规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价指标体系构建与应用

罗 娟，赵立欣，姚宗路，冯 晶，于佳动，袁艳文

·农业生物环境与能源工程·

规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价指标体系构建与应用

罗 娟1，赵立欣2，姚宗路2※，冯 晶1，于佳动1，袁艳文1

（1. 农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

该研究针对当前规模化养殖场畜禽粪污处理技术模式区域差异大、缺乏综合效益评价等问题，以规模化畜禽养殖场为研究对象，从规划布局、粪污收储运、高效处理转化、农田利用的全链条出发，应用层次分析法构建了一套全面衡量畜禽粪污处理的综合评价指标体系，涵盖技术、经济、环境3个方面，包括3个一级指标、6个二级指标和15个三级指标，并运用该指标体系对中国3个主要奶牛养殖区6种粪污处理技术模式进行评价比较。结果表明：东北地区宜采用前分离肥料模式和前分离垫料模式，西北地区宜采用肥料模式和前分离垫料模式，华北地区宜采用厌氧发酵模式。进一步以河北某规模化奶牛养殖场为例进行应用分析表明，该养殖场的粪污处理水平达到了良好水平，与实际情况相符。该指标体系能够客观评价规模化养殖场畜禽粪污处理的综合效益，且能根据评价情况给出优化改进建议，具有实践指导性和可操作性，可为粪污处理工程建设和综合效益评价提供方法体系和理论支撑。

粪污；废物处理；养殖场；评价体系；应用

0 引 言

近年来，随着中国居民生活水平的提高，对畜产品的消费需求不断上升，推动了畜牧业的快速发展[1]。尤其是20世纪90年代以来，畜牧业发展势头迅猛，养殖规模逐步扩大，集约化、产业化程度越来越高，畜禽养殖量总体呈上升趋势[2-4]。快速发展的畜牧业在保障不断增长的畜产品需求的同时，产生了大量养殖废弃物，给环境治理带来了巨大的压力[5-7]。据有关统计，中国畜禽养殖每年产生粪污约38亿t，其中60%未能有效处理利用[8-9]。规模化畜禽养殖是农业面源的最大排放源，也是环境污染的重要来源[10-12]。自2001年开始，国家发布了一系列政策，从畜禽养殖污染的源头减量、过程控制、资源化利用等方面形成了较为系统的政策体系[14-15]，支持粪污处理利用。2020年1月2日中共中央国务院发布的《关于抓好“三农”领域重点工作确保如期实现全面小康的意见》中指出，要大力推进畜禽粪污资源化利用，基本完成大规模养殖场粪污治理设施建设。

随着畜禽养殖粪污资源化利用设施配套率的提高，粪污处理工程的运行效益和效果也越来越受到人们的关注，因此，系统、全面研究规模化养殖场粪污处理的综合效益评价很有必要。目前国内外针对畜禽粪污处理的综合评价研究较少，很多停留在单项技术或单方面指标的评估阶段[16]。如朱桂英等[17]构建了基于模糊聚类方法的沼气工程综合评价指标体系，筛选出经济、社会、环境和技术4个方面21项指标；王火根等[18]从环境、经济、社会和安全方面出发，提出了一套沼气能源效益评价指标体系；Pubule等[19]采用定性和定量的研究方法对拉脱维亚的沼气工程环境影响进行了评估，并提出发展建议；Nie等[20]对不同季节（春、夏、秋）猪场不同部位释放的挥发性有机物浓度、气味污染和健康风险进行了定量评价；问鑫[21]对堆肥、厌氧发酵、好氧生物处理等3种规模化猪场粪污处理模式的经济效益进行了比较和评价。

对于规模化养殖场畜禽粪污处理的评价，传统方法往往更注重经济效益的分析评估，对技术指标、环境效益的衡量关注很少。中国地域辽阔，不同地区的自然环境、养殖技术、社会需要、生产特点等不同，资源环境承载力差别较大[22-23]，畜禽粪污处理面临的突出问题也不同，如何建立一套既能体现区域差异，又能全面系统且具有可操作性的科学的指标体系，是当前规模化养殖场畜禽粪污处理评价迫切需要解决的问题。本文旨在对规模化养殖场畜禽粪污处理进行综合评价研究，通过建立树形目标层次式的指标体系结构，将畜禽粪污处理综合效益分解为技术指标、经济指标和环境指标，形成综合评价的基本框架，并以奶牛场粪污处理为案例进行应用分析，以期为规模化畜禽养殖场的粪污处理利用提供方法体系和理论支撑，最大程度发挥粪污处理项目的综合效益，并为其他农业废弃物处理的后评价工作提供有益参考。

