畜禽粪污能源化利用与存在问题

2018-01-17陈明波汪玉璋

安徽农学通报 2018年22期

陈明波汪玉璋

摘要：近年来，畜禽养殖业规模化、集约化快速发展，产生越来越多畜禽粪污，造成了不容忽视的环境问题。该文对畜禽粪污沼气厌氧发酵处理技术及影响因素进行了综述，分析了畜禽粪污对环境的危害和能源化利用存在的问题，提出了发展措施，以期为畜禽粪污处理提供参考。

关键词：畜禽粪污；厌氧发酵；沼气

中图分类号 X713 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）22-0110-03

Abstract：The rapid development of large-scale and intensive livestock and poultry farming has brought serious environmental problems. The paper analyzes the environmental hazards of livestock and poultry manure，summarizes the anaerobic fermentation technology and influencing factors，analyzes the existing problems and puts forward the development measures，in order to provide reference for the use of this technology to treat livestock and poultry manure.

Key words：Livestock and poultry manure；Anaerobic fermentation；Biogas

近年來，在国家标准化规模养殖等扶持政策的推动下，我国畜牧业快速发展，养殖规模、数量持续增长，规模化、集约化程度不断提高，极大丰富了消费市场。与此同时畜禽粪污的产生量也在逐年增加，许多畜禽粪污未得到及时处理，造成了不容忽视的环境问题，不仅影响了畜牧业的健康发展，也危及到人民群众的身体健康。如何快速有效地处理规模庞大的畜禽粪污，避免将资源变成污染源，已成为摆在各级政府面前的迫切课题。2016年12月，中央财经领导小组第十四次会议提出，要加快推进畜禽养殖废弃物处理和资源化，力争在“十三五”时期基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化问题。2017年中央一号文件提出，要大力推行高效生态循环的种养模式，加快畜禽粪便集中处理，推动规模化大型沼气健康发展。沼气工程作为处理畜禽粪污的一种有效手段，集环保、能源、资源再利用于一体，是规模化养殖场处理畜禽粪污的一种有效方法[1-2]，近年来在工程实践中取得了较好的效果。

1 我国畜禽粪污治理状况

根据《中国畜牧业年鉴》提供的有关数据，2017年我国畜禽粪污排放总量约38亿t，真正被还田消纳利用的不足60%，有近14%的粪污排入水体和土壤，对生态环境造成了严重污染[3]。目前畜禽粪便处理的方法主要有饲料化利用、肥料化利用和能源化利用。饲料化利用主要是在畜禽日粮中添加一定比例经处理的粪便作为畜禽的日粮。肥料化利用是畜禽粪便的一种传统处理方法，可直接施用或做堆肥。堆肥是粪便在微生物的作用下，使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成肥力更好的腐熟肥料的过程。在此过程中，蛋白质的氮、磷被分解成可被植物利用的有效态氮、磷，且产生腐殖质，增加土壤肥力，同时堆肥过程杀灭了畜禽粪便中的病原菌、杂草种子等，进一步提高了肥料品质[4]。能源化利用是将畜禽粪便通过一定的技术方法转化为可利用的能源，包括燃烧产热、沼气厌氧发酵产气等。沼气厌氧发酵产气主要是利用厌氧细菌的分解作用，将有机物经过厌氧消化作用转化为沼气和二氧化碳，发酵产物沼液沼渣可作为优良的有机肥料用于农田。

2 畜禽粪污对环境的危害

畜禽粪污由水、蛋白质、脂肪、纤维素、非蛋白含氮物质、矿物质、病原微生物、寄生虫等组成，这些组成成分决定了其既是资源也是污染物。粪便作为资源可以带来财富，作为污染物可污染水体、空气、土壤，直接或间接危害食品质量安全和人类健康[5]。畜禽粪污含有大量的氮、磷及有机质，如不经处理直接排放，可使水体中COD超标，氮磷等营养元素过量，最终导致水体富营养化，危及水生生物生存，破坏水生态环境[6]。畜禽粪便中的有机质在堆放时可分解产生一些诸如甲烷、硫化氢、氨气、甲硫醇等恶臭气体，对空气产生严重污染，进而影响人类健康。畜禽粪便是良好的有机肥料，被微生物分解后为土壤提供大量的腐殖质，可有效改良土壤结构和肥力。但是粪便施用过多也会导致土壤盐分增加，土壤板结，不利于作物生长。饲料中的抗生素以及锌、铜、镉等重金属可随粪便残留在土壤中，长期施用后可能造成土壤抗生素超标及重金属污染。据《第一次全国污染源普查公报》，畜禽养殖污染源化学需氧量、总磷、总氮排放量分别占农业源污染物排放总量的96%、56%和38%，畜禽粪污污染已经成为我国流域性水体污染、土壤污染和空气污染的主要来源。

