北京市规模化畜禽养殖场粪便和污水监测及承载力估算

2018-05-04张建淼王重庆郭海涛北京市畜牧业环境监测站北京102200

家畜生态学报 2018年4期

石奥,张建淼,王重庆,郭海涛,张闻(北京市畜牧业环境监测站，北京 102200)

近年来，由于农业产业结构的调整，畜禽养殖规模受到一定的控制，但仍然保持着很大的存栏基数，据统计，2015年北京市共有规模化畜禽养殖场2000余家，存栏猪165.6万头、禽212.84万只、奶牛12.42万头、肉牛5.1万头。畜禽养殖中产生大量的畜禽粪便和污水对周围的水源、土壤、空气可造成严重的环境污染问题，对畜禽养殖业的可持续发展和畜禽产品的质量安全构成威胁。随着人们生活水平的改善和生活品质的提高，畜禽养殖业的健康发展已成为人们普遍关注的问题。为此，2016年对北京市36家规模化畜禽场的畜禽粪便和污水状况进行监测，根据GB 18596-2001 畜禽养殖业污染物排放标准[1]、NY/T 388-1999 畜禽场环境质量标准[2]、GB/T 25246-2010 畜禽粪便还田技术规范[3]的要求，运用单因子污染指数法、等标污染负荷法等对畜禽粪便和污水进行监测与评价，并采用氮/磷平衡的理论对北京畜禽污染物的承载能力进行估算，以期为畜禽健康养殖环境预警相关政策的制定提供基础科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点

监测点分布于通州、房山、大兴、延庆、昌平、密云、怀柔、顺义、平谷9个区(县)，每个区(县)4家；其中鸡场13家、牛场10家、猪场13家。畜禽场污水粪便处理方式见表1。

1.2 监测指标

畜禽污水监测指标：化学需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、总磷、悬浮物(Ss)、粪大肠菌群(Fc)、蛔虫卵；畜禽粪便监测指标：含水率、总氮、总磷、有机质、铜、锌、砷、蛔虫卵、粪大肠菌群。

1.3 样品采集

畜禽污水的采集和保存参照《水和废水监测分析方法》[4]所示方法，畜禽粪便的采集和保存参照GB/T 25169-2010 畜禽粪便监测技术规范[5]所示方法，样品采集位置见表1。样品采集时间为2016年10月。

1.4 检测方法

畜禽污水监测指标参照GB 18596-2001 畜禽养殖业污染物排放标准要求检测，畜禽粪便监测指标中含水率、蛔虫卵、粪大肠菌群参照GB 7959-2012 粪便无害化卫生[6]要求；总磷、总氮、有机质参照NY 525-2012 有机肥料[7]；铜、锌参照GB/T 17138-1997 土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法[8]；砷参照GB/T 22105.2-2008 土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分：土壤中总砷的测定[9]。

表1 畜禽场污水粪便处理方式和样品采集位置Table 1 The wastewater and animal manure treatment mode in livestock and sample collection location

1.5 评价方法

1.5.1 单项污染指标评价

Pi=Ci/Si*

(1)

式中：Pi为环境中污染物的单项污染指标；Ci为环境中污染物的实测值；Si为污染物的评价标准；Pi≤1，未超标，判定为合格；Pi>1，超标。*表示当实测值应小于评价标准时，采用公式(1)计算。当实测值大于评价标准时，采用公式Pi=Si/Ci计算。实测值为未检出时，以检出限的1/2计。

1.5.2 等标污染负荷和等标污染负荷比

(2)

(3)

式中：Pi表示第i种污染物的等标污染负荷；Ci为第i种污染物的排放浓度；Coi为第i种污染物的评价标准；Qi为第i种污染物的排放流量；Ki为第i种污染物的等标污染负荷比。

1.5.3 猪粪当量系数和猪粪当量

(4)

(5)

Mi=X(Y)×Qi

(6)

式中：X为各畜种粪便以N或P计猪粪当量系数；Di为各畜种粪便中N或P含量，mg/kg；D为猪粪中N或P含量，mg/kg；Y为各畜种污水以N或P计猪粪当量系数；Ei为各畜种污水中N或P含量，mg/kg；式中：Mi为各畜种污水或粪便以N或P计猪粪当量，104t；Qi为各畜种污水或粪便年排放量，104t。

1.5.4 可施肥用地氮(磷)承载量

SN/P=I×A×B×50%×10-2/K

(7)

式中：SN/P为可施肥用地N(P)承载量，10 kt；I为每100 kg作物营养元素N(P)的需要量，kg；A为作物产量，t/hm；B为可施肥土地面积，104hm2；K为N(P)利用率，N以0.35计[10]，P以0.10计[11]；50%为假定作物N(P)50%来自畜禽粪便粪污；10-2为换算系数。