1 规模化养殖场畜禽粪污处理评价指标体系的构建

规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价是一个多层次、多目标的复杂系统，各要素之间相互交织、相互重叠、相互作用。构建全面、系统、科学的评价指标体系应基于科学性、实用性以及定性与定量相结合的原则，并将生命周期评价的思想引入指标体系的构建过程。

1.1 指标体系的构建方法

粪污处理既具有较强的系统性和整体性，又具有一定的梯级性、层次性，应对各个方面做综合考虑，将其作为一个系统来分析，以单项评价为基础，对分析结果加以综合，从而进行全方位和多角度的评价。本研究以层次分析法为主要研究手段，辅以专家咨询法，构建综合评价指标体系，以期全面综合科学评价规模化养殖场畜禽粪污处理的建设现状，为各级政府监测和掌握粪污处理现状水平，以及企业选择粪污处理技术模式、优化解决方案提供理论依据和实践指导。

本研究将生命周期评价的关键思想——目的和范围的确定，引入到畜禽粪污处理综合评价体系的构建中，以避免不必要的工作量和提高评价的准确性。以实现畜禽养殖场粪污处理的综合效益作为总目标，评价范围为粪污收集开始至产物利用范围之内的边界，包括工程建设、工程运行、产物利用等，采用“演绎分析法”建立树形目标层次的指标体系结构，将畜禽粪污处理综合效益分解为技术指标、经济指标、环境指标3个方面，形成综合评价的基本框架。

1.2 指标体系的筛选与优化

评价指标的筛选主要基于生命周期评价清单分析的理论，对畜禽粪污处理过程进行全面的输入、输出分析，广泛收集畜禽粪污等农业废弃物能源化[24]、肥料化[25]、无害化[26]处理以及生态循环农业[27-28]等相关研究的评价指标，构建“指标可能的全集”，建立指标库。在评价指标选取时，既要考虑技术的稳定性、适应性等技术指标，也要充分研究项目成本、经济效益等相关经济指标体系，还要针对粪污污染防治技术的环境指标做重点研究。

综合评价指标体系按照集中度划分为4个层次，即目标层、约束层、准则层、指标层。目标层是本文研究的核心问题，即规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价指标体系建设。约束层为一级指标，包括技术指标、经济指标、环境指标3个方面。准则层为二级指标，包括技术的稳定性、技术的适应性、项目成本、经济效益、资源化利用、污染物排放6个方面。根据建立的准则层，对指标进行功能聚合和相关度聚合，即将对应于同一个评价目标的单项指标放在一个准则层之内，将评价指标之间相关程度或相似程度高的评价指标放在一个准则层之中。指标层为三级指标，进一步反映准则层的主要内容。针对初步建立的评价指标体系，本文从体系的完整性、科学性、可操作性入手，对指标进行筛选检验，以定性与定量相结合的方式对其进行结构优化，并征求农业废弃物处理与资源化利用、农业经济管理与综合评价等相关领域专家意见。经过多轮的筛选，最终建立相对“充分必要集合”，得到包含3个一级指标、6个二级指标、15个三级指标的畜禽粪污处理综合评价指标体系，其中包括4个定性指标和11个定量指标，体系框架如图1所示。

图1 规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价指标体系

1.3 评价指标的标准化与权重确定

1.3.1 指标权重确定

15个三级指标分为两大类：一类是方向性指标，也叫正向指标，包括技术成熟度（1）、技术可靠性（2）、年平均运行时间（3）、区域适应性（4）、内部收益率（9）、养分回收利用率（11）、农田消纳面积（12）；另一类是控制性指标，也叫逆向指标，包括运行管理难易程度（5）、占地面积（6）、工程总投资（7）、运行成本（8）、投资回收期（10）、臭气排放浓度（13）、固体废弃物排放量（14）、污水排放量（15）。

太原市晋源区西侧的风峪沟中群山环绕，植被覆盖率高，动植物种类丰富，地域小气候宜人，次第分布有8个传统村落，称为“风峪八村”。村落中的历史建筑多为石碹窑洞，以当地河刨石为建造材料，因此处“内出石炭石灰”[1]，所以用石灰砂浆作粘结材料，采用浆砌等方法建造[2]。