3 畜禽粪污能源化利用技术

当前畜禽粪污能源化利用技术主要包括燃烧产热和沼气厌氧发酵产气，由于燃烧产热利用很少，目前畜禽粪污能源化利用主要是指沼气厌氧发酵产气。沼气厌氧发酵技术利用厌氧细菌的分解作用生产沼气和有机肥，是一种有效处理农业废弃物的途径。其关键技术是厌氧发酵，主要包括水解、酸化、乙酸化和产甲烷4个阶段，发酵过程受原料成分、温度、pH值等多种因素影响。

3.1 原料成分微生物的生长繁殖需要一定数量的养分，原料成分主要包括脂类、蛋白质及纤维素。脂类物质能为厌氧发酵提供大量的碳和氢，利于甲烷生成，但含量不宜过高，否则抑制甲烷的生成[4]。蛋白质等有机氮经厌氧发酵后大部分转化为氨，并以NH3和NH4+两种形态存在，其中NH4+是微生物的营养物质也是新陈代谢的酶所必需的，但是当原料中蛋白质含量过高时，氮含量过高会导致过多的游离氨生成，对厌氧发酵产生氨抑制，不利于发酵过程进行[7]。纤维素主要是通过影响原料的碳氮比而影响微生物的生长活动。在碳氮比上，含碳量高的原料发酵慢，含氮量高的原料发酵快，应合理搭配[8]。碳氮比过低，pH值过高，发生氨抑制，不利于甲烷菌的生存；碳氮比过高，pH值过低，会发生脂肪酸的积累，不利于甲烷的产生[9]。畜禽粪便如鸡粪等是富氮原料，其碳氮比为2.5∶1[10]，碳氮比比较低，实际应用中需加入农作物秸秆等纤维素含量高的原料，以调节碳氮比，一般认为发酵原料的碳氮比以（20～30）∶1效果较好。

3.2 温度沼气厌氧发酵与温度密切相关，温度主要影响微生物的生长速率和基质的代谢速率，是影响沼气日产气量和沼气厌氧发酵产气率高低的重要因子。适宜温度条件下微生物活力强、繁殖旺盛，发酵原料分解和甲烷生成的速度快，产气多。根据微生物对温度的适应性，沼气发酵区分为常温发酵区10～26℃、中温发酵区28～38℃、高温发酵区46～60℃。秦文弟等研究认为不同发酵原料对厌氧发酵日产气量和日产气率受温度的影响较大。气温、发酵装置内温度与日产气量和日产气率均呈正相关，产气高峰期气温越高，日产气量和日产气率也越高[11]。

3.3 pH值 pH值是沼气厌氧发酵的一个重要影响因素，会影响产气效率、消化程度等处理效果。不同的微生物对pH值的耐受范围不同，沼气发酵适宜的pH值为6.5～7.5，pH值过高或过低均对发酵产生抑制作用，影响沼气发酵。导致pH值变化的因素主要有发酵原料的pH值、发酵料液的浓度、甲烷菌的数量和发酵罐负荷等。畜禽养殖场沼气发酵原料为畜禽粪污，一般情况下发酵过程中pH值有一个自然平衡过程，不需要进行调节。只有在原料配置不当或缺乏正常操作管理的情况下才会出现挥发性酸大量积累、pH值过低的现象，需要及时采取调节措施使之恢复正常发酵。工程实践中常用的调节方法主要有停止进料、加浓度2%左右的石灰水澄清液、加草木灰和适量浓度5%左右的氨水等。

