稳定化处理条件对沼液污染指标的影响及综合评价
作者： 纪景纯 汪康康 周加顺 张正东
摘要 为探究全年不同时期、稳定化处理天数对于沼液污染性的影响，以江苏省连云港市东旺奶牛养殖场沼液为供试材料，分别在2023年1月13日、5月12日、7月11日取厌氧发酵输出沼液，模拟当地氧化塘环境进行稳定化处理0、60、120、180、240 d后，检测沼液电导率、化学需氧量（COD）及Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量，研究不同稳定化处理条件对沼液污染性的影响。结果表明，随着稳定化处理天数的延长，各项污染指标均有不同程度降低；稳定化初始日期影响沼液污染指标初始含量，7月11日的沼液初始污染性相对较低。利用主成分分析法对各处理进行综合排名，由大到小为T3（1月13日，120 d）>T6（5月12日，0 d）>T1（1月13日，0 d）>T7（5月12日，60 d）>T11（7月11日，0 d）>T2（1月13日，60 d）>T13（7月11日，120 d）>T8（5月12日，120 d）>T4（1月13日，180 d）>T9（5月12日，180 d）>T12（7月11日，60 d）>T14（7月11日，180 d）>T10（5月12日，240 d）>T15（7月11日，240 d）>T5（1月13日，240 d）。其中，T5、T15、T10处理整体效果较好，不仅降低了沼液还原性物质含量和重金属元素含量，还在一定程度上降低了盐分含量，说明处理天数对沼液稳定化处理过程影响最为重要，无论何时开展沼液稳定化处理，240 d的稳定化处理天数均可以较好地降低沼液的污染性，可以在生产中推广应用。
关键词 沼液；重金属；盐分；化学需氧量（COD）；稳定化处理
中图分类号 S 141.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2025）03-0182-05
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.038
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Effects of Different Stabilizing Treatments on Pollution Index of Biogas Slurry and Its Comprehensive Evaluation
JI Jing chun， WANG Kang kang， ZHOU Jia shun et al
（Jiangsu Provincial Agricultural Reclamation and Development Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 210031）
Abstract In order to investigate the effect of different aerobic stabilization treatments on the contamination of biogas slurry， the biogas slurry from Dongwang Dairy Farm in Lianyungang City， Jiangsu Province， was taken as test material， 15 treatments with different inception dates and days of treatment were set in this experiment. Three batches of biogas slurry were sampled from anaerobic fermentation engineering on January 13， May 12 and July 11， 2023， respectively， and the electrical conductivity （Ec）， chemical oxygen demand （COD） and the contents of Hg， As， Pb， Cd， Cr， Cu and Zn of the biogas slurry were measured after the varied aerobic stabilization days of 0， 60， 120， 180 and 240 d. The results showed that with the extension of aerobic stabilization days， all pollution indexes decreased to different degrees. The batches of sampling affected the initial pollution index of biogas slurry， and the initial pollution index of biogas slurry sampled on July 11 was relatively low. Comprehensively rank of the treatment effects obtained by principal component analysis was as T3 （January 13， 120 d）>T6（May 12， 0 d）>T1 （January 13， 0 d） >T7 （May 12， 60 d） >T11 （July 11， 0 d） >T2 （January 13， 60 d）>T13 （July 11， 120 d）>T8 （May 12， 120 d） >T4 （January 13， 180 d） >T9 （May 12， 180 d） >T12 （July 11， 60 d） >T14 （July 11， 180 d） >T10 （May 12， 240 d） >T15 （July 11， 240 d） >T5 （January 13， 240 d）. Among all treatments， T5， T15 and T10 performed better， which not only reduces the COD and heavy metal content of biogas slurry， but also reduces the Ec to a certain extent， indicating that the days of aerobic stabilization have the most important impact on the biogas slurry stabilization process， regardless of when the biogas slurry stabilization treatment is carried out. The aerobic stabilization days of 240 d can reduce the pollution degree of biogas slurry， so it was worth promoting and applying in production practice.
