养殖场粪污氨排放控制的管理对策分析

李晨艳，乔 玮，董仁杰

(1.中国农业大学工学院(生物质工程中心)，北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发(实验)中心(中国农大)，北京 100083)

· 综 述 ·

养殖场粪污氨排放控制的管理对策分析

李晨艳1，2，乔 玮1，2，董仁杰1，2

(1.中国农业大学工学院(生物质工程中心)，北京 100083；2.国家能源生物燃气高效制备及综合利用技术研发(实验)中心(中国农大)，北京 100083)

我国畜禽业的快速发展，使得畜禽粪便污染问题日益严重。介绍国内外粪污处理的现状与政策，比较了固液分离、调节pH、曝气和表面覆盖这几种粪污处理措施的氨减排效果和经济性，得出向粪污储存表面增加覆盖物，可以减少氨排放和养分的流失，是经济又有效的一种方法。通过具体分析秸秆覆盖粪污的较优条件，建议粪污储存池的表面积要小于8 100 m2，在晚春向粪污含固率大于2% 的储污池，覆盖10 cm长、0.3 m厚的秸秆，其氨减排有效性和经济性最好，可使氨排放量减少85%以上。

畜禽粪污储存；氨排放；秸秆覆盖

1 引 言

我国是世界畜禽养殖大国，2013年生猪存栏数和牛存栏数分别约占世界总量的59.3%和13.5%[1-2]。畜禽养殖粪污排放所造成的环境污染问题，已成为制约行业可持续发展的重要因素之一。Paulot等[3]人对全球的氨排放检测显示，我国每年的氨排放总量约为1 200万t，美国和欧盟总和约为716万t。畜禽粪便是重要的氨气排放源之一，Clarisse等[4]报道畜禽粪便排放的氨气约占大气中氨总排放量的39%；William等[5]对全球氨排放量和去除量的估算结果表明，生态系统已不能全部消耗全球的氨排放量，因此减少氨排放已经成为环境问题的一个焦点。同时，大气中的氨与二氧化硫、氮氧化物结合生成硝酸铵、硫酸铵等二次颗粒物，而后者正是PM2.5的重要来源，是产生雾霾中溶胶的主要成分[6]。

2013年环保部出台了养殖场污染控制法规《畜禽规模养殖污染防治条例》，对养殖污染的控制提出了更高的要求，然而，养殖粪污污染防治措施并未同时跟进。有关养殖粪污氨减排技术的研究，黄丹丹等[7]研究了沼液储存过程中氨气的排放规律，马瑞娟等[8]总结了影响畜禽液体粪污储存过程中的影响因素，但国内尚未见到综合比较固液分离、调节pH、曝气和表面覆盖几种粪污储存措施氨减排的有效性和经济性的研究。

本文旨在分析总结各种方法对粪污氨减排的效果及其经济性比较，针对我国现阶段养殖业的现状，为粪污管理尤其是储存的最佳氨减排技术研究提供参考。

2 国内外氨减排的现状和政策

2.1 欧盟

北欧和西欧是畜牧行业较为发达的地区，在英国、荷兰、丹麦和德国，畜牧业排放的氨气分别占该国总排放量的75%、85%、82% 和76%[9]。1990年～2010年的二十年间，欧盟农业氨排放总量从479万t降为336.4万t，降低近30%，其中荷兰、丹麦、德国和法国氨排放分别降低68%、36.7%、22.5%、9.4%[3]。为指导各国开展氨排放控制工作，欧盟先后制定了预防和减少氨排放的相关指导文件。2001年，欧盟颁布了《大气污染物国家排放限值指令》，该指令确定了欧盟氨气的排放总量和各国的减排目标。欧盟的《整合污染预防与控制指令》中的集约化猪、禽养殖最佳实用技术也包含了氨的减排措施[10]。IPPC(综合污染预防和控制指令)要求各成员国对生产超过2 000头猪(猪/30kg)的区域，750头母猪的区域或40 000只家禽的区域采取措施来减少氨排放，自2008年之后所有大型养殖场都需要采取措施控制氨的污染。丹麦、荷兰和瑞典等国家关于畜禽粪便的贮存及粪污土地施用上有很明确的规定，荷兰在控制粪便储存流失量方面，法令要求粪污储存设施必须密封以阻止氨气排放，同时要求只有在耕作季节才能施入动物粪肥[11]。2014年起，荷兰强制畜牧业对产生的所有多余粪污进行加工处理。

