豬場沼液高值化綜合利用研究進展及前景分析

巫小丹, 岑慶靜, 吳冬梅, 鄭洪立, 向書玉, 廖鐘娟, 羅 玲, 阮榕生, 劉玉環(huán)

( 1.南昌大學(xué)食品學(xué)院， 南昌 330031； 2.南昌大學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化教育部工程研究中心， 南昌 330047； 3.南昌大學(xué)圖書館， 南昌 330031 )

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，生豬養(yǎng)殖正朝著規(guī)?；?、集約化的方向發(fā)展，成為我國農(nóng)村經(jīng)濟中最活躍的經(jīng)濟增長點和主要的支柱產(chǎn)業(yè)。隨著規(guī)模化、集約化所帶來高環(huán)境負荷量與耕地資源不斷萎縮矛盾的日益加劇，環(huán)境問題日益凸顯，成為制約養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題[1]，在環(huán)保政策的壓力下，我國生豬存欄量呈下降趨勢[2]。據(jù)中國環(huán)境保護部統(tǒng)計，2015年全國131837家規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場和7578家規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖小區(qū)排放化學(xué)需氧量1015.5萬噸、氨氮55.2萬噸[3]。近年來，隨著《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)政策》(環(huán)發(fā)[2010]151號)、《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》(國務(wù)院令第643號)、《水污染防治行動計劃》(國發(fā)[2015]17號)、《畜禽養(yǎng)殖禁養(yǎng)區(qū)劃定技術(shù)指南》(環(huán)辦水體[2016]99號)、《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》(國發(fā)[2016]65號)、《關(guān)于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》(國發(fā)[2017]48號)等政策法規(guī)的相繼出臺，國家明確要求對畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放指標(biāo)實施協(xié)同控制，大力推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物污染治理與資源化利用，以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的沼氣工程能消納有機廢棄物、緩解能源短缺，得到日益廣泛的應(yīng)用。根據(jù)《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，到2020年，我國將建成大型畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程10000座，工業(yè)有機廢水沼氣工程6000座，年產(chǎn)沼氣約140億立方米，沼氣發(fā)電達到300萬千瓦。沼氣工程所產(chǎn)沼液數(shù)量龐大，沼液利用是循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)豬沼液中含有豐富的養(yǎng)分，可以作為有機肥料施用于農(nóng)田，歐美發(fā)達國家對于沼液的處理均是經(jīng)過長期貯存后作為肥料在大田消納[4]。由于沼液運輸成本高，且沼液連續(xù)生產(chǎn)與季節(jié)性施肥存在矛盾，加上我國的沼氣工程項目很少有足夠的土地貯存和消納沼液，導(dǎo)致養(yǎng)豬沼液的處理一直是我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)和環(huán)保部門的棘手問題。面對數(shù)量龐大且日漸增多的沼液，若沒有進行無害化、資源化處理，而將其任意排放，將會造成二次污染，嚴重制約沼氣工程的發(fā)展。目前，我國畜牧業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，為了保證沼氣工程的穩(wěn)定良好發(fā)展，促進畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，加快推進農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)，養(yǎng)豬沼液高附加值資源化利用勢在必行。

本文通過文獻調(diào)研，綜述了養(yǎng)豬沼液在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀和高附加值資源化利用研究進展，提出我國養(yǎng)豬沼液應(yīng)推行梯度資源化處理，構(gòu)建高值化綜合利用體系，以期為拓寬養(yǎng)豬沼液利用途徑，實現(xiàn)其安全高效利用提供參考。

1 養(yǎng)豬沼液特性概述

養(yǎng)豬沼液是豬場糞污等有機物經(jīng)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生CH4和CO2等氣體后的殘留液。養(yǎng)豬沼液具有COD高、氨氮高、TP高的特點，特征污染物含量如表1所示。沼液中富含氮、磷、鉀等大量元素和銅、鐵、鋅等微量元素，還有各種氨基酸、維生素、水解酶、植物激素以及病蟲抑制因子等物質(zhì)。除此以外，沼液中可能還存在較高濃度糞大腸菌群[5]，少量獸藥抗生素[6]，有毒副作用的激素，及Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金屬離子[7]。因此，在應(yīng)用沼液過程中應(yīng)形成安全處理和安全施用的意識。

2 養(yǎng)豬沼液傳統(tǒng)資源化利用現(xiàn)狀

2.1 沼液在種植業(yè)的應(yīng)用

養(yǎng)豬沼液含有大量的營養(yǎng)元素、豐富的有機物質(zhì)(如氨和銨鹽、丁酸、植物激素赤霉素、吲哚乙酸以及維生素B12等)，速效營養(yǎng)能力強，養(yǎng)分可利用率高，不但能提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且具有防病抗逆作用，是一種優(yōu)質(zhì)的有機液體肥料[11-12]，享有“生物農(nóng)藥”之美稱。目前，養(yǎng)豬沼液在種植業(yè)上的應(yīng)用主要是在沼液浸種、沼液灌根、葉面噴施、改良土壤等方面(見表2)。