指标权重的确定方法主要有2种，即定性方法和半定量方法[29]。其中半定量方法中的层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）采用对各层次指标分别赋权的形式，把多目标、多准则又难以全部量化处理的决策问题化为多层次单目标问题，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，技术方法较为成熟[30]，因此，本研究根据规模化养殖场畜禽粪污处理指标体系的特点，结合文献综述和专家咨询，采用AHP法确定指标权重。围绕指标体系设计调研问卷，邀请国内相关领域的26名专家采用相对重要等级标度表[30]对各级指标进行相对重要性打分，其中技术类专家10位、经济类专家8位、环保类专家8位。通过构造比较判断矩阵、计算特征根和特征向量、一致性检验等[25]步骤，计算得出综合评价指标体系各级指标的权重（表1）。

表1 规模化养殖场畜禽粪污处理指标体系的指标属性及权重

注：+表示正向指标，-表示逆向指标。

Note: + indicates the positive indicator, - indicates the reverse indicator.

1.3.2 指标的标准化

由于不同指标的单位、维度和重要性不同，不能进行多指标的分析和评价[31]。为了统一标准，首先需要对所有指标进行标准化，消除量纲影响，这样表征不同属性的各指标之间才有可比性，进而使分析和评价成为可能[32]。在进行规模化养殖场畜禽粪污处理评价时，各指标间存在不可比较性，主要表现在2个方面，一是各指标的维数不一致；二是指标类型不一致，主要包括正向指标和逆向指标。在分析和评价的过程中，需要对指标进行正向化，即将逆向指标转化为正向指标，使其与正向指标的表现效果一致。

在进行指标标准化处理时，针对正向指标，采用式（1）进行处理；针对逆向指标，采用式（2）进行处理[33]。

式中X第个指标的归一化值，x为该指标在报告期的监测指标值，min()为该指标在报告期各样本统计指标中的最小值，max()为该指标在报告期各样本统计指标中的最大值。

1.3.3 综合评价指数的计算

式中Z为第个指标的权重。

2 指标体系的应用

2.1 基础数据采集与处理

2.1.1 数据采集

近年来，中国奶牛养殖集约化、专业化、规模化的程度不断提高，各地的规模化奶牛场数量不断增加，目前奶牛存栏量约占全球奶牛总量的8%，奶类产量约占全球总产量的6%[34]。根据2018中国奶业年鉴报道，奶牛养殖省份主要包括河北、内蒙古、新疆、黑龙江、山东、河南等。总体上，东北、西北和华北地区为主要的奶牛养殖区，奶牛存栏量分别占全国总存栏量的31.3%、27.2%、33.9%。

本研究以规模化奶牛场粪污处理为例，采用所建立的指标体系，通过数据的标准化处理，计算出各指标的标准化值，进一步计算得出综合评价指数。研究团队根据中国规模化奶牛养殖场粪污性质、主流粪污收集运输技术工艺，结合固液分离在粪污处理过程中所处的阶段，梳理得到6种典型奶牛场粪污处理技术模式，即前分离厌氧发酵模式、后分离厌氧发酵模式、前分离垫料模式、后分离垫料模式、前分离肥料模式、后分离肥料模式，如图2所示。其中，前分离技术模式的主要特点是固液分离在粪污收集运输环节之后、粪污处理环节之前，分离出的干粪用于厌氧干发酵、生产垫料或有机肥，污水进行厌氧发酵、梯级处理等后进行还田利用；后分离技术模式的主要特点是固液分离在粪污处理环节后端，分离得到的固体物料进行好氧发酵或堆肥，液体物料进一步处理后用于灌溉或直接还田利用。

在此基础上，研究团队在中国东北、西北、华北地区的规模化奶牛养殖场开展实地调研，并结合问卷调查、文献查阅、专家咨询、数据计算、取样测试等方式，对6种粪污处理技术模式的相关数据进行收集与统计，咨询相关领域专家32名，完成奶牛养殖场调研47家，其中东北地区16家（存栏1 000头以下、1 000～3 000头、3 000头以上的奶牛场分别为5家、6家和5家），华北地区17家（存栏1 000头以下、1 000～3 000头、3 000头以上的奶牛场分别为6家、6家和5家），西北地区14家（存栏1 000头以下、1 000～3 000头、3 000头以上的奶牛场分别为5家、5家和4家）；测试样品141份，测试指标主要包括化学需氧量、生化需氧量、悬浮物、氨氮、臭气排放浓度等。

