猪场沼液高值化综合利用研究进展及前景分析

巫小丹, 岑庆静, 吴冬梅, 郑洪立, 向书玉, 廖钟娟, 罗 玲, 阮榕生, 刘玉环

( 1.南昌大学食品学院， 南昌 330031； 2.南昌大学生物质转化教育部工程研究中心， 南昌 330047； 3.南昌大学图书馆， 南昌 330031 )

随着经济的发展和人民生活水平的提高，生猪养殖正朝着规模化、集约化的方向发展，成为我国农村经济中最活跃的经济增长点和主要的支柱产业。随着规模化、集约化所带来高环境负荷量与耕地资源不断萎缩矛盾的日益加剧，环境问题日益凸显，成为制约养殖业可持续发展的瓶颈问题[1]，在环保政策的压力下，我国生猪存栏量呈下降趋势[2]。据中国环境保护部统计，2015年全国131837家规模化畜禽养殖场和7578家规模化畜禽养殖小区排放化学需氧量1015.5万吨、氨氮55.2万吨[3]。近年来，随着《畜禽养殖业污染防治技术政策》(环发[2010]151号)、《畜禽规模养殖污染防治条例》(国务院令第643号)、《水污染防治行动计划》(国发[2015]17号)、《畜禽养殖禁养区划定技术指南》(环办水体[2016]99号)、《“十三五”生态环境保护规划》(国发[2016]65号)、《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(国发[2017]48号)等政策法规的相继出台，国家明确要求对畜禽养殖业排放指标实施协同控制，大力推进畜禽养殖废弃物污染治理与资源化利用，以厌氧发酵技术为核心的沼气工程能消纳有机废弃物、缓解能源短缺，得到日益广泛的应用。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，我国将建成大型畜禽养殖场沼气工程10000座，工业有机废水沼气工程6000座，年产沼气约140亿立方米，沼气发电达到300万千瓦。沼气工程所产沼液数量庞大，沼液利用是循环农业产业链中的重要环节。养猪沼液中含有丰富的养分，可以作为有机肥料施用于农田，欧美发达国家对于沼液的处理均是经过长期贮存后作为肥料在大田消纳[4]。由于沼液运输成本高，且沼液连续生产与季节性施肥存在矛盾，加上我国的沼气工程项目很少有足够的土地贮存和消纳沼液，导致养猪沼液的处理一直是我国畜禽养殖业和环保部门的棘手问题。面对数量庞大且日渐增多的沼液，若没有进行无害化、资源化处理，而将其任意排放，将会造成二次污染，严重制约沼气工程的发展。目前，我国畜牧业正处于转型升级的关键时期，为了保证沼气工程的稳定良好发展，促进畜禽养殖业的可持续发展，加快推进农村生态文明建设，养猪沼液高附加值资源化利用势在必行。

本文通过文献调研，综述了养猪沼液在传统产业应用现状和高附加值资源化利用研究进展，提出我国养猪沼液应推行梯度资源化处理，构建高值化综合利用体系，以期为拓宽养猪沼液利用途径，实现其安全高效利用提供参考。

1 养猪沼液特性概述

养猪沼液是猪场粪污等有机物经厌氧发酵产生CH4和CO2等气体后的残留液。养猪沼液具有COD高、氨氮高、TP高的特点，特征污染物含量如表1所示。沼液中富含氮、磷、钾等大量元素和铜、铁、锌等微量元素，还有各种氨基酸、维生素、水解酶、植物激素以及病虫抑制因子等物质。除此以外，沼液中可能还存在较高浓度粪大肠菌群[5]，少量兽药抗生素[6]，有毒副作用的激素，及Hg、As、Cd、Pb、Cr等重金属离子[7]。因此，在应用沼液过程中应形成安全处理和安全施用的意识。

2 养猪沼液传统资源化利用现状

2.1 沼液在种植业的应用

养猪沼液含有大量的营养元素、丰富的有机物质(如氨和铵盐、丁酸、植物激素赤霉素、吲哚乙酸以及维生素B12等)，速效营养能力强，养分可利用率高，不但能提高作物的产量和品质，而且具有防病抗逆作用，是一种优质的有机液体肥料[11-12]，享有“生物农药”之美称。目前，养猪沼液在种植业上的应用主要是在沼液浸种、沼液灌根、叶面喷施、改良土壤等方面(见表2)。

表2 沼液在种植业上的应用

2.2 沼液在林业的应用

沼液在林业也有较广泛的应用，主要有根部施沼液和叶面喷施两种方式，施用沼液可降低虫口密度，提高坐果率5%以上，增产10%～30%，降低农业成本[24]。亓翠玲[25]等的研究表明沼渣沼液穴贮对于果园水肥的补充效果较好，可使樱桃树单株产量增加21.76%，单果重增加28.89%。王炳华[26]等对初果期香榧林施用不同浓度的沼液，发现合适浓度的沼液对香榧林的生长有促进作用。

