和水環(huán)境，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：沼液；土壤柱；磷；吸附；解析

近年來，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，集約化、發(fā)展規(guī)?；乃揭苍絹碓礁?，但是畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展帶來了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。未經(jīng)處理的畜禽糞便和廢水直接排入環(huán)境對(duì)地下水、地表水、土壤和空氣造成嚴(yán)重的污染。我國(guó)現(xiàn)階段畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廢水處理技術(shù)主要有“畜地平衡”模式、“達(dá)標(biāo)排放”模式和“綜合利用”模式，現(xiàn)階段主要采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣處理工藝，但畜禽糞便厭氧發(fā)酵后，仍然含高濃度的有機(jī)污染物、氮和磷素。

目前，磷的可持續(xù)利用以及從生產(chǎn)和生活的再循環(huán)，已成為資源與環(huán)境管理方面的熱點(diǎn)研究課題。當(dāng)污水中的磷去除與回收同時(shí)考慮時(shí)，除磷可通過回收目標(biāo)產(chǎn)物的方式實(shí)現(xiàn)。因此，研究畜禽養(yǎng)殖沼液回用土壤磷含量及吸附解析行為，對(duì)降低水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼液的處理工藝

畜禽養(yǎng)殖廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，廢水中含有濃度較高的氮和磷，應(yīng)采用具有脫氮除磷功能的工藝，如活性污泥法（SBR）、氧化溝等處理技術(shù)。好氧處理中推薦采用穩(wěn)定塘處理、土地處理和人工濕地等自然生物處理。自然生物處理法基礎(chǔ)建設(shè)成本低，功耗小，在一定條件下，這種方法可用廢水灌溉水的資源利用來實(shí)現(xiàn)。然而，該法仍有缺點(diǎn)，如占地面積大、易影響環(huán)境衛(wèi)生、處理效果易受季節(jié)影響等。

經(jīng)厭氧處理后廢水中的COD去除率為70%～85%，且運(yùn)行成本相對(duì)較低。厭氧處理后既可以實(shí)現(xiàn)無害化，同時(shí)還可以回收沼氣和有機(jī)肥料，是解決養(yǎng)殖廢水無害化和資源化問題的最有效的技術(shù)方案，是規(guī)?；笄輬?chǎng)糞便污水治理的最佳選擇。目前行業(yè)內(nèi)較為成熟的厭氧工藝主要有折流式反應(yīng)器（ABR） 、全混合厭氧反應(yīng)器（CSTR） 、升流式厭氧污泥床（UASB）、升流式固體反應(yīng)器（USR）等。糞污種類、工程類型和工藝路線影響著厭氧反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)。CSTR、USR 等適用于固體懸浮物（SS）濃度高的廢水處理和生豬糞污綜合利用處理；UASB是糞污達(dá)標(biāo)排放處理工藝推薦采用的厭氧反應(yīng)器類型， 但要求進(jìn)水的SS濃度較低，ABR介于兩者之間。張智等人通過對(duì)兩級(jí)A/0工藝處理沼液的效果COD、NH3-N、SS、TN分別為80.1%、83.2%、91.1%、48.6%。余薇薇等人通過對(duì)改良型A/O工藝處理沼液的效果SS、COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率為90.7%、90.7%、92.3%、76.4%、84%。

二、土壤類型的確定

重慶市分布面積最廣的土類是紫色土，面積為2737346.10 hm2，占全市土地面積的33.22%。紫色土可以保持穩(wěn)定的土壤性質(zhì)，具有優(yōu)良的生產(chǎn)性能和很高的土壤生產(chǎn)率。紫色土是發(fā)育于紫色巖層的幼年土，豐富的礦物成分，不同母質(zhì)、肥力紫色土間差異較大。郭松松等人的研究表明消落帶土壤有機(jī)質(zhì)含量黃壤土>紫色土>沖積潮土，土壤類型對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量影響不明顯；不同土壤類型氧化還原電位沖積潮土>黃壤土>紫色土，氧化還原電位差異明顯，沖積潮土的還原性最強(qiáng)，紫色土最弱；不同土壤類型含水率紫色土>黃壤土>沖積潮土，含水率的差異不大。紫色土為初育巖性土，受氣候帶的影響較小，土壤的診斷層發(fā)育顯著，紫色風(fēng)化物母質(zhì)和土壤的碳酸鈣含量大于3%，pH值大于7.5，劃為石灰性紫色土亞類；碳酸鈣含量1-3%，pH值6.5-7.5，劃為中性紫色土亞類；碳酸鈣含量<1%，pH值小于6.5，劃為酸性紫色土亞類。李靜等人研究表明淹水和干濕交替能促進(jìn)紫色土和水稻土對(duì)磷的吸附行為，減小磷的解吸率，降低磷水土界面的遷移能力，其向環(huán)境釋磷風(fēng)險(xiǎn)為未淹水土壤>干濕交替土壤>淹水土壤，紫色土>水稻土。

