丁京濤，張朋月，趙立欣，孟海波，沈玉君，劉森泓

·農業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

養(yǎng)殖糞水長期貯存過程理化特性變化規(guī)律

丁京濤1,2，張朋月1,2，趙立欣1，孟海波1,2，沈玉君1,2※，劉森泓1,2

（1. 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院農村能源與環(huán)保研究所，北京 100121；2. 農業(yè)農村部資源循環(huán)利用技術與模式綜合性重點實驗室，北京 100121）

目前中國中小規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場主要采用自然貯存后還田的形式處理養(yǎng)殖糞水，受場地制約，養(yǎng)殖糞水貯存時間通常僅有1～2個月，之后便直接還田利用，貯存后的糞水理化特性變化尚不清楚，是否適宜直接還田尚需研究。該研究以豬糞水和牛糞水為研究對象，重點分析糞水在長期貯存中糞大腸菌群、電導率（Electrical Conductance，EC）以及化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）的變化，分析糞水最佳貯存期及還田利用方式，以期為糞水資源化及安全還田提供參考。結果表明，糞水經自然貯存6個月，銨態(tài)氮損失達68%以上，不僅引起環(huán)境污染，且降低了養(yǎng)分；貯存后糞水基本可達到無害化要求，但pH值、EC值以及COD濃度仍然偏高，還田前應制定合理的糞水資源化利用方案；固液分離可以有效降低糞水中的COD濃度和EC值，促進糞水無害化進程。該研究為中國畜禽養(yǎng)殖糞水資源化用探索了新的技術路徑。

糞；貯存；化學需氧量；全鹽量；糞大腸菌群數

0 引 言

據統(tǒng)計，中國每年產生約38億t的畜禽糞污，其中糞水量約20億t[1-2]。目前，中國中小規(guī)模養(yǎng)殖場數量占全國規(guī)模養(yǎng)殖場的56.6%，其養(yǎng)殖糞水處理利用已成為制約養(yǎng)殖場可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

養(yǎng)殖糞水是尿液、糞便、沖洗水以及消毒液的混合物，成分復雜，含有大量的致病菌，如不經處理直接施用于農田，病原菌易通過食物鏈進入人體危害人體健康[3-5]；其次，糞水中含有大量的鹽分，易導致作物“燒苗”[6]，其中銨鹽是糞水中鹽分的主要成分，糞水中的銨鹽主要源自糞水中的尿液以糞便有機物的降解；最后，糞水中的有機質在土壤中降解可能會使土壤處于暫時性缺氧狀態(tài)，抑制作物生長。

中國養(yǎng)殖糞水的處理技術主要有物化法、生物法、自然生態(tài)處理法[7-9]。2018—2019年2 a畜禽糞污第三方評估數據顯示，中國83.34%的養(yǎng)殖場糞水采用自然貯存等簡易方式處理，不同養(yǎng)殖場糞水貯存時間有長有短，大部分養(yǎng)殖糞水貯存2個月后還田施用，目前中國對養(yǎng)殖糞水貯存多長時間能達到無害化的研究仍然較少。本文以牛糞水和豬糞水為研究對象，通過長期貯存試驗，分析糞水貯存過程中理化特性變化，明確糞水貯存時間需求及其無害化效果，以期為養(yǎng)殖糞水還田利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年1月至2019年7月在農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院（雙橋院區(qū)）試驗室進行，試驗用牛糞水為北京市順義區(qū)某奶牛場經固液分離處理前、后的糞水，豬糞水為北京市順義區(qū)某種豬場干清糞糞水、水泡糞糞水，其基礎理化性質見表1，鑒于干清糞方式和固液分離方式均是將養(yǎng)殖場的固體糞便和液體糞水分開處理，本文中對干清糞方式和固液分離方式統(tǒng)稱固液分離處理方式。