表2 沼液在種植業(yè)上的應(yīng)用

2.2 沼液在林業(yè)的應(yīng)用

沼液在林業(yè)也有較廣泛的應(yīng)用，主要有根部施沼液和葉面噴施兩種方式，施用沼液可降低蟲口密度，提高坐果率5%以上，增產(chǎn)10%～30%，降低農(nóng)業(yè)成本[24]。亓翠玲[25]等的研究表明沼渣沼液穴貯對于果園水肥的補充效果較好，可使櫻桃樹單株產(chǎn)量增加21.76%，單果重增加28.89%。王炳華[26]等對初果期香榧林施用不同濃度的沼液，發(fā)現(xiàn)合適濃度的沼液對香榧林的生長有促進作用。

2.3 沼液在養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用

沼液中含有多種氨基酸、維生素、有機酸和大量粗蛋白等營養(yǎng)物質(zhì)，可以滿足多種生命體的營養(yǎng)需求，可應(yīng)用于禽畜飼養(yǎng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖等方面。將沼液與水混合供應(yīng)給禽畜食用后，發(fā)現(xiàn)沼液能夠刺激家禽卵巢的排卵功能，促進其生產(chǎn)發(fā)育[27]。將沼液施入魚塘，沼液中豐富的營養(yǎng)元素能促進浮游生物生長，成為魚類餌料，同時沼肥中半消化或未消化的飼料可供魚食用。沼液養(yǎng)魚可彌補人工飼料營養(yǎng)不足的缺陷，減少飼料投放量，改善魚塘生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)養(yǎng)魚[28]。

3 養(yǎng)豬沼液高附加值資源化利用現(xiàn)狀

近年來，隨著科技的發(fā)展，養(yǎng)豬沼液結(jié)合一些高新技術(shù)開啟了高附加值資源化利用的研究道路。

3.1 膜分離技術(shù)獲得高濃縮液體有機肥

膜處理技術(shù)是一項成熟的水凈化技術(shù)[29]。養(yǎng)豬沼液中單位體積養(yǎng)分含量低，儲存、運輸成本較高，隨著膜分離技術(shù)的發(fā)展，可通過膜分離技術(shù)獲得高濃縮液體有機肥以實現(xiàn)高值化利用。沼液經(jīng)膜濃縮處理后，有機肥營養(yǎng)成分濃度可明顯升高，重金屬含量低于國家規(guī)定的安全標(biāo)準，主要大分子有機物為腐殖酸和氨基酸[30]。范蓓蓓[31]發(fā)現(xiàn)沼液10倍濃縮液各項指標(biāo)含量均符合農(nóng)業(yè)部NY1106-2010、NY1429-2010標(biāo)準，將濃縮沼液配方肥與氨基酸水溶肥、“奧捷”水溶肥等的施用效果進行對比，發(fā)現(xiàn)濃縮沼液肥促進小白菜生長、改善土壤性質(zhì)的效果最為顯著，突出了濃縮有機液肥的優(yōu)勢[32]。毛金剛[33]采用超濾-納濾膜耦合技術(shù)處理養(yǎng)豬沼液，得到的20倍濃縮液可用作灌溉有機肥。沼液中的懸浮物、膠體含量較高，因此在膜濃縮前，需要對料液進行預(yù)處理以防膜污染[34]。王雷[9]提出的化學(xué)絮凝—納濾、電絮凝—納濾組合工藝可以減輕納濾膜污染程度。張智燁[35]的研究表明采用生物基濾料和膜濃縮一體化技術(shù)可以達到有效保留營養(yǎng)物質(zhì)并去除大分子污染物的目的，也能為后續(xù)濃縮減輕膜污染負擔(dān)。

3.2 超濾膜技術(shù)提取腐植酸類物質(zhì)