三、土壤柱的設(shè)計(jì)

土壤柱的相關(guān)尺寸決定的實(shí)驗(yàn)的效果。如張雨梅等人在洛克沙胂在土壤柱中的淋溶遷移實(shí)驗(yàn)中，土壤柱為內(nèi)徑5cm，高度15cm，并用蠕動(dòng)泵控制淋溶的速度；趙慶良等人在再生水用于地下回灌過程中有機(jī)物的遷移和去除實(shí)驗(yàn)中，土壤柱材料為有機(jī)玻璃，柱高150cm，直徑10cm，并且為取樣方便，將土壤柱分為3個(gè)串聯(lián)，各段用法蘭連接；王玉軍等人在阿特拉津在土柱中的淋溶規(guī)律研究實(shí)驗(yàn)中，土壤柱為高度30cm，每10cm為一采樣點(diǎn)。綜上研究可得：當(dāng)土壤柱的高度達(dá)到一定高度的時(shí)候，會(huì)對(duì)土壤柱中土壤的裝取形成一定干擾。因此，可以考慮使用多個(gè)小土壤柱串聯(lián)，在土壤柱串聯(lián)處使用法蘭連接，便于土壤的裝??；沼液的灌入使用蠕動(dòng)泵控制流速；取樣的開口盡量有規(guī)律且相對(duì)集中；土壤柱應(yīng)選擇透明度高的材料，如PVC、有機(jī)玻璃等；土壤柱表面刻有尺度，便于讀取數(shù)據(jù)。

四、土壤對(duì)磷元素的吸附過程

土壤對(duì)磷元素的吸附可分為物理吸附，物理化學(xué)吸附和化學(xué)吸附。Langmuir 和Freundlich方程描述了土壤磷元素吸附過程，得出土壤對(duì)磷吸附的重要參數(shù)：吸附常數(shù)（K）、磷最大吸附量（Qmax）、最大緩沖容量（QmaxK）。吸附常數(shù)在一定程度上反映了土壤吸附磷的幾個(gè)能級(jí)，該值越大，顯示處土壤與磷的結(jié)合能越大。許多研究表明，土壤對(duì)磷的吸附不僅與粒度、本身的化學(xué)組分等有關(guān)，還受有機(jī)質(zhì)含量、pH、鹽度、溫度等的影響。

1.淹水條件下的影響

李靜等人研究表明同一種土樣對(duì)磷的吸附量：淹水條件>干濕交替>未淹水條件，并且未淹水條件下土壤對(duì)磷的吸附量遠(yuǎn)小于淹水和干濕交替條件下土壤對(duì)磷的吸附量。郭松松等人研究表明周期性淹水可能導(dǎo)致消落帶土壤磷的流失，并增大其空間異質(zhì)性的分布。

2.不同土壤質(zhì)地的增加

朱強(qiáng)等人研究表明：隨著粘土含量的增加，土壤對(duì)磷的吸附量，即粘土>壤土>砂壤土；隨著粘土含量的增加，易解吸磷、解吸量、解吸率均呈下降趨勢(shì)，即砂壤土>壤土>粘土。

3.有機(jī)質(zhì)的影響

李華等人研究表明：有機(jī)質(zhì)含量和CEC也是影響磷吸附的重要因素，CEC越高的土壤，其表面負(fù)電荷數(shù)量越多，對(duì)磷的排斥作用就越大，從而吸附量就越小。有機(jī)質(zhì)與磷競(jìng)爭(zhēng)土壤表面的吸附位，使有機(jī)質(zhì)含量增加，對(duì)磷的吸附影響增大。紅壤性水稻土和磚紅壤CEC和有機(jī)質(zhì)含量均高于紅壤，并且隨著pH升高，土壤表面可變負(fù)電荷增加，其可能是兩種土壤對(duì)磷吸附量隨pH升高而明顯減少的原因。