1.2 試驗方法

將糞水置于50 L（直徑38cm、高58cm）的圓桶中，敞口貯存，模擬養(yǎng)殖場糞水自然貯存狀態(tài)。試驗處理詳見表2。試驗周期為6個月，每15 d測樣分析pH值、電導率（Electrical Conductance, EC）、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮，每30 d分析糞水中的化學需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD），并分別在糞水貯存第3個月和第6個月監(jiān)測糞水貯存中糞大腸菌群數的變化情況。

1.3 環(huán)境條件

將盛有糞水的敞口圓桶靜置于試驗車間陽光能夠照射到的區(qū)域，每日可接受陽光照射時間4 h左右；實驗室配有負壓排風系統(tǒng)，用以模擬自然環(huán)境糞水表層空氣流通；本試驗未能對試驗期間糞水貯存的環(huán)境條件進行恒溫控制，在試驗期間試驗車間環(huán)境溫度由（15±1）℃（1月份）逐漸上升至（29±1）℃（7月份）。

表1 不同處理基礎理化性質

表2 試驗處理

1.4 分析方法

pH值采用上海雷磁PHS-3C型pH計進行測定；銨態(tài)氮采用納氏試劑法進行測定；硝態(tài)氮采用紫外分光光度法進行測定；亞硝態(tài)氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法進行測定，COD采用重鉻酸鉀法165℃加熱15min后利用比色法測定；糞大腸菌群數委托華測檢測認證集團北京有限公司進行分析。

2 結果與分析

2.1 COD濃度的變化

COD是反應糞水中能被氧化的還原性物質的量，這些還原性物質以有機物為主，分析糞水的COD濃度可以了解糞水中有機物質的質量濃度。從圖1可以看出糞水在貯存的180 d中其COD濃度總體呈現降低趨勢。豬糞水中的COD濃度從1 352.6和5 186.9 mg/L降至948.7和4 415.8 mg/L，牛糞水中的COD濃度從5 935.4和8 463.2 mg/L降至5 126.6和6 781.6 mg/L，COD濃度降低了14%～30%。養(yǎng)殖糞水作為液肥施用時，考慮到COD對農作物的影響，建議根據土地承載力，制定糞水施肥計劃，一般全量糞水中的含氮量例不宜超過土壤需肥量的50%[10]，固液分離后的糞水肥建議不超過土壤需肥量的20%。

牛糞水中的COD濃度顯著高于豬糞水，可能是由于牛糞水含固率較高的原因導致的，另外經固液分離處理后的糞水中的COD濃度明顯低于未經固液分離的糞水，表明經固液分離處理方式收集糞水可以有效降低糞水中COD濃度。

圖1 化學需氧量濃度隨貯存時間的變化

2.2 pH值變化

糞水貯存過程中，pH值始終呈上升的趨勢，從圖2可以看出，豬糞水和牛糞水在貯存期間其pH值分別從6.88～6.92和7.23～7.32上升到了9.03～9.13以及8.33～8.66，貯存初期牛糞水pH值高于豬糞水，但豬糞水的pH值上升速度較快，貯存一周后豬糞水的pH值在貯存期顯著高于牛糞水，一方面可能是由于牛糞水總固體質量濃度更高，其pH值緩沖性強于豬糞水，牛糞水貯存中含氮有機物降解產生的銨氮在短時間內難以改變牛糞水的pH值，另一方面可能是由于牛糞水因含有過高的含固率，導致糞水中有機物降解中產生厭氧環(huán)境生成少量有機酸[11]，使牛糞水pH值上升速度不及豬糞水。參考沼肥[12]中規(guī)定，沼液肥施用的pH值在5～8之間，在貯存后期，豬糞水的pH值已不再升高，呈現穩(wěn)定并逐漸降低的趨勢，但其pH值上高于9，而牛糞水的pH值仍呈現繼續(xù)上升的趨勢，不宜直接還田施用。