2.2 美国

《联邦水污染防治法》对畜禽养殖场实行建场与环境许可制度，规定超过1 000标准头的工厂化畜牧场，必须得到许可才能建厂；1 000标准头以下，300标准头以上的畜牧场，其污水无论排入贮粪池，还是排入水体中均需要得到许可。该法案出台后，美国养猪场的数量由1972年的90万个左右降至2003年的10万个左右。在州一级政府的环境保护法规中，对畜牧业经营许可和畜禽粪便利用做了详细的规定：采用封闭式畜禽舍、养殖数量在200个畜牧单位及以上的养殖场和用土坑作为粪便储存设施的养殖场需要申请建筑许可证；建设养殖数量大于2 000个畜牧单位或者采用厌氧发酵工艺处理畜禽粪便的养殖场必须获得建筑许可证[12]。为防治氨排放，美国环保局控制技术中心于1995 年编制了《氨排放控制和污染防治方法报告》。2003年美国颁布了《集约化动物养殖场法规》，规定所有集约化动物养殖场必须制定综合粪污管理计划。

2.3 加拿大

加拿大畜禽养殖场的建设需要满足空间上的最短距离、制定营养管理计划，包括畜禽养殖场对畜禽粪便的贮存、使用所采取措施等计划。加拿大农业部颁发的《牧场粪便管理办法》中，根据牧场规模不同，对粪便的处理做了不同的要求，如饲养150～400头母猪规模的猪场，必须要建粪便和污水存池。由于加拿大年降雨量小于1 000mm，粪污可露天储存，但贮存池容积必须达到能够容纳9个月粪便的贮存量[13]。对于违反畜禽养殖场规范要求而造成环境污染事故，将由地方环境保护部门依据“联邦渔业法”及各州有关法规中的条款对产生污染事故的主体进行处罚。

2.4 国内

我国环境保护事业起步晚，1999年国家环保总局要求各级环境保护部门加强畜禽养殖污染防治监督，制定相关法规。2001年，国家环保总局颁布的《畜禽养殖污染防治管理办法》和《畜禽养殖业污染物排放标准》中规定：必须设置固体废物的固定储存设施和场所，储存场所要有防止粪液渗漏、溢流的措施。《畜禽养殖污染防治技术规范》规定了畜禽养殖场的清粪工艺、畜禽粪便贮存、污水处理、固体粪肥的处理利用等污染防治的基本技术要求，并要求畜禽养殖场产生的畜禽粪便应设置专门的贮存设施，其恶臭及污染物排放应符合《畜禽养殖业污染物排放标准》； 《畜禽养殖业污染防治技术政策》中规定规模化畜禽养殖场(小区)应加强恶臭气体净化处理并覆盖所有恶臭发生源，排放的气体应符合国家或地方恶臭污染物排放标准。我国控制畜禽养殖污染法规在日益完善，但缺乏针对性的控制方法，来减少粪污储存期的氨排放。

3 养殖场粪污处理的氨减排措施

尽管粪污处理氨减排的方法不尽相同，但总的原则是：(1)减少粪污挥发的面积，可以通过增加表面覆盖物、促使粪污表面结壳和增加储存池深度等方法；(2)降低pH减少氨的挥发；(3)降低对固体粪污堆存的扰动。

3.1 固液分离

固液分离是将固体粪污和液态粪污分开处理的一种工艺，固体粪污主要为粪便，其主要成分为蛋白质、脂肪、微生物、无机盐以及未消化完全的纤维素类物质；而液态粪污中氮主要以不稳定的尿素形式存在，当接触粪便中脲酶时转化为易挥发的NH3。固液分离可消除液体中的大量有机物质,削弱了厌氧微生物的活动，从而减少了有害气体的挥发和氨气的释放。研究表明，固液分离可使牛粪污和猪粪污分别减少30%～50%、10%～15%的有机固体[14]。Stansbery等[15]对比了传统储污池与经固液分离的储污池中猪粪水NH3排放的差别，结果发现，经固液分离的储污池与传统的储污池粪污相比，粪污氨态氮浓度平均值分别为31 mg/L和388 mg/L，NH3在贮存过程中的排放量由13 633 kg-N/hm2·a减少到 1 311 kg-N/hm2·a，减少了约90%。

根据作者对北京、河北、山西等地规模化奶牛场实地调研发现，固液分离已是粪污处理中较普遍采用的工艺。

3.2 调节pH

如上所述，根据pH值的不同，酸化可使粪污的氨排放量减少50%～85%，效果非常显著，但此方法对于大量粪污的储存来说，调酸不仅需要大量的投入，而且实施比较困难。爱荷华州立大学曾在报告中指出强酸在处理过程中存在安全问题和降低pH值使其他挥发性有害气体(如硫化氢)增加，此方法目前的应用还比较有限[20]。

