规模猪场养分管理工程技术模式分析研究

2020-07-28周洪宇李冰峰

中国沼气 2020年1期

段娜，周洪宇，林聪，李冰峰

(1.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083; 2.农业农村部农业生态与资源保护总站，北京 100125)

随着畜禽养殖业从传统家庭养殖向集约化、规模化、商品产业化程度不断提高的方向发展，所引发的环境保护与养分管理问题备受关注。2014年，全国生猪规模养殖比重为42%，预计到2020年生猪规模养殖的比重将达到52%[1-2]。规模畜禽养殖化学需氧量(Chemical oxygen demand, COD)和氨氮排放量分别为1049万吨和58万吨，占全国总排放量的45%和25%[3]。规模化养殖快速发展的同时也造成了养殖业的过量营养负载，传统家庭养殖模式中养殖业和种植业养分的双向流动模式被打破，造成并强化了养分通过饲料载体从种植业向养殖业的单向流动和养分失衡。而在养殖业粪污使用过程中也往往忽视了其营养物质的迁移及其所造成的环境效应。欧盟的农业政策规定，单位面积总氮负荷量的限量标准为170 kg·ha-1，我国2013年这一数值为157.94 kg·ha-1[4], 而2003年我国单位面积耕地负荷的畜禽粪便纯氮养分平均值是107 kg·ha-1 [5]。因此，采取积极有效的养分管理技术来实现畜禽粪污的资源化利用和无害处处理刻不容缓。

发达国家在经历了畜禽养殖造成环境污染的过程后，正在积极实施并推进综合养分管理计划(Comprehensive Nutrient Management Planning，CNMP)，通过“种养平衡一体化”的思想实现养殖场污染物处理、养分循环利用和获取可持续的综合效益。本文针对我国畜禽养殖规模化发展带来的环境保护和养分管理两大突出问题，以我国规模猪场沼气技术为主的粪污处理利用模式为例，对照国外养分管理模式，总结分析我国现有规模猪场养分管理工程技术模式及存在问题，提出适合我国的养分管理工程技术模式框架，为我国推进规模畜禽养殖场养分管理进程提供一定的决策参考。

1 国外养分管理模式

1991年欧盟出台的《硝酸盐法令》旨在减少和防治农业污染，规定每公顷农田每年的有机肥施用量(以氮计)不得高于170 kg[6]，当水中硝酸盐含量超过55 mg·L-1时就要禁止使用带有硝酸盐成分的农药和化肥，并限制牲畜的数量[7]。《硝酸盐法令》的实施有效地减少了化肥的施用量，改善了农田环境和生态环境。有数据显示，自从相关法令实施以来，欧盟各成员国逐渐控制了农业投入氮、磷的量，氮、磷化肥的用量分别下降了约30%和50%[8]。

2000年12月，美国农业部自然资源保护局发布的综合养分管理计划技术指南中指出一个完整的CNMP包括粪便和污水的处理与储存、制订田间措施、制订养分管理计划、优化畜禽喂饲管理、备选利用处理方式、记录和监测6个部分[9]。按照美国农业部规定，所有动物饲养均需执行CNMP以减少粪污对水环境的污染。CNMP在美国实施10年后，美国共有257201个养殖场实施了CNMP计划，其中以舍饲牲畜为主的小农场(16.5%)和猪场(12.8%)为主[10]。经过十多年的发展，CNMP对美国畜禽养殖战略措施的实施做出了巨大的贡献。一方面，它是一个动态的养分管理方案，可根据养殖场的实际情况进行调整。养分管理是CNMP中一个重要且复杂的环节[11]，尤其是氮、磷、钾等养分的有效利用和转移。美国农业部和环保局在为动物养殖经营制定的统一规范中，规定了可采用土壤测试作物反应法、土壤环境磷临界值法和磷指数法3种方式确定磷素养分管理措施和推荐施用量[12]。通过专业的分析和评价，及时调整施肥策略实现畜禽养殖生产和环境保护的双赢目标。另一方面，其具有强大的政府支持、严格的实施程序、专业的技术援助和评价体系。美国257201个养殖场的CNMP总投资为195亿美元(10%用于CNMP开发和技术援助，90%用于实施CNMP)，而按照10年计算，平均每个养殖场的投资为7.6万美元，其中粪便和污水的处理及储存占据了较大的比例[10]，但大多数资金可从政府申请获得。除此之外，每个养殖场的CNMP都经过严格的申请、调研、规划、许可、培训、评价等多个环节，兼具共通性和特殊性，确保每一个CNMP都可顺利实施。

2 我国规模猪场以沼气技术为主的养分管理模式分析

以沼气技术为主的养分管理模式是以沼气工程为核心，形成的“饲料—养殖—粪污水—沼气工程—养分循环利用”养分管理模式，在处理粪污水的同时，可生产清洁能源沼气和生物肥料沼渣沼液。根据清粪工艺、肥料利用及沼渣沼液后处理情况不同可分为几种主要的养分管理模式，如图1所示。

图1 以沼气技术为主的养分管理模式图

2.1 沼气工程-还田模式

沼气工程-还田模式是一种典型的种养结合模式，适合于年出栏小于2万头的规模猪场[13]。清粪工艺决定了可收集粪污的质量和数量，而粪污处理方式决定了还田的方式和养分利用的时间与效率。大部分养殖场将粪便进行固液分离，固体直接用于还田或堆肥后还田，分离后的粪尿冲洗水通过封闭管道进入沼气工程，沼渣沼液用于还田。还有一部分采用水冲粪或水泡粪工艺的猪场，将混合粪污水直接用于厌氧消化，产生的沼渣沼液进行还田处理。高增月[14]等对比分析了鲜猪粪和沼渣的养分含量和病菌量，结果表明与鲜猪粪相比，沼渣营养元素没有损失，可作为充分腐熟的优质有机肥施用，而沼渣中的蛔虫卵死亡率达到99%，未检出大肠杆菌，比鲜猪粪直接还田更具安全性。沈其林[15]等通过试验发现，猪粪发酵沼液中含有丰富的氮、磷、钾3大肥料元素和钙、镁、硫、铁等微量元素，以及17种氨基酸、腐殖酸、玉米素等生物活性物质，这些成分的存在使得猪粪发酵液成为一种优质的有机液体肥料，用于追肥和液面喷施肥使用。另外，固体肥料和液体肥料的肥料成分不同，需要与测土施肥和田间管理计划相结合，不同种类的肥料还田施用可弥补了土壤的氮磷缺失和各类养分的补充，通过养分的科学管理可实现种养平衡和肥料的安全使用。范旻[16]等对上海市崇明县东部20个养猪场正常运行的沼气工程沼渣和沼液进行肥效、养分分布研究表明：沼渣和沼液中养分分布不均匀，沼渣中有机质、磷和微量元素含量较高，沼液中水溶性氮和钾的含量较高，其因地区、原料、发酵工艺和运行管理方面存在差异性和不稳定性，要进行科学管理与施用。

一般来说，每5头猪(出栏)需要配套1亩地进行消纳。实施种养结合循环利用模式能够消除元素间的拮抗作用，更有利于作物的生长和土壤管理[17]。我国已经形成了典型的“猪—沼—果”模式，并逐步扩展形成更多具有地域特色的农林牧渔生态农业体系，如“猪—沼—草/林/菜/茶”等模式。这些模式均凸显了种养平衡并体现了养分管理所需要的农业生产结构。

为考虑用肥季节的肥料需要，配合田间管理的各类储存装置和施肥设备已经得到了粪污处理工程建设者的共识，包括田间储肥池、田间液肥灌溉系统，肥料喷撒机械等的配套逐步解决了种植施肥控肥的的需求，利用科学的测土施肥以及工程的综合手段，解决了土地承载力的不足和过剩，养分的管理实现了化肥的有效替代以及农业生产的环保、生态与可持续性。但规模化的沼气工程-还田模式所生产的沼液和沼渣除自己使用外，大部分需要其他企业或农户来使用，因此，需要政府的引导、有效的组织管理形式和利益分配机制[18]。

