沼液农田消解利用中农业工程技术问题的探讨

陈喜靖，姜丽娜，奚 辉，王 强，许育新，符建荣

(浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

近年来随着规模化养殖业的发展，养殖废弃物的处理成为一个重要问题。养殖废水，特别是经过沼气池发酵产生的沼液，是完全可以通过植物和土壤吸收方式进行消解利用的。国外先进的做法是新建养殖场的申报审批，首先要根据养殖场拥有的土地面积确定养殖规模，确定化粪池容积、废水处理方案以及灌溉利用工程规划方案［1］。我国虽然还没有严格的畜禽养殖废水综合利用规划与管理制度，但可以通过对现有农牧场配备一些设备、补建一些相应的工程设施，以实现沼液农田消解利用的目的。

沼液农田消解利用的配套设备与设施主要有运输车辆、管渠、储液池等，同时，喷滴灌也是提高沼液资源化利用效果的最好手段之一，但沼液喷滴灌比常规喷滴灌更容易出现堵塞问题，解决堵塞问题是实现沼液喷滴灌利用的关键。目前，针对沼液农田消解利用中的相关工程技术问题的研究和阐述很少，根据我们在浙江兰溪和嘉兴等地的项目研究和生产实践，总结分析了沼液农田消解利用中的一些实际问题，并提出了一些工程技术实用方案，以供参考。

1 输送、贮存工程技术

1.1 车辆运输

通过专用槽罐车可以将沼液方便地运输到田间地头，槽罐车装卸沼液和运输都比较方便，有的车上还配套喷灌设备，车到地头可以进行喷灌，更提高施肥和灌溉效果。但槽罐车成本较高，虽然购买槽罐车国家有一定程度的资金补贴，但实际普及面并不广。为了降低成本，也可以对农用车或拖拉机进行改装，在车上安装一个储液罐实现沼液运输，改装成本只有购买专用槽罐车的几十分之一。更省钱的方法是在农用车或拖拉机车斗中制作一个木制板框，起到加高斗壁作用，处理好斗内容易扎破农膜的部分，衬上厚一点的农膜，就形成了一辆简易的沼液运输车。

沼液运输车辆应用普及不广的另一个原因是运行成本比较高，通过对车辆运输、管道输送、渠道输送3种输送方式粗略的计算比较，车辆运行成本高于其它2种方式 (表1)，因此出现了一些利用国家补贴购买的槽罐车闲置的现象。但是，槽罐车可以将沼液输送到任何可通车的地方，这也是管道和渠道输送所不及的。

表1 万头猪场的沼液不同输出方式运行成本比较

1.2 渠道输送

沼液也可以通过渠道输送，但由于沼液不同于普通的灌溉水，含有大量营养物，并有一定的臭味，大量积聚易对农作物产生危害，也造成环境污染，因此，最好能利用专用渠道进行灌溉输送。利用现成渠道和设计建设专用沼液输送渠道应注意以下几方面问题。

最好不要利用灌排两用渠道进行沼液输送，因为灌排两用渠道渠底比田面低，容易产生沼液积存，并产生长时间的环境污染。

由于单个沼液源在单位时间内的出液量是固定不变的，而且比较小，按一个万头猪场每天沼液量为100 t，每天排放10 h计算，流量也只有 10 t·h-1。因此，沼液输送专用渠可以做得很小，成本也就可以降低。

单个沼液源在单位时间内的出水量虽然比较小，但长年累月的沼液排放量是很大的，而且伴有大量的营养物质。因此，沼液输送专用渠道的分布要尽量广，最好能延伸分布到规划区域内的每一块田地，并要建一些分水闸和安全溢出口。

沼液输送专用渠道的坡降应略高于普通灌溉渠道，尽可能防止沼液在渠道中积存。

1.3 管道输送

由于单个沼液源在单位时间内的出水量比较小，可采用小管径管道输送沼液，建设成本不高。而且由于管道的摩阻系数小，能进行长距离低能耗输送，且不受地形限制，进行喷滴灌利用的沼液也必须通过管道进行输送。因此，沼液管道输送优点较多。