3.3 曝气

曝气是指将空气通入到粪污中，促进好氧细菌的生长。在好氧环境中,曝气更易使有机物进行分解，有氧环境使微生物快速代谢为有机酸、醛、醇、挥发性胺类、酚类等有机物,并将它们转换为无味的物质,如二氧化碳和水，这在一定程度上可减少氨的排放。为减少成本，可以选择将部分粪污进行曝气处理，但是没有完全曝气效果好。最小曝气量的要求取决于农场规模、肥料特点和农场的气味控制需求，所以不存在普遍性规律。在曝气初期会增加氨气的排放[21]。Amon等[22]比较牛粪厌氧发酵和间歇曝气的氨排放量，发现普通厌氧发酵排放NH3量为41 g/m3，进行间歇曝气后排放量为209 g/m3，而Beline等[23]采用5L玻璃箱对猪粪浆分别进行连续曝气和间歇曝气(2.5h通气、1.5h缺氧)的好氧处理试验，在连续曝气时会有30%～33%的氨态氮以N2O的形式散发，而进行间歇曝气处理可减少30%的N2O排放，这是由于长时间的厌氧环境可以促使脱氮反应的完全进行。

3.4 隔水覆盖

隔水覆盖是用不透水的材料，防止气体和液体穿过。隔水覆盖是最有效的氨减排方法，氨减排量可达到80%～99%[14]，增加粪肥中氮的滞留，减少粪肥被雨水稀释。这些隔水材料导致可挥发性气体的浓度在空间顶部增加，从而减缓粪肥继续释放气体。隔水覆盖材料包括两种类型，刚性和柔性。刚性材料包括混凝土、木材、金属屋顶等结构，这种覆盖材料成本较高，但是可以避免99%的氨排放，同时维护简单，生命周期最长[14]。Sommer等[24]使用长、宽、厚分别为950mm、 2 950mm、 20mm的木材研究其覆盖在猪粪污和牛粪污上时的氨减排效果，结果表明其覆盖在猪粪污上可使氨排放减少95%，覆盖在牛粪污上可使氨排放减少99%。柔性材料通常是由高密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、聚氯乙烯或类似的成分组成，对膜的要求比较高，需要抗风、防紫外线辐射和其他环境影响(如雨、冰雹、野生动物等)，并且要求密封性良好。Scotford 等[25]利用聚乙烯膜覆盖猪场粪污，监测发现其能够使氨排放量减少100%，但每平方米需要138元，成本较高。目前Lagoon技术是一种常见的隔水覆盖形式，虽然其造价相对较高，但是使用和维护相对简便，且可使氨减排达到99%。在与外界空气隔绝的环境下，厌氧微生物的分解会产生甲烷，Lagoon需要有甲烷气收集和处理装置。粪污覆盖方式见下图。

a. 塑料薄膜覆盖，b. Lagoon储存，c. 自然结壳，d. 稻草覆盖，e. 轻质黏土颗粒覆盖，f. 土工布覆盖。图 几种粪污覆盖方式Fig. Several methods of waste coverage

3.5 透水覆盖

(1)自然结壳(Natural crust covers)：这种方式是由于粪污表面自然风干，形成一层保护层，防止氨的挥发，是最简单、最经济的方法，通常在牛场粪污存储中应用较多。当猪粪中的纤维素和固体含量较高，并很少扰动时，可形成这种风干保护层。自然结壳可以减少牛粪和猪粪储存过程30%～80%和20%～70%的氨排放[26]。自然结壳层上可生长甲烷氧化菌，可以减少粪污储存过程的甲烷释放，同时减少氨气和温室气体的排放。Smith等[27]比较牛场粪污储存过程中自然结壳和未结壳状态下的氨排放量，发现自然结壳状态可使氨减排效率达到60%。

(2)稻草覆盖(Straw)：这种方式是在储存的粪污上覆盖切碎的稻草、稻壳和果壳等密度较小的材料，可以有效的减少粪污储存中37%～90%的氨排放[28]。Horning等[29]利用碎秸秆覆盖沼液，研究其对NH3排放的影响，发现可使NH3的排放量减少80%～91%。当养殖场储存池经常清粪时就不能使用这种方式，因为密度较小材料形成的覆盖层较容易被扰动而失去氨减排的效果。这种覆盖的好处是比较经济，而且容易实现，维护也相对简单。

(3)轻质黏土颗粒(Floating clay balls)：轻质黏土颗粒覆盖可以减少83%～95%的氨排放[30]，向粪污储存池中加入这种黏土颗粒后，可以漂浮在粪污表面，当输送新的粪污而遭到扰动后，也可以快速的上浮到粪污表面，形成良好的覆盖层。但是，轻质黏土材料不适合覆盖在固形物较多的粪污上，且有一定的损耗，需要定期补充。

