片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田對(duì)水環(huán)境的影響

朱志玲 許英杰 （上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物與生態(tài)技術(shù)系,上海市松江區(qū) 201699）

2010年，我國的畜禽養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為繼鋼鐵、煤炭行業(yè)之后污染排放最大的行業(yè)[1]，也成為了農(nóng)業(yè)源污染減排工作的重點(diǎn)。在開展畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染減排工作中，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場的污染減排工作是重中之重。經(jīng)研究，畜禽養(yǎng)殖場污染減排模式包括以生態(tài)還田為主線的五種鼓勵(lì)模式和五種普通模式[2]；上海市在“十二五”期間大力推進(jìn)了畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染減排，技術(shù)集成了生態(tài)還田、沼氣工程、污水納管、達(dá)標(biāo)排放四種模式，結(jié)合上海地區(qū)經(jīng)濟(jì)狀況、環(huán)境條件、種養(yǎng)結(jié)合水平等因素，通過投入、產(chǎn)出對(duì)比分析，確定前三種為鼓勵(lì)模式，而達(dá)標(biāo)排放模式的應(yīng)用逐漸弱化[3]。

在上海地區(qū)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場養(yǎng)殖量約占總養(yǎng)殖量的52%[3]，農(nóng)戶散養(yǎng)畜禽養(yǎng)殖量約占總養(yǎng)殖量的48%。由于散養(yǎng)畜禽糞便處理不易管理，更易隨意排放，造成周邊水體、土壤和大氣的污染，破壞村容村貌[4]。因此，上海市在推進(jìn)規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場污染減排的同時(shí)，也關(guān)注到農(nóng)戶散養(yǎng)畜禽糞便的處理問題。在規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便處理技術(shù)日趨成熟的情況下，上海市將資源化效果顯著的沼氣工程模式引入到農(nóng)戶散養(yǎng)畜禽糞便的處理上，形成了一種新的應(yīng)用模式——小型片區(qū)沼氣工程[5]。該模式將農(nóng)戶散養(yǎng)畜禽糞便收集后集中進(jìn)行沼氣工程處理，沼氣供給村民作為燃?xì)馐褂?，沼液沼渣做肥料還田。為了解該模式的污染減排效果及綜合效益，對(duì)該工程中的沼液沼渣還田對(duì)地表徑流的影響進(jìn)行了監(jiān)測，同時(shí)對(duì)片區(qū)沼氣工程進(jìn)行了投入、產(chǎn)出效益分析，以期為散養(yǎng)畜禽糞便處理技術(shù)的推廣應(yīng)用以及沼液還田制度的完善和減排政策的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場地

試驗(yàn)地片區(qū)小型沼氣工程（亦稱“沼氣集中供氣工程”）位于上海市崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)魯嶼村沼氣工程處理站（編號(hào)：崇沼10-05）。該工程將全村5戶養(yǎng)豬戶（存欄母豬量195頭，生豬年出欄量3 100頭，生豬年存欄量1 550頭）的豬糞尿全部進(jìn)行發(fā)酵處理，沼氣供全村229戶居民常年使用，沼液沼渣作為有機(jī)肥供周邊98.33 hm2農(nóng)田使用。

該沼氣工程系統(tǒng)總池容956.1 m3，其中發(fā)酵池池容為527.04 m3，理論日產(chǎn)氣量為270 m3。該沼氣站沼氣主要用于居民用能，考慮到居民用能的季節(jié)性變化，沼氣站在運(yùn)行工程中通過工藝措施調(diào)節(jié)和控制產(chǎn)氣量，以免產(chǎn)生過多沼氣，排空污染大氣。夏季，沼氣發(fā)酵池內(nèi)溫度控制在26～28℃，進(jìn)行常溫發(fā)酵，進(jìn)料池每日攪拌2次，每次15～30 min，日產(chǎn)氣量為120～130 m3；冬季，沼氣發(fā)酵池由外部加溫，池內(nèi)溫度控制在33 ℃，進(jìn)行中溫發(fā)酵，日產(chǎn)氣量為170～180 m3。自2012年4月運(yùn)行至2015年4月，合計(jì)產(chǎn)氣量為81 858 m3，合計(jì)居民用氣量達(dá)69 867 m3。

