畜禽粪污资源化利用方式研究进展

牛统娟，王 智，胡建宏

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌 712100)

我国是世界上畜牧业生产和消费大国。近年来，我国畜牧业快速发展，在散养户退出、规模化扩大的根本变化影响下，养殖水平得到不断改善和提高。然而，规模化养殖所产生的大量粪污影响养殖场周边的生态环境，危害畜禽本身以及人们的生活环境。《第一次全国污染普查公报》表明，禽养殖生产中粪便产生量为2.43亿t，尿液的产量达到1.6亿t，主要水污染物中排放量中总氮和总磷达到102.48 t和16.04 t，造成了一定程度的环境污染问题。畜禽粪污污染成为制约我国畜禽养殖产业发展的主要瓶颈之一，所以畜禽养殖场粪污处理的资源化利用势在必行。

2017年12月1日，《陕西省畜禽养殖废弃物资源化利用工作方案》指出，要加快建立畜禽粪污等农业有机废弃物收集、转化、利用网络体系；鼓励沼液和经无害化处理的畜禽养殖废水作为肥料科学还田利用；加强粪肥还田技术指导，确保科学合理施用；支持采取政府和社会资本合作(PPP)模式开展畜禽粪污处理；实行专业化生产、市场化运营。为响应陕西省政府号召，切实解决畜牧业中存在的严重污染问题，实现健康养殖和农业种植的资源循环利用，全国各地应积极推广畜禽粪污处理产业模式，发展循环经济的生态农业，有效保证农产品的质量安全和人民的身体健康。因此，进行畜牧场粪污资源化利用，并进行集成与示范，形成畜牧场粪污资源化利用标准化模式，不仅能够实施畜牧业的可持续发展战略，而且能够提高能量利用率，减少污染，具有非常重要的意义。本文以畜禽粪污的成分和特点为切入点，讨论国内外常用的畜禽粪污资源化处理技术，并对目前取得的研究进展进行综述，为畜禽粪污资源化处理技术的改良提供参考依据。

1 畜禽粪污及其成分

1.1 畜禽粪污的概念

畜禽粪污主要是指畜禽养殖业中产生的一类粪、尿、冲洗水等废弃物，包括畜禽粪便和养殖废水，其中畜禽粪便主要指畜禽养殖业中产生的一类农村固体废物，包括猪粪、牛粪、羊粪、鸡粪、鸭粪等。养殖废水指畜禽养殖场产生的尿液、冲洗水、工人生活用水及生产中其他途径产生的废水等。畜禽粪污处理即为通过使用一定的方法，对畜禽粪污进行处理后使其对环境的污染降低，并将其转换成有用资源的一种方式。

1.2 畜禽粪污的主要成分

畜禽粪污的主要成分有粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、水分、无氮浸出物、来源于饲料和饮水的各种微量元素、抗生素及兽药残留物、寄生虫及其卵以及一些病原微生物。畜禽粪污中既含有农业肥料养分，也有动物性有机质生物成分，还有部分由于动物饲料中过量存在而残留的有害物质。

1.3 养殖场粪污的特点

1.3.1 粪污成分较复杂 畜禽粪污的成分极其复杂，主要包括畜禽产出的粪便和尿液、病畜禽的尸体、剩余的饲料、废弃垫料、养殖场生产生活中产生的污水等，且这些污染成分不容易将其分开后分别进行处理，这就造成了畜禽粪污难以处理的主要原因之一。

1.3.2 治理难度较大 近年来，随着人们对畜禽产品需求量的增加以及规模化程度的不断扩大，许多养殖场粪污排放量大幅增加，对水体、土壤、大气等造成了污染，而当下的基础设施以及处理技术与发展形势不配套，且养殖场因为资金问题不能投入大量经费治理带来的环境问题，还有部分养殖场未意识到环境问题的重要性，没有主动处理粪污，从而造成养殖场的粪污处理难度较大。所以，养殖场粪污的资源化处理利用的实施需要各方互相协调才能进行。

1.3.3 造成一定危害 原来农户散养家畜家禽所产生的粪污基本都能通过传统的堆肥方式返回农田进行循环利用，而畜牧业在向现代规模化集约化生产转变的过程中，粪污的产生量快速增长，使现有的农田无法全部消化，从而出现了类似工业污染的大型环境污染。液体粪污排入河湖中，当污染的程度较轻时，水体因其具有自净能力而降低其污染，然而水体的自净能力是有一定限度的，与其环境容量有关。当液体粪污的排放量超过了水体的最大承受量，就形成了永久的污染，对居民的生活造成了影响。另外，畜禽生产过程中产生大量有害气体，如硫化氢、氨气、二氧化硫等，对畜禽和人类的呼吸道产生危害，大量致病菌等微生物可引发传染病，有时会引起各种人畜共患病，危害畜禽及人类健康。