(4)土工布覆盖(Geotextile covers)：在粪污表面覆盖一层土工布，可以减少0%～37%的氨挥发[31]，其减氨效果不受天气因素的影响。但是这种材料会沉入储污池，在粪污施用阶段会产生阻碍。对于粪污储存期短和需要搅拌的粪污储存池，不推荐使用这种材料。

根据表1和表2及以上分析比较，可以得出，向粪污表面覆盖透水材料是一种既有效又经济降低氨排放的方法。我国是农业大国，每年可产生农作物秸秆 7 亿多 t，约占世界总量的 1/3，然而其中大部分没能得到有效利用，并带来了一系列的环境问题[34]，Zhang Q等[35]报道在透水覆盖材料中，在粪污储存系统中，秸秆类覆盖材料经济性好，减排效果好。以下对秸秆作为控制粪污氨排放覆盖材料的条件进行详细论述。

表1 粪便储存与处理对氨减排量的影响[32]Tab.1 The ammonia reduction of several waste storage measures

表2 隔水覆盖与透水覆盖比较[33]Tab.2 The contrast between impermeable covers and permeable covers

4 秸秆覆盖粪污

4.1 秸秆的结构与性质

秸秆表面存在着角质蜡状膜，这种蜡质一般由脂溶性的脂肪酸、烷烃、脂肪醇、醛类、酮类和酯类组成，秸秆蜡质层影响秸秆的生物降解，可以阻止水分的吸收。覆盖粪污常用的秸秆类型有大麦秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、稻草等，新鲜的、未被风化的、比较干燥的、有尽量多的完整的管状茎被认为是优质的秸秆。

秸秆的结构决定了其作为覆盖材料的有效性。大麦秸秆在几种秸秆中漂浮时间最长，在2～3周之后才开始下沉，刚开始下沉区域变得潮湿，但不会降低控制气味的能力，当第4～6周出现超过15%裸露的液体区域时，控制气味的能力下降，这就需要补充新的秸秆；亚麻和燕麦秸秆下沉的比较快；小麦秸秆比亚麻和燕麦秸秆好，但其漂浮时间也仅为大麦秸秆的三分之一，这是因为大麦秸秆有一层蜡质的物质使之阻止吸收水分[36]。秸秆的管状茎结构类似于增加了浮力支撑系统(flotation devices)，保证了其可以漂浮在粪污表面，一般将秸秆粉碎为10cm的长度[37]，秸秆如果被粉碎过度，破坏其管状茎结构，会缩短其漂浮时间。秸秆多孔的表面，不利于气体的挥发，亚麻稻草的多孔表面，有助于气味的减少。由于大麦的蜡质涂层和管状结构，大麦成为一种很好地无支撑覆盖材料。

4.2 秸秆的减氨效果

各种畜禽粪便的理化性质差异较大，是影响粪便储存过程中气体排放的因素之一。在粪污储存阶段，鸡粪和猪粪的氨排放量比牛粪污高，对于各类养殖粪污氨排放不同的原因可归功于氨/总氮浓度比的不同(猪粪浆67.8%，牛粪浆48%)[37]。研究表明，含固率对于秸秆的减氨效果有一定的影响，粪污含固率大于2%时，秸秆覆盖的效果比较好[38]。因此针对不同粪污，秸秆的减氨效果也不同，见表3。

表3 秸秆在不同粪污表面的减排效果Tab.3 Ammonia reduction efficiency of Straw in different waste surface

4.3 影响秸秆覆盖效果的因素

根据覆盖的秸秆层的厚薄、均匀度、储液池的大小、覆盖时的外界因素(风力、降雨量等)、粪污含固率，稻草的有效期为2～6个月[30]，如果增加浮力系统(floatation system)，可以使其漂浮期延长为1年以上。

(1)覆盖的秸秆层越厚，其有效期越长，一般情况下0.25～0.3m的厚度可使有效期保持在4～6个月[39]。Clanton等[40]研究指出0.3m厚的秸秆厚度是比较合适的，这个厚度既可以通过降低储污池表面积的密度来提高秸秆的浮力，又可以保证较上层秸秆的干燥性，从而保证其减缓气体排放的速率；Nicolai、Bicudo and Jacobson[36,41-42]也一致认为0.3m厚的秸秆层对于粪污储存系统的稳定性及氨减排有效性最佳。