圖2 pH值隨貯存時間的變化

2.3 EC值變化

EC值是表征糞水鹽分的直觀指標，糞水鹽分越高其EC值越高。從圖3可以看出，本試驗糞水貯存的180 d中豬糞水和牛糞水中的EC值呈逐漸降低的趨勢，整體來看，豬糞水的EC值分別從7.42和11.58 mS/cm降到了5.39和9.31 mS/cm，降幅分別為27.4%以及19.6%，牛糞水的EC值分別從5.32和5.51 mS/cm降到了4.41以及4.85 mS/cm，降幅分別為17.1%以及12.0%，可見，糞水可以通過自然貯存的形式降低糞水所含的鹽分。試驗過程中，豬糞水中的電導率顯著高于牛糞水，這說明豬糞水中含鹽成分、含離子成分、含雜質成分多于牛糞水。經固液分離方式處理的糞水電導率要低于未經固液分離方式處理的糞水，特別是豬糞水差距顯著，可能是糞便中溶解出大量的鹽分進入糞水導致的，故固液分離的方式處理畜禽糞污對降低糞水全鹽量具有積極作用。

土壤的EC值超過2 mS/cm的時候就會影響作物生長[13]，糞水長期施用應考慮電導率對作物的影響。目前糞水鹽分在土壤的累積效應尚不清楚，需做長期定位試驗分析糞水帶入、作物吸收、鹽分淋溶對土壤鹽分累積的影響。

圖3 EC值隨貯存時間的變化

2.4 銨態(tài)氮變化

糞水在自然貯存過程中的銨態(tài)氮在堿性條件下以氨氣的形式散逸的形式散逸到環(huán)境中，這是糞水EC值降低的主要原因之一。從圖4可以看出豬糞水中的銨態(tài)氮呈逐漸降低的趨勢，分別從1 258.6和2 042.8 mg/L降至267.4和428.6 mg/L，降幅分別為78.8%和79.0%，牛糞水中的銨態(tài)氮分別從2 724.1和3 027.2 mg/L降至741.9和948.5 mg/L，降幅分別為72.8%和68.7%，可以看出糞水中的銨態(tài)氮在180 d的貯存期內降低了68%以上。此外，由于糞水中的固態(tài)有機物降解原因，經固液分離方式處理的糞水中銨態(tài)氮質量濃度顯著低于未經固液分離方式處理的糞水。

從糞水利用價值和環(huán)保的角度來看，糞水中的氨氣排放到環(huán)境中不僅損失了糞水的含氮量，同時污染了環(huán)境空氣。故糞水還田之前，應考慮糞水貯存過程如何降低氮素損失量，提高糞水還田價值，減少糞水貯存中因氨氣散逸造成的環(huán)境污染。

圖4 銨態(tài)氮質量濃度隨貯存時間變化

2.5 硝態(tài)氮變化

糞水中硝態(tài)氮質量濃度過高易導致養(yǎng)分淋溶造成損失[14]，從圖5可以看出養(yǎng)殖糞水中的硝態(tài)氮質量濃度在50 mg/L以下，糞水貯存中其硝態(tài)氮質量濃度整體呈下降的趨勢，其中T2處理的硝態(tài)氮質量濃度顯著高于其他處理，貯存期間從33.5 mg/L逐漸降至23.7 mg/L，T1、T3和T4處理的硝態(tài)氮質量濃度差異較小，從7.6～10.9 mg/L逐漸降至3.4～8.5 mg/L。糞水貯存中硝態(tài)氮不斷降低可能是厭氧環(huán)境下反硝化細菌將硝態(tài)氮轉化為氮氣導致的。由于本試驗中T2的硝態(tài)氮質量濃度顯著高于其他處理，故在養(yǎng)殖糞污利用中應重點關注含固率較高的豬糞水還田引發(fā)的硝態(tài)氮淋溶風險。