腐植酸是動植物殘骸經(jīng)過微生物的分解和轉(zhuǎn)化及其他物理化學(xué)過程所積累的天然有機物質(zhì)[36]。沼液中難降解有機物腐植酸使其可生化性較差，但其特定的結(jié)構(gòu)(含有羥基、羧基、烯醇基等多種官能團)給腐植酸帶來了一定的化學(xué)活性和生物活性，可有效增加植物的抗逆性，改良農(nóng)作物品質(zhì)。有研究表明，腐植酸可以鈍化重金屬[37]，修復(fù)重金屬污染土壤[38]，改善作物表觀性狀，并促進其對氮肥的吸收，提高產(chǎn)量[36]。沼液中含有各種腐植酸[39]，尤其是戶用型沼氣池所產(chǎn)沼液中含量最高，可達0.13%[40]。從沼液中分離提取腐植酸類物質(zhì)既可解決沼液中有機物難降解的處理難題，又可獲得腐植酸類物質(zhì)，實現(xiàn)腐植酸資源化利用。目前，可采用超濾膜技術(shù)分離提取腐植酸類物質(zhì)[41]，但該方法極易造成膜污染，膜運行成本高。岳東北[42]等使用離子交換樹脂-超濾膜提取沼液中的腐植酸類物質(zhì)：先利用離子交換樹脂選擇性吸附沼液中腐植酸，樹脂解吸可得以重復(fù)使用，再采取超濾膜分離法將腐植酸類物質(zhì)和解吸藥劑分離。腐殖酸類物質(zhì)回收率達80%以上，純度大于80%，解吸附藥劑循環(huán)利用率大于85%。

3.3 氨氮提取回收技術(shù)

3.3.1 石灰-吹脫技術(shù)獲得氨氣

沼液中富含氨氮，可通過投加石灰的方法調(diào)節(jié)pH值到11左右，使氮以NH3的形式逸出，也可向沼液中通入蒸汽將NH3高效吹脫提取出來[43]，可以氨水形式[44]或制成硫酸銨晶體實現(xiàn)回收利用[45]，氨肥可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3.3.2 鳥糞石結(jié)晶技術(shù)獲得緩釋肥料

3.3.3 介質(zhì)吸附技術(shù)回收氨氮

吸附法去除氨氮是利用多孔性固體(如硅酸鈣、活性炭、生物炭、沸石等)吸收污水中的氨氮。袁基剛[52]等采用自制的改性粉煤灰吸附沼液中氨氮，當(dāng)改性粉煤灰添加量為0.013 g·mL-1，中性條件下吸附30 min時，吸附效果良好，氨氮吸附率高達78.60%。SanchoI[53]等通過集成天然沸石和中空纖維膜接觸器，從生活污水中回收氮作為液體肥料。生物碳對氨氮也有較好的吸附性能，蔣旭濤[54]研究了以小麥秸稈作為原料制備的生物碳用于吸附氨氮。刑賾[55]的研究表明吸附飽和的沸石可部分代替氮磷肥，改善冬小麥的生物學(xué)指標(biāo)和酸性紫色土的理化性質(zhì)。

3.4 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)

3.4.1 微藻技術(shù)獲得微藻生物質(zhì)

隨著能源危機和環(huán)境問題的日益加劇，微藻生物質(zhì)能開發(fā)研究受到廣泛關(guān)注[56]。沼液中富含碳源、氮源等，能夠為微藻生長提供基本營養(yǎng)要素[57]。若將沼液用于微藻培養(yǎng)，可達到沼液低成本排放的目的，又可節(jié)約微藻培養(yǎng)的成本，同時微藻生物質(zhì)還可加工成多種高附加值產(chǎn)品，在醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)、飼料工業(yè)、可再生能源等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。Tan F[58]等的研究發(fā)現(xiàn)，用稀釋沼液培養(yǎng)微藻不僅可以有效去除氮磷，還可獲得較多的碳水化合物產(chǎn)物。Park[59]等的研究表明:當(dāng)氨氮的濃度在100 mg·L-1時，微藻生長的細胞密度可達最大值，微藻細胞受其影響不大，當(dāng)氨氮含量在200 mg·L-1時，與正常生長的微藻相比，細胞密度會降低至70%;而當(dāng)氨氮值升高為1000 mg·L-1，細胞密度會降低至35%，細胞的生長嚴重受影響。沼液養(yǎng)殖微藻應(yīng)與以高值化利用為目標(biāo)的降氨氮技術(shù)緊密結(jié)合。

3.4.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)獲得綠色有機農(nóng)產(chǎn)品

水培是一種新型環(huán)保的現(xiàn)代化蔬菜栽培技術(shù)，有效解決了土壤資源受限的問題。水培蔬菜生長周期短，需肥少，產(chǎn)量高，品質(zhì)好，無環(huán)境污染，已成為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要方式[60]。養(yǎng)豬沼液經(jīng)過一系列處理后，氮磷含量明顯降低，可依托現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)進行水培蔬菜，實現(xiàn)氮磷資源最大化利用。吳冬青[61]等的研究發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)液中添加40%的沼液可大大提高快菜的產(chǎn)量，而且能顯著提高快菜中的維生素C、可溶性糖、粗纖維和粗蛋白等的含量。俞超[62]等研究表明，相比普通土壤栽培，沼液無土栽培對蕹菜根長、側(cè)根長、總產(chǎn)量影響顯著，可溶性糖含量明顯提高，增幅為68.5%；蕹菜中硝基氮含量顯著降低，降幅為31.5%。沼液中養(yǎng)分含量特性使得水培蔬菜過程中也存在一些問題，如需要進行較高倍數(shù)的稀釋處理。梁飛虹[63]等將沼液經(jīng)脫氨處理后，對比不同濃度沼液水培生菜效果，發(fā)現(xiàn)沼液稀釋倍數(shù)在5～15倍時，氨氮脫除率高達98%，生菜相對增長量最大，外觀品質(zhì)與營養(yǎng)品質(zhì)最佳。因此，沼液水培蔬菜應(yīng)緊密結(jié)合以高值化利用為目標(biāo)的預(yù)處理技術(shù)。