2 结果与分析

2.1 畜禽粪便指标值

本次试验采集的畜禽粪便没有经过无害化处理或简单无害化处理(人工或机械翻抛)，只做简易堆放，未经处理而自用或出售。具体监测指标值见表2。由表2知，所检畜禽粪便中含有大量的粪大肠菌，畜禽粪便的粪大肠菌群值均超标，超过限值的103～106倍，粪大肠菌中可能含有一些肠道致病菌(沙门氏菌、志贺氏菌等)，未经无害化处理排放到环境中，会造成环境污染，最终通过食物链对人畜健康带来潜在的危险。畜禽粪便中极少有蛔虫卵检出，蛔虫卵死亡率都≥95%，不存在蛔虫卵污染的风险。这是因为在规模化畜禽养殖场，一般以笼养或圈养为主而非散养，畜禽很少能接触到昆虫，很少吃到带有虫卵的昆虫，因此体内很少会出现蛔虫，粪便里几乎不携带蛔虫卵。因此，在畜禽粪便的无害化处理中，粪大肠菌是主要的监测指标。

畜禽饲养过程中常会在饲料中添加微量重金属[12]，如铜、锌、砷等，适量的微量重金属能够补充动物营养需求的不足，有效改善动物的生产性能和胴体品质，但现在常存在过量添加的现象，而饲料中所添加的重金属只有极小部分被吸收，大部分随畜禽粪便排出，进入环境造成污染。本次检测中发现在猪粪中铜、锌相对与鸡粪、牛粪的高，猪粪中铜含量是鸡粪、牛粪的6倍，锌是2～4倍，其中有九份猪粪铜、锌都超标，另有两份猪粪铜超标，六份鸡粪锌超标，总体而言，畜禽粪便中猪粪的重金属污染问题最严重，铜锌超标率超过70%，鸡粪次之，锌超标率46%，牛粪的重金属污染的问题不明显。

粪便含水率对于畜禽粪便堆肥有重要影响，过高或过低都不利于堆肥处理。参照NY388-1999《畜禽场环境质量标准》的要求，猪粪、鸡粪、牛粪的含水率应分别控制在70%～80%、65%～75%、65%～75%，由表1可知，猪粪、鸡粪、牛粪中分别有6份、8份、7份不符合要求，除了1份鸡粪和1份牛粪含水率偏低，其他含水率都是偏高。新鲜畜禽粪便的含水率较高，在堆放过程中应经常翻抛，有效降低粪便的含水率，以利于堆肥处理，但堆放时间不宜过长，使得含水率降低过多，会加大处理的难度。

表2 北京36家畜禽场粪便和污水的监测情况[1-3,6]Table 2 Monitoring of manure and wastewater in 36 Beijing livestock farms

2.2 畜禽养殖污水指标值

研究结果表明，畜禽养殖污水主要来源于畜禽尿液、圈舍冲洗水等，由于鸡舍冲洗频率较低，本次监测未采集到鸡场的污水，污水主要来自猪场和牛场。

干清粪在畜禽场得到普及，但在冲洗圈舍时，畜禽粪尿容易淋溶进入水体，造成水体浑浊，发黄、恶臭难闻[13]，富含大量的含碳、氮、磷的有机物质，在微生物作用下，消耗大量的溶解氧，使水体失去自净能力；当水中溶解氧消耗完，水体中的有机物会在微生物的作用下进一步发生厌氧反应，产生多种恶臭物质，使水体发黑，水质进一步恶化。因此，将畜禽污水排入周边水源以及淋沥进入地下水，会使水体中溶解氧急剧下降，水生生物过度繁殖，造成水体的富营养化。由表2可知，CODcr、BOD5指标说明水体中有机物污染的状况。猪场污水中的CODcr、BOD5值多数超标，超标率高出牛场的20%，均值比牛场的高出近一倍。氨氮、总磷指标说明的是水体中含氮、磷有机物污染的状况。猪场污水中氨氮、总磷值高于牛场污水，其中牛场污水中氨氮未有超标场家。总体而言，猪场污水有机污染程度高于牛场污水。

悬浮物是指悬浮在水中的固体物质，包含不溶于水的无机物、有机物、微生物等，是衡量水污染程度的指标。悬浮物过高，不仅加大了污水处理的难度和成本，也易造成农田土壤的板结，阻碍作物生长。本研究表明，猪场污水的悬浮物全部超标，均值超过限值近八倍，牛场污水的悬浮物只有两家超标，均值未超过限值。猪场污水的悬浮物明显高于牛场。畜禽污水中粪大肠菌群严重超标，而蛔虫卵未检出，情况类似于畜禽粪便相关指标。

