摘要 為探究全年不同時(shí)期、穩(wěn)定化處理天數(shù)對(duì)于沼液污染性的影響，以江蘇省連云港市東旺奶牛養(yǎng)殖場沼液為供試材料，分別在2023年1月13日、5月12日、7月11日取厭氧發(fā)酵輸出沼液，模擬當(dāng)?shù)匮趸镰h(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定化處理0、60、120、180、240 d后，檢測沼液電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量（COD）及Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量，研究不同穩(wěn)定化處理?xiàng)l件對(duì)沼液污染性的影響。結(jié)果表明，隨著穩(wěn)定化處理天數(shù)的延長，各項(xiàng)污染指標(biāo)均有不同程度降低；穩(wěn)定化初始日期影響沼液污染指標(biāo)初始含量，7月11日的沼液初始污染性相對(duì)較低。利用主成分分析法對(duì)各處理進(jìn)行綜合排名，由大到小為T3（1月13日，120 d）gt;T6（5月12日，0 d）gt;T1（1月13日，0 d）gt;T7（5月12日，60 d）gt;T11（7月11日，0 d）gt;T2（1月13日，60 d）gt;T13（7月11日，120 d）gt;T8（5月12日，120 d）gt;T4（1月13日，180 d）gt;T9（5月12日，180 d）gt;T12（7月11日，60 d）gt;T14（7月11日，180 d）gt;T10（5月12日，240 d）gt;T15（7月11日，240 d）gt;T5（1月13日，240 d）。其中，T5、T15、T10處理整體效果較好，不僅降低了沼液還原性物質(zhì)含量和重金屬元素含量，還在一定程度上降低了鹽分含量，說明處理天數(shù)對(duì)沼液穩(wěn)定化處理過程影響最為重要，無論何時(shí)開展沼液穩(wěn)定化處理，240 d的穩(wěn)定化處理天數(shù)均可以較好地降低沼液的污染性，可以在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 沼液；重金屬；鹽分；化學(xué)需氧量（COD）；穩(wěn)定化處理

中圖分類號(hào) S 141.6" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" 文章編號(hào) 0517-6611（2025）03-0182-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.03.038

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（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）gt;T6（May 12， 0 d）gt;T1 （January 13， 0 d） gt;T7 （May 12， 60 d） gt;T11 （July 11， 0 d） gt;T2 （January 13， 60 d）gt;T13 （July 11， 120 d）gt;T8 （May 12， 120 d） gt;T4 （January 13， 180 d） gt;T9 （May 12， 180 d） gt;T12 （July 11， 60 d） gt;T14 （July 11， 180 d） gt;T10 （May 12， 240 d） gt;T15 （July 11， 240 d） gt;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

基金項(xiàng)目 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFD2300505）。

作者簡介 紀(jì)景純（1993—），女，江蘇南京人，農(nóng)藝師，博士，從事智慧農(nóng)業(yè)研究。

*通信作者，高級(jí)農(nóng)藝師，碩士，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)科研和管理工作。

收稿日期 2024-04-11；修回日期 2024-10-28

隨著中國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，越來越多萬頭以上的大型畜禽養(yǎng)殖場建立，然而也帶來大量的畜禽養(yǎng)殖糞污亟待處理^［1］。沼氣工程以養(yǎng)殖業(yè)糞污、種植業(yè)秸稈等有機(jī)廢棄物為原料，厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣、沼液和沼渣，沼氣作為能源，沼渣經(jīng)烘干加工后生產(chǎn)有機(jī)肥，沼液經(jīng)穩(wěn)定化處理后作為液態(tài)有機(jī)肥還田，是一種環(huán)境友好型技術(shù)^［2-3］。沼液含有豐富的C、N、P、K等元素，用作有機(jī)肥還田能夠改善作物冠層結(jié)構(gòu)、增加產(chǎn)量，改善土壤結(jié)構(gòu)^［4-5］。但是，由于畜禽養(yǎng)殖過程中往往在飼料中添加重金屬以促進(jìn)動(dòng)物生長并提高抗菌性，且重金屬吸收率低，不會(huì)通過厭氧消化過程被降解，因此剛剛通過厭氧發(fā)酵的沼液中通常含有Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn等重金屬，且鹽分、還原性物質(zhì)有機(jī)污染物含量較高，不當(dāng)施用會(huì)降低土壤質(zhì)量，影響作物生長^［6-7］。