1.3.1 管网与管径设计

沼液农田消解利用中的管网可根据不同的地形进行设计，对于地形平坦且农田分布于周围的沼液源，可通过设计以沼液源为中心的网状管道对沼液进行分散输出消解利用;对于丘陵地区的沼液源，可将沼液通过一主管道输送到某一具有地形或环境优势的集中点，然后再进行分散输出消解利用。

沼液农田消解利用管网的输液管道管径可通过以下公式［2］进行计算:

式中:D为需要确定的输液管的管径，m;Q为沼液输送量，m3·s-1;V为经济流速，m·s-1。

如万头猪场沼液日排放量为100 t，确定水泵工作时间10 h·d-1，则沼液输送量Q为10 t·h-1，经济流速V取1.5 m·s-1，则需要的输液管的管径D为48.6 mm。如果设计水泵工作时间为5 h·d-1，则沼液输送量 Q为 20 t·h-1，经济流速 V取1.5 m·s-1，则需要确定的输液管的管径 D为68.8 mm。

1.3.2 动力设计

管道输送沼液所用水泵的流量可以根据每天的出液量和水泵的工作时间来计算，如上所举的万头猪场每天沼液量为100 t，水泵工作时间为10 h·d-1或5 h·d-1，则需选水泵的流量 Q分别为10 t·h-1或 20 t·h-1。

水泵所需的扬程根据地形高差和管道沿程水头损失计算，水头损失计算公式［2］是:

式中:hf为管道沿程水头损失，m;f为管道沿程水头损失摩阻系数;d为管道内径，mm;b为管径指数，L为管道长度，m;Q为流量，L·h-1;m流量指数。

硬塑管的 f、m、b值分别为 0.948×105，1.77，4.77。高程差Δh=出水口高程-进水口高程，m。水泵扬程H可以按管道沿程水头损失加10%的余量，再加高程差算得:

按以上方法可给出表2设计案例。

表2 万头猪场的沼液管道排放设施设计案例

根据以上计算，2台水泵需要配套的动力，前者可选5.5 kW功率IS50-32-200型电机，后者可选4 kW功率的IS65-50-160A型电机，后者省电，但所需的管道较粗，成本较高。

沼液在进行长距离输送前应该进行分离过滤，过滤后的沼液输送可用清水泵，清水泵的能效比污水泵高，扬程也高，比较符合长距离输送的需求。

1.4 储液池

1.4.1 沉淀池和氧化塘

沼气池流出的沼液要经过沉淀池和氧化塘进行处理储存，沉淀池和氧化塘的容量至少应达到10 d的排放量，最好能达到30 d的排放量，这样有利于沼液污水的氧化和再沉淀发酵，也有利于寒冬、雨季存放沼液污水。如果每天实际排放的污水50 t，则需要建500～1500 m3的沉淀池和氧化塘。在兰溪达利养殖公司，沉淀池和氧化塘建设成了迂回的流道式，可以提高沼液的流动性，提高氧化效率。

1.4.2 田间储液池

田间储液池是为了沼液输送和使用方便而在田间地头建设的储液池，目前使用的田间储液池大多数在50 m3以下，主要有敞口池、封闭池和双层池。

敞口池。分地下、地上、半地上3种类型，以地上型和半地上型使用比较安全方便。敞口储液池的优点是建造简单，成本低，缺点是容易掉进杂物和繁殖微生物，易堵塞灌溉管道，且不够安全。

封闭池。也可分地下、地上、半地上3种类型，该种储液池不容易掉进杂物和繁殖微生物，不易堵塞灌溉管道，对人畜也比较安全。

双层池。二层结构，较高，可形成一定的压力差，用于大棚的自压灌溉很方便。双层结构还很容易使沼液与沉渣分离，沉渣的冲洗利用也很方便。

1.4.3 储液塘

储液塘也可称为沼液库，具有长时间大容量存储沼液的功能。在沼液排放困难或农田无法完全利用消解期间，储液塘是缓解沼液出路的有效方法。储液塘容积较大，要科学合理的选址和规划，根据不同的条件建设，设计可靠的工程建设方案，要着重考虑地形、地质、距离、方位、沼液去向等因素。

