有機(jī)廢棄物沼渣資源化利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著中國城市建設(shè)和鄉(xiāng)村振興融合發(fā)展，生活垃圾、畜禽糞便、秸稈等有機(jī)廢棄物的產(chǎn)量與日俱增，如2018年城市生活垃圾的清運(yùn)量為2.28 億T[1]，2016年畜禽糞污產(chǎn)生量約38 億T，秸稈資源量為9.95 億T[2]，將這些廢棄物進(jìn)行無害化、減量化、資源化開發(fā)利用，對創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重要意義。目前，城市主要通過厭氧發(fā)酵技術(shù)處置濕垃圾，農(nóng)村通過沼氣工程實(shí)現(xiàn)畜禽糞便、秸稈、有機(jī)垃圾等農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的無害化處理、資源化利用。沼渣作為厭氧發(fā)酵技術(shù)、沼氣工程的副產(chǎn)物，如何合理資源化利用成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。如上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院開展了濕垃圾處置固態(tài)殘余物資源化利用途徑研究，重慶市風(fēng)景園林科學(xué)研究院開展污泥和餐廚垃圾沼渣處理和園林資源化利用技術(shù)研究等。沼渣不僅富含氮、磷、鉀等大量元素，還含有對作物生長起重要作用的有機(jī)質(zhì)[3]，及銅、鐵、錳、鋅等中、微量元素[4]。為了探究沼渣資源化利用現(xiàn)狀及未來發(fā)展對策，文章從沼渣的特性、利用途徑及發(fā)展趨勢三方面進(jìn)行研究。

1 沼渣的特性

目前，沼渣的原料主要為餐廚垃圾、畜禽糞便、農(nóng)業(yè)廢棄物、污泥等。不同原料厭氧發(fā)酵后的沼渣的理化性質(zhì)不同（表1）。其中，不同沼渣的pH值差異不大，在6.54～8.41范圍內(nèi)，均符合NY525-2012《有機(jī)肥料》。含水率因發(fā)酵工藝的不同而差異較大，在7.7%～81.82%之間，其中覃銀紅等[5]發(fā)現(xiàn)剩余污泥發(fā)酵的沼渣含水量在79.24%～81.82%。沼渣有機(jī)質(zhì)含量差異較大，其中餐廚垃圾的有機(jī)質(zhì)含量最高，約73.22%。畜禽糞便、秸稈、污泥等沼渣的總養(yǎng)分含量低于或略接近NY525-2012《有機(jī)肥料》，餐廚垃圾沼渣的總養(yǎng)分含量為8.97%，遠(yuǎn)高于NY525-2012《有機(jī)肥料》總養(yǎng)分5%。秸稈沼渣中的中、微量元素含量遠(yuǎn)低于豬糞、豬糞+秸稈沼渣的含量。張浩等[6]發(fā)現(xiàn)沼渣的營養(yǎng)價(jià)值較高，豬糞+玉米秸稈沼渣中干物質(zhì)、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、粗纖維含量分別為857.7 mg/g、99.0 mg/g、34.9 mg/g、10.7 mg/g、252.7 mg/g。

學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[7-9]，不同原料的沼渣均含有作物所需的N、P、K等大量元素、有機(jī)質(zhì)，及Ca、Fe、Mg、Zn、Cu、Mn等中、微量元素，還含有畜禽魚蝦等所需的氨基酸、維生素等。因此，沼渣資源化利用途徑較多，將其作為肥料施用于土壤，或制備育苗基質(zhì)、營養(yǎng)土，或制備為飼料用于畜禽魚蝦具有很大潛力。

