畜禽粪污资源化利用研究进展

2020-07-01罗俊丞罗娅君陈杨武朱荣霞谭周亮

贵州农业科学 2020年5期

罗俊丞，罗娅君，陈杨武，朱荣霞，谭周亮*

(1.绵阳师范学院资源环境工程学院，四川绵阳 621006； 2.中国科学院环境与应用微生物重点实验室，四川成都 610041； 3.宜宾学院，四川宜宾 644000)

随着我国畜禽养殖业快速发展，每年产生的畜禽粪污也大量增加，2016年我国畜禽粪污产量达42.38亿t[1-2]。畜禽粪污若不经处理随意排放，会污染环境，破坏生态平衡，从而威胁到人类健康[3-4]。目前，我国处理畜禽粪污大致有两种思路，一种是达标排放，即把畜禽粪污经过物理、化学和生物方法处理后达标排放[5-6]。另外一种是资源化利用，即把畜禽粪污作为资源通过一定的技术手段加以利用，主要包括肥料化、饲料化、能源化和种养结合。达标排放方式由于畜禽粪污具有高浓度的COD、TP、TN等污染物特点，导致畜禽粪污达标排放难度大，运行成本高，在中小规模畜禽养殖企业难以实现[7-8]。而且，畜禽污染物排放标准与工业污染物排放标准不同，处理达标后的畜禽粪污没有相应的受纳水体，随意排放容易造成二次污染，畜禽粪污处理达标后肥用价值较低，不适合农业灌溉，这限制了畜禽粪污达标处理的发展；资源化方式利用畜禽粪污不但可以避免环境污染，还可以生产沼气和有机肥，带来经济价值，推动农业绿色、健康和可持续发展。畜禽粪污资源化利用可有效缓解当今的能源短缺和环境污染问题，是实现我国乡村振兴和美丽中国建设的重要途径。为我国畜禽粪污资源化的应用和推广提供参考，综述畜禽粪污资源化利用模式，分析我国粪污资源化利用存在的问题，并提出相应建议。

1 我国粪污资源化利用方式

资源化利用方式处理畜禽粪污可分为养殖源头减量、养殖过程减排和养殖末端综合利用3个环节[9]。养殖源头减量主要是通过提高畜禽饲料利用率和转化率，减少粪污产量，如使用微生物饲料，向饲料中添加复合酶、植酸酶，提高饲料转化率；也可采用节水节料技术，从源头减少畜禽粪污排放量[9]。畜禽粪污在养殖过程中减排目的是提高畜禽粪污处理效率和避免二次污染，主要包括粪污干湿分离、雨污分流和粪污氨减排。其中，氨减排包括改进运输车辆、修建粪污储存池、粪浆酸化处理技术、粪污冷却技术等[10-12]。养殖末端综合利用是通过一系列的技术手段对畜禽粪污进行处理和利用，不但可以解决畜禽粪污污染问题，还能产生经济价值，其处理方式主要包括饲料化、肥料化、能源化和种养结合[13-14]。3个环节中以养殖末端综合利用处理粪污量最多，是解决环境污染和实现畜禽粪污资源化利用的核心内容。因此，重点介绍养殖末端粪污综合利用处理方式。

1.1 肥料化利用

畜禽粪污中含有丰富的有机物、氮、磷、钾等营养元素，能为作物提供生长所需的营养，增加土地有机质含量，是优质的有机肥来源[4,15]。施用粪肥可以有效增加土壤养分、有机碳(SOC)储存量和pH值，从而提高作物产量[16-17]。2016年，我国畜禽粪污能提供氮肥1.2×107t，磷肥1.9×106t，施用粪肥能减少化肥用量，降低农业成本，促进种植业和养殖业可持续发展[2]。