2.1.2 数据处理

在数据处理时，对于技术成熟度等非数量指标（即定性指标），进行分级等值赋分，将指标等级优、良、中、差分别赋值100、75、50、25；对于定量指标，进行数据的标准化处理，同时依据指标权重进行综合评价指数计算。

2.2 综合评价

针对上述3个奶牛养殖区6种不同粪污处理技术模式，利用式（3）计算出综合评价指数，如图3所示。6种模式在不同地区的适用性不同，综合效益有较大差异；固液分离在粪污处理过程中所处的阶段对粪污处理具有明显的影响。总体来看，除了西北地区的前分离厌氧发酵模式（M1）和后分离厌氧发酵模式（M2）外，前分离模式大都要优于后分离模式，前分离、后分离模式具有显著性差异（<0.05），这可能是由于采用前分离方式，固体物料中的营养成分含量更高，更有利于厌氧干发酵、好氧发酵及堆肥处理。从粪污处理模式来看，在东北地区，前分离肥料模式（M5）的综合效益最好（=84.83），前分离垫料模式（M3）其次，M1、M6（后分离肥料模式）和M4（后分离垫料模式）差异不大，均显著优于M2（=55.64），这可能是由于东北地区气候寒冷，湿发酵需要消耗大量能源用于增温保温[35]；在西北地区，由于以草原畜牧业为主，水资源短缺，农田面积大[36]，粪污肥料化利用（M5，=93.74；M6，=82.35）和前分离垫料回用（M3，=85.90）都具有较好的应用适应性，也是农业农村部重点推广的技术模式，其他3种模式的适应性一般；在华北地区，厌氧发酵模式的综合效益明显更好，这可能是因为该区域是粮食主产区和设施蔬菜优势区域[37]，人口密度大，资源短缺，对肥料和清洁能源的需求较为旺盛；肥料化利用模式与垫料模式的差异不大。

图2 6种奶牛场粪污处理技术模式

综上，东北地区推荐前分离肥料模式（M5）和前分离垫料模式（M3）；西北地区推荐采用肥料模式（M5、M6）和前分离垫料模式（M3）；华北地区推荐前分离厌氧发酵模式（M1）和后分离厌氧发酵模式（M2）。

2.3 实例分析

结合规模化奶牛养殖场实地调研，应用上述综合评价指标体系对河北某公司优质牧场进行分析和评价，以验证指标体系的可行性。该牧场位于河北省石家庄市鹿泉区，奶牛养殖规模4 500头。牧场设计采用先进的散栏式饲养方式，实现科学的TMR喂养。奶牛粪污处理采用国内外主流的、实践证明具有良好处理效果的湿法厌氧发酵技术，即粪污通过自动刮粪板和粪沟进行清粪和运输，粪污与奶牛污水混合后进入USR厌氧发酵反应器进行处理，生产的沼气用于牛舍用电及供暖；出料沼液经固液分离，固体部分用于垫料生产，液体部分经沉淀池处理后还田。按照构建的指标体系及评价方法对牧场的粪污处理水平进行评价，结果见表2。

表2 河北省某规模化奶牛场粪污处理评价结果

如上所述，该规模化奶牛养殖场粪污处理采用后分离厌氧发酵模式（M2），使用指标体系进行测算，综合评价指数为83.83，说明该养殖场的粪污处理水平达到了良好水平，与实际情况相符。从具体得分项来看，该奶牛养殖场粪污处理工程在环境指标上表现最为突出，在养分回收利用、粪污农田消纳、固液气废弃物排放等方面控制较好；由于采用的粪污处理工艺技术较为成熟可靠，其技术指标也有较高的得分；从经济指标来看，工程总投资和运行成本较高，在未来的粪污处理过程中，可以更多地优化工程的运行管理，降低工程运行成本，进一步控制臭气、固体废弃物、污水等的排放量，提升粪污处理水平。

3 结 论

规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价能够比较全面的衡量粪污处理项目的效益，对项目实施成效进行全面、科学的评价提供有力支撑，指导规模化养殖场科学地选择适宜的粪污处理技术模式以及进行解决方案的优化。

1）针对规模化畜禽养殖场粪污处理，提出一套由技术指标、经济指标、环境指标等3个一级指标、6个二级指标和15个三级指标组成的评价指标体系，运用层次分析法和专家打分法得出整个评价体系的权重，并进一步建立了综合评价模型，为科学评价粪污处理项目的综合效益提供了方法体系和理论支撑。