2.3 畜禽污水污染负荷评价

在进行畜禽污水评价时，需综合考虑畜禽种类、污染物危害程度、污水总量等因素，对不同畜禽种类的污水或不同类型的污染源的污染能力进行比较，通过等标处理[14]，确定主要的污水类型和污染物。由于畜禽污水未经处理，所测粪大肠菌群值均严重超标，等效污染负荷占比过大，失去讨论的意义；而蛔虫卵均未检出，不存在污染负荷，故两项参数不计入污染负荷评价指标中。从表3可以看出，猪场污水的污染负荷比是牛场污水的5.1倍，是主要的畜禽污水种类。除去主要的畜禽污水污染指标粪大肠菌群，其他几项污染指标污染强度有强到弱的顺序是：悬浮物>BOD5>CODcr>氨氮。悬浮物的污染负荷比是0.377，也是较强的畜禽污水污染指标。在畜禽污水处理和排放中，需要重点关注粪大肠菌群和悬浮物。

表3 北京36家畜禽场畜禽污水污染负荷Table 3 Wastewater pollution load for 36 Beijing livestock farms

2.4 北京畜禽粪便和污水承载能力评估

畜禽粪便和污水中富含作物生长所需的N、P等养分，用于还田不仅可以提高农作物产量，还能提高土壤肥力，但对于规模化畜禽场畜禽粪便和污水大量集中的排放，如果缺乏足够的耕地承载，造成农牧脱节，耕地承载过量的养分，一方面过剩的养分经淋沥下渗进入周边水源或地下水，可能造成水体的富营养化，产生环境污染；一方面造成农作物体内积存大量营养成分，导致作物农艺性状恶化[15]，例如，高氮施肥条件下(138 kg/hm2)，水稻积存大量的氮素，水稻的空秕率增加6%，千粒重下降7.5%[16]。因此，耕地对畜禽粪污的承载能力是有限度的，可用氮/磷平衡的方法进行评估。耕地氮/磷平衡是基于物质平衡原理中“盈余=输入-输出”的物质守恒原理[17]，通过对影响耕地氮/磷的各个输入和输出项进行量化核算，利用计算结果了解其盈余或缺损的情况，从而判断耕地营养成分是多是少的状态。本文假定北京地区可耕地的氮/磷处于平衡状态，氮/磷的输入50%来源于畜禽粪污，输出为农作物生长所需氮/磷总量，同时考虑氮/磷的利用效率和耕地面积，估算北京地区畜禽粪污承载能力。

各类畜禽粪便和污水的肥力区别很大，在还田施肥中反映出来的耕地承载量也有很大的差异性，因此，采用猪粪当量提高其施肥效果的可比性，常以养分N或P统计猪粪当量。表4为2015年北京地区畜禽粪便和污水的排放总量统计表，2016年北京地区各类畜禽粪便和污水猪粪当量M按1.5.3计算的结果见表5。可见，虽然污水排放量大于粪便，但其猪粪当量远小于粪便的猪粪当量，在考察各类畜禽粪便和污水的耕地承载量时，粪便是需要主要关注的对象。各类畜禽粪便和污水合计产生猪粪当量273.2×104t(以N计)，188.6×104t(以P计)，合计排放养分N 3.03×104t，P 2.66×104t。

表4 2015年北京地区畜禽粪便和污水排放量Table 4 Manure and wastewater discharge in Beijing in 2015 104 t

参考GB/T 25246-2010 畜禽粪便还田技术规范，以小麦为例，北京地区畜禽粪污承载能力按1.5.4式计算的结果见表6。从表6可见，从总量上看，畜禽粪便排放养分只占当年土地承载量的70.5%(以N计)、53.0%(以P计)，因此，北京耕地能够承载消纳2016年畜禽场产生的畜禽粪便和污水，保有现有的畜禽养殖业规模是可行的，但是，需要通过优化氮、磷的管理，确定合理的消纳畜禽粪污的农田面积和适宜调整畜禽养殖密度，才能规范畜禽粪污的合理使用。

3 小结

通过对北京市9个区(县)36家规模化畜禽场的畜禽粪便和污水的监测分析，畜禽粪便中含水率是堆肥时需要控制的指标，粪大肠菌群是畜禽粪便中主要的污染指标，是畜禽粪便治理中主要的监控指标。污水方面，猪场污水受污染的程度明显高于牛场污水，污水中主要的污染指标是粪大肠菌群，其他污染指标中悬浮物>BOD5>CODcr>氨氮。由于粪大肠菌群严重超标，在畜禽粪便和污水的处理中，一定要经过无害化过程，减轻其对环境的危害。畜禽污水的有机污染严重，超标率高，而且由于悬浮物的存在，处理难度较大。通过氮/磷平衡的理论估算，北京耕地能够承载当年产生的畜禽粪便和污水。

表5 2016年北京地区畜禽粪便和污水的猪粪当量系数X、Y和猪粪当量MTable 5 The pig manure equivalent M and equivalent coefficient of pig manure X, Y of Beijing manure and wastewater in Beijing in 2016