2.2 沼气工程-污水好氧处理模式

沼气工程厌氧处理可实现COD、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, BOD)、悬浮物(Suspended solids, SS) 的去除，污水好氧处理作为沼气工程的互补处理技术，可实现规模猪场粪污水的达标排放。好氧处理方法较多，工艺成熟可靠，包括活性污泥法、接触氧化法、生物转盘、氧化沟膜生物法等。不同的工艺对氮和磷的去除效果存在显著差异，可根据需求酌情选择。刘建国[19]等研究了T型氧化沟对猪场粪污水厌氧出水的处理效果，结果表明其出水的COD，BOD，氨氮和SS均能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》，但对磷的平均去除率仅为43.9%，效果不理想，无法达标排放。方炳南[20]等采用序批式活性污泥法处理猪场沼液，出水水质基本能达到国家排放标准。高增月[14]等采用延时曝气活性污泥法处理沼液，出水可达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的二级标准。经好氧处理后的出水可实现达标排放，也可用于猪场冲洗水进行回用。

该模式根据选择工艺的不同，可有效地调节氮和磷在水中的含量，避免养殖废水排放对水体的污染，污水的回用实现了节水，经过了好氧处理后水中的硝酸盐成分大大减少，灌溉农田时更有利于养分的调节和管理，如果合理地进行田间种植和轮耕轮作，结合水肥一体化，可实现农业生产高效与精准。但该模式的处理方法因投资大、运行能耗高而不易推广。因此，在工艺选择时需结合猪场的经济条件、当地气候特点、污水规模及出水标准和用途进行选择。

2.3 沼气工程-自然生态处理模式

沼气工程-自然生态处理模式是一种合理利用生物链关系，实现污水多层次利用的以沼气技术为主的养分管理模式。自然生态处理可作为沼气工程的后处理技术，利用土地处理系统的生物、化学、物理固定与降解作用，以及人工湿地的植物、微生物作用对粪污水进行净化，包括土地处理系统、氧化塘以及人工湿地等。根据污水性质、当地气候条件和地理位置选择合适的水生植物(如水葫芦、浮萍、芦苇等)吸收氮、磷等营养物质，同时净化水质。

自然生态处理系统的面积、深度和级数需根据污水水质、地理气候条件及利用方式等确定。温泉[21]等研究表明氧化塘氨氮、COD和总磷的去除率可达90%,50%和40%。靳红梅[22]等研究表明单级氧化塘对SS、COD、总氮、氨氮和总磷的削减率分别为63.4%,40.9%,31.9%,27.7%和89.1%，出水可用于猪舍冲洗水，三级处理后削减率显著提高，可直接种植莲藕或养鱼后外排。

美国、澳大利亚、东南亚一些国家以及我国的部分南方地区大多采用这种模式[23]。该模式适用于饲养规模不能太大且距离城市较远，经济欠发达，气温较高，土地宽广且价低的区域。该模式运行简单，能耗低，但处理效果无法保障，尤其是冬季，而荒地、林地、低洼地可直接作为自然生态处理系统。在该模式中，由于沼液和粪污水中的养分通过氧化塘技术被消耗去除，因此，其对农田的作用和贡献将受到影响。