2.3 沼液在养殖业的应用

沼液中含有多种氨基酸、维生素、有机酸和大量粗蛋白等营养物质，可以满足多种生命体的营养需求，可应用于禽畜饲养、水产养殖等方面。将沼液与水混合供应给禽畜食用后，发现沼液能够刺激家禽卵巢的排卵功能，促进其生产发育[27]。将沼液施入鱼塘，沼液中丰富的营养元素能促进浮游生物生长，成为鱼类饵料，同时沼肥中半消化或未消化的饲料可供鱼食用。沼液养鱼可弥补人工饲料营养不足的缺陷，减少饲料投放量，改善鱼塘生态环境，实现稳产、高产养鱼[28]。

3 养猪沼液高附加值资源化利用现状

近年来，随着科技的发展，养猪沼液结合一些高新技术开启了高附加值资源化利用的研究道路。

3.1 膜分离技术获得高浓缩液体有机肥

膜处理技术是一项成熟的水净化技术[29]。养猪沼液中单位体积养分含量低，储存、运输成本较高，随着膜分离技术的发展，可通过膜分离技术获得高浓缩液体有机肥以实现高值化利用。沼液经膜浓缩处理后，有机肥营养成分浓度可明显升高，重金属含量低于国家规定的安全标准，主要大分子有机物为腐殖酸和氨基酸[30]。范蓓蓓[31]发现沼液10倍浓缩液各项指标含量均符合农业部NY1106-2010、NY1429-2010标准，将浓缩沼液配方肥与氨基酸水溶肥、“奥捷”水溶肥等的施用效果进行对比，发现浓缩沼液肥促进小白菜生长、改善土壤性质的效果最为显著，突出了浓缩有机液肥的优势[32]。毛金刚[33]采用超滤-纳滤膜耦合技术处理养猪沼液，得到的20倍浓缩液可用作灌溉有机肥。沼液中的悬浮物、胶体含量较高，因此在膜浓缩前，需要对料液进行预处理以防膜污染[34]。王雷[9]提出的化学絮凝—纳滤、电絮凝—纳滤组合工艺可以减轻纳滤膜污染程度。张智烨[35]的研究表明采用生物基滤料和膜浓缩一体化技术可以达到有效保留营养物质并去除大分子污染物的目的，也能为后续浓缩减轻膜污染负担。

3.2 超滤膜技术提取腐植酸类物质

腐植酸是动植物残骸经过微生物的分解和转化及其他物理化学过程所积累的天然有机物质[36]。沼液中难降解有机物腐植酸使其可生化性较差，但其特定的结构(含有羟基、羧基、烯醇基等多种官能团)给腐植酸带来了一定的化学活性和生物活性，可有效增加植物的抗逆性，改良农作物品质。有研究表明，腐植酸可以钝化重金属[37]，修复重金属污染土壤[38]，改善作物表观性状，并促进其对氮肥的吸收，提高产量[36]。沼液中含有各种腐植酸[39]，尤其是户用型沼气池所产沼液中含量最高，可达0.13%[40]。从沼液中分离提取腐植酸类物质既可解决沼液中有机物难降解的处理难题，又可获得腐植酸类物质，实现腐植酸资源化利用。目前，可采用超滤膜技术分离提取腐植酸类物质[41]，但该方法极易造成膜污染，膜运行成本高。岳东北[42]等使用离子交换树脂-超滤膜提取沼液中的腐植酸类物质：先利用离子交换树脂选择性吸附沼液中腐植酸，树脂解吸可得以重复使用，再采取超滤膜分离法将腐植酸类物质和解吸药剂分离。腐殖酸类物质回收率达80%以上，纯度大于80%，解吸附药剂循环利用率大于85%。

3.3 氨氮提取回收技术

3.3.1 石灰-吹脱技术获得氨气

沼液中富含氨氮，可通过投加石灰的方法调节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将NH3高效吹脱提取出来[43]，可以氨水形式[44]或制成硫酸铵晶体实现回收利用[45]，氨肥可用于农业生产。

3.3.2 鸟粪石结晶技术获得缓释肥料

3.3.3 介质吸附技术回收氨氮

吸附法去除氨氮是利用多孔性固体(如硅酸钙、活性炭、生物炭、沸石等)吸收污水中的氨氮。袁基刚[52]等采用自制的改性粉煤灰吸附沼液中氨氮，当改性粉煤灰添加量为0.013 g·mL-1，中性条件下吸附30 min时，吸附效果良好，氨氮吸附率高达78.60%。SanchoI[53]等通过集成天然沸石和中空纤维膜接触器，从生活污水中回收氮作为液体肥料。生物碳对氨氮也有较好的吸附性能，蒋旭涛[54]研究了以小麦秸秆作为原料制备的生物碳用于吸附氨氮。刑赜[55]的研究表明吸附饱和的沸石可部分代替氮磷肥，改善冬小麦的生物学指标和酸性紫色土的理化性质。