3.5 光催化技術(shù)

光催化技術(shù)是一種新興的高效節(jié)能的現(xiàn)代處理技術(shù)。將光催化技術(shù)應(yīng)用于沼液處理，為解決沼液環(huán)境污染問題和沼液資源化利用提供了新的思路和方向。王菲鳳[64]研究N摻雜TiO2納米材料的催化性能及其對腐殖酸的降解效果，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)摻入N可顯著提高可見光催化性能，腐殖酸的降解率可達80%。肖文靜[65]等使用TiO2作為催化劑，加入到經(jīng)沉淀、過濾的預(yù)處理沼液中，紫外光照條件下進行光催化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)光催化處理可降低沼液的COD值和降解腐殖酸等有機物。光催化技術(shù)還可為光解制氫提供水源，產(chǎn)生的氫氣又可以作為甲烷的氫源，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。光催化處理技術(shù)具有成本低、效率高的優(yōu)點，將光催化沼液處理裝置與沼氣工程結(jié)合，有望成為沼液資源化利用的新途徑。

4 養(yǎng)豬沼液梯度處理及多級資源化利用體系的構(gòu)建

目前，沼液利用存在沼肥生產(chǎn)的連續(xù)性與農(nóng)業(yè)使用的季節(jié)性之間的矛盾，而規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖模式更是加劇了養(yǎng)殖高環(huán)境負荷量與農(nóng)用空間有限的矛盾，沼氣工程運轉(zhuǎn)受到威脅，循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈亟待尋求突破。開展多渠道的養(yǎng)豬沼液高附加值資源化利用是打破這一局面的唯一出路，構(gòu)建養(yǎng)豬沼液梯度處理及資源化利用體系迫在眉睫。徐暢[10]采用“沸石吸附-斜生柵藻凈化”兩步法處理高氨氮養(yǎng)豬沼液，研究發(fā)現(xiàn)利用沸石吸附將沼液的氨氮值降低到90 mg·L-1左右后斜生柵藻生長很好，而未經(jīng)沸石吸附預(yù)處理的對照組沼液在斜生柵藻接種后第二天即出現(xiàn)死亡現(xiàn)象，且經(jīng)過沸石處理沼液中養(yǎng)殖的柵藻油脂含量為30%，明顯高于稀釋沼液中培養(yǎng)藻類的油脂含量，可用于開發(fā)微藻生物質(zhì)能源，實現(xiàn)了高氨氮養(yǎng)豬沼液的梯度處理?！胺N養(yǎng)一體化”實現(xiàn)了養(yǎng)殖廢水、沼渣沼液經(jīng)過無公害處理后用于種植業(yè)，構(gòu)建一種立體、循環(huán)的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，可顯著改善生態(tài)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟，合理利用農(nóng)業(yè)資源、保護生態(tài)環(huán)境。石鵬飛[66]等分析了沼液-有機肥-蔬菜種植等循環(huán)鏈，系統(tǒng)間物質(zhì)循環(huán)減少了環(huán)境污染，證實了沼液多級處理的生態(tài)經(jīng)濟效益。

5 養(yǎng)豬沼液高值化綜合利用可行性和前景分析

目前，養(yǎng)豬沼液高值化利用發(fā)展進程中，要更多關(guān)注沼液成分的波動情況和影響因素，對沼液成分控制進行深入研究，將沼液的傳統(tǒng)處理方法與高值化綜合利用處理技術(shù)結(jié)合起來，實現(xiàn)養(yǎng)豬沼液梯度處理及多級資源化利用?？墒紫瓤紤]回收大部分氮磷元素，再通過微藻培養(yǎng)、水培蔬菜、魚類養(yǎng)殖等方式構(gòu)建一個能量循環(huán)自供的良好生態(tài)體系，形成“生物固碳-廢水深度凈化-微藻生物質(zhì)生產(chǎn)-水培蔬菜栽培-魚類養(yǎng)殖”耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的進一步延伸，以期形成運行良好的循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈。