我国畜禽粪便资源化利用的现状及展望

李莉，杨昕涧，何家俊，贾鼎锌，吴浩，解祥学

(1.广东溢多利生物科技股份有限公司，珠海 519060；2.中国农业大学动物科技学院，北京 100193)

随着我国规模化、集约化养殖业的迅速发展，畜禽粪便数量急剧增加，其不合理利用给周围环境带来了较大的压力。畜禽粪便不但会释放恶臭液体、固体和气体，还会携带病原微生物、重金属等有害物质，假如被大量弃置或低效率利用，会污染生态环境，也对社会发展和人类健康带来巨大影响。畜禽粪便富含氮、磷、钾、粗蛋白等营养成分，是能够利用的资源，可转化为饲料、肥料、燃料等，但是现今我国畜禽粪便资源化利用率不到60%，造成大量的生物质资源浪费。我国畜禽粪便问题现在已经成为限制畜牧业持续稳定发展的重要因素。

1 我国畜禽粪便的污染现状及其危害

1．1 畜禽粪便的污染现状

据全国畜牧总站调查资料显示，我国每年的畜禽粪污排放量大约为38亿t，其中畜禽直接排泄的粪便约18亿t。中国每年产生约18亿t生猪粪污，占总量的47%；牛粪污年产生量约14亿t，占总量的37%，其中肉牛10亿t、奶牛4亿t；家禽粪污年产生量约6亿t，占总量的16%。2014年畜禽粪污已经成为中国三大面源污染之一[1]，畜禽粪污排放量会随着迅速发展的养殖业继续增加，对生态环境的污染问题越来越严重。

1．2 畜禽粪便的危害

1.2.1 造成空气污染

畜禽粪便在堆制过程中会产生一类具有臭味的混合气体，主要是甲烷、氨气、硫化氢、酚类等有毒有害成分[2]。Avery等[3]试验证明，带有恶臭味的气体会降低唾液中的免疫球蛋白 A 的分泌效率和含量，影响人的黏膜免疫功能。大量的畜禽粪便在高温下处理不及时，其生成的甲基硫醇、二甲基二硫醚等有毒有害气体，会造成空气污染，使空气中含氧量相对下降，导致动物及人群的免疫力下降，呼吸道疾病增加[4]。郭娇等[5]发现粪便中的氧化亚氮和甲烷排放比例分别占中国畜牧业温室气体排放的18.23%和15.16%。

1.2.2 造成水体污染

畜禽粪便中有机物及污染物丰富，所含氮、磷元素较多[6]，这些物质可以经过土壤渗入地下污染地下水，也能够经过地表径流污染地表水[7]。据资料表明，一个万头猪场平均每天的粪便排泄量达到17.5t，其中氮和磷的排放量分别达到105kg和70kg。如果大量或长期饮用污染过的地下水，可能会诱发癌症[8]。畜禽粪便的随意堆放，使其所含有机污染物进入水体达2%～8%[9]。过多的氮、钾、硫等会造成水体富营养化，使藻类快速繁殖生长，让水体溶氧量下降，导致鱼类及水生物死亡，污染周围生态环境[10]。

1.2.3 造成土壤污染

畜禽粪便被微生物分解后能够为土壤提供适宜的腐殖质，有助于改善土壤的结构和肥力，促进作物的生长。但如果过多使用畜禽粪便，或者畜禽粪便处理不当，就会对土壤造成破坏。大量的钠盐和钾盐存在于畜禽粪便中，某些土壤的微孔会因过量的钠和钾的反聚作用而减少，土壤的通透性降低，土壤结构被破坏[11]。周轶韬[12]试验表明，过量施用畜禽粪便不仅不能增加产量，而且会使农作物质量下降、减产。畜禽在饲养过程中会食用添加了一些铜、锌、砷等重金属元素的饲料以促进生长发育[13]，然而因为重金属的难吸收和转化的特性，使禽粪便中的重金属含量严重超标，对土壤造成二次污染。据孟祥海等[14]报道，不经处理的粪便过量施用会导致土壤中重金属的累积。

1.2.4 造成生物污染

目前已知畜禽粪便中有着150多种人畜共患病的潜在致病源，主要是大肠杆菌、沙门氏菌、弯曲菌、原虫和贾第虫（鞭毛虫）等[15]。因此畜禽粪便如果处理不当，不但畜禽养殖业的发展会受到危害，而且周边环境也会受到污染，居民的健康安全会遭遇威胁。畜禽粪便中存在一些饲料和兽药中的重金属和有毒物质，这些有毒有害物质排入到环境中，将威胁畜禽安全和人类健康。

