沼液的概念、成分和再利用途径及风险

韩敏等

摘 要：沼液的无害化、资源化利用对养殖业、沼气能源、保护生态环境以及可持续发展都具有重要意义。笔者认识到沼液处理的重要性和必要性，提出沼液的定义，根据沼液的成分，综述了沼液再利用存在的问题和风险以及沼液再利用的途径，并提出了相关建议。

关键词：沼液；定义；成分；废弃物；环境污染风险；循环利用途径

中图分类号：X703，X713，S811.5，S216.4 文献标志码：A 论文编号：2014-0071

Abstract： It is important for agriculture sustainable development that harmless and resource of digested slurry from biogas production. The author gave a definition of biogas slurry， and described its composition and characteristic， and pointed out that there were some problems and risks at current in utilization of biogas slurry， and two approaches of usage was proposed， such as fertilizer and discharge out. Technology of improving treatment was a serious problem at current. Some suggestions were put forward.

Key words： Biogas Slurry； Definition； Ingredient； Residues； Risks of Environmental Pollution； Recycling Pathway

0 引言

社会的不断发展，人们生活需求的不断提高，畜禽养殖业规模化发展，已成为中国农业发展的支柱产业之一，猪、羊饲养数量均居世界第一位，规模化养猪已达到养殖业的40%以上[1-2]。但是，随着规模化养殖快速发展，养殖废弃物（固体、液体和气体）集中，且大量增加，每年生产的畜禽粪污已达30亿t[3]，养殖废弃物再利用和环境污染风险的问题日益突出[4]。

中国多采用厌氧发酵工艺处理规模化畜禽养殖场粪污[5]。厌氧发酵工艺在畜禽养殖场粪污的生物能源开发-沼气方面得到比较广泛的应用，在实现养殖场粪污资源化的同时，有效减少了养殖粪污的一次污染[6]。然而，养殖粪污厌氧发酵产沼气的同时，还产生了大量的、集中的、二次污染物——沼渣和沼液[7]。

沼渣是固体或者近似固体，相对容易运输，可以加工制作有机肥料，回归到土壤，得到利用；沼液也可以作为肥料直接施入土壤。但是，与沼渣不同，沼液是含有复杂有机物的液体，贮藏和运输不像固体那样容易，沼液的处理和再利用技术成为急需研究解决的课题。

目前文献对沼液的概念还没有明确的定义，沼液的化学成分有不同的报道，作为农业废弃物，沼液对环境的影响和风险明显增大，诸如作为农林种植肥料直接利用[8]、用于植物无土栽培[9]。但是，沼液经过工艺处理[10]、不处理排放方面的研究，还十分欠缺。因此，笔者从沼液的概念、成分、再利用的途径和风险方面进行综述，提出相关建议，以期为农业废弃物无害化、资源化循环利用、保护生态环境提供依据和支持。

1 沼液的概念、成分

1.1 沼液的概念

经查阅资料：《中国大百科全书——总索引》、《中国大百科全书——农业》以及《中国大百科全书——环境科学》上都未对沼液概念的解释，全国科学技术名词审定委员会网（http：//www.cnctst.gov.cn）也未见有收集沼液一词。中文期刊文献有学者们给沼液下了不同的定义：杨怀[11]将沼液定义为：沼液是作物秸秆和人畜粪便等有机物经过厌氧发酵后形成的残余物，其生产可分3个阶段：液化阶段、产酸阶段、产甲烷阶段，最终将有机物转化为甲烷和二氧化碳等气体物质、固体沼渣和剩余液态部分沼液。袁怡[12]定义沼液为发酵沼气后的水系物质。王月霞[13]将沼液定义为有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的温度、水分以及厌氧条件下，通过微生物的分解代谢，形成沼气以及有机残渣和液体，这部分液体即为沼液。

外文文献中，与沼液相关的词如：biogas slurry、fermentation slurry、digested slurry、anaerobic digested slurry、digested bio-slurry、digestate等，名称和所指不一，而大多数外文文献称其与厌氧发酵相关（anaerobic digested），即厌氧发酵剩余物。可生物降解的废弃物经过厌氧发酵以后的产物有2个：沼气及其残留物（digestate）；有的称沼气的残留物（digestate）是固体物，有的则称固体和液体。事实上，干法厌氧发酵生产沼气的残留物以固体为主，一般的厌氧发酵生产沼气的残留物以液体为主，所谓的slurry。总之，是经过厌氧发酵的产物。

结合上述学者沼液的讨论，将沼液定义如下，供商榷：沼液是厌氧发酵的产物之一，是指可生物降解的有机废弃物（如人畜粪便或各种农林废弃物），在一定的含水量、温度、甲烷细菌的条件及作用下，经密闭容器进行厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳等气体后的残留物，其中固体物质称沼渣，液体物质称沼液。

本概念强调原料是“可生物降解的有机物废弃物”包括“人畜粪便或各种农林废弃有机物”，“温度、含水量和甲烷细菌”、“密闭容器”是该生物化学反应的条件，“厌氧发酵”是该过程中生物化学反应的实质，“甲烷”为目标生成物，至于“二氧化碳等”、“残留物”是目标生成物的副产品，该残留液即为沼液，而残留固体物，即沼渣。

1.2 沼液的成分

从上述沼液的概念出发，可知：沼液是一种很复杂的混合物，上部可能存在悬浮物，液体中含有一定量的已经产生但溶于液体或未释放的气体、矿物养分等无机物、各种分子大小不一的有机物，以及泥土等沉淀物。