3.4 生物质转化技术

3.4.1 微藻技术获得微藻生物质

随着能源危机和环境问题的日益加剧，微藻生物质能开发研究受到广泛关注[56]。沼液中富含碳源、氮源等，能够为微藻生长提供基本营养要素[57]。若将沼液用于微藻培养，可达到沼液低成本排放的目的，又可节约微藻培养的成本，同时微藻生物质还可加工成多种高附加值产品，在医药工业、食品工业、饲料工业、可再生能源等领域都有广阔的应用前景。Tan F[58]等的研究发现，用稀释沼液培养微藻不仅可以有效去除氮磷，还可获得较多的碳水化合物产物。Park[59]等的研究表明:当氨氮的浓度在100 mg·L-1时，微藻生长的细胞密度可达最大值，微藻细胞受其影响不大，当氨氮含量在200 mg·L-1时，与正常生长的微藻相比，细胞密度会降低至70%;而当氨氮值升高为1000 mg·L-1，细胞密度会降低至35%，细胞的生长严重受影响。沼液养殖微藻应与以高值化利用为目标的降氨氮技术紧密结合。

3.4.2 现代农业技术获得绿色有机农产品

水培是一种新型环保的现代化蔬菜栽培技术，有效解决了土壤资源受限的问题。水培蔬菜生长周期短，需肥少，产量高，品质好，无环境污染，已成为发展现代农业的重要方式[60]。养猪沼液经过一系列处理后，氮磷含量明显降低，可依托现代农业技术进行水培蔬菜，实现氮磷资源最大化利用。吴冬青[61]等的研究发现，在营养液中添加40%的沼液可大大提高快菜的产量，而且能显著提高快菜中的维生素C、可溶性糖、粗纤维和粗蛋白等的含量。俞超[62]等研究表明，相比普通土壤栽培，沼液无土栽培对蕹菜根长、侧根长、总产量影响显著，可溶性糖含量明显提高，增幅为68.5%；蕹菜中硝基氮含量显著降低，降幅为31.5%。沼液中养分含量特性使得水培蔬菜过程中也存在一些问题，如需要进行较高倍数的稀释处理。梁飞虹[63]等将沼液经脱氨处理后，对比不同浓度沼液水培生菜效果，发现沼液稀释倍数在5～15倍时，氨氮脱除率高达98%，生菜相对增长量最大，外观品质与营养品质最佳。因此，沼液水培蔬菜应紧密结合以高值化利用为目标的预处理技术。

3.5 光催化技术

光催化技术是一种新兴的高效节能的现代处理技术。将光催化技术应用于沼液处理，为解决沼液环境污染问题和沼液资源化利用提供了新的思路和方向。王菲凤[64]研究N掺杂TiO2纳米材料的催化性能及其对腐殖酸的降解效果，发现适当掺入N可显著提高可见光催化性能，腐殖酸的降解率可达80%。肖文静[65]等使用TiO2作为催化剂，加入到经沉淀、过滤的预处理沼液中，紫外光照条件下进行光催化反应，发现光催化处理可降低沼液的COD值和降解腐殖酸等有机物。光催化技术还可为光解制氢提供水源，产生的氢气又可以作为甲烷的氢源，实现资源的循环利用。光催化处理技术具有成本低、效率高的优点，将光催化沼液处理装置与沼气工程结合，有望成为沼液资源化利用的新途径。

4 养猪沼液梯度处理及多级资源化利用体系的构建

目前，沼液利用存在沼肥生产的连续性与农业使用的季节性之间的矛盾，而规模化、集约化养殖模式更是加剧了养殖高环境负荷量与农用空间有限的矛盾，沼气工程运转受到威胁，循环农业产业链亟待寻求突破。开展多渠道的养猪沼液高附加值资源化利用是打破这一局面的唯一出路，构建养猪沼液梯度处理及资源化利用体系迫在眉睫。徐畅[10]采用“沸石吸附-斜生栅藻净化”两步法处理高氨氮养猪沼液，研究发现利用沸石吸附将沼液的氨氮值降低到90 mg·L-1左右后斜生栅藻生长很好，而未经沸石吸附预处理的对照组沼液在斜生栅藻接种后第二天即出现死亡现象，且经过沸石处理沼液中养殖的栅藻油脂含量为30%，明显高于稀释沼液中培养藻类的油脂含量，可用于开发微藻生物质能源，实现了高氨氮养猪沼液的梯度处理。“种养一体化”实现了养殖废水、沼渣沼液经过无公害处理后用于种植业，构建一种立体、循环的生态农业模式，可显著改善生态农业经济，合理利用农业资源、保护生态环境。石鹏飞[66]等分析了沼液-有机肥-蔬菜种植等循环链，系统间物质循环减少了环境污染，证实了沼液多级处理的生态经济效益。

5 养猪沼液高值化综合利用可行性和前景分析

目前，养猪沼液高值化利用发展进程中，要更多关注沼液成分的波动情况和影响因素，对沼液成分控制进行深入研究，将沼液的传统处理方法与高值化综合利用处理技术结合起来，实现养猪沼液梯度处理及多级资源化利用。可首先考虑回收大部分氮磷元素，再通过微藻培养、水培蔬菜、鱼类养殖等方式构建一个能量循环自供的良好生态体系，形成“生物固碳-废水深度净化-微藻生物质生产-水培蔬菜栽培-鱼类养殖”耦合系统，实现经济效益的进一步延伸，以期形成运行良好的循环农业产业链。