沼液濃縮液與粗木醋液農(nóng)田混合施用的應(yīng)用前景及潛在環(huán)境效應(yīng)探討

童文彬，周旭健，劉銀秀，葉強(qiáng)，秦唐勇，聶新軍，李子川，柴彥君

(1.衢州市衢江區(qū)土壤肥料技術(shù)推廣站，浙江 衢州 324022； 2.浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，浙江 杭州 311121； 3.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 4.衢州市寧蓮牧業(yè)有限公司，浙江 衢州 324000； 5.浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院 浙江省廢棄生物質(zhì)循環(huán)利用與生態(tài)處理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

目前，在農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)資源化利用研究中，關(guān)于規(guī)?；託夤こ躺a(chǎn)過(guò)程中殘留的沼渣和秸稈熱解炭化產(chǎn)生的秸稈生物炭在土壤培肥和環(huán)境修復(fù)方面的研究較多，而關(guān)于沼氣工程產(chǎn)生的沼液和秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液對(duì)農(nóng)田無(wú)機(jī)氮循環(huán)影響的研究相對(duì)較少。此外，為了解決沼液產(chǎn)生量大、存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本高的難題，近年來(lái)逐漸規(guī)?；瘧?yīng)用的沼液膜濃縮技術(shù)產(chǎn)生的沼液濃縮液已被用來(lái)作為液體肥料施用到農(nóng)田中。然而，施用沼液濃縮液對(duì)農(nóng)田土壤氨揮發(fā)和硝酸根流失的影響，以及沼液濃縮液與秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液混合施用對(duì)沼液濃縮液養(yǎng)分緩釋和農(nóng)田無(wú)機(jī)氮循環(huán)的作用效果尚不清楚。

為此，圍繞沼液濃縮液施用對(duì)農(nóng)田無(wú)機(jī)氮在土壤、作物、水體和大氣中分配行為的潛在影響，從沼液的產(chǎn)生特征與膜濃縮技術(shù)研究進(jìn)展出發(fā)，結(jié)合沼液農(nóng)田施用的環(huán)境效應(yīng)和沼液與木醋液混合施用降低土壤氨揮發(fā)的有益作用，探討沼液濃縮液及其與粗木醋液農(nóng)田混合施用的應(yīng)用前景和潛在環(huán)境效應(yīng)，以期為沼液濃縮液的農(nóng)田施用提供借鑒與參考。

1 沼液農(nóng)業(yè)應(yīng)用與膜濃縮技術(shù)進(jìn)展

沼液是規(guī)模化沼氣生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢棄發(fā)酵液經(jīng)干濕分離后產(chǎn)生的高濃度有機(jī)廢水，具有產(chǎn)生量大(按利用率75%、含水率70%計(jì)算，預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)沼液年產(chǎn)生量約20億t)、有機(jī)碳和營(yíng)養(yǎng)元素濃度較高，以及化學(xué)與生物化學(xué)需氧量高的特點(diǎn)，直接排放到環(huán)境中會(huì)造成原位土壤和下游水體的二次污染[7]。當(dāng)前，沼液主要通過(guò)農(nóng)田就近消納、制作高附加值濃縮液體肥、自然生態(tài)凈化，以及工業(yè)化凈化處理后安全排放等資源化利用或無(wú)害化處理的方式解決其環(huán)境污染問(wèn)題[8-11]。相比較于將沼液用于浸種[12]或用作無(wú)土栽培基液[13]，沼液作為基肥或追肥直接應(yīng)用于農(nóng)田因其消納量大，尤其是可利用NH4+部分替代氮肥，而成為沼液生態(tài)消納的主要處理方式。然而，沼液農(nóng)田消納面臨儲(chǔ)存、運(yùn)輸和管路維護(hù)費(fèi)用高的難題，而沼液無(wú)害化工業(yè)處理通常會(huì)陷入運(yùn)行費(fèi)用高昂的困境，因此，沼液的去向問(wèn)題嚴(yán)重制約畜禽養(yǎng)殖資源化利用和規(guī)模化沼氣工程的建設(shè)。此外，沼液的養(yǎng)分組成因來(lái)料類(lèi)型、發(fā)酵溫度、取樣季節(jié)和技術(shù)工藝的差異而存在較大的波動(dòng)，這導(dǎo)致沼液的農(nóng)田生態(tài)消納和無(wú)害化工業(yè)處理的標(biāo)準(zhǔn)化存在較大的不確定性，如果定期對(duì)來(lái)源龐雜的沼液進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，無(wú)疑會(huì)極大地提高沼液的資源化利用成本。因此，開(kāi)發(fā)低成本、高效率的沼液濃縮技術(shù)，制定沼液濃縮等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前規(guī)?；託夤こ探ㄔO(shè)中亟待攻克的技術(shù)難題。

2 秸稈木醋液生產(chǎn)及其應(yīng)用

秸稈木醋液是秸稈熱裂解氣化過(guò)程中除生物質(zhì)炭和燃?xì)馔?，室溫下冷凝出的液體副產(chǎn)物。由于原料類(lèi)型和炭化工藝條件差異會(huì)極大地影響粗木醋液的性質(zhì)與組分，這就使得此類(lèi)粗木醋液因工業(yè)精制成本太高而無(wú)法進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)熱解炭化中粗木醋液的產(chǎn)率通常為26%～44%[22-23]，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)每年因秸稈炭化產(chǎn)生的粗木醋液將超過(guò)1.2億t(按秸稈熱解炭化利用率60%計(jì)算)。與秸稈熱裂解產(chǎn)生的生物炭通常被用于土壤培肥或制作環(huán)境修復(fù)材料相比，這部分粗木醋液如果利用不好，會(huì)造成生物質(zhì)資源的浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此，亟須拓展其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的低成本應(yīng)用。