沼液穩(wěn)定化處理采用的好氧發(fā)酵過程可以降低沼液毒性并提高養(yǎng)分的生物有效性^［8］。張學(xué)政等^［9］研究表明，好氧發(fā)酵過程可以降低Cu和Zn的生物可利用性。王振等^［10］研究表明，好氧發(fā)酵過程使有機(jī)物質(zhì)進(jìn)一步分解，產(chǎn)生的腐殖質(zhì)可以絡(luò)合、吸附重金屬元素，是降低重金屬生物可利用性的關(guān)鍵。

前人對(duì)于好氧發(fā)酵穩(wěn)定化處理的研究主要集中于發(fā)酵過程的影響因素，包括原料C/N比、發(fā)酵過程環(huán)境溫度、供氧量等^［11-13］。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，沼液穩(wěn)定化處理的原料C/N比受到飼養(yǎng)條件和沼氣工程的制約，穩(wěn)定化處理的溫度、供氧量受到自然環(huán)境影響^［14］。對(duì)于已建成的沼氣工程，明確現(xiàn)有沼液穩(wěn)定化處理過程對(duì)沼液污染性影響，從而指導(dǎo)優(yōu)化穩(wěn)定化處理過程十分必要^［15］。筆者以江蘇省連云港市東旺奶牛養(yǎng)殖場產(chǎn)生的沼液為供試材料，研究不同時(shí)期、不同穩(wěn)定化處理時(shí)間對(duì)沼液污染指標(biāo)的影響，以期為評(píng)價(jià)全年沼液穩(wěn)定化處理效果、指導(dǎo)沼液清潔還田提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)于2023年1月—2024年3月在江蘇省連云港市東辛農(nóng)場進(jìn)行，該地區(qū)屬暖溫帶南緣濕潤性季風(fēng)氣候，年平均溫度14.6 ℃。供試沼液來源于東旺養(yǎng)殖場一場、二場、三場沼液設(shè)施（DW），地理位置如圖1所示。沼液工程均采用先固液分離后經(jīng)黑膜氧化塘厭氧發(fā)酵的方式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

環(huán)境溫度為-15～10 ℃（2023年1月13日，5 d均溫4.0 ℃）、10～25 ℃（2023年5月12日，5 d均溫16.8 ℃）、25～40 ℃（2023年7月11日，5 d均溫28.9 ℃）時(shí)，分別取DW厭氧發(fā)酵新鮮沼液（0 d沼液），投貯至沼液貯存罐，模擬當(dāng)?shù)匮趸镰h(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定化處理，每個(gè)模擬處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。分別穩(wěn)定化處理60、120、180、240 d后從每個(gè)沼液貯存罐中取樣2份，檢測沼液成分，穩(wěn)定化處理情況見表1。

1.3 測定指標(biāo)與方法

沼液電導(dǎo)率采用電極法測定，化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）采用重鉻酸鉀法測定，Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量采用微波消解-石墨爐法檢測，測定方法參考《沼液中砷、鎘、鉛、鉻和銅、鋅等元素含量的測定》（農(nóng)質(zhì)標(biāo)函〔2021〕76號(hào)）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Excel 2019 和 SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，采用OriginPro2024 進(jìn)行繪圖。采用Duncan′s新復(fù)極差法分析差異顯著性，雙變量相關(guān)分析法分析相關(guān)性，主成分分析評(píng)價(jià)沼液污染綜合情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)定化處理?xiàng)l件對(duì)沼液電導(dǎo)率及COD值的影響

由圖2可知，不同穩(wěn)定化處理?xiàng)l件對(duì)沼液電導(dǎo)率及COD值均有較大影響。2023年7月11日取樣的沼液電導(dǎo)率、COD初始值（0 d）較低，分別較其他時(shí)間段內(nèi)（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值隨著穩(wěn)定化處理天數(shù)的延長而下降，其中0～60 d，COD值快速下降，降幅達(dá) 65.66%～ 78.40%；60～240 d下降速度放緩，在180 d后，COD去除率在75%以上。電導(dǎo)率隨穩(wěn)定化處理天數(shù)延長而波動(dòng)下降，降幅較小。