2.4 沼气工程-组合模式

在实际应用中，可因地制宜选择一种或几种组合模式。表1对3种以沼气技术为主的养分管理模式进行了对比分析。在有充足自有土地的条件下，应优先采用沼气工程-还田模式，最大限度地实现养分的资源化利用，也可配套结合沼气工程-自然生态处理模式或工艺较为简单的沼气工程-污水好氧处理模式，作为后续处理，在实现经济效益的前提下，实现环保效益的最大化。李长生[24]等采用人工清粪+固液分离+沉淀+UASB+SBR+水生植物塘的污水处理工艺和猪粪堆肥发酵生产有机肥的处理工艺，可实现粪污的无害化处理和达标排放，同时具有良好的经济效益和较低的成本投入。无论哪种处理模式都可以通过养分管理的方式实现种养平衡，促进养殖业和种植业的环境友好可持续发展。

表1 以沼气技术为主的3种养分管理模式对比分析表

3 我国规模猪场养分管理建议

3.1 明确我国规模猪场养分管理的关键问题

合理的养分管理框架需要明确6个问题(见图2)：粪污如何产生、收集和储存；如何选择有效的粪污处理技术方案；如何因地制宜地根据当地的土地承载力、种植等情况使用粪污及其他技术产品；如何从养殖、粪污处理、营养吸收与利用以及经济性等方面考虑制定科学合理的饲料管理计划调控养分类别；如何将养殖业主的意愿与国家激励政策和综合效益进行统一。如何进行长期的有效监管和评价，建立可持续的养分管理运行机制，包括饲料—粪便(生成、收集、储存、处理)—肥料(施用量、时间、效果等)—种植(品种产量、养分利用率和土壤肥力等)的全生命周期理论系统评价分析方法。

图2 规模猪场养分管理框架图

3.2 改进现有养分管理技术模式

沼气技术已经相当成熟，但其前端和后端工艺技术需要进一步改进。针对饲料行业，需科学合理配置、调控营养、控制和减少饲料中污染物的排出及过量供给。可采取的措施包括准确测定养殖营养需要量和饲料原料的营养价值，配置符合不同生产阶段和目的的猪饲料；通过膨化、制粒等处理降低抗营养因子的含量，提高饲料养分的利用率，减少氮和磷的排出量；运用环保型饲料(有机酸、酶制剂、寡糖、中草药、小肽、微生态制剂等)代替抗生素等[25]。针对粪便的收集，需要采取有效的污染物排放控制系统以控制养分的质量和数量。有研究表明通过采取干清粪、高效冲洗设备、雨污分流和防渗污水收集管网等措施可减少用水量50%左右[26]。因此，科学选择规模养殖场清粪工艺和粪污收集处理利用方式是很重要的。除此之外，节水措施的实施也有利于控制污水总量。

养分管理技术模式的推广要做到先规划、再实施、后评估。需要根据猪场所处的地理位置，结合当地的农业生产结构的自然资源和土地承载力情况，建立不同的种养结合的生态农业发展模式和系统结构，确定适合的猪场养殖规模，充分实现多层次多产业的循环生态农业发展模式，充分利用沼气、沼渣、沼液、堆肥产品将种植业、畜牧业、养殖业、渔业、加工业有机结合，建立最佳经济利用半径模式和最适宜规模。

3.3 强化政府的主导作用和企业的主体意识

规模养殖是农业产业化经营的发展趋势，政府主导作用与企业的主体意识发挥着重要的作用。我国每年对沼气工程的建设投入了大量的资金和颁布一系列的优惠政策，但在沼渣和沼液的综合利用方面缺少相应的补贴政策和完善的施用标准，致使其利用不仅成为限制沼气技术发展的瓶颈，同时也影响了养分管理技术的综合效益。因此，政府需要强化其主导作用，明确激励政策、制定完整的养分管理实施技术手册和严格的监管及评价体体系，为养殖户提供充足的技术和资金支持，让其对养分管理技术模式的推广产生强烈的愿望，发挥企业的主体意识。另一方面，对于养猪场粪便生产肥料具有的安全性、季节性以及施用标准问题，需要政府部门调动相关企业和科研院所等的积极性，采取措施解决以上问题，如采用环保饲料，从源头减少污染物；加强关联土地的测土配方工作，加强粪肥的养分测试，提供合理化的施肥建议等。