地形、地质、储液塘所处的位置应该选在雨水不易积聚，沼液容易排放的相对高一点的位置。如果选在地势较低的位置或山垄中，周围应建好完整的排水沟，阻止雨水流入塘中。储液塘所处的位置应具有良好的地质条件，塘底不应是砂性土质，不能产生严重的漏水，坝基应稳固结实，塘堤坚固。

距离、方位。储液塘要尽可能离村庄远一点，与牧场也要有一定的距离，更不要设在村庄和牧场水源和风向的上方。

沼液去向。储液塘能起很大的缓冲作用，但最终还是要通过作物需肥期的大量利用和土地休闲期的大量消纳，仍不能利用的沼液也可以通过大量雨水或渠水稀释后安全排放。如果能就地利用而达到排放则更理想，如浙江加华种猪有限公司4个面积2万m2、池深4 m的生物稳定塘，属于储液塘性质，水面可进行蔬菜无土栽培，水中养殖以浮游生物为食的白鲢和花鲢，排放水达到国家畜禽污水排放标准要求［3］。

2 喷、滴灌工程技术

2.1 喷、滴灌器具堵塞

沼液中的堵塞介质种类繁多、成分复杂且形态各异，有机杂物、悬浮固体物均会导致灌水器发生物理性堵塞;灌溉沼液处理不彻底、过滤系统不完善，泥硝或有机杂物被水泵抽取进入管道及沼液喷、滴灌管后，在通过微管流道、滴孔和喷嘴时，杂物就会将流道、滴孔和喷嘴堵塞而使灌水器无法出水。

如果蓄液池不避光，管道中的沼液清洗不尽、长期不用，系统富含营养，就很容易造成微生物大量繁殖，将微灌管道堵塞。管道铺设不当、作物根系生长因水肥趋向性而伸入出水孔也会造成堵塞。

沼液喷、滴灌施肥后残留在沼液喷、滴灌管中的有些养分或补充配施的一些化学肥料会发生沉淀，而将滴头流道堵塞。二氧化碳气体有可能与沼液中钙、镁离子发生化学反应生成难溶的碳酸钙和碳酸镁，长期使用会在滴灌内管壁生成较多的水垢而导致灌水器发生化学堵塞。

2.2 喷、滴灌沼液处理及设备使用方法

2.2.1 喷、滴灌系统的选择

选用大流量灌水器能最大限度降低堵塞影响。喷灌系统流量大，不容易造成管道堵塞，可以在大田作物、茶叶、苗木等作物上应用。用于大棚蔬菜、苗圃的微喷和滴灌系统容易产生堵塞，迷宫式、内镶式等滴灌管流道复杂也易堵塞，应少用，而双向微孔管道结构简单且廉价，在沼液灌溉中可多应用。另外，选用具有自冲洗功能的灌水器也可以很好地防止灌水器堵塞。自冲洗灌水器有2种类型:开关冲洗型和连续冲洗型［4］。

2.2.2 沼灌水的预处理

这是防止堵塞的最经济有效方法，预处理越严格，物理性堵塞发生的现象就越少。首先，喷、滴灌沼液必须经过沉砂池过滤，清除沉淀物，根据水质及流量，在水泵取水口处用铁丝网作3道拦污栅，安装的拦污栅目数由小到大，可分别为10～50目不等，拦去悬浮杂物。沼液如果运至蓄液池中备用，则需加盖避光，防止杂物进入及生物繁殖。麻泽龙等研究提出的通过快滤池、人工湿地及慢滤池的污水处理方法，不但能很好清除物理性杂物，还能部分清除化学污染物，实现了与农业灌溉的紧密结合［5］，杨金楼等则提出了根据不同的原料进行预处理的方法［6］，可以参考。