表1 不同原料厭氧發(fā)酵后的沼渣的理化性質(zhì)（根據(jù)資料繪制）

2 沼渣資源化利用方式

2.1 基肥或追肥

沼渣可作為基肥或追肥用于農(nóng)作物、蔬菜等，不僅可以提高了作物的抗病害性，減少化肥、農(nóng)藥的施用量，降低成本，又能有效地提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。許愛霞等[12]發(fā)現(xiàn)大棚黃瓜施用沼渣作基肥，噴施沼液做追肥，可有效調(diào)節(jié)作物代謝、補(bǔ)充營養(yǎng)、增強(qiáng)光合作用、殺滅和抑制細(xì)菌，促使黃瓜生長健壯，且產(chǎn)量較對照處理提高39.98%，產(chǎn)值增加25.7 萬元/hm2。李會隆等[7]發(fā)現(xiàn)在磷酸二銨使用量相同的情況下，制種玉米增施5 140 kg/hm2沼渣（鮮重）做基肥，具有促進(jìn)植株生長，提高產(chǎn)量的作用，增產(chǎn)2 000 kg/hm2。Shi等[13]發(fā)現(xiàn)沼渣按4 kg/m2、8 kg/m2、12 kg/m2的施用量在短期內(nèi)可以改善鹽漬土的有機(jī)質(zhì)、含水量和pH值，提升谷子的品質(zhì)。郭玉英等[14]發(fā)現(xiàn)以沼渣配施復(fù)合肥或單施沼渣作基肥，生長前期追肥沼渣可以使黃瓜的始花期、始收期提前，采收期延長，使黃瓜增產(chǎn)和提升品質(zhì)，同時也增強(qiáng)了黃瓜的抗病抗逆能力。劉龍海[14]等將沼渣作基肥1畝施2 390 kg可以防辣椒日灼病，防效可達(dá)90%以上，且可以使辣椒增產(chǎn)600 kg。Wang[15]通過田間試驗(yàn)，研究了不同沼氣發(fā)酵渣處理對大白菜產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤養(yǎng)分積累的影響。結(jié)果表明，大白菜的產(chǎn)量和品質(zhì)（維生素C和硝酸鹽含量）均顯著提高。厭氧發(fā)酵沼渣的施用提高了土壤pH值，增加了土壤有效氮、磷、鉀的積累。

由于一些沼渣的養(yǎng)分含量低于肥料標(biāo)準(zhǔn)，不能夠滿足作物、花卉等的生長需求，故可將沼渣二次加工進(jìn)行堆肥處置[17-18]，提高沼渣的肥力。彭蘇怡等[19]發(fā)現(xiàn)紫莖澤蘭發(fā)酵后的沼渣中腐殖酸含量為9.6%，有機(jī)碳含量為6.07%，再向其中添加氮磷元素可制備成腐殖酸肥料。張玉鳳等[20]發(fā)明一種沼渣有機(jī)肥及其制備方法，即將以沼渣為主要原料（用量大于80%），與腐植酸、氮肥、磷肥、鉀肥及微量元素配合而制備。

2.2 制備育苗基質(zhì)、營養(yǎng)土

沼渣可以同改良材料制備成育苗基質(zhì)、營養(yǎng)土。楊秉康等[21]發(fā)現(xiàn)木薯沼渣經(jīng)過脫水、除去殘余甲烷、攪拌、調(diào)酸、攤堆后可制備成育秧基質(zhì)。尹淑麗等[22]發(fā)現(xiàn)將豬糞沼渣同蛭石、吸附代謝產(chǎn)物草炭、珍珠巖按照重量比2.5～3.5∶3∶2.5～3.5∶1可制備成黃瓜育苗基質(zhì)。于海龍等[21]發(fā)現(xiàn)55%～65%沼渣、15%～35%玉米芯、13%麩皮、5%玉米粉、2%石膏混合可作雞腿菇培養(yǎng)料。高袖[24]發(fā)現(xiàn)沼渣和有機(jī)輔料可以配制花卉營養(yǎng)土，且當(dāng)沼渣∶鋸末∶泥土∶骨粉的比例為6∶2∶20∶1時營養(yǎng)土中養(yǎng)分含量較高，其有機(jī)質(zhì)含量為43.26 g/kg、全氮11.33 g/kg、全磷0.67 g/kg、銨態(tài)氮1.65 mg/kg、速效磷57.86 g/kg、pH值7.46、含水率9.84%、容重1.09 g/cm3、比重2.38 g/cm3、孔隙率54.25%。羅之洋[25]發(fā)現(xiàn)沼渣和泥土為1∶1制備的營養(yǎng)土有利于早春糯玉米育苗。

2.3 制備生物炭

沼渣可以制備成生物炭吸附廢水中氨氮、重金屬等污染物。鄭楊清等[26]發(fā)現(xiàn)以豬糞和秸稈為原料發(fā)酵產(chǎn)甲烷的副產(chǎn)物沼渣可以制備生物炭，且用氫氧化鉀活化的生物炭對沼液中氨氮的吸附效果較好，擬合計(jì)算最大吸附容量能達(dá)到120 mg/g。Xia等[27]以豬糞沼渣為原料，制備了介孔活性生物炭，用于吸附水溶液中的A（sIII）。研究發(fā)現(xiàn)，在600℃下用2.5 mol/L ZnCl2溶液活化的介孔活性生物炭表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性和介孔分布，總比表面積和介孔比表面積分別達(dá)到892.3 m2/g和701.7 m2/g，孔徑主要在4～40 nm之間，A（sIII）的間歇吸附理論吸附量為5 861 μg/g。