2）运用上述指标体系，对中国3个奶牛养殖区6种粪污处理技术模式开展研究分析，评价结果表明粪污前分离模式要优于后分离模式，东北地区宜采用前分离肥料模式和前分离垫料模式，西北地区宜采用肥料模式和前分离垫料模式，华北地区宜采用厌氧发酵模式。

3）以河北某规模化奶牛养殖场为例，应用指标体系进行分析评价，结果表明该养殖场的粪污处理水平达到了良好水平，环境指标和技术指标得分较高，并针对经济指标存在的问题提出了改进意见和建议。实例分析结果证实了该指标体系的实践指导性、可操作性和合理性。

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Construction and application of comprehensive evaluation index system for waste treatment on intensive livestock farms

Luo Juan1, Zhao Lixin2, Yao Zonglu2※, Feng Jing1, Yu Jiadong1, Yuan Yanwen1

(1.,100125; 2.100081,)

Livestock breeding industry is rising rapidly, due to the increasing consumption demand for livestock products, as the improvement of the living standard of Chinese residents in recent years. There is a trend towards intensive, large-scale and professional cultivation in the livestock and poultry sectors, based on both practical experience from other countries, and the guidance of the Chinese government. Consequently, an increasing trend can also be found in the discharge amount of livestock manure, containing most nutrients while harmful ingredients. If these livestock manures were not treated timely, the environment would be polluted seriously, which would also in turn prevent the development of livestock breeding industry. As such, the livestock production has become “one of the three most significant contributors to today's most serious environmental problems”. Intensive livestock cultivation has also posed a great challenge on natural ecological system. In this study, taking the manure treatment in intensive livestock farms as the research object, an evaluation index system was established by considering the regional differences, in order to evaluate comprehensive benefit of technical modes for the waste treatment in the current large-scale livestock and poultry manure. An Analytic Hierarchy Process (AHP) method was used to construct the comprehensive evaluation index system, based on the whole production chain, including planning layout, manure collection-storage-transportation, efficient treatment, transformation, and utilization to farmland. Three aspects of the index system can be divided into the technical, economic and environmental indicators, including three first-level index, six second-level index, and 15 third-level index. An expert scoring method was used to determine the weight of each index. Six types of modes for fecal sewage treatment technology were selected to verify the index system in three dominant areas of cow breeding. An example of field experiment was taken as a large-scale dairy farm in Hebei Province. The results showed that: the evaluation method can accurately assess the comprehensive benefits of livestock manure treatment in large-scale farms, covering a practical guidance and good operability. Specifically, the pre-separation composting mode and pre-separation bedding mode were recommended in Northeast China, whereas, the composting mode and pre-separation composting mode were recommended in Northwest China, and the fermentation mode was recommended in North China. It infers that the solid-liquid separation can have a significant impact on the treatment effect in different stages of manure treatment. In Northeast and Northwest China, the performance of pre-separation mode was better than that of the former separation. There was no significant difference in the post-separation mode in North China. The scores of environmental and technical indicators ranked higher at the waste treatment level for the large-scale dairy farm in Hebei Province, indicating a good performance of mode. Some suggestions were also proposed based on the existing conditions in the economic indicators. A case analysis further verified the practical guidance, operability and rationality of the index system. Therefore, this finding can provide a methodology system and theoretical support for the construction of fecal sewage treatment, as well as a sound important reference for the comprehensive benefit evaluation in the waste treatment of intensive livestock farms in the future.

manures; waste treatment; livestock farms; evaluation system; application

罗娟，赵立欣，姚宗路，等. 规模化养殖场畜禽粪污处理综合评价指标体系构建与应用[J]. 农业工程学报，2020，36(17)：182-189.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022 http://www.tcsae.org

Luo Juan, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Construction and application of comprehensive evaluation index system for waste treatment on intensive livestock farms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 182-189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022 http://www.tcsae.org

2020-03-27

2020-08-28

国家重点研发计划课题（2018YFD0800106）

罗娟，博士，高级工程师，主要从事农业废弃物资源化利用技术装备与环境保护研究。Email: emimi2008@126.com

姚宗路，博士，研究员，主要从事农业废弃物能源化利用技术研究。Email: yaozonglu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022

X71

A

1002-6819(2020)-17-0182-08