粗木醋液中含有大量的有機(jī)酸、醇類(lèi)、酚類(lèi)和酮類(lèi)等有機(jī)物質(zhì)，具有殺菌防病防蟲(chóng)和改良土壤的作用，以及降低農(nóng)藥和肥料用量的效果[23-24]。粗木醋液作為農(nóng)林廢棄物熱裂解過(guò)程中的液態(tài)副產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單加工后可被用作土壤改良劑、植物葉面肥、浸種劑、飼料添加劑和殺菌驅(qū)蟲(chóng)劑等。此外，精加工的木醋液還能用于食品保鮮、化妝品，以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[25-26]。相較于由單一原料制作的粗木醋液所對(duì)應(yīng)的特定精加工技術(shù)，秸稈炭化來(lái)源的粗木醋液因其原料來(lái)源繁雜、熱裂解溫度差異大而不利于開(kāi)展高附加值的精加工。因此，在當(dāng)前推進(jìn)化肥、農(nóng)藥減量增效、促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的背景下，拓展粗木醋液在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用是全面推進(jìn)秸稈氣化清潔能源利用和解決秸稈炭化產(chǎn)生的大量粗木醋液資源化利用的重要發(fā)展方向。

3 沼液濃縮液與粗木醋液農(nóng)田混合施用的應(yīng)用前景與潛在環(huán)境效應(yīng)

4 面臨的挑戰(zhàn)與突破方向

沼液中含有的抗生素和病原菌會(huì)不同程度地影響土壤微生物的群落組成和作物病蟲(chóng)害的發(fā)病率，再加上沼液中含量不定的重金屬也會(huì)增加土壤重金屬污染的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，因此，農(nóng)田施用沼液可能會(huì)給區(qū)域糧食安全和人類(lèi)健康產(chǎn)生不確定的影響[8, 14]。為了應(yīng)對(duì)沼氣生產(chǎn)過(guò)程中的沼液生態(tài)處理難題，研究人員正就沼液膜濃縮過(guò)程中的重金屬和抗生素阻控技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并研究和制定沼液田間精準(zhǔn)施用的技術(shù)規(guī)范，以逐步解決沼液生態(tài)消納的二次污染難題。相比較于低壓蒸發(fā)或冷凍干燥技術(shù)對(duì)沼液的濃縮效果，膜濃縮在隔離病原菌、抗生素和重金屬方面具有全方位的系統(tǒng)可調(diào)的優(yōu)勢(shì)。由于沼氣發(fā)酵的原料類(lèi)型、發(fā)酵溫度、沼液抽取時(shí)間等因素變化導(dǎo)致沼液濃縮液的濃度同樣會(huì)存在一定的波動(dòng)，給沼液濃縮液的農(nóng)田定量施用和優(yōu)化與粗木醋液的混合比例等帶來(lái)極大不便；因此，構(gòu)建規(guī)?；冶阌谕ㄟ^(guò)線(xiàn)上或線(xiàn)下監(jiān)測(cè)養(yǎng)分濃度的沼液膜濃縮系統(tǒng)也是未來(lái)沼氣工程建設(shè)項(xiàng)目中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。此外，通過(guò)線(xiàn)上養(yǎng)分濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)沼液濃縮的膜循環(huán)頻次，提升沼液的膜濃縮效率等也是未來(lái)沼液膜濃縮技術(shù)的重要探索方向?？偟膩?lái)看，如何保持沼液濃縮液養(yǎng)分物質(zhì)組成和濃度的穩(wěn)定性，并通過(guò)該濃縮工藝提升沼液膜濃縮的工作效率是未來(lái)沼液膜濃縮系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

充分了解沼氣發(fā)酵過(guò)程中養(yǎng)分的遷移轉(zhuǎn)化及其在土壤、大氣和水體中的分配特征是評(píng)價(jià)畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物生態(tài)處理和資源化利用的重要參考指標(biāo)。比較而言，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)林種植的高效銜接方面技術(shù)比較成熟，主要通過(guò)農(nóng)牧結(jié)合的方式解決沼液消納的問(wèn)題，通過(guò)地區(qū)或區(qū)域養(yǎng)分的系統(tǒng)管理基本上實(shí)現(xiàn)了對(duì)地區(qū)農(nóng)牧系統(tǒng)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的環(huán)境排放、食物鏈轉(zhuǎn)移和生物地球化學(xué)循環(huán)的定量分析，并通過(guò)模型模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)控制氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在養(yǎng)殖場(chǎng)-土壤-作物(或水體)間的源匯耦合過(guò)程循環(huán)，最終在地區(qū)和區(qū)域尺度上達(dá)到畜禽廢棄物妥善處理和充分資源化利用的目標(biāo)。因此，通過(guò)畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物中養(yǎng)分物質(zhì)的全生命周期循環(huán)理論[32]來(lái)指導(dǎo)沼液膜濃縮工藝開(kāi)發(fā)和改善農(nóng)田沼液濃縮液及其與粗木醋液混合施用的農(nóng)藝學(xué)貢獻(xiàn)和環(huán)境效應(yīng)，將成為評(píng)價(jià)畜禽養(yǎng)殖和作物秸稈廢棄物生態(tài)處理和資源化利用的關(guān)鍵。

5 建議與展望