2.2 穩(wěn)定化處理?xiàng)l件對(duì)沼液重金屬元素含量的影響

由圖3可知，不同穩(wěn)定化處理?xiàng)l件中穩(wěn)定化處理天數(shù)對(duì)沼液重金屬含量影響較大。隨著穩(wěn)定化處理天數(shù)的延長，沼液中重金屬含量總體呈下降趨勢，穩(wěn)定化處理240 d后降幅較大。其中，5月12日開始穩(wěn)定化處理的沼液240 d后Hg、As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在24.12%～94.49%，平均降幅為72.36%；7月11日開始穩(wěn)定化處理的沼液240 d后As、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn含量均有所下降，降幅在20.75%～92.58%，平均降幅為65.42%，Hg含量上升0.37 μg/kg；1月13日開始穩(wěn)定化處理的沼液240 d后As、Pb、Cd含量有所下降，降幅在50.32%～92.98%，平均降幅為83.77%，Cr、Cu、Zn含量分別上升了4.54 μg/kg、2.17 mg/kg、0.43 mg/kg。

穩(wěn)定化處理起始日期對(duì)初始沼液重金屬含量影響較大，1月13日開始穩(wěn)定化處理的沼液初始Hg、As含量分別較其他時(shí)間段（2023年5月12日、2023年7月11日）的沼液初始值高25.27%～1 700.00%、38.68%～99.83%； Cr、Cu、Zn含量分別較其他時(shí)間段（2023年7月11日、2023年5月12日）的沼液初始值低90.00%～95.82%、85.12%～87.69%、96.92%～97.29%。

2.3 沼液污染性指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由圖4可知，沼液各污染指標(biāo)間均呈現(xiàn)一定的相關(guān)性。電導(dǎo)率與COD值、Hg、As、Cr、Cu、Zn含量呈極顯著正相關(guān)，其中電導(dǎo)率表征沼液鹽分含量，COD表征還原性物質(zhì)含量，說明沼液總鹽分含量越高，還原性物質(zhì)及重金屬含量越高。COD值與Zn、Cr、Hg含量呈極顯著正相關(guān)，說明還原性物質(zhì)含量越高，Zn、Cr、Hg含量越高。Hg含量與Zn、As、Pb含量呈極顯著正相關(guān)，與Cr含量呈顯著正相關(guān)，說明沼液中Hg含量越高，Zn、As、Pb、Cr含量越高。Pb含量與Cr、Zn含量呈極顯著正相關(guān)，Pb含量越高，Cr、Zn含量越高。Cr含量與Cu、Zn含量呈極顯著正相關(guān)，Cr含量越高，Cu、Zn含量越高。

2.4 不同處理沼液污染性指標(biāo)的主成分分析和綜合評(píng)價(jià)

各處理沼液穩(wěn)定化處理起始日期、穩(wěn)定化處理天數(shù)不同，對(duì)沼液污染指標(biāo)初始值、穩(wěn)定化處理時(shí)間段內(nèi)的積溫均有所影響，各污染指標(biāo)變化情況也不一致，為了進(jìn)一步研究不同處理沼液的污染性程度、綜合評(píng)價(jià)各穩(wěn)定化處理效果，采用主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。

由表2可見，根據(jù)特征值gt;1、方差累積貢獻(xiàn)率gt;65%的原則共提取出3個(gè)主成分，這3個(gè)主成分可以反映沼液不同穩(wěn)定化處理后污染情況的信息量。其中，第1主成分占信息總量的39.92%，貢獻(xiàn)率最大，其特征向量中載荷較高的為Zn、Cr、電導(dǎo)率、COD，第2主成分中載荷較高的為As、Cd、Hg，第3主成分中載荷較高的為Cd、Cu，說明第1主成分除反映沼液污染指標(biāo)中重金屬含量外，同時(shí)表征了鹽分含量及還原性物質(zhì)含量，第2、3主成分則側(cè)重反映不同重金屬含量。

為了進(jìn)一步說明前3個(gè)主成分對(duì)各因子影響大小，利用各指標(biāo)的載荷量和特征值，計(jì)算主成分系數(shù)（表3），構(gòu)建主成分與各指標(biāo)之間的線性關(guān)系式：