圖5 硝態(tài)氮質量濃度隨貯存時間變化

2.6 亞硝態(tài)氮變化

亞硝態(tài)氮進入人體后能使血液中正常攜氧的低鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，因而失去攜氧能力而引起組織缺氧，雖然糞水中亞硝態(tài)氮的質量濃度極少，但其通過土壤進入食物鏈對人或動物造成的危害不容忽視[15-17]。從圖6可以看出，固液分離后、前的豬糞水的亞硝態(tài)氮質量濃度在0.31～0.74 mg/L以及0.68～1.14 mg/L的范圍內變化，固液分離后、前的牛糞水的亞硝態(tài)氮質量濃度在6.18～11.50 mg/L以及10.10～15.20 mg/L的范圍內波動，其中牛糞水中的亞硝態(tài)氮質量濃度明顯高于豬糞水中的亞硝態(tài)氮質量濃度，但豬糞水中的硝態(tài)氮質量濃度不低于牛糞水，導致牛糞水中亞硝態(tài)氮質量濃度升高的因素可能是牛糞水含固率顯著高于豬糞水，糞水有機物降解促使亞硝態(tài)氮質量濃度升高。此外，從圖6可以看出，固液分離的方式處理的糞水中的亞硝態(tài)氮質量濃度明顯低于未經固液分離處理的糞水，故為降低糞水中亞硝態(tài)氮質量濃度建議以固液分離的方式處理糞水。

圖6 亞硝氮質量濃度隨貯存時間變化

2.7 糞大腸菌群數

糞大腸菌群數是直接反映糞水無害化程度的重點指標，農田灌溉水質標準[18]、畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準[19]以及沼肥[12]等標準中均對糞大腸菌群做出了明確限制，其中沼肥標準是目前中國僅有的限制液態(tài)有機肥中糞大腸菌群數的標準，其中規(guī)定的液肥中糞大腸菌群數不超過100 000個/L。從圖7可以看出糞水初始的糞大腸菌群數均高于沼肥的規(guī)定，分別為180 000、540 000、2 400 000以及9 200 000個/L，在糞水貯存3個月時牛糞水中的糞大腸菌群數沒有達到沼肥的規(guī)定，但豬糞水已滿足要求，在貯存6個月時，雖然T4處理中糞大腸菌群數為92 000個/L，仍具有超標風險，但整體上看，豬糞水和牛糞水中的糞大腸菌群數基本滿足了沼肥對于糞大腸菌群數的規(guī)定，全部降至100 000個/L以下。可以看出，長期貯存有助于糞水自然滅活糞大腸菌群，但低于3個月的糞水貯存期顯然不足以使糞水完全達到相關要求，為保證糞水完全達到沼肥中規(guī)定的要求，糞水的貯存期應在6個月以上。

圖7 糞水中糞大腸菌群數隨貯存時間的變化

3 討 論

糞水貯存中主要涉及微生物的厭氧或兼氧過程，此過程是糞水中有機物降解的主要途徑，是氮素轉化的主要方式。溫度是影響有機體生長與存活的最重要的因子之一，溫度每升高10 ℃，生化反應速率增加一倍[20]，本試驗環(huán)境溫度為15～29 ℃，中國夏季平均氣溫為21.5 ℃，春、秋平均氣溫在11 ℃左右[21]，糞水貯存溫度相對更符合中國夏季糞水自然貯存環(huán)境溫度水平，故本試驗結果更側重于夏季糞水貯存中理化特性變化。