2 我国畜禽粪便资源化利用现状

2．1 我国畜禽粪便的资源化特征

畜禽粪便含有植物生长所必需的氮、磷、钾等多种成分，挥发性有机物高达75%，是一种有价值的资源。畜禽粪便处理后能够作为饲料使用，经济价值显著[16]。畜禽粪便还可以作为有机肥，其资源化利用是实现施肥方式转变的重要途径。我国是化肥使用大国，目前用量（折纯）已逼近6 000万t，约占世界用量的35%，远高于世界平均水平，是美国的2.6倍，欧盟的2.5倍[17]。化肥的施用在促进粮食增产方面起到了积极作用，然而长期过量施用会导致土壤板结、酸化，肥力下降，营养元素失衡，硝酸盐污染和次生盐渍化[18]。畜禽粪便作为重要养分资源，综合利用率却不到60%。

2．2 畜禽粪便资源化利用现状

20世纪80年代初，我国开始了对畜禽粪便利用的研究，最初是将晒干的鸡粪用作饲料喂养猪、牛、羊[19]，现在已有肥料加工厂将鸡粪加工成有机肥。目前对畜禽粪便的利用主要是肥料化、能源化、饲料化。

2.2.1 饲料化

畜禽粪便包含大量的粗蛋白、脂肪、钙等成分，具有一定的营养价值。这些营养成分经过适当处理后，能够作为饲料资源利用。在畜禽粪便中，鸡粪的营养价值最高，猪粪次之。

目前，畜禽粪便饲料化利用的方法主要包括直接喂养法、青贮法、生物法、干燥法等。因为鸡的肠道短，饲料中大约70%的营养物质没有经消化吸收就会排出体外，直接喂养法主要适用于鸡粪。养殖场可以把鸡粪代替部分精料来养牛、喂猪。青贮法是把秸秆、饲草或其他粗饲料和畜禽粪便一起青贮，这样可以增加饲料利用率和适口性，减少粗蛋白的流失，并能杀死其中的微生物，让营养更均衡。生物法是用蚯蚓、蝇、蛆处理畜禽粪便，这样既消耗了粪污又得到了动物蛋白质[20]，相比于鱼粉、 骨粉等更经济实惠。干燥法是利用人工干燥达到消毒、灭菌、消除臭味的目的[21]，通过干燥，有害微生物、虫卵被杀灭，使加工的畜粪符合卫生标准，同时可以达到饲料商品的生产要求[22]。

畜禽粪便经处理加工后作为饲料资源利用，除了能够降低对环境的污染，而且可以节省成本，经济效益显著。但是其适口性差、能量低，而且可能含有病原微生物、化学添加剂等有害物质，目前对畜禽粪便的饲料化利用存在争议[23]，欧美、日本等国都不主张将畜禽粪便用作饲料[24]。

2.2.2 肥料化

畜禽粪便中丰富的氮、磷、钾等养分及其他微量元素是植物生长所需要的营养成分，因此畜禽粪便能够当成有机肥使用[25,26]。以前人们会使用填土、垫圈或堆肥方式把畜禽粪便制成农家肥。随着集约化养殖场的发展，当前研究得最多的是堆肥法。堆肥法是指经过微生物的作用，畜禽粪便里面的有机物被分解成有利于植物吸收的稳定、无害的物质[27]。堆肥法得到的有机肥臭气少、干燥、使用方便，不过用地面积大、耗时长，还会有氮的损失，经济效益不好[28]。研究表明，同等条件下在堆料中添加微生物菌剂能够减少堆肥时间，提高堆肥产品质量[29,30]。一些江苏省的堆肥厂将特定的微生物添加在腐熟的堆肥中，以期用来控制一些温室作物的镰刀菌病害，但这样得到的生物肥料价格较高[31～33]。