对于沼液的成分测定分析，可以从2个不同角度进行：一是按照液体肥料为目的进行测定分析；二是按照畜禽养殖污染物排放为目的的测定分析。

从液体肥料和营养角度看，大多数文献报道比较一致：沼液中含有一定量的植物生长和发育的必需营养元素，如氮、磷、钾大量营养元素，钙中量元素和铜、铁、锌、锰等微量元素。此外，沼液含有比较丰富的氨基酸、有机酸、水解酶、维生素、激素，以及对病虫害有抑制作用的物质[14-15]。另外有报道：沼液中还含有一些对人体有害的重金属，如汞、镉、铬、砷、铅等[16-17]。但是，由于取样的方法、时间和地点的不同，所测定的营养成分的量值存在比较大的差异：总氮、总磷、总钾一般分别在200～900 mg/L、30～100 mg/L、100～500 mg/L的范围；锌、铜的浓度分别在<10 mg/L和<5 mg/L的范围。钟攀等[18]研究发现，除Pb外，以猪粪为主要原料，经厌氧发酵后所得的沼液中毒性重金属均存在不同程度的超标现象，以As最严重，Cr、Hg、Cd次之。武丽娟等[19]对沼液中多种重金属含量进行了测定，其中含量较高的是铜和锌，浓度分别为2.18 mg/L和 0.48 mg/L。总之，沼液中含有植物营养成分和有害重金属，但是植物营养成分含量不高，而重金属含量因发酵原料不同而出现较大差异，但是不可避免的有超标现象。

处于畜禽养殖污染物排放的角度，测定指标包括：生物需氧量（BOD）、化学需氧量（COD）、氨态氮（NH3-N）、全磷（TN）、悬浮物（SS）、粪大肠菌群数和蛔虫卵数量。一般认为，沼液属于高浓度有机废水，各个指标量值测定分析结果同样存在比较大的差异，一般的测定结果为COD高达1000～5000 mg/L、氨氮600～1200 mg/L、全氮1000～1800 mg/L、浊度150～300 NTU[20]。张晓军等[21]研究的用UASB（“UASB”指升流式厌氧污泥床）工艺处理的养猪场沼液COD达2316 mg/L，氨态氮达915 mg/L，全磷量为135 mg/L；Ken Smith等[22]的研究也表明，厌氧发酵的沼液中含有大量的氨态氮以及磷等元素；陈亮等[23]和陈志远等[24]分别用USB（USB为厌氧反应器）和CSTB（CSTB为传统完全混合反应器）工艺处理奶牛场沼液和鸡粪沼液，经处理的奶牛场沼液COD为2928 mg/L，氨态氮为948 mg/L，全磷量为 375 mg/L；而经处理的鸡粪沼液氨态氮高达5000 mg/L。

很明显，以上沼气发酵后残留液体均无法达到国家养殖业污染物的排放标准[14]。

2 沼液再利用的风险和途径

对于沼液的再利用，目前存在以下风险和途径：沼液是农业废弃物再利用、生产沼气的、成分十分复杂的液体，与过去相比，存在以下几个特点：过去，沼气的规模比较小，一家一户的，沼液排放，以户为单位，施用到农田里，从数量上可以得到自行消纳，而近年来养殖业规模化程度不断提高和扩大，伴随而来大量的沼液，超过了就近消化的容量，远不能像过去一样直接作为肥料就地消纳，而且易流动，运输和贮存困难，容易影响周边环境卫生，存在污染环境的风险。过去，畜禽养殖沿用传统技术，不存在一些添加剂，诸如有害重金属、抗生素、激素等，沼液中有害成分低，而现在的沼液中含有害重金属、抗生素、激素，甚至严重超出国家相关排放标准，存在污染和危害生态环境的风险。

沼液的无害化、资源化利用涉及到农业、能源、环境等行业，将成为今后中国养殖业、沼气能源、农业环境综合治理和可持续发展的突出问题。

沼液的再利用归纳为以下2个途径：一是作为肥料或者养殖的原料而利用，原因是沼液含有一定成分和量值的营养物质，可以被植物和动物利用：有报道采用沼液浸种，能使农作物增产5%以上[25-26]，有做叶面肥喷施于果树、蔬菜，能显著增加叶绿素含量和产量[27-32]，有用沼液作为无土栽培的营养基质，可以大大节约成本[33]，也有用沼液做养殖，如喂猪和养鱼，使猪每天增重0.2 kg，并能降低猪发病率[34-36]，沼液能使鱼产量增加15%以上[37]；二是达标安全排放，如果将沼液不经处理而排放，将会污染环境，给生态环境带来压力和风险，对于这个问题，文献报道较少，在此提出沼液的达标排放，原因是现实中存在不经处理而乱排放的现象比较严重。达标排放处理的成本和代价比较高，相关技术有待研究。

3 结论与建议

（1）沼液是厌氧发酵的产物之一，指可生物降解的有机废弃物（如人畜粪便或各种农林废弃），在一定的含水量、温度、甲烷细菌的条件及作用下，经密闭容器进行厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳等气体后的残留物，其中固体物质称沼渣，液体物质称沼液。

（2）沼液的成分中既含有对植物有益的营养元素，也存在对环境和食品健康不利的因素，均不能直接施用或者直接排放；否则，存在污染环境和危害健康的风险。

（3）沼液的利用途径有许多种，其中主要途径有2个，即：作为肥料回归土壤和达标安全排放。

（4）沼液无害化和资源化利用技术，将是今后摆在农业、能源、环境等行业的重要课题，亟待研究和解决。

（5）建议相关部门从源头规范和控制饲料填加剂的使用，避免或减少食品及其下游畜禽粪便或沼液中有害重金属、激素等污染环境的风险。

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