畜禽粪污肥料化利用有好氧发酵堆肥和厌氧发酵2种方式。其中，好氧发酵可分为传统自然发酵和人工好氧发酵2种，均是利用微生物分解粪污中的蛋白质、纤维素及脂类等有机物，将其转化为菌体蛋白、氨基酸、腐植酸和其他对作物生长有益的成分，减少粪便中挥发性恶臭气体，同时微生物发酵产生的高温能杀灭粪便中的病原微生物和虫卵，改善发酵粪污的物理性状，实现粪污资源肥料化[18-19]；粪污厌氧发酵最终产物是沼气和沼肥，是粪污肥料化和能源化的综合技术[20]。目前，好氧发酵堆肥技术主要有条垛式主动供氧堆肥技术、槽式堆肥技术、转筒式堆肥技术等[21]。WANG等[22]研究麦饭石(MS)对猪粪(PM)堆肥过程的影响发现，MS的加入能明显促进PM中有机碳和木质素降解，与对照相比，添加MS组半纤维素和纤维素的分解率分别提高9.64%～27.08%和2.11%～12.07%。王延宏等[23]设计了1种可用于中小型养殖场的好氧发酵堆肥设备，该设备具有粉碎、混合、加热、保温、通风、搅拌等功能，采用自动控制的方式为好氧发酵提供适应的环境，可提高发酵速率，将发酵周期缩短至8～12 d。虽然堆肥技术研究已较多，也较为成熟，但畜禽粪污肥料化还存在堆肥时间长，占地面积大，堆肥过程中存在养分损失和臭气等缺点。根据我国农业和环境现状，需要加强堆肥技术的研发和推广，如快速堆肥技术、堆肥自动化技术、粪污除臭技术等。

1.2 饲料化利用

畜禽养殖过程中，喂养畜禽的饲料未被动物完全消化吸收，从而随着畜禽粪便排出体外，粪便中还含有维生素、蛋白质、粗脂肪、矿物质等营养物质，因此，畜禽粪便可经过处理后作为动物饲料加以利用，即饲料化[24]。畜禽粪便的饲料化方法包括干燥法、热喷法、青贮法和分解法。干燥法是通过自然或人工方式对粪污进行干燥处理，从而达到灭菌、消毒、除臭的效果，去除其中杂质，添加一定比例的营养物质配合饲料可用于喂养畜禽[20]。热喷法利用热蒸和喷放对畜禽粪污进行处理，从而改变粪便结构和某些化学成分，经灭菌、消毒、除臭后作饲料[20]。青贮法指将畜禽粪便与农业产生的秸秆、谷物、蔬菜等废弃物一起青贮发酵作为饲料，青贮法有利于改善饲料的适口性和提高蛋白质的转化效率[25]。分解法主要是利用蝇蛆和蚯蚓等低等动物将畜禽粪便分解，使粪污转化为蝇蛆和蚯蚓从而获得蛋白饲料[26]。粪便饲料化利用不仅可以防治粪污导致的环境污染 ,还可以减少养殖成本，增加经济效益，有利于我国养殖业可持续发展，对我国实现乡村振兴具有重大意义。

目前，考虑到食品安全和消费者接受程度，研究较多的饲料化方法是利用低等动物分解粪便使其转化为动物蛋白的分解法。在众多畜禽粪便中鸡粪饲料化的价值最高，主要原因是鸡饲料营养成分较全，而且鸡的消化道短，没有唇齿、其嗉囊分泌液没有消化能力，饲料在肠道停留时间短，鸡对饲料的消化吸收率低，所食饲料中70%左右的营养物质随着粪便排出体外[18,24]。鸡粪再生为饲料可用于饲喂牛、羊、猪、鸡等畜禽，也可用于养殖鱼类、黄粉虫、蝇蛆、蚯蚓等[18]。潘百明等[27]利用鸡粪配制饲料喂养雏鸡，通过对比试验发现，喂养鸡粪饲料的雏鸡肉料比为1∶2.096，雏鸡每增重1 kg，鸡粪饲料成本为7.57元，市场全价饲料成本为9.98元，表明鸡粪饲料化具有很大的成本优势。XIAO等[28]利用黑水虻(Hermetiaillucens)和功能性细菌对鸡粪进行共转化生产蛋白质饲料和有机肥，其转化工艺可优化鸡粪的处理时间和黑水虻转化率，该工艺对鸡粪进行好氧发酵仅需要24 d，与对照相比，黑水虻转化率增加12.7%。当然，鸡粪和其他粪便混合处理也能显著提高饲料化效率。REHMAN等[29]在实验室温度27℃，湿度在60%～70%情况下，利用黑水虻处理牛粪和鸡粪，生产黑水虻幼虫作为蛋白饲料，产生的残渣作为生物肥料，发现40%的牛粪与60%的鸡粪共同处理组比其他粪污混合组有更好的处理效果，其纤维素消耗率为61.19%，半纤维素消耗率为53.22%，木质素消耗率为42.23%。