1.3.4 南北方的差异 我国地域广，南北跨越多个纬度，具有多种气候类型，特别是以秦岭为界分出的南方和北方，气候条件差异大，所以对于畜禽粪污的处理就会有所不同。南方气温较高，粪污发酵生产沼气可以在一年中都进行，但是这种技术在北方只能在天气较热时使用，每年的使用率较南方就会大幅降低，特别是东北地区，利用率更低，可能就无法使用沼气生产技术，所以需要使用其他技术来发挥作用。

2 粪污资源化利用方式国内研究进展

我国的养殖业在机械化的过程中向规模化的方向发展，产量和经济效益稳步提升的同时也带来了污染的问题。对于养殖过程中产生的粪污，传统的粪污处理的方式是将粪污进行厌氧堆肥，即沤肥，但这种方式不适合在现代大型集约化畜牧场中应用。目前我国对粪污的处理首先做固液分离，在分离的基础上分别进行固体粪污和液体粪污的资源化利用。

2.1 厌氧发酵生产沼气技术

厌氧发酵生产沼气技术是在厌氧条件下，有机碳被种类繁多的厌氧微生物，如产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食乙酸产甲烷菌等分解，转化为沼气的过程。沼气可以作为生活染料使用，可维持场内供暖、食堂等热量需要，也可用于满足场内用电，但目前支持发电的畜牧场少。另外，发酵后剩余的沼渣还可以重复利用，作为肥料施入农田。

畜禽粪污中含有大量含氮化合物，含碳量低，若单独发酵易导致氨氮抑制，所以近年来很多学者在粪污发酵研究中加入添加物配合发酵，并取得了一定成效。陈芬发现，分别在鸡粪、猪粪和牛粪中加入玉米秸秆，使粪秆比分别为3∶1、2∶1、1∶1，能够取得最好的发酵效果，可产生6 000～8 000 mL甲烷。刘春软等在猪粪厌氧发酵时分别添加了2.5%粉煤灰、生物炭、磁性粉煤灰、磁性生物炭，结果表明添加粉煤灰、生物炭、磁性粉煤灰均使产气总量提高5%～12%，甲烷产量提高4%～10%。

畅萧等厌氧发酵上清液，采用鸟粪石沉淀法回收磷，表明反应条件控制在pH为10.5、温度为35°C时，磷和氮的回收率在第5天时最高。且处理后的发酵液可直接排放进入污水处理场，对环境无磷污染。粪污在发酵后产生的沼液在重金属等指标降低至标准以下，即可作为有机肥料施入农田，额尔和花等将沼液施入番茄田，能够在提高番茄产量的同时，降低果实中的总酸含量。

但是，在我国畜牧场推广起来并不容易，一是种养分离。随着规模养殖比例的不断提高，养殖的只养殖，种植的只管种植，种养分离，种养脱节的现象比较突出，造成养殖场自身没有足够的消纳农田面积进行农田利用；二是液肥使用不方便。由于液体肥料施用困难，一定程度上制约了液肥的推广应用；三是液体粪污中所含的重金属难去除，不经处理还田，造成土地重金属富集，农作物重金属超标；四是液体粪污生产有机肥，技术要求较高，目前应用的养殖场不多但却是发展趋势。

2.2 粪污堆肥技术

粪污堆肥技术是在固液粪污分离的基础上进行的，改变以往粪尿混合、随意堆肥的做法，将固体和液体粪污分别进行相适应的处理，使其无害化、资源化水平达到最高。固体粪污在堆肥过程中通过好氧菌和厌氧菌的共同作用，高温发酵使有机物矿质化，并杀灭粪污中的活动生物，最终形成有机肥料，为土壤增加肥力。根据《畜禽粪便无害化处理技术规范》，常规的堆肥技术分为条垛式堆肥技术、槽式堆肥技术和封闭仓式堆肥技术。条垛式堆肥技术简单，所需的设备和资金投入少，但是不易控制温度等反应条件；槽式堆肥技术对反应条件的控制较好，但技术投资较高，占地面积也较大；封闭仓式堆肥技术可以通过现代化技术对各个条件进行精准控制使反应效果最好，但是所需的技术、设备和资金的投资也较高，目前普及率不高。