2.4 制備土壤保水劑

王宇欣等[28]以玉米秸稈沼渣為試驗(yàn)原料，采用硝酸-乙醇法提純、丙烯酸為接枝單體、過硫酸鉀為自由基引發(fā)劑、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑，在微波加熱條件下，通過接枝聚合反應(yīng)制備沼渣纖維素土壤保水劑。其中，單體丙烯酸與秸稈沼渣纖維素的質(zhì)量比為7，中和度為70.0%，引發(fā)劑與單體質(zhì)量比為2.0%，交聯(lián)劑與單體質(zhì)量比為0.1%，合成的秸稈纖維素保水劑具有較高的吸水倍率。

2.5 飼料

沼渣由于富含畜禽魚生長所需的氨基酸、維生素等，常被加工處理，制作成飼料。湖南旺森農(nóng)牧有限公司采用“豬—沼—飼—蚓—肥”多元循環(huán)綜合利用模式，將豬糞發(fā)酵后的沼渣用于飼養(yǎng)蚯蚓[29]。福建省永安市和明溪縣等地部分養(yǎng)殖場示范驗(yàn)證“豬—沼—萍—魚”養(yǎng)殖模式可以大大降低養(yǎng)殖成本，節(jié)能減排，減少魚類病害，提高魚的品質(zhì)[30]。虞方伯等[31]發(fā)現(xiàn)將木薯或紅薯沼渣同黃芪藥渣、紫蘇、杜仲葉、馬齒莧、預(yù)混料、玉米等材料混合可以制作雞飼料，這種方法配制的雞飼料營養(yǎng)豐富，提高了雛雞機(jī)體的免疫能力，在飼養(yǎng)過程中減少了各種疾病或感染的發(fā)生，減少藥物的使用。徐翔等[32]發(fā)現(xiàn)小麥制酒精廢水生產(chǎn)的沼渣中富含蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)中的氨基酸含量均衡且高于雞飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)（ZBB3005-86）所需的氨基酸，其制備的飼料對雞有一定的營養(yǎng)價(jià)值。Bian等發(fā)現(xiàn)[33]以小麥為原料生產(chǎn)沼氣時產(chǎn)生的沼渣可以作為豬的蛋白質(zhì)飼料，在20%的替代水平下作為飼料添加劑是安全的。

2.6 制備建筑材料

目前的研究常將沼渣作為造孔劑制備建筑材料，提高該材料的性能。馮云生等[34]研究表明以沼渣為造孔劑、風(fēng)積沙為骨料、廢玻璃粉為燒結(jié)粘結(jié)劑、黏土為助粘結(jié)劑經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備的燒結(jié)多孔材料具有良好的抗壓強(qiáng)度和透水性，可用于透水材料。蹇守衛(wèi)等[35]發(fā)現(xiàn)利用干化沼渣作為造孔劑加入燒結(jié)墻體材料原料體系中，將沼渣摻量控制在10%、燒結(jié)溫度制度控制在1 000 ℃并保溫3 h時，制備出的燒結(jié)墻體材料滿足MUl0（GB 5101-2003）各項(xiàng)性能指標(biāo)條件并符合環(huán)境保護(hù)要求。吳世明等[36]以湖泊底泥和沼渣為主要原料，添加1% Fe2O3粉末，燒結(jié)溫度為1 175 ℃、保溫時間為30 min 時，發(fā)現(xiàn)可制得輕質(zhì)多孔的高性能陶粒。

3 存在問題及對策

由于沼氣工程的處理工藝及消化原料的不同，產(chǎn)生沼渣理化性質(zhì)有所差異，導(dǎo)致其資源化利用方式不同。目前，沼渣的資源化利用方式主要是制備肥料和飼料，但成本較高，且當(dāng)其過量使用時，會造成土壤鹽化、重金屬污染等環(huán)境問題，影響人畜健康[37]。因此，如何高效對沼渣進(jìn)行資源化利用，并對其產(chǎn)品進(jìn)行無害化應(yīng)用，是當(dāng)前需要重點(diǎn)考慮的問題。

3.1 現(xiàn)存問題

（1）沼渣的肥效低，需要進(jìn)行二次堆肥發(fā)酵。在沼渣二次堆肥發(fā)酵的過程中，有機(jī)物質(zhì)在微生物的作用下會散發(fā)大量臭味氣體[38]，并且產(chǎn)生滲濾液，污染地下水。部分沼渣的含鹽量較高，在二次堆肥發(fā)酵時需要耗費(fèi)精力、成本去除。堆肥后的含雜率較高，可能會攜帶大量未經(jīng)滅活的菌群，容易引起疾病傳播。而且堆肥后的肥料成本較高，沒有市場競爭力，銷售困難。因此，如何高效、經(jīng)濟(jì)地解決除臭、除鹽、含雜率等問題有待進(jìn)一步的研究。