(2)当覆盖的秸秆层均匀、厚度相同时，控制氨排放的效果最好，但是在施放秸秆阶段很难做到厚度相同，尤其当储污池很大的时候。Nicolai[36]指出当粪污储存系统的面积超过8 100m2时，风等因素会破坏秸秆覆盖层，影响减氨效果。Rose[26]指出由于秸秆覆盖机的施放范围的限制，粪污储存单元的面积不宜超过8 100m2。

(3)秸秆覆盖容易受到极端天气的影响而降低其有效性。Jacobson[41]研究大麦秸秆覆盖猪粪污，发现17.78cm的降雨量，大麦秸秆在第6周后开始下沉，而没有降雨的储污池大麦秸秆持续了4个月。据研究，每平方米至少覆盖4kg的秸秆可以防止大风条件的干扰[29]。

(4)粪污含固率可影响秸秆覆盖的有效性。Ukmaff[43]研究了秸秆覆盖在液体和TS为8%的粪污上的减氨效果，发现在遭遇降雨后，粪污为液体的秸秆在不超过7天就开始下沉，而粪污TS为8%的储污池，秸秆保持80%的覆盖率持续了40天。Guarino[37]也指出，在粪污TS为4%时，尽管秸秆遭遇降雨，小麦秸秆和玉米秸秆仍可以保持3个月的有效性。

由于秸秆在储存过程中会下沉或者被吹走，所以其稳定性不好，一般在晚春进行覆盖，秋天和粪污一起被施于田地。

4.4 覆盖秸秆的成本

覆盖秸秆的成本包括购买秸秆的费用、喷洒秸秆的费用(劳动力、设备)等，此外，当秸秆覆盖表面的完整性被破坏，秸秆需要重新补充；当粪污需要移出储污池的时候，秸秆就需要重新施放，这些都包括在秸秆覆盖的成本里。依据天气和粪污施放到土地的次数，每年有2～4次需要补充或重新增加秸秆[31]。

通过分析，建议粪污储存池的表面积要小于8 100 m2，在晚春向粪污含固率大于2% 的储污池，覆盖10 cm长、0.3 m厚的秸秆，其氨减排有效性和经济性最好，可使氨排放量减少85%以上。

5 结论与建议

养殖业粪污储存是NH3的主要排放源之一，需要严格控制。欧洲、美国等国家均较早地开展了氨减排控制工作，具有成熟的氨排放控制框架和氨排放控制措施。基于当前我国畜牧业发展存在的问题，通过借鉴国外经验，为更好地推进粪污储存的氨排放控制，我国也应当制定相关政策文件，加强政府引导和扶持。固液分离、调节pH、曝气、隔水覆盖和透水覆盖这5种处理粪污的措施，都可降低氨气排放量。通过具体分析秸秆覆盖粪污的较优条件，建议粪污储存池的表面积要小于8 100 m2，在晚春向粪污含固率大于2% 的储污池，覆盖10 cm长、0.3 m厚的秸秆，其氨减排有效性和经济性最好，可使氨排放量减少85%以上。此外还需做好氨排放控制基础研究，开展控制技术试验来确定具体的减氨方案。

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Strategies of Ammonia Emission Control of Livestock Manure

LI Chen-yan1,2, QIAO Wei1,2, DONG Ren-jie1,2

(1.BiomassEngineeringCenter,CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China；2.R&DCenterforEfficientProduction&ComprehensiveUtilizationofBiobasedGaseousFuels,EnergyAuthority,NationalDevelopment&ReformCommittee(BGFeuls),Beijing100083,China)

With the rapid development of China’s livestock, poultry and animal feces pollution is increasingly serious. Current situation and the policy of waste storage at home and abroad are introduced in this paper. By comparing the effectiveness and economy of ammonia emission reduction of several measures including solid-liquid separation, regulating the pH, aeration and surface covering, it is concluded that mulching the waste storage surface is an economical and effective method which can reduce ammonia emission and nutrient lose. Through analyzing the optimal conditions of mulching waste with straw, it is suggested that waste storage pool’s surface area is less than 8 100 m2, and in the late spring, using 10cm long, 0.3m thick straw cover waste poor where the solid content is more than 2%, has best ammonia emission reduction efficiency. It can reduce ammonia emission by more than 85%.

Livestock manure storage; ammonia emission; strow coverings

2017-01-17

北京市科委科技计划课题(D151100005115001，Z1511 00001115010)，中荷奶业中心课题(2015-R2，2016-R2)。

李晨艳(1993-)，女，山西晋城人，中国农业大学农业工程专业2016级在读硕士研究生，研究方向为废弃物资源化。

乔 玮，qiaowei@cau.edu.cn。

X713

A

1001-3644(2017)03-0147-07