4.pH的影響

馬良等人研究表明：不同土壤對(duì)磷的吸附量隨pH變化表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢(shì)。在pH 為3.0～5.5范圍內(nèi)，紅壤性水稻土和磚紅壤對(duì)磷的吸附量會(huì)隨pH增加呈直線減少的變化趨勢(shì)，紅壤性水稻土對(duì)磷的吸附量隨pH的變化幅度較大；紅壤對(duì)磷的吸附量先隨pH增加而增加，約在pH 4.0時(shí)達(dá)最大值，之后有所下降，但土壤對(duì)磷的吸附量隨pH變化的幅度比紅壤性水稻土和磚紅壤小得多。

五、土壤對(duì)磷元素的解析過程

土壤對(duì)磷的解析過程是復(fù)雜的，主要包括無機(jī)磷酸鹽的溶解和有機(jī)磷酸鹽的礦化作用。土壤的組成、土壤磷含量、氧化還原電位、溫度及微生物含量等因素都影響土壤對(duì)磷的解析過程。

1.溫度及微生物的影響

Liikanen研究發(fā)現(xiàn)無論是好氧還是厭氧條件，磷的釋放都將隨溫度升高而增加，溫度每升高1-3℃，底泥釋磷量會(huì)增加9-57%。劉玉蘭等人的研究表明微生物的分解加速溶解氧的耗竭，微生物的活動(dòng)促進(jìn)磷釋放到水體，微生物的作用可把有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷，并促使不溶性磷溶解。通過各結(jié)合態(tài)磷之間的相互轉(zhuǎn)化，可能增加或減少土壤總磷的含量。

2.氧化還原電位的影響

氧化還原電位對(duì)磷的解析有較顯著的影響，較高的氧化還原電位（>350mV）能使 Fe3+與磷酸鹽形成不溶的磷酸鐵，可溶性磷也會(huì)被氫氧化鐵吸附而逐漸沉降，較低的氧化還原電位（<200mV）有利于Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，使鐵結(jié)合磷與被吸附的磷酸鹽變成溶解態(tài)而析出，使不同的Fe（OH）3 轉(zhuǎn)化為Fe2+形式，磷釋放量增加。

3.磷濃度的影響

在不同處理過程中，磷的解析試驗(yàn)顯示，對(duì)照處理隨磷濃度的增加，磷的解析量逐漸增大，且解析率也呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)；當(dāng)加入的磷濃度小于20mg/L時(shí)，解析率平均為18.36%；當(dāng)加入的磷濃度大于20mg/L時(shí)，解析率平均為29.65%。

4.土壤顆粒大小及土壤來源的影響

對(duì)不同大小土壤顆粒間比較發(fā)現(xiàn)，隨著土壤顆粒粒徑的增大，磷的解析率增加。0.25～1mm、1～2mm、2～5mm、>5mm粒徑顆粒與<0.25mm土壤顆粒相比，磷的解析率分別平均增加11.8%、18.4%、21.6%、22.6%。由此說明，大顆粒不利于磷的吸附，但有利于磷的解析。與土壤原樣相比，1mm以下的兩個(gè)土壤顆粒（<0.25mm、0.25～1mm）的磷素解析率比土壤原樣的小，而大于1mm的土壤顆粒（1～2mm、2～5mm、>5mm）的磷素解析率比土壤原樣的高。土壤對(duì)磷的解吸量和解吸率都隨吸附量的增加而增加，除自然生草CK外，其他4種土壤對(duì)磷的解吸率都較低，為9.29%～19.05%。自然生草果園土壤對(duì)磷的解析率達(dá)到55%，而且在相同吸附量，自然生草土壤對(duì)磷的解吸量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人工生草土壤，說明該地區(qū)自然生草果園土壤對(duì)磷的緩沖能力較弱，而經(jīng)人工種植牧草均明顯的提高土壤對(duì)磷的緩沖能力。

六、結(jié)語

我們發(fā)現(xiàn)土壤對(duì)磷的吸附在淹水條件下>干濕交替>未淹水條件；土壤對(duì)磷的吸附量隨粘粒含量的增加而增大；不同土壤對(duì)磷的吸附量隨pH變化呈不同的變化趨勢(shì)；土壤對(duì)磷的吸附量隨有機(jī)質(zhì)含量增加而增大。土壤對(duì)磷的解析隨溫度升高而增大；隨土壤顆粒粒徑變大而增加；加入磷濃度的增加，磷的解析量逐漸增加，而且解析率也呈升高的趨勢(shì)。通過畜禽養(yǎng)殖沼液回用土壤磷元素吸附解析環(huán)境行為分析與影響因素的研究，可闡明畜禽養(yǎng)殖沼液的可持續(xù)利用，降低水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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