崇明區(qū)港沿鎮(zhèn)魯嶼村沼氣工程沼液沼渣還田的匹配農(nóng)田為崇明區(qū)合興村等周邊農(nóng)田，種植模式均為水稻、冬小麥輪作。根據(jù)所匹配農(nóng)田及其周邊農(nóng)田的布局，結(jié)合日常監(jiān)測和管理的可操作性，在合興村十二隊(duì)匹配農(nóng)田中選取3塊農(nóng)田作為實(shí)施沼液沼渣還田的處理農(nóng)田，在鄰近的周邊農(nóng)田選取3塊農(nóng)田作為實(shí)施沼液沼渣還田的對(duì)照農(nóng)田。在每塊處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田所處的排水溝渠兩端，設(shè)置擋水土壩收集徑流水，作為地表徑流水監(jiān)測點(diǎn)。在每塊處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田內(nèi)，分別設(shè)立地下水監(jiān)測孔，監(jiān)測孔的深度根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤淮_定為1 m。監(jiān)測孔為直徑15～25 cm、長度1.2 m的PVC管，底端敞口包裹紗布，頂端加蓋防止雨水進(jìn)入，安裝時(shí)底端需先鋪設(shè)石英砂，頂端則需露出地面超過20 cm。

1.2 監(jiān)測頻率

2014年6～9月對(duì)片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田的水環(huán)境展開監(jiān)測。在每次農(nóng)田灌水時(shí)，分別采集1塊處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的灌溉水樣品。根據(jù)降雨和地表徑流產(chǎn)生情況，每次降雨產(chǎn)流24 h內(nèi)在每塊處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的排水溝渠內(nèi)分別采集1個(gè)徑流水樣品。在每塊處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的地下水監(jiān)測孔，每次暴雨24 h后分別采集1個(gè)地下水樣品。采樣時(shí)，需先將監(jiān)測孔內(nèi)的積水抽干，等地下水重新滲入后再進(jìn)行采集。

1.3 監(jiān)測指標(biāo)

水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及各類監(jiān)測指標(biāo)分析方法見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 肥料施用情況

該片區(qū)沼氣工程的沼液沼渣未做固液分離，還田物為沼液沼渣混合物。沼液沼渣混合物的理化基本性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量2.28 g/L、總氮含量135 mg/L、總磷含量80 mg/L、總鉀含量1 050 mg/L。處理農(nóng)田面積為14 674 m2，水稻耕種方式為機(jī)插秧，對(duì)照農(nóng)田面積為10 672 m2，水稻耕種方式為直播。試驗(yàn)期間處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田施肥情況見表2。

表1 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及分析方法

表2 處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田施肥情況 （單位：kg）

2.2 片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田對(duì)地表徑流的影響

對(duì)處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田地表徑流分別進(jìn)行4次采樣監(jiān)測，結(jié)果見圖1。用t檢驗(yàn)法分別對(duì)處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的4次測定結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見表3。

圖1 崇明片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田地表徑流檢測結(jié)果

由表3可知，第一次檢測結(jié)果（2014年6月7日），處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田間的地表徑流中CODcr、總氮、總磷等5項(xiàng)指標(biāo)差異均不顯著。其中，CODcr值較高，處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的CODcr平均值分別為371.33 mg/L和359.33 mg/L。這可能是由于水稻插秧前深翻土地將前茬作物秸稈翻入土壤導(dǎo)致地表徑流中有機(jī)物含量較高。

第二次檢測結(jié)果（2014年7月3日），處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田間的地表徑流中CODcr、總氮和氨氮差異達(dá)極顯著水平，總磷差異達(dá)顯著水平，硝酸鹽氮差異不顯著。其中處理農(nóng)田的CODcr明顯高于對(duì)照農(nóng)田，平均值分別為133.33 mg/L和36.83 mg/L。分析原因可能是由于處理農(nóng)田施入沼液沼渣混合物，導(dǎo)致了地表徑流中有機(jī)物含量較高；同時(shí)，對(duì)照農(nóng)田施入的化肥中，純氮和P2O5含量高于處理農(nóng)田。因此，對(duì)照農(nóng)田的地表徑流中總磷、總氮和氨氮的數(shù)值明顯高于處理農(nóng)田。