1.3 能源化利用

畜禽粪污可经过一定的技术手段“变废为宝”，可节约不可再生资源的消耗，带来一定的经济价值，减少养殖成本，即能源化。畜禽粪污能源化主要包括作为燃料燃烧和发酵生产沼气，作为燃料燃烧是将纤维素含量高的畜禽粪便通过干燥处理后作为燃料燃烧。而大规模养殖场产生粪便量多，水分含量高，不容易干燥，需转化后才能用作燃料，粪便作燃料主要适用于草原动物粪便[18]。沼气是一种可再生能源，微生物在厌氧条件下分解有机物可产生沼气，其成分主要是甲烷和二氧化碳[30]。粪污厌氧发酵产生的沼气可用于供热和发电，产生的沼液和沼渣经过处理能作为有机肥还田。MEYER等[31]通过分析欧盟种养废弃物产量估算产沼气潜力认为，到2030年，欧盟28国年产沼气潜力在1 200～2 300 PJ。李培培等[32]根据青岛市猪业发展的实际情况，估算2016年该地区可生产沼气量为6.4×107m3。

为促进粪污产沼气效率，许多学者对此展开了研究，DONG等[33]利用大规模活塞流反应器(PFR)生产沼气发现，温度在37～40℃，TS在7%～10%，HRT为25 d的条件下可以长时间连续稳定生产沼气，且甲烷产量达到0.22 m3/kg VS，底物去除率为59%。彭翔等[34]研究玉米秸秆与猪粪混合进行预处理对厌氧消化性能的影响发现，最优预处理条件为温度35℃，总含固率10%，过滤筛网孔经4 mm，处理时间3 d，与对照组相比，其产甲烷的峰值提高65.01%，单位TS甲烷产量达192.45 mL/g，比对照高22.89%。NING等[35]通过研究猪粪和玉米秸秆厌氧共消化生产沼气，发现C/N为25时，沼气产量最高，而C/N为35时，沼液性能最佳。HAO等[36]研究碳基纳米材料对绵羊粪便厌氧消化产沼气的影响发现，500 mg/kg碳基纳米材料能明显提高系统中甲烷的日产量和累积量，分别提高46.8%和33.6%，高剂量的碳基纳米材料能在属水平上改变细菌和古细菌的组成，显著提高甲烷菌的相对丰度。目前，有关学者对粪污发酵产沼气进行了一系列研究，但还存在产沼气效率低、发酵时间长等问题，而且发酵过程会产生大量沼渣沼液，往往超过当地的土地消纳量，处理不当会导致二次污染。面对环境污染和能源短缺问题，粪污能源化应当从提高产气效率，做好沼渣沼液安全利用方面出发，进行粪污处理新技术、新工艺的开发研究。

1.4 种养结合利用

种养结合是指在一定土地管理区域内，养殖业产生的废弃物经过处理生产有机肥用于种植业，种植业产生的产品及废物为养殖业提供饲料，实现农业生产过程中物质和能量在动植物之间高效流动和科学转换，从而提高农业废弃物利用效率，遏制或减小农业活动对环境造成的污染，促进农业可持续发展的生态农业循环模式[37]。目前种养结合模式主要有养殖-贮存-农田模式、养殖-沼气-农田模式和养殖-堆肥+沼气-农田模式[38-39]。养殖-贮存-农田模式是将养殖业产生的粪便和污水贮存起来作为有机肥直接还田利用。养殖-沼气-农田模式以产沼气技术为核心，将粪便污水作为生产沼气的原料，通过厌氧发酵生产沼气，将产生的沼气用于燃烧或发电，生产的沼渣和沼液作为有机肥还田。养殖-堆肥+沼气-农田模式的粪污处理由预处理系统、好氧处理系统、厌氧处理系统、后处理系统组成，包括固液分离、沼气净化、沼气贮存与利用、沼渣沼液还田利用等。

1.5 企业粪污资源化利用

我国畜禽养殖规模从散户养殖向规模化、集约化的方向发展，导致我国养殖情况十分复杂[40]。不同规模养殖企业产生的畜禽粪污量存在差异，所以对于不同规模的养殖企业，应选择不同运行模式处理畜禽粪污(表1)[9,41]。山西玉衡同创公司设计承建的粪污资源化利用项目包括粪污预处理区、厌氧发酵区、副产品综合利用区、人工湿地生态净化区等，每天的粪污处理量可达10 000 m3，公司将产生的沼气用于发电、供热，发酵产生的副产物用于有机液肥和固肥生产[42]。黑龙江省哈尔滨市双城区引入北京丹青诺和牧业科技有限公司的第3方商业化服务，在该地区建设100个公共粪肥存储池，购买相关机械设备，2016年公司向养殖场收取服务费20万元，向种植户收取农田有机肥施用费112万元，合计年收入132万元，而且随着服务客户的增加，收益会逐步增加[43]。畜禽粪污资源化利用需要投入大量资金和专业技术，对于我国农业废弃物资源化技术和资金都相对缺乏的国情，应考虑加强政府监管，引入社会资金，发展专业的第3方服务处理畜禽粪污，紧密种植业和养殖业的联系，促进农业可持续发展[38-39]。