（2）沼渣的施用會增加土壤中鹽分以及地下水中硝態(tài)氮的風(fēng)險(xiǎn)。如郭全忠等[39]發(fā)現(xiàn)長期使用沼肥會增加土壤養(yǎng)分，同時也增加了土壤中的鹽分，連續(xù)使用沼肥7年，土壤電導(dǎo)率為0.366 mS/cm，是未施用沼肥土壤的4.74倍。沈月等[40]發(fā)現(xiàn)沼液沼渣資源化利用存在促進(jìn)土壤次生鹽漬化的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）沼渣有增加土壤、動植物中重金屬、多環(huán)芳烴等污染的風(fēng)險(xiǎn)（表2）。楊軍芳等[41]研究發(fā)現(xiàn)長期大量施用沼渣存在重金屬積累導(dǎo)致土壤污染的風(fēng)險(xiǎn)，且在有機(jī)肥用量為22 500 kg/hm2時，與豬糞相比，沼渣作為有機(jī)肥的肥效低且污染風(fēng)險(xiǎn)性高。宋彩紅等[42]發(fā)現(xiàn)沼渣堆肥處理后As、Cr、Cu、Pb、Zn總量均有不同程度的增加，As、Cr、Pb生物性降低，Cu、Zn的生物性增加。Stefaniuk等[43]對沼氣固體殘?jiān)谌N熱解溫度（400℃、600℃和800℃）下產(chǎn)生的生物炭進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，沼渣生物炭中多環(huán)芳烴和重金屬（Cr、Cu、Cd、Pb、Mn）的含量增加。在800℃下產(chǎn)生的生物炭對植物和節(jié)肢動物不利，不利于土壤修復(fù)。整體來看，多數(shù)沼渣的重金屬含量符合NY525-2012《有機(jī)肥料》、GB 13078-2017《飼料衛(wèi)生》、GB 4284-2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》等的要求，但仍有少部分的沼渣、沼渣堆肥產(chǎn)品中重金屬含量超標(biāo)。

表2 不同原料沼渣以及沼渣堆肥后的重金屬含量

（4）為了加強(qiáng)沼渣作為肥料、飼料使用的安全性、規(guī)范化和程序化，各省市制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)GB 4284-2018《農(nóng)用污泥污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》、DB62/T 2278-2012《沼液沼渣利用技術(shù)規(guī)程》、DB64/T 898-2013《水稻沼渣復(fù)混肥施用技術(shù)規(guī)程》、DB37/T 3482-2018《沼渣沼液在葡萄栽培上的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、DB37/T 1949-2011《設(shè)施黃瓜栽培沼渣沼液的應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、GB 13078-2017《飼料衛(wèi)生》等，但目前沒有統(tǒng)一制定的國家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 解決對策

為了加快沼渣減量化、資源化、無害化的進(jìn)程，可以從以下幾個方面來解決現(xiàn)存的問題：（1）開展將微生物菌劑及枯枝落葉應(yīng)用于沼渣資源化利用的相關(guān)研究，進(jìn)一步提高沼渣的發(fā)酵工藝、堆肥工藝，以提高沼渣肥效；（2）明確沼渣在肥料和飼料中的施用閾值，探索沼渣中重金屬等有毒有害物質(zhì)的去除技術(shù)，通過化肥和沼肥的配施降低硝態(tài)氮在土壤、水體中的累積；（3）制定統(tǒng)一的沼渣資源化利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)沼渣資源化利用方面的安全性把控和推廣。

4 結(jié)語

沼渣作為厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物，富含有機(jī)質(zhì)，N、P、K等營養(yǎng)元素，資源化利用途徑多樣，可作為肥料、栽培基質(zhì)、生物炭、保水劑等改良土壤，作為飼料養(yǎng)殖畜禽魚類，也可作為多孔的建筑材料。但在資源化利用過程中仍存在沼渣肥效低；對土壤和水體存在潛在的致病細(xì)菌、鹽分、硝態(tài)氮、重金屬、多環(huán)芳烴等的污染；利用技術(shù)不統(tǒng)一、不規(guī)范，推廣性差等問題。因此，在今后的工作中，提高沼渣肥效、去除或鈍化沼渣中重金屬、制定沼渣利用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對提高沼渣的資源化利用率至關(guān)重要。