畜禽粪便资源及其利用

汪冬梅

(甘肃临泽县畜牧兽医局，甘肃临泽 734200)

1 我国畜禽粪便资源现状

我国主要畜禽废弃物的产生归因于当代畜牧业规模化的养殖模式，猪、鸡和牛是我国主要的畜禽，根据这些畜禽品种、体重、粪便排泄量等因素估算2007年的畜禽粪便能源发现，其粪便实物量为12.7亿t，可开发量为8.84亿t，其中猪、鸡、牛粪分别为3. 39亿t，0.80 亿t，4.46亿t，猪、鸡和牛粪便的能量值分别为每千克12 545 KJ 、18 817 KJ和13 799 KJ，折算为年产能分别是3 934万t、2 909万t和4 139万t(标准煤)，共计 1.0 983亿t标准煤[1]。

2 养殖与畜禽粪便对环境的危害

畜禽养殖业快速发展的同时也对世界各国生态环境构成了严重威胁[2]。无论是个体养殖，还是大中型规模养殖，产生的大量污水、粪便都难以用传统的还田方式处理，如果处理不当，则极易对环境、饮用水源和生态造成严重危害。畜禽粪便一般会造成以下几类危害：(1)空气污染。畜禽养殖场业排放的恶臭(包括有毒有害气体，如氨、甲烷、含硫化合物等)、粉尘和微生物等各种污染物，不但危害人畜健康，还污染大气环境[3]。(2)水体污染。养殖场产生的未经处理的畜禽排泄物若浸入周边地表径流，会使得水体中的微生物数量增多、有机物和固体悬浮物含量增高，从而改变水体生化性质，严重破坏生态平衡。(3)土壤污染。畜禽粪肥可以增加土壤养分、增强土壤微生物活性、降低污染土壤的重金属物质的毒性以及改善作物品质等。当未经过无害化处理的动物粪便作为有机肥料直接施用于土壤，而土壤中这些物质富集到一定数量，超过土壤自身的承载和自净能力时，便会出现厌氧腐化和降解不完全等现象，使土壤性状发生变化，造成土壤板结、土壤透水透气性下降，损害土壤质量，甚至使土地失去生产价值。另外，畜禽饲料及添加剂中往往添加一些能促进动物生长的微量元素、抗生素等物质，其在环境中可能会被生物缓慢修复、降解，但也会在土壤中积累，这些物质被作物吸收后，最终富集于人体，威胁人类健康[4]。(4)传播病菌。畜禽体内的微生物通过消化道，以粪便为载体被排出体外，其中包括大量的病原菌和有害微生物。我国“人畜共患疾病”达120多种，其传播途径主要是通过患病动物的排泄物、废水等污染物。如大肠杆菌、禽流感病毒、蛔虫卵和球虫卵等会从患病或带病的家畜会随粪便排出，如果粪便未经处理而使用，将会成为危险的传染源，造成疫病传播，不仅影响畜禽健康，有些病原体还会危害人类的健康。

3 畜禽粪便资源化利用方式

3.1 堆肥化

堆肥法是畜禽固体废弃物肥料化及无害化方式中最常用的方法，其原理是利用堆肥化处理有机废弃物。堆肥化是一种可控制的生物降解和转化的过程，其关键步骤是分解难利用的木质纤维素等物质，木质纤维素等物质的分解速率是堆肥化进程的重要决定因素[5]。近年来，对于堆肥接菌剂应用的认识意见不一，一些研究者们尝试运用接种微生物的方法提高堆肥效率与品质[6]。这种方法可以丰富堆肥物料中微生物群体的种类、扩大微生物群体的数量，使堆肥达到高温的时间缩短、堆肥高温持续时间加长，微生物的分解活性增强、木质纤维素等有机物的分解速率加快，同时促进堆肥材料的腐熟、缩短堆肥进程，从而增强堆肥化的效率，提高堆肥质量[7]。也有学者认为接种微生物的方法不能有效的加速堆肥进程或提高堆肥产品的质量，因为堆肥原料本身含有各种各样数量庞大且繁殖速度较快的微生物，这些微生物在适宜的条件下会在很短时间内快速繁殖，堆肥原料中的这些自身因素直接影响堆肥效率及堆肥产品质量。另外，接种的微生物多在实验室条件下培养得到，除了存在对环境适应性的问题，还存在与土著微生物竞争的问题。

堆肥化是一个极其复杂的过程，堆肥过程中微生物群体影响着环境的变化，如温度、pH等，但堆肥中可利用的有机物质及其环境条件，又决定了堆肥化过程中微生物群体的数量和种类，可以说每个阶段的优势微生物种群，都是和该阶段的特定有机物质及温度条件相对应的。接种的外源微生物菌剂也可能与堆肥土著微生物之间存在竞争，致使二者均不能充分地发挥其作用。因此，微生物接种剂能否与土著微生物竞争而且繁殖，从而占优势是其发挥作用的关键。有些微生物虽然在单独培养时具有很强的分解活性，但在实际应用中，易被土著菌抑制，发挥不到期望的作用，甚至是完全失效的。有机废弃物分解腐熟过程是极其复杂的微生物代谢过程，要使微生物菌剂发挥作用，需要创建特定分解微生物种群，并具有稳定的功能及特性，尤其要使添加的微生物菌剂在初期占据优势显得极为重要。实际生产中，微生物接菌剂功能的稳定性、抵抗外来杂菌污染能力、对特定环境的适应性及可利用营养物质的经济适用性等特性是评价其利用价值的重要指标，其中微生物接菌剂功能的稳定性又是其发挥作用的基础。