2.2.3 过滤设备的配置，滴灌管的安装与使用

根据预处理的水质状况，喷、滴灌设施首部还要分别安装筛网式、叠片式过滤器或组合使用，如果在栅头阀门后再安装一个小流量的筛网式过滤器，作微灌二级过滤处理，更可提高系统的防堵性能。田间安装沼液滴灌管时，沼液滴灌管上的滴孔朝上，可使水中的少量杂质沉淀在管子的底部，并防止根系入侵沼液滴灌孔。

新安装的喷、滴灌管第1次使用时，要打开喷、滴灌管末端的堵头，充分放水冲洗，把管中杂质冲洗干净后才能开始使用，以后每使用5次后要冲洗1次。沼液灌溉后的喷、滴灌管道和过滤器要及时用清水清洗，清洗时间5 min以上。灌水前要经常检查过滤器，开启过滤器反冲洗装置去污，或手工清洗过滤器滤网上积聚的杂质，防止过滤器堵塞，如果发现滤网损坏要及时更换。

2.2.4 正确配施化学肥料，防止化学堵塞

沼液含氮、钾比较丰富，在喷、滴过程中需要补充配施其它肥料时，要选用可溶性肥料，配肥器必须安装在过滤器之前。施肥结束后同样要用清水对系统进行冲洗，防止管道中剩余的肥料沉淀。

如喷、滴灌系统发生肥料等化学堵塞，必要时可进行酸液清洗，这样可同时达到消毒、抑制和消灭水中的藻类和微生物的效果，防止粘结块状物质产生。特别是当生物堵塞与化学堵塞同时发生并达到中等或严重程度时，只有化学处理才有效果。一般常用的2种化学处理方法是加氯处理与加酸处理，常用有高氯酸、硝酸、硫酸等，使用时将pH值调到5.5～6.0，处理时必须严格控制使用浓度，避免对作物造成危害。加氯处理保持水中自由氯含量为 1～2 mg·kg-1或者使氯浓度 10～20 mg·kg-1保持20～30 min。氯处理对于部分堵塞的灌水器是比较有效的，但对于完全堵塞的灌水器则效果不明显。清洗时注意调低系统灌溉压力，以减缓流速，提高酸洗效果，结束后再用清水冲洗。

3 小结

车辆、管道、渠道3种沼液输送方式各有利弊。车辆输送比较灵活，可以长距离输送，但设备和运行成本比较高;管道输送清洁，投入也不高，而且适应任何地形;渠道输送方式管理最方便，投入成本最低，但受地形局限。各地可根据不同的条件选择不同的沼液输送方式，规模较大的牧场可以3种方式配合使用，效果更理想。

沼液的田间贮存方式可根据实际需求进行选择。双层储液池可以方便地实现大棚的自压灌溉;封闭型储液池不易掉进杂物和繁殖微生物，不易堵塞灌溉管道，对人畜也比较安全。沉淀池和氧化塘可以建设成迂回的流道式，可以提高沼液的流动性，提高氧化效率。在沼液排放困难或农田无法完全利用消解期间可以建设大容量储液塘缓解沼液出路。

可以通过灌溉设备选择、过滤设备配置、沼灌水的预处理，并注意滴灌管的安装与使用、正确配施化学肥料、进行化学防堵等综合措施来解决堵塞问题，从而促进沼液喷滴灌技术更广泛的推广应用。

［1］曾向辉 刘世荣 李云开，等.集约化畜禽养殖再生水灌溉的研究现状与趋势分析 ［J］.灌溉排水学报，2007，26(6):1-5.

［2］秦为耀，丁必然，曾建军，等.节水灌溉技术 ［M］.北京:中国水利水电出版社，1999:109.

［3］马小忠，张安来.金华市区规模化养殖场生态治理实践［J］.金华职业技术学院学报，2008，8(2):28-30，84.

［4］姚振宪，何松林.滴灌设备与滴灌系统规划设计 ［M］.北京:中国农业出版社，1999.

［5］麻泽龙，周芸，王朝勇，等.养殖废水处理与高效再利用系统的设计 ［J］.中国给水排水，2009，25(6):44-47.

［6］杨金楼，计中孚.上海市郊畜禽粪沼渣液后处理工程技术(调研报告)［J］.上海农业学报，1994(增刊):31-36.