Key words Biogas slurry;Heavy metals;Salt;COD;Stabilization treatment
基金项目 国家重点研发计划项目（2023YFD2300505）。
作者简介 纪景纯（1993—），女，江苏南京人，农艺师，博士，从事智慧农业研究。
*通信作者，高级农艺师，硕士，从事农业生产相关科研和管理工作。
收稿日期 2024-04-11；修回日期 2024-10-28
随着中国养殖业的发展，越来越多万头以上的大型畜禽养殖场建立，然而也带来大量的畜禽养殖粪污亟待处理［1］。沼气工程以养殖业粪污、种植业秸秆等有机废弃物为原料，厌氧发酵产生沼气、沼液和沼渣，沼气作为能源，沼渣经烘干加工后生产有机肥，沼液经稳定化处理后作为液态有机肥还田，是一种环境友好型技术［2-3］。沼液含有丰富的C、N、P、K等元素，用作有机肥还田能够改善作物冠层结构、增加产量，改善土壤结构［4-5］。但是，由于畜禽养殖过程中往往在饲料中添加重金属以促进动物生长并提高抗菌性，且重金属吸收率低，不会通过厌氧消化过程被降解，因此刚刚通过厌氧发酵的沼液中通常含有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等重金属，且盐分、还原性物质有机污染物含量较高，不当施用会降低土壤质量，影响作物生长［6-7］。
沼液稳定化处理采用的好氧发酵过程可以降低沼液毒性并提高养分的生物有效性［8］。张学政等［9］研究表明，好氧发酵过程可以降低Cu和Zn的生物可利用性。王振等［10］研究表明，好氧发酵过程使有机物质进一步分解，产生的腐殖质可以络合、吸附重金属元素，是降低重金属生物可利用性的关键。
前人对于好氧发酵稳定化处理的研究主要集中于发酵过程的影响因素，包括原料C/N比、发酵过程环境温度、供氧量等［11-13］。在实际生产过程中，沼液稳定化处理的原料C/N比受到饲养条件和沼气工程的制约，稳定化处理的温度、供氧量受到自然环境影响［14］。对于已建成的沼气工程，明确现有沼液稳定化处理过程对沼液污染性影响，从而指导优化稳定化处理过程十分必要［15］。笔者以江苏省连云港市东旺奶牛养殖场产生的沼液为供试材料，研究不同时期、不同稳定化处理时间对沼液污染指标的影响，以期为评价全年沼液稳定化处理效果、指导沼液清洁还田提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验概况
试验于2023年1月—2024年3月在江苏省连云港市东辛农场进行，该地区属暖温带南缘湿润性季风气候，年平均温度14.6 ℃。供试沼液来源于东旺养殖场一场、二场、三场沼液设施（DW），地理位置如图1所示。沼液工程均采用先固液分离后经黑膜氧化塘厌氧发酵的方式。
1.2 试验设计与管理
环境温度为-15～10 ℃（2023年1月13日，5 d均温4.0 ℃）、10～25 ℃（2023年5月12日，5 d均温16.8 ℃）、25～40 ℃（2023年7月11日，5 d均温28.9 ℃）时，分别取DW厌氧发酵新鲜沼液（0 d沼液），投贮至沼液贮存罐，模拟当地氧化塘环境进行稳定化处理，每个模拟处理设置3个重复。分别稳定化处理60、120、180、240 d后从每个沼液贮存罐中取样2份，检测沼液成分，稳定化处理情况见表1。
1.3 测定指标与方法
沼液电导率采用电极法测定，化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）采用重铬酸钾法测定，Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量采用微波消解-石墨炉法检测，测定方法参考《沼液中砷、镉、铅、铬和铜、锌等元素含量的测定》（农质标函〔2021〕76号）。
1.4 数据处理与分析
试验数据采用 Excel 2019 和 SPSS 20.0 软件进行统计、分析，采用OriginPro2024 进行绘图。采用Duncan′s新复极差法分析差异显著性，双变量相关分析法分析相关性，主成分分析评价沼液污染综合情况。
2 结果与分析
2.1 稳定化处理条件对沼液电导率及COD值的影响
由图2可知，不同稳定化处理条件对沼液电导率及COD值均有较大影响。2023年7月11日取样的沼液电导率、COD初始值（0 d）较低，分别较其他时间段内（2023年5月12日、2023年1月13日）的沼液初始值低 15.44%～20.83%、35.79%～42.01%。COD值随着稳定化处理天数的延长而下降，其中0～60 d，COD值快速下降，降幅达 65.66%～ 78.40%；60～240 d下降速度放缓，在180 d后，COD去除率在75%以上。电导率随稳定化处理天数延长而波动下降，降幅较小。
2.2 稳定化处理条件对沼液重金属元素含量的影响
由图3可知，不同稳定化处理条件中稳定化处理天数对沼液重金属含量影响较大。随着稳定化处理天数的延长，沼液中重金属含量总体呈下降趋势，稳定化处理240 d后降幅较大。其中，5月12日开始稳定化处理的沼液240 d后Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在24.12%～94.49%，平均降幅为72.36%；7月11日开始稳定化处理的沼液240 d后As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在20.75%～92.58%，平均降幅为65.42%，Hg含量上升0.37 μg/kg；1月13日开始稳定化处理的沼液240 d后As、Pb、Cd含量有所下降，降幅在50.32%～92.98%，平均降幅为83.77%，Cr、Cu、Zn含量分别上升了4.54 μg/kg、2.17 mg/kg、0.43 mg/kg。