Y1=0.384 6 X1+0.327 9 X2+0.302 1 X3+0.223 6 X4+0.278 6 X5-0.109 7 X6+0.457 3 X7+0.292 4 X8+0.468 0 X9

Y2=0.141 6 X1+0.104 6 X2+0.466 1 X3+0.503 1 X4+0.117 5 X5-0.472 4 X6-0.273 6 X7-0.394 6 X8-0.176 3 X9

Y3=0.218 8 X1-0.194 9 X2-0.320 8 X3+0.277 2 X4-0.374 1 X5+0.562 7 X6+0.050 1 X7+0.524 6 X8+0.009 3 X9

利用各污染指標(biāo)主成分系數(shù)計(jì)算不同處理污染情況的綜合得分，結(jié)合方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建污染情況綜合評(píng)價(jià)模型P=0.399 2 Y1+0.146 3 Y2+0.114 3 Y3。利用該模型對(duì)15個(gè)處理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。不同處理下沼液污染性指標(biāo)的整體表現(xiàn)為T3gt;T6gt;T1gt;T7gt;T11gt;T2gt;T13gt;T8gt;T4gt;T9gt;T12gt;T14gt;T10gt;T15gt;T5。其中T3處理綜合污染性最高，鹽分、還原性物質(zhì)及重金屬含量均較高?？傮w而言，穩(wěn)定化處理天數(shù)越長，污染指標(biāo)綜合得分越低，處理后沼液污染性越低；2023年7月11日開始穩(wěn)定化處理的沼液，污染指標(biāo)綜合得分較低，沼液污染性較低。

3 討論

該試驗(yàn)中，沼液穩(wěn)定化處理起始日期和穩(wěn)定化處理時(shí)間對(duì)沼液穩(wěn)定化處理后各類污染指標(biāo)具有不同的作用。穩(wěn)定化處理起始日期的環(huán)境溫度（-15～10、10～25、25～40 ℃）對(duì)奶牛的飼養(yǎng)條件、生長狀態(tài)、奶牛糞污的厭氧發(fā)酵進(jìn)程有著重要影響。穩(wěn)定化處理天數(shù)影響沼液重金屬等元素的沉降及好氧發(fā)酵程度。而穩(wěn)定化處理起始日期決定著后續(xù)穩(wěn)定化處理階段的積溫、溫度變化趨勢、濕度等環(huán)境條件，對(duì)好氧發(fā)酵過程影響深刻。目前關(guān)于沼液處理的研究表明，穩(wěn)定化處理時(shí)間通常需要超過90 d，部分地區(qū)甚至長達(dá)1年，這與該研究結(jié)果基本一致^［16-17］。

沼液處理后污染情況的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)由多個(gè)指標(biāo)因子構(gòu)成。該試驗(yàn)基于沼液電導(dǎo)率、COD、重金屬含量指標(biāo)，采用主成分分析法綜合評(píng)價(jià)各沼液穩(wěn)定化處理起始日期和穩(wěn)定化處理天數(shù)對(duì)沼液綜合污染性的影響程度，篩選出綜合污染指標(biāo)最低的處理，對(duì)指導(dǎo)沼液清潔還田具有重要意義。該研究結(jié)果表明，2023年7月11日（溫度25～40 ℃）開始穩(wěn)定化處理的沼液初始污染程度較輕；隨著沼液穩(wěn)定化處理天數(shù)的延長，沼液總體污染程度降低，這與徐飛^［18］的研究結(jié)果相近。不同穩(wěn)定化起始日期的沼液在經(jīng)過相同天數(shù)的穩(wěn)定化處理后的污染程度相近，總體看來，穩(wěn)定化處理240 d，各時(shí)期開始穩(wěn)定化處理的沼液污染程度均較低，可以滿足清潔還田的需求。

4 結(jié)論

沼液穩(wěn)定化處理可以降低沼液還原性物質(zhì)含量，沉降重金屬元素，從而降低沼液的污染性，穩(wěn)定化起始日期所影響的沼液初始污染情況和后續(xù)穩(wěn)定化處理環(huán)境條件以及穩(wěn)定化處理時(shí)間對(duì)沼液穩(wěn)定化處理結(jié)果有深刻影響。利用主成分分析法對(duì)不同穩(wěn)定化處理起始日期和穩(wěn)定化處理天數(shù)的沼液處理效果進(jìn)行綜合排名，由大到小為T3（1月13日，120 d）gt;T6（5月12日，0 d）gt;T1（1月13日，0 d）gt;T7（5月12日，60 d）gt;T11（7月11日，0 d）gt;T2（1月13日，60 d）gt;T13（7月11日，120 d）gt;T8（5月12日，120 d）gt;T4（1月13日，180 d）gt;T9（5月12日，180 d）gt;T12（7月11日，60 d）gt;T14（7月11日，180 d）gt;T10（5月12日，240 d）gt;T15（7月11日，240 d）gt;T5（1月13日，240 d）。其中，T5、T15、T10處理整體效果較好，不僅降低了沼液還原性物質(zhì)含量和重金屬元素含量，還在一定程度上降低了鹽分含量。說明處理天數(shù)對(duì)沼液穩(wěn)定化處理過程影響最為重要，無論何時(shí)開展沼液穩(wěn)定化處理，240 d的穩(wěn)定化處理天數(shù)均可以較好地降低沼液的污染性，可以在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

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