2.2.3 能源化

畜禽粪便能够经过直接燃烧转化为热能或者经厌氧发酵生成沼气，经过沼气的燃烧转化成热能。草原上的人们经常会燃烧干燥的动物粪便，用产生的热能来取暖或做饭，不过集约化养殖场中排放的粪便有较高的含水量，不可以直接燃烧[34]。畜禽粪便具有很高的热值，特别是牛粪中存在较多的粗纤维，可以制作成蜂窝煤等用以燃烧产热[35]。我国圣新能源投资3.2亿元建立了以圣农发展养鸡场鸡粪与谷壳混合物为原料的直燃发电厂，2016年处理鸡粪30万t，年发电约1.3亿度[36]。畜禽粪便直接燃烧主要担心的问题是粪便对燃烧特性、气体排放的影响，并且造成炉灰量剧增[37]。

沼气法是指在缺氧条件下畜禽粪便中的有机物被厌氧微生物分解成CO2和CH4，可以用在家庭炊事用能或发电等。发酵剩余物还能够直接利用，当作肥料用在农田，可以改善土肥地力、提升土壤品质[38]，提升农作物品质和产量[39]。北京德清源每年处理8万t鸡粪用于沼气发电，发酵剩余物作为肥料出售[40]。沼气法可以生产清洁燃料，而且可以消除臭气、杀死病原体和寄生虫卵等有害物质，但是一次性投资大，操作难，沼气受气候影响出产率不稳定[41]。

畜禽粪污或其沼气发酵后产生的沼液中含有大量氮磷，是微藻生长的良好基质。微藻作为一种水环境净化生物，可防止对水体的损害[42]，很早就被应用于废水中氮、磷以及金属元素等污染物质的去除。粪污或其沼液培养生产的藻类还可以作为沼气发酵的原料。以100头成年奶牛场粪污处理进行测算，每天可以产能源333.79～576.57kWh/d[43]。现今用废水或沼液进行微藻培养在技术上还不成熟，存在一些亟待解决的问题。首先，某些废水或沼液中存在大量抑制微藻生长的有害物质，不能直接用于微藻的培养，需要对其进行预处理。其次，微藻在处理废水后难以与废水或沼液分离。第三，不是每一种微藻都能在废水或沼液中生长，所以需要通过筛选、诱导出生长率高、去污能力强的藻种。另外，由于微藻培养及其制备生物柴油的过程中资源消耗高、能源回报低，所以限制了微藻生物燃料的商业化应用[44]。

3 畜禽粪便资源化利用存在的主要问题和解决措施

3．1 存在的主要问题

3.1.1 饲养过程中的源头控制不足

畜禽对饲料中氮、磷的吸收率较低，很多氮和磷被畜禽排出体外，这对于资源的利用和环境都是负面的。Portejoje等[45]试验报道，如果饲料中粗蛋白含量比较高，动物机体对饲料中氮利用率就比较低；降低饲料中粗蛋白含量可以提高有效氮利用率，还会减少氮损失。然而目前我国对于畜禽饲养中的源头控制不足，造成了各种环境污染。

3.1.2 资源化利用技术不够成熟

畜禽粪便资源化利用技术主要是饲料化技术、肥料化技术和能源化技术。不过畜禽粪便作为饲料使用存在很多的安全隐患，已经不宜提倡饲料化技术处理。现今生物好氧高温发酵生产有机肥和厌氧发酵产生沼气是国内外畜禽粪便资源利用的首选方法，然而在我国目前这两种处理技术不够完善，生物好氧高温发酵技术氮素损失大，容易造成氨污染，发酵热量不能充分利用；厌氧发酵技术沼气出产率低，污水难达标排放，而且能耗大、处理成本高。如果处理技术不能克服这些问题，畜禽粪便资源利用在实际应用中难有经济效益。

3.1.3 政策支持力度不够，过度依赖于市场机制

农业生产者们只看到了使用化肥的短期经济效益，在畜禽粪便上没有进行资源化利用，至今没有形成种植、养殖协调的生态循环利用体系[46]。现今中国对农业生产者进行畜禽粪便资源化利用的优惠政策支持不够或缺乏，在发展生态农业上缺少激励机制，调动不了农业生产者和企业的积极性，这让相关的畜禽养殖废弃物资源化利用产业体系不能得到培育。发展环保产业涉及的层面和环节较多，投资巨大，不能够只依赖于市场机制，而缺乏强有力的国家政策支持[47]。

