规模化奶牛场污水盐分特征分析

Salinity characteristics of sewage from large scale dairy farms

摘要

目的 探讨规模化奶牛场不同处理工艺下污水的盐分特征规律，以期为粪污资源化利用提供理论依据。 方法 分别采集河北省17家奶牛场挤奶厅、尿液和固液分离后等经典型工艺处理的污水，测定Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺、Ca²⁺含量及全盐量和电导率，分析电导率与盐分离子间的相关性。 结果 奶牛场尿液中无机盐组分以Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺为主，且随着处理工艺的推进，固液分离后无机盐含量逐渐降低，而挤奶厅污水中盐分含量总体上较低，仅Cl^-含量略高（436 mg/L）；污水中各阶段的全盐量和电导率存在显著差异，且尿液的全盐量和电导率均显著高于挤奶厅和固液分离后的全盐量和电导率，分别为52.2 g/L、23.3 mS/cm；相关性分析表明，全盐量与电导率、Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺均呈极显著正相关，相关性最弱的离子是Ca²⁺。 结论 规模化奶牛场污水中尿液无机盐离子和全盐量最高，固液分离后的次之，挤奶厅的最低，且电导率、Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺可表征研究污水盐度的特征因子。

关键词

规模化奶牛场 / 污水 / 全盐量 / 电导率 / 无机盐组分 / 固液分离

Key words

large-scale dairy farms / sewage / content of total salinity / electrical conductivity / components of inorganic salt / solid-liquid separation

目前，我国奶牛饲养规模呈现出日益集约化、规模化、主流化的发展趋势，而养殖产生的大量粪污不仅严重制约养殖业的绿色可持续发展，而且更对食品安全和生态环境构成威胁^[1]。奶牛场粪污主要来源于牛粪尿、挤奶厅消毒水、冲洗水等，含有大量的有机碳、氨氮、氮、磷等有机物以及盐分和重金属等污染物^[2-3]；其次，奶牛粪便、污水中存在的无机钠盐、钾盐，若直接灌溉还田会通过盐基离子的反聚作用引起土壤电导率升高、微孔阻塞、透水气性下降，继而导致土壤次盐渍化风险骤增^[1,4]。由于不同养殖生态区的饲养管理方式多样化、畜禽品种和生长习性差异化、粪污处理技术集成化，粪污中盐分残留情况存在诸多差异。综上，掌握奶牛粪污中盐分含量变化特征与分布规律对畜禽粪污资源化利用至关重要。目前，有关奶牛场粪污中盐分迁移积累规律的研究仍较少。因此，本试验选择典型奶牛养殖生态区河北省的规模化奶牛场作为研究对象，测定并分析不同粪污处理阶段前后污水的主要盐分指标的变化，旨在为有效开展奶牛场污水减排与无害化处理提供科学的理论参考。

1 材料与方法

1.1 样品采集与处理

本试验于2022年6—7月进行采样，在河北省挑选17家规模化奶牛养殖场开展粪污采集，主要采集的样品为不同生产与处理阶段（挤奶厅、鲜尿液、固液分离后）污水。样品体积1 L，共获取51个污水样品，采样后样品置于4 ℃下冷藏密封保存，备用。

挤奶厅污水、尿液和固液分离后污水样品分别在各自的污水收集池中采集，搅拌泵充分搅拌均匀后用水质采集器采集水面以下0.5 m处多点混合采样。

1.2 测定指标及方法

电导率（EC）采用多功能电导率测定仪FiveEasy Plus FE38（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）测定；全盐量采用重量法HJ/T 51—1999《水质全盐量的测定》测定；Na⁺、K⁺和Ca²⁺采用ICP-AES法测定；Cl^-、SO₄^2-采用DR 6000型紫外可见光分光光度计（美国HACH公司，波长分辨率0.1 nm）测定。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2016、Origin 9.0软件整理数据，采用SPSS 23.0软件进行方差分析，利用最小显著差异法（LSD）处理显著性差异，以P＜0.05表示差异显著，P＜0.01表示差异极显著。