糞水資源化利用的關鍵從處理的角度看關鍵在無害化及降低含鹽量，同時降低糞水貯存期間的臭氣排放，從利用的角度避免氮素損失，最大化提高糞水氮素利用率。

本試驗重點分析了糞水貯存處理中的主要因素，其中，糞水的pH值和EC值均是由于糞水中含有大量銨態(tài)氮導致的，直接施用存在燒苗的風險。COD是表征水中有機物質量濃度的參數[22]，一般而言農田的有機物質量濃度越高越有利于作物生長，但研究表明水田作物在生長期施用含有質量濃度超過200 mg/L的COD灌溉水時會造成土壤暫時性缺氧，抑制作物根系生長[23]，而在旱田中幾乎無不良影響，可能是由于含糞水的灌溉水在應用到農田后水分會快速下滲，幾乎不會對土壤透氣性造成影響。從糞水施用時間看，糞水可在基肥期和追肥期施用，作為追肥施用后糞水覆蓋于土壤表層，在施用量較大或糞水COD濃度較高的情況下及易造成土壤缺氧，限制作物生長，而作為基肥施用后，可對農田進行翻耕，一方面可以降低農田氨揮發(fā)損失，另一方面將糞水附著的土壤均勻分布于土層中，減少糞水中COD對農田作物帶來的影響。從無害化處理的角度來看，糞水中的糞大腸菌群在貯存6個月時基本可以達到沼液肥[12]的相關要求，達到無害化處理，但未經固液分離的牛糞水仍有超標的風險，這可能是由于未經固液分離的牛糞水中的含固率大于其他處理，未經固液分離牛糞水中有機物的降解過度消耗的糞水中的溶解氧，而糞大腸菌則是以厭氧微生物為主的生物群落，故牛糞水中的糞大腸菌群數難以降低，因此養(yǎng)殖場的畜禽糞污建議以干清糞為主，以更好地使糞水經自然貯存后糞大腸菌群達到沼肥的相關要求。

銨態(tài)氮是糞水中養(yǎng)分的主要成分之一，糞水貯存中會釋放大量以氨氣為主的臭氣[24-26]，雖然貯存后糞水中的銨態(tài)氮降低有利于降低糞水的含鹽量，但卻降低了糞水肥效，嚴重影響了周邊環(huán)境，同時銨態(tài)氮轉換成的氨氣又是霧霾形成的主要因素之一[27]。因此，糞水貯存時，可采取添加酸化劑或覆蓋遮蔽物等方式加降低氨氣排放，強對糞水貯存中臭氣排放的控制[28]。

在糞水還田利用中應提高氮素利用率，減少因氮素淋溶及氨揮發(fā)造成的養(yǎng)分損失及環(huán)境污染[27]。目前降低氮素淋溶風險的措施可采取向糞水中添加硝化抑制劑降低銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化[29-31]；糞水還田后的銨態(tài)氮同樣是以氨氣的形式揮發(fā)到環(huán)境空氣而損失，通常采取深土注入施肥、拖尾軟管施肥等施肥方式降低農田氨氣揮發(fā)，另糞水在做基肥施用時需在土地翻耕前施用以達到降低銨氮損失的目的。

綜上，養(yǎng)殖糞水在貯存自然貯存不低于6個月時可達到無害化處理，可以進行還田利用，但由于其pH值、EC值、COD濃度仍舊偏高，糞水還田前應制定合理的糞水施用方案，降低糞水施用風險；銨氮是糞水貯存中損失量最大的養(yǎng)分元素，建議貯存中向糞水中添加酸化劑或在糞水表層覆蓋遮蔽物降低由于氨氣揮發(fā)導致的銨氮損失；糞水施用前可添加少量硝化抑制劑減少氮素淋溶損失，施用時可采取深土注入施肥、拖尾軟管施肥等方式進行施用，以降低養(yǎng)分損失。固液分離技術可以顯著降低糞水中的COD含量，降低含固率對糞水無害化進程的影響，建議對養(yǎng)殖糞污進行固液分離處理。

4 結 論

1）糞水經自然貯存6個月后基本可達到無害化處理，但其pH值、EC值以及COD濃度仍然偏高，建議糞水還田前依據農田類型制定糞水施用方案，降低糞水施用風險。

2）糞水貯存過程中銨態(tài)氮損失了68%～80%，損失較大，不僅引起環(huán)境污染，且降低了養(yǎng)分，應采取控制措施降低糞水貯存中因氨氣揮發(fā)導致的銨氮損失；還田前的糞水中含有大量銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，還田利用前應考慮因糞水氮素淋溶造成的環(huán)境風險。