第三次檢測結(jié)果（2014年7月13日），處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田間的地表徑流中CODcr、總磷、總氮差異達(dá)極顯著水平，硝酸鹽氮差異達(dá)顯著水平，氨氮差異不顯著。原因與第二次檢測結(jié)果相同。

第四次檢測結(jié)果（2014年8月18日），處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田間的地表徑流中CODcr、總磷差異達(dá)極顯著水平，總氮、氨氮、硝酸鹽氮差異不顯著。其中處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的CODcr平均值分別為138 mg/L和42.93 mg/L，處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的總磷平均值分別為0.35 mg/L和0.59 mg/L。原因與第2次檢測結(jié)果相同。在對(duì)照農(nóng)田純氮施入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處理農(nóng)田的情況下，總氮、氨氮和硝酸鹽氮均無顯著差異，分析原因可能是由于連續(xù)降雨造成了氮的流失。因此，處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的地表徑流中氮含量已無明顯差異。

2.3 片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田對(duì)地下徑流的影響

對(duì)處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的地下水分別進(jìn)行4次采樣監(jiān)測，結(jié)果見圖2。根據(jù)《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的III類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的地下徑流檢測結(jié)果進(jìn)行達(dá)標(biāo)分析，同時(shí)采用t檢驗(yàn)法對(duì)處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的檢測結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的氨氮檢測結(jié)果除第三次為達(dá)標(biāo)外，其余均不達(dá)標(biāo)。說明土壤和地下水中氨氮本底值較高。處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的硝酸鹽氮四次檢測結(jié)果均達(dá)標(biāo)，且硝酸鹽氮的檢測結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)顯著性分析，第三次檢測結(jié)果中處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田間氨氮差異達(dá)顯著水平，第四次檢測結(jié)果中處理農(nóng)田和對(duì)照農(nóng)田的總磷、硝酸鹽氮差異達(dá)顯著水平，氨氮差異達(dá)極顯著水平，其余各次各指標(biāo)測定結(jié)果差異均不顯著。說明沼液沼渣還田未對(duì)地下徑流中CODcr、總氮、總磷、硝酸鹽氮造成顯著影響，但沼液沼渣還田的處理農(nóng)田與施用化肥的對(duì)照農(nóng)田相比，地下徑流中氨氮數(shù)值明顯較低。

表3 崇明片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田地表徑流檢測結(jié)果顯著性分析 （單位：mg/L）

圖2 崇明片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田地下水檢測結(jié)果

3 討 論

3.1 片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田的水環(huán)境效益

本試驗(yàn)中對(duì)照農(nóng)田的施肥量遠(yuǎn)高于處理農(nóng)田，尤其是氮肥，每667 m2純氮總施用量為35.42 kg，為處理農(nóng)田的2.68倍。地表徑流監(jiān)測結(jié)果表明，與施用化肥的對(duì)照農(nóng)田相比，處理農(nóng)田采用沼液沼渣還田可使畜禽糞污水減排CODcr，地表徑流的總磷、總氮也均顯著低于對(duì)照農(nóng)田，其原因可能是由于對(duì)照農(nóng)田施肥量明顯高于處理農(nóng)田，這說明沼液沼渣還田與施用化肥相比，可以有效減少地表徑流中氮磷的流失。地下徑流監(jiān)測結(jié)果表明，沼液沼渣還田未對(duì)地下徑流中CODcr、總氮、總磷、硝酸鹽氮造成顯著影響，但采用沼液沼渣還田的處理農(nóng)田較施用化肥的對(duì)照農(nóng)田的地下徑流中氨氮含量明顯較低。