3.2 沼气工程

利用畜禽粪便制作沼气是畜禽粪便无害化和资源化利用最为理想的处理方式，其原理是利用厌氧发酵技术产生沼气[8-9]。因为畜禽粪便中含有大量的能量，通过厌氧发酵技术可以将粪便中的能量转化成可燃气体，不仅有效保留畜禽粪便中的肥分，为人类生活提供清洁能源，还减轻了环境污染，具有良好的农业经济效益[10]。沼气是在厌氧微生物降解过程中产生的以甲烷为主的混合气体，经提纯和净化后甲烷质量分数可达97%以上，被认为是替代天然气比较可行的生物能源之一[11]。沼气发酵是一个微生物作用的过程，它是各种有机质(包括农作物秸杆、禽畜粪便等)在厌氧及其他适宜的条件下，通过多种生理不同的微生物类群联合作用，完成这个复杂的过程，最终转化成沼气。弃资源资源化和无害化的一种有效方式，其社会环境效益体现在以下三个方面：(1)通过对畜禽粪便进行厌氧消化，可减少畜禽粪便对土壤、水体和空气的污染，减轻对社会和环境的压力。(2)厌氧消化的沼渣和沼液中不仅保留了有机物分解生所产生的氮、磷等多种养分，还含有一定量的生长素、维生素、有机酸、氨基酸等多种活性物质，另外沼气发酵过程中还杀死了绝大多数的有害生物，因此沼渣沼液适宜用做农用灌溉、生产有机肥等，是沼液和沼渣利用和消纳的有效方式[12]。(3)沼气热利用或沼气发电可替代常规电力，减少有害气体的排放，有利于减轻空气污染。沼气发酵原料为沼气发酵微生物的正常生命活动供给了所需的营养及能量，是产生沼气的物质基础，农业废弃物如秸杆、杂草、树叶等，猪、牛、羊、鸡等畜禽粪便都可以作为沼气发酵的原料，尤其是秸杆资源，是沼气发酵的最主要的原料之一。但在沼气生产过程中，以秸秆为主要原料进行厌氧发酵时，如不进行适当的处理，存在厌氧消化时间长、消化率低，产气量少等问题[13]。因此，秸秆预处理是提高秸秆利用率和产气率的一种有效手段[14]，成为目前秸秆沼气利用研究的重要内容[15-16]。目前预处理秸秆的方法主要有物理法、化学法、生物法，这与工业生产中木质纤维原料预处理的原理类似。物理预处理包括切碎、研磨等方法，通过减小秸秆粒径，增大纤维材料与降解微生物接触的表面积，加快分解速度，提高沼气产量，同时也利于沼气池出料。化学预处理包括酸碱处理、热处理等。生物预处理包括添加菌剂、堆沤等。随着微生物技术的发展，沼气原料的生物预处理受到越来越多的关注。

3.3 畜禽粪便的饲料化技术

畜禽粪便含有大量未消化的蛋白质和粗脂肪，一定数量的碳水化合物、矿物质元素和B族维生素，特别是粗蛋白质含量较高。鸡粪精加工后可饲喂猪、牛和羊等。但由于畜禽粪便作饲料存在能量低，矿物质含量较高及营养不平衡等问题，另外畜禽养殖过程中使用的各种添加剂，使畜禽排泄物中含有一些潜在的有害物质，如药物(抗虫药、磺胺等)、抗生素、重金属(铜、锌、砷等)、大量病原微生物及激素等[17-19]，这些有害物质大部分残留在粪便中，粪便再作为饲料使用时，可能会出现某些成分超标甚至中毒问题，还极易造成畜禽交叉感染或传染病的爆发。因此，欧美、日本等经济发达国家基本上已不主张用粪便作饲料，东欧和独联体国家主张粪水分离，固体粪渣无害化处理后用作饲料，液体部分用于生产沼气或灌溉农田。

4 畜禽粪便除臭技术

畜禽粪便发出的臭气已成为世界环境公害之一，对人畜健康和生态环境会造成严重危害。畜禽粪便产生的臭气包括恶臭气体的种类多样其种类多样成分复杂，从其组成上可以分为以下五类：(1)含硫化合物，如硫化氢、硫醚类、硫醇类等；(2)含氮化合物，如氨、胺类、酰胺、吲哚类等；(3)卤素及其衍生物，如氯气、卤代烃等；(4)烃类，如烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等；(5)含氧组成的化合物如低级醇、醛、酮、脂肪酸。这些臭气使人身体不适，严重危害养殖工作人员及周边居民的健康。恶臭气体还会导致动物应激，影响畜禽的生长速度和料肉比，降低畜禽的抗病力，而且排放到大气中后加剧空气污染和引起地球温室效应，已经成为一种环境公害，引起了全社会的广泛关注[20]。臭气治理主要采用物理法、化学法、生物法等多种技术。目前，国内外主要的除臭技术有吸附法、除臭剂法、热氧化法、洗涤法、生物过滤法和氧离子基团除臭法等[21]。物理、化学法主要包括气洗法、吸附法、催化氧化法、催化转化器法、化学氧化法、脉冲电磁装置法、中和法、掩蔽法等。一般来说，物化学法运用的设备繁多、工艺复杂，二次污染后处理过程复杂，耗能大。生物脱臭法是上个世纪50年代后期发展起来的除臭新方法，是利用微生物降解恶臭物质，从而使之无臭化、无害化的一种处理技术，它与物理、化学方法比较具有一些优势：成本低廉、脱臭效率高、装置简单；恶臭物质被生物降解后的产物二次污染的可能性小；微生物的生长温度接近常温，条件温和，能耗低[22]。故这种技术受到环保人士的欢迎，已成为当前环境领域的研究热点[23]。