2 结果与分析

2.1 奶牛场污水中无机盐分含量变化规律

由图1可知，常规的无机盐离子含量变化规律为：尿液>固液分离后>挤奶厅。在尿液的5种盐离子中，K⁺含量极显著地高于其他4种，为7 320 mg/L，Ca²⁺含量最低（46 mg/L）。在固液分离后污水中，K⁺离子含量最高（1 418 mg/L），Ca²⁺含量最低（371 mg/L），但其显著高于挤奶厅和尿液中的Ca²⁺含量。在挤奶厅污水中，无机盐离子整体上含量偏低，仅Cl^-含量略高（436 mg/L）。

2.2 奶牛场污水中全盐量和电导率差异分析

污水中各阶段的全盐量和电导率存在显著差异（图2），可以发现尿液中的全盐量和电导率均显著高于挤奶厅和固液分离后的全盐量和电导率，分别为52.2 g/L、23.3 mS/cm；而挤奶厅的全盐量和电导率整体上较低，分别为1.8 g/L、3.2 mS/cm，这与无机盐分含量变化规律一致。另外，发现由污水前端到后期处理阶段（原水尿液到固液分离后）的全盐量与电导率均减少，降幅分别为79.1%、48.5%。

2.3 奶牛场污水主要盐分指标的相关性分析

通过对污水中主要盐分指标与全盐量、电导率进行相关性分析（表1），结果表明全盐量与电导率、Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺均呈极显著正相关，而与Ca²⁺存在显著负相关，Pearson相关系数为－0.385。另外，电导率与无机盐离子的相关性规律与全盐量基本一致，而Ca²⁺除外。

3 讨论

3.1 奶牛场污水中无机盐分的特征

规模化奶牛场在养殖过程中需投入大量无机盐饲料补充日粮需求，而饲料添加剂包含高剂量的钠、氯、钙、钾及微量元素铜、锌等，部分营养元素被动物吸收转化后通过粪便与尿液排泄到环境中^[5]。若直接排放于地表，污水可导致土壤盐分积聚阻塞孔隙，引发土壤板结而恶化土质^[4]。生态环境部发布的GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》中，氯化物含量限值≤350 mg/L，而在本研究中挤奶厅、尿液和固液分离后污水中Cl^-含量分别达到436、1 596、1 056 mg/L，若未加以深度处理直接排放，易超出灌溉水质限值。

在奶牛日常生产中，挤奶厅通常加入适量的次氯溶液作为消毒剂，致使有效Cl^-浓度偏高^[6]。而尿液是污水产生的源头，其整体上无机盐浓度偏高，尤其是Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺，需进行深度处理完成初步脱盐，这在固液分离后阶段得以体现。固液分离后污水中部分无机盐分被去除，盐分负荷量大大降低，主要由于固液分离去除不溶性物质，达到浓缩减量进入后续处理环节^[7]。综上，畜禽污水中盐分含量较高，盐分特征规律在工艺阶段之间差异显著，应从源头上加大减量化、环境友好型处理模式的开发应用。

3.2 奶牛场污水中全盐量、电导率的差异性分析

全盐量一般用于农田灌溉用水水质检测，是含盐污水的重要控制指标^[8]。在本研究中，尿液的全盐量分别是挤奶厅、固液分离污水的29.2、4.8倍，属于排污系数偏高类型。电导率可直接反映混合盐的含量，已有文献研究表明电导率与含水率呈线性函数正相关关系，可衡量盐渍化程度^[9-10]。同样，奶牛场污水中电导率变化差异与全盐量一致，尿液的电导率分别是挤奶厅、固液分离污水的7.4、1.9倍。另外，相关性分析表明，全盐量与电导率、Cl^-、SO₄^2-、Na⁺、K⁺均呈极显著正相关，对电导率的直接影响大。针对污水电导率的测定，能及时有效地掌握污水盐分浓度、水分状况等多种性质，及时诊断粪污生产问题。

4 结论

河北省作为主要的奶牛养殖生态区，本研究选取17家规模化奶牛养殖场，从粪污处理的收集、输送、处置工序入手，从污水分类整体结构上进行盐分特征分析，发现尿液污水中无机盐浓度偏高，而固液分离后、挤奶厅次之；且尿液中全盐量、电导率及阴阳盐离子均处于较高水平。另外，污水电导率与全盐量极具正相关性，可直接真实反映盐分积聚程度。针对不同处理工序下的污水全盐量和电导率，可为粪污还田提供科学的理论支撑。

参考文献

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基金资助

中国农业科学院科技创新工程项目(ASTIP-CAAS)

国家现代农业产业技术体系(CARS-36)