3．2 解决措施

3.2.1 加强饲养过程中的源头控制

畜牧生产部门应该制定科学合理的动物营养需求量和饲料添加剂标准，养殖场应合理制定饲料配比和提高畜禽动物消化效率。养殖场应该按照动物的实际需求提供饲料，使动物机体对营养物质的利用率增加，减少营养物质的过量饲喂，降低氮、磷等养分的流失[48]。养殖场应推广应用氨基酸平衡营养技术，在饲料里面添加合成氨基酸，使粗蛋白质含量减少，降低畜禽排泄物中氮的排出量，同时节约天然蛋白质饲料资源[49]。为了提高畜禽动物消化效率，还可以在饲料中添加一些酶制剂，以补充动物体内消化酶的分泌不足或提供动物体内没有的酶，例如，畜禽对植酸磷利用率很低，饲料添加植酸酶能够把饲料中的植酸磷水解释放成动物机体可以利用的磷，减少畜禽粪便中磷的产出量[49,50]。另外也可以通过获得畜禽饲养过程中氮、磷、铜、锌等排泄情况，掌握各种畜禽营养需求的变化，来降低畜禽粪便中养分含量，降低对环境的影响[51]。

3.2.2 加强畜禽粪便资源质量控制

根据我国畜禽粪便资源的现状，必须要在加强质量监管控制的基础上合理开发利用。一是积极呼吁畜牧生产部门，制定科学合理的饲养标准和饲料添加剂标准，从源头上控制畜禽粪便重金属、抗生素等超标的问题，确保畜禽粪便资源安全。二是加快建立畜禽粪便资源和有机肥重金属等限量标准，尽快完善有机肥系列标准，对重金属限量做出明确规定，提高有机肥行业准入门槛；提高对畜禽粪便资源、有机肥抽查力度，严禁将重金属超标的有机养分资源使用到农田中，防止对农田造成二次污染，影响农产品质量安全。

3.2.3 加强畜禽粪便资源化利用技术的研发和转化

随着畜禽粪便污染情况越来越严峻，国内现今已经有部分养殖场对畜禽粪便实行减量化处理、资源化利用，不过普遍使用的是单一的处理技术，遗留问题不能解决，粪便利用率低[52]。对于生物好氧高温发酵和厌氧发酵技术存在的问题，我们应该加强畜禽资源化处理的技术研发和技术转化，提升无害化处理的质量和效率，更好地对利用畜禽粪便资源。

3.2.4 鼓励畜禽粪便养分资源应用

加强引导广大农民使用有机肥，充分发挥其对农业的支撑作用。首先是继续推进实施耕地质量提升行动，加强对农户的宣传，营造使用有机肥的良好氛围，通过补贴等政策，引导广大农民在粮食作物上施用有机肥，不断提升耕地质量，推进“藏粮于地”战略的实施；同时加强对农户的指导，引导农民在蔬菜、果树等作物上合理施用有机肥，纠正有机肥施用越多越好的错误观念，达到既提高作物产量、改善品质、增加效益，又节约农业投入成本、保证农产品质量安全的目的[53]。

4 展望

畜禽粪便具有资源再利用的发展潜能，有其独特的存在价值，过去由于技术、思想等因素的限制使得畜禽粪便没有得到有效利用。当前全国仅有30%左右的集约化畜禽养殖场对粪便进行简单处理和回收再利用，其他都是直接排放到环境中，导致农业面源污染严重[54]。国务院在2019年发布的《关于坚持农业农村优先发展，做好“三农”工作的若干意见》中指出，要加大农业面源污染治理力度，实现畜牧养殖大县粪污资源化利用整县治理全覆盖[55]。这些举措不仅有利于农业的可持续发展，还能够治理畜禽养殖污染，改善养殖场周边环境。

目前国内外认可度较高的畜禽排泄物的处理方式以好氧处理（高温堆肥），厌氧处理（沼气）最为普遍[56]，这也是今后养殖场进行畜禽粪便利用的主要途径。但是现今这两种技术途径在我国的应用还不够完善，我们应该继续增加对畜禽粪便资源化好氧处理、厌氧处理利用技术的研究。同时如何通过科学的方法提高饲养管理水平，降低粪便中有害成分的含量，以及开发研究新的粪便处理技术，让畜禽粪便得到更加充分的利用，这将是未来研究的重要方向[57]。

中国作为畜禽养殖大国，有着丰富的畜禽粪便资源，具有广阔的应用前景。我们应该增加对畜禽粪便资源化利用的强度，解决粪便处理困难的问题，在提高养殖场经济效益的同时实现环境保护，为促进畜牧业可持续发展、畜禽粪便资源利用和环境保护做出一份贡献。