3）固液分離可以顯著降低糞水中COD濃度和EC值，降低含固率，促進糞水無害化進程，建議養(yǎng)殖糞污貯存前要進行固液分離處理。

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Change rule of physical and chemical properties of slurry in the process of long-term storage

Ding Jingtao1,2, Zhang Pengyue1,2, Zhao Lixin1, Meng Haibo1,2, Shen Yujun1,2※, Liu Senhong1,2

(1.,,,100121,; 2,,,100121,)

Agricultural waste can be in the form of a liquid, slurry, or solid, such as manure, one of which the slurry is a mixture of urine, feces, washing water and disinfectant, containing complex components and many pathogenic bacteria. If the slurry was directly applied to farmland without any treatment, some severe negative effects can occur in this case. Firstly, the pathogenic bacteria in the slurry can be easy to enter the human body via the food chain, particularly harmful to human health. Secondly, the slurry contains a large amount of salt easy to cause crop "seedling burning", where ammonium salt is the main component of the salt in the slurry, mainly produced from the urine in the slurry to degrade the fecal organic matter. Finally, the degradation of organic matter in the slurry can make the soil in a temporary anoxic state, thereby to inhibit the growth of crops. At present, the general treatment to the slurry can be returning to the field after natural storage in most small and medium-scale livestock and poultry farms in China. Prior to directly returning to the field, the storage time of the slurry is usually only 1-2 months, particularly restricted by the sites. It is necessary to examine whether the stored slurry is suitable for returning to the field directly. The evolution of physical and chemical characteristics of the slurry after storage still remained unclear. Taking summer as the time node, while pig and cow manure water as the research objects, this paper aims to analyze the changes of fecal coliform, electric conductivity (EC) and chemical oxygen demand (COD) in the long-term storage of slurry, in order to obtain the optimum storage period and utilization mode of slurry. The results showed that the loss of ammonium nitrogen was more than 68% after six months of natural storage, indicating that it caused environmental pollution, and further reduced the nutrient value of slurry. A suggestion can be made to cover the surface of slurry with shelter or add acidification agent, in order to reduce the ammonia emission in slurry storage. After that, the slurry can basically meet the requirements of harmless after storage, but the pH value, EC Value and COD content of slurry were still high unsuitable to use directly. The high value of pH and EC indicated that there was a high concentration of ammonium salt in the slurry, and the long-term unreasonable application of fecal sewage can lead to soil salinization. Moreover, the application of slurry with high COD content can inhibit the root growth of paddy crops, thereby to affect root respiration, leading to the reduction in the yield of paddy crops, but it has little effect on dry land crops. Therefore, it is necessary to make a reasonable plan for the utilization of manure water before applying manure water to farmland, in order to reduce the risk of manure water when directly returning to farmland. In addition, a solid-liquid separation can effectively reduce the COD content and EC value in the slurry, thereby to promote the process of harmless slurry. The finding can provide a sound reference for the utilization of slurry resource and safe returning to the field.

manure; storage; chemical oxygen demand; total salt; fecal coliform count

丁京濤，張朋月，趙立欣，等. 養(yǎng)殖糞水長期貯存過程理化特性變化規(guī)律[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(14)：220-225.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.027 http://www.tcsae.org

Ding Jingtao, Zhang Pengyue, Zhao Lixin, et al. Change rule of physical and chemical properties of slurry in the process of long-term storage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 220-225. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.027 http://www.tcsae.org

2020-03-19

2020-05-19

農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院自主研發(fā)項目：畜禽養(yǎng)殖糞水酸化貯存及施用技術研究（項目編號：2018ZZYF0101）

丁京濤，博士，高級工程師，主要從事農業(yè)廢棄物資源化研究。Email：dingjingtao@163.com

沈玉君，博士，高級工程師，主要從事農業(yè)廢棄物資源化研究。Email：shenyj09b@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.027

S-3

A

1002-6819(2020)-14-0220-06