4 畜禽粪污能源化利用存在的问题

4.1 沼液、沼渣的安全使用问题为加快猪的生长速度、提高饲料利用率和预防疾病，饲料生产厂家常在饲料中添加大量含有铜、锌、铁、砷等微量元素的添加剂，同时一些养殖场养殖过程中过量使用抗生素，导致以畜禽粪污作为发酵原料的沼气工程排出的沼液沼渣中时常存在重金属、抗生素超标问题[12-14]。沼液沼渣中重金属、抗生素的存在势必影响沼肥的质量，农田长期大量施用后，会导致土壤耕层中有害物质累积，存在污染农产品和生态环境的潜在风险。

4.2 种养失衡，沼液、沼渣无法就近还田利用在国家政策的支持下，近年来规模化养殖取得了快速发展，而种植业的规模化程度并没有同步提高，导致种植业规模与养殖规模不相适应。许多养殖场附近没有規模化的种植业农场来消纳产生的大量沼肥。分散经营的农户意见不一，部分农户由于用肥习惯等原因不愿意施用沼肥，一部分农户愿意使用沼肥但由于用量较小、难以产生规模效应导致施用成本较高，最终致使规模养殖场沼肥很难实现农田完全消纳。加之部分养殖场规划不合理，周围缺乏配套的农田，更增加了沼肥还田的难度。

4.3 沼气工程装备、沼气提纯净化等配套技术尚需完善在过去很长一段时间内，我国对沼气工程的研究重点都围绕在沼气发酵技术上，忽略了对沼气工程装备技术的研究和开发。目前市场上的沼气工程装备自动化程度低，装备没有统一的规格，距离形成产业化还有较大差距[15]。另外目前我国沼气的提纯、净化，沼液沼渣的深度处理、合理使用等技术还需进一步完善[16]。

5 发展措施

沼气工程技术通过沼气厌氧消化过程产生沼气和有机肥，集环保、能源、资源再利用于一体，是规模化养殖场处理畜禽粪污的优选方式之一。针对存在的问题，在整体思路上应遵循因地制宜、农牧结合、种养平衡的原则，坚持生态循环的理念，采用发达国家普遍采用种养结合的模式[17-18]，以种定养，科学布局和合理规划养殖业，鼓励通过土地流转等方式扩大种植业规模，为沼肥大规模利用提供经济可行的种植业基础。结合沼气工程产业发展需求，在工程装备方面进一步提高原料预处理、沼气发酵、气体净化、产品利用等环节装备设计标准化、成套化水平，进一步提高沼气工程装备自动化水平，降低运行成本。在“三沼”综合利用方面进一步加强沼渣沼液中有害物质监测、去除等方面研究，制定沼渣沼液农田施用规范。从畜禽养殖源头控制摄入品，坚持科学饲养，控制抗生素使用，严控饲料中重金属上限，降低畜禽粪污经处理还田后对土壤污染的风险。

参考文献

[1]吴佳军，张少鹏，韩瑞萍，等.江苏省沼气工程调研及工艺分析[J].中国沼气，2017，35（2）：104-109.

[2]聂新军，金娟，王强，等.浙江农村规模化沼气工程沼渣养分分析[J].浙江农业科学，2017，58（12）：2111-2114.

[3]范建华，金波，顾华兵，等.我国部分地区畜禽粪污资源化利用现状调查[J].中国家禽，2018，40（14）：69-72.

[4]张家才，胡荣桂，雷明刚，等.畜禽粪便无害化处理技术研究进展[J].家禽生态学报，2017，38（1）：85-90.

[5]侯世忠，战翔，韩雯.畜禽粪污资源化利用及畜禽养殖污染防治技术[J].当代畜牧，2018（6）：49-52.

[6]张东，徐甦，陈斌，等.畜禽粪便沼气工程处理技术[J].浙江农业科学，2012（2）：223-227.

[7]于蕾，江皓，钱名宇，等.沼气工程厌氧发酵过程的监测与控制[J].中国沼气，2014，32（6）：59-64.

[8]吴小武，刘荣厚.农业废弃物厌氧发酵制取沼气技术的研究进展[J].中国农学通报，2011，27（26）：227-231.

[9]付尹宣，桂双林，廖梦垠，等.混合厌氧发酵产沼气研究进展[J].能源研究与管理，2016（1）：11-14.

[10]陈斯，熊承.再谈秸秆沼气发酵的碳氮比[J].中国沼气，2009，27（2）：38-39.

[11]秦文弟，黄凌志，蒋湖波，等.不同牲畜粪便厌氧发酵产沼气性能研究[J].中国沼气，34（4）：37-40.