表1 不同规模畜禽粪污资源化利用模式

2 粪污资源化利用面临的问题

2.1 种养分离

我国很多养殖场空间布局不合理，周围没有足够的土地消纳畜禽粪污，导致“种养分离”[37,44]。而粪污资源化还田的前提是粪污施用量不得超过土地承载负荷[45]。为此欧盟规定一般作物耕地总氮施用量限值为170 kg/hm2，丹麦政府规定农用土地总氮施用量限值为140 kg/hm2[46]。我国计算畜禽粪污土地承载力引入猪当量的概念，1个猪当量相当于氮排泄11 kg或磷排泄1.65 kg。基于氮和磷的承载力，2016年我国畜禽养殖环境容量分别为2.67×109头猪当量(N)和2.55×109头猪当量(P)，环境风险指数分别为0.43(N)和0.45(P)，养殖业仍处于农田的承载能力之内，具有一定发展潜力[2]。但与发达国家相比，我国各地区种养业情况存在差异，农业废弃物存在总量不清，收储体系有待进一步完善，在废弃物还田过程中养分管理相关的法规和技术相对缺乏，还田效果还受季节变化、作物生长周期、施用方式等因素影响，导致“种养分离”，不利于农业可持续发展[39]。

2.2 还田粪污中的重金属和抗生素含量超标

影响粪污安全还田的主要原因是畜禽粪污中含有大量的重金属和抗生素，养殖企业为促进动物生长发育，降低其患病率，通常会向饲料中添加过量重金属和抗生素，但动物对重金属和抗生素吸收不完全，导致大部份重金属和抗生素随着粪便排到体外[47]。当粪便作为有机肥还田后，由于重金属具有难降解、易迁移、易富集、危害大等特点，会通过生物富集危害人类健康，而抗生素在生态环境中迁移会使一些微生物产生抗性基因，导致某些致病菌产生抗药性[48-49]。

为了解畜禽粪污重金属和抗生素污染情况，任玉琴等[50]对浙江省猪粪便进行重金属含量测定，结果表明，猪粪便中残留的重金属为Zn、Cu、Mn和As，浓度分别为2 405 mg/kg、1 288 mg/kg、528 mg/kg和28.2 mg/kg，均超过标准。WANG等[51]采用固相萃取-高效液相色谱法检测浙江省不同地区大型养猪场猪粪抗生素分布，发现猪粪中主要的抗生素是磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、四环素和金霉素，其中残留的金霉素最大浓度达57.95 mg/kg。QIAN等[52]利用高通量qPCR技术检测了12个大型农场中牛、鸡、猪3种动物粪便抗生素抗性基因(ARG)情况，发现鸡粪和猪粪中ARG的多样性和丰度明显高于牛粪。目前，去除粪污中的重金属和抗生素主要通过厌氧消化、好氧堆肥、物理处理等末端治理方式实现[47]。为保障畜禽粪污安全还田，除了末端治理外，还应考虑从源头控制。因为粪污中重金属和抗生素超标的主要原因是饲料中过量添加了重金属和抗生素，所以政府部门需要完善法律法规，同时加强监管力度，保障饲料中重金属和抗生素不过量添加。通过开发新技术、优化饲料配方、使用微生物饲料、寻找重金属和抗生素的替代物质等方式，促进动物对饲料的消化和吸收，尽可能在饲料中不添加或少添加重金属和抗生素，实现粪污安全还田。促进种养结合，满足消费者对有机、绿色、安全农产品的需求。

3 粪污资源化利用建议

畜禽粪污资源化利用，不仅能避免环境污染，改善农村生态环境，还可产生经济效益，降低农业成本，促进农业可持续发展，对实现乡村振兴和美丽中国具有重大意义。为促进养殖业畜禽粪污资源化利用，实现农业可持续发展，提出如下建议。

3.1 加强政策引导，实行科学管理

政府通过合理规划，开展种养结合示范工程，制定农业废弃物资源化利用补贴政策，强化农业废弃物利用规范化和标准化管理，提高有机肥准入门槛和质量标准，增加有机肥市场竞争力。引进社会资金，发展专业的第3方机构处理农业废弃物。通过“种养结合”发展其他产业，种养结合有利于改善生态环境，形成优美的自然农业风景，可发展观光休闲农业，增加农业收益。