3.2 片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田的經(jīng)濟(jì)效益

以崇明縣合興村沼氣集中供氣工程為例，總投資50萬元，發(fā)酵池有效容積為69.3 m3，發(fā)酵池容積產(chǎn)氣率為0.6～1 m3/（m3·d），日產(chǎn)氣55.2 m3左右，沼渣沼液無償供應(yīng)周邊農(nóng)田使用，項(xiàng)目使用壽命為10年，固定資產(chǎn)殘值按10%計(jì)算。年運(yùn)行成本為25萬元。沼氣按1.5元/m3出售給農(nóng)戶，沼氣出售所得收入剛好可維持沼氣工程的后續(xù)運(yùn)行管理，使工程長效運(yùn)行成為可能[5]。

3.3 片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田的社會(huì)效益

片區(qū)沼氣工程的實(shí)施使養(yǎng)殖戶周邊環(huán)境得到了顯著改善，養(yǎng)殖場糞污得到了全部處理和資源化利用，周邊農(nóng)戶的生活環(huán)境得到了極大改觀，緩解了農(nóng)村鄰里矛盾。同時(shí)沼氣價(jià)格僅相當(dāng)于液化氣價(jià)格的40%，周邊居民用上了低廉高效的清潔能源。種植戶用沼液沼渣作有機(jī)肥還田，不僅提高了作物產(chǎn)量，還減少了化肥施用量，有力推動(dòng)了崇明生態(tài)島建設(shè)，具有較好的社會(huì)效益。

3.4 建議沼液沼渣分離，制取液體有機(jī)肥和固體有機(jī)肥

目前，魯嶼村的片區(qū)沼氣工程由于工程體量小、運(yùn)行成本高等原因未進(jìn)行沼液沼渣分離，以混合物形式還田，迫使還田面積增加。同時(shí)，由于季節(jié)性原因，在有些季節(jié)沼液沼渣無法還田處理，儲(chǔ)存成了難題。如將沼液沼渣分離，僅沼液還田，可有效解決還田面積問題；同時(shí)，研發(fā)沼液制作液體有機(jī)肥技術(shù)，使其商品化，不僅能解決沼液儲(chǔ)存問題，且將沼液出售還能增加經(jīng)濟(jì)收入。目前，關(guān)于沼液沼渣有機(jī)肥研制的試驗(yàn)開展已較多[6]，且形成了一定的行業(yè)規(guī)模，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有待完善。

4 結(jié) 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，與施用化肥的農(nóng)田相比，片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田后，有效減少了畜禽糞污的有機(jī)污染排放和地表徑流中氮磷的流失，且對(duì)地下徑流中的有機(jī)物、總氮、總磷含量沒有顯著影響，但地下徑流中的氨氮含量有一定程度的降低。同時(shí)，片區(qū)沼氣工程在水環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益方面均取得了較好的成效，且因工程有一定的持續(xù)經(jīng)濟(jì)收益，使其長期運(yùn)行成為可能，該工程運(yùn)行模式適用于散養(yǎng)戶畜禽糞便集中處理。

表4 崇明片區(qū)沼氣工程沼液沼渣還田地下水檢測結(jié)果顯著性分析 （單位：mg/L）

[1]環(huán)保部,國家統(tǒng)計(jì)局,農(nóng)業(yè)部.第一次全國污染源普查公報(bào)[Z].2010.

[2]環(huán)保部.關(guān)于印發(fā)《“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則》的通知[環(huán)發(fā)（2011）148][Z].2010.

[3]王振旗,錢曉雍,沈根祥.上海市規(guī)?；笄輬鑫廴緶p排模式分析與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào).2014,33（10）：2030-2035.

[4]吳二社,張松林,劉煥萍,等.農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖與土壤重金屬污染[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2011,27(3)：285-288.

[5]熊飛龍,朱洪光,石惠嫻,等.關(guān)于農(nóng)村沼氣集中供氣工程沼氣價(jià)格分析[J].中國沼氣.2011,29(4)：16-19.

[6]楊北橋.寧夏沼渣沼液有機(jī)肥開發(fā)應(yīng)用前景[J].寧夏農(nóng)林科技.2012,53(6)：66-68.