武晋萍等在鸡粪中加入中药渣进行了共堆肥，发现抗生素抗性基因和移动基因元素的相对丰度都显著降低，其中喹诺酮类抗性基因的降低率为99.89%。王砚等将水稻秸秆用腐熟剂预处理后与猪粪共堆肥，结果表明腐熟剂可缩短堆肥高温期，加快堆肥进程，堆肥后植物有效磷可达到14.44 g/kg。曹云等发现猪粪的超高温堆肥发酵有利于堆肥过程的保氮，氮损失率为18%，与正常高温发酵的氮损失率(27%)相比显著降低。

粪污堆肥技术下首先要尽量减少液体粪污的生产，无论猪场、牛场还是鸡场，应选择合适的清粪方式，在条件允许的情况下，尽量改水冲粪为干清粪，或者少用水冲。另外，在分离后需要注意雨污的分离。畜牧场应将雨水收集系统与液体粪污的收集系统分开，雨水应从明渠排出，液体粪污不能明渠排放，也不能直接排出，应经过沉淀、过滤、厌氧发酵转化等处理后施入农田，作为农田肥料使用，实现无害化、资源化利用。

2.3 畜禽粪污资源化利用方式基本思路

我国是畜牧业大国，地域广阔，气候差异大，在畜牧业的发展过程中形成了多元化的畜禽粪污资源化利用方式。我国南方地区常年气候温暖，人口密度大，可使用的资源化利用方式较多，主要有种养结合、生产有机肥料、清洁回用、达标排放等。而在我国北方地区，尤其是东北地区，气候寒冷，沼气投入后使用的时效短，不宜使用沼气发酵技术，在北方使用较广泛的资源化利用方式主要有好氧堆肥、生产生物有机肥料等。总之，制定我国畜禽粪污资源化处理模式，需要考虑以下四点基本思路，第一是从源头减少畜禽粪污的产生和排放量，减少污染形成；第二是畜禽粪污优先利用，优先进行粪污的资源化利用；第三是因地制宜，采取合理有效的方式；第四是完善法律法规，严格把控粪污的排放。

3 国外粪污资源化利用方式

国外畜牧业发达国家，对于畜牧场的粪污污染问题高度重视，也研发了适应当地条件的资源化利用方式。

3.1 美国

美国是农业高度机械化的国家，主要通过农牧结合的方式来对液体粪污进行资源化利用。美国的畜牧场大多将畜禽液体粪污长期储存在猪舍下层的粪坑中，到了农田施肥的季节，才会定期将液体粪污转移到农田中直接施肥利用。美国的大多数农场属于农牧结合型农场，可以有机调节种植和养殖的比例，形成生态良性循环，从而降低养殖对环境造成的污染。

3.2 英国

英国与美国类似，养殖场都在远离都市的乡村地区，以农牧结合的方式对粪污进行无害化处理和资源化利用。英国重点实施种养结合模式，畜禽粪污经无害化处理后生产作物肥料，进行循环利用。这种利用方式既缓解了畜牧业对生态环境的压力，又可作为可利用的肥料提高作物的生产力。另外，英国法律严格控制场内禽畜数量的最大限度，规定种猪场内种猪不超过500头，育肥场内育肥猪的数量不得超过3000头，蛋鸡不得超过7000只。这样可以使畜禽污染从源头得到一定的缓解。

3.3 意大利

意大利的畜禽粪污资源化利用在长期发展中形成了较完善的模式，根据不同地区的具体条件形成了适宜的资源化利用方式。与美国和英国相比，意大利探索了沼气发电模式，既能解决畜禽粪污污染问题，还能用于小规模的电力供应。意大利的粪污处理不进行固液分离，大致有三种模式，第一种是厌氧发酵技术进行液体粪污处理，当地的马卡农场根据自身条件，探索了两种沼气发电模式；第二种是伦巴第地区中小牧场沼气发电，有研究者调查发现仅伦巴第大区有多家沼气发电企业，能很好地解决养殖场的粪便污染问题；第三种是中小牧场固液粪污不进行分离，将其直接还田，当地政府规定液体粪污在还田前必须将粪尿和饲养、生活、生产用水等首先排放到粪沟中，然后在储粪池中进行2个月的厌氧发酵，杀灭其中的有害微生物，最终才能还田。

3.4 德国

德国作为世界畜禽养殖大国，制定了较完善的粪污资源化利用方式。德国同意大利一样，也采用了沼气工程发电的资源化利用方式。畜禽粪污由地漏排出后，进入管道输送到化粪池，经过处理后主要用作肥料和生物质能发电，发电量达到546千瓦。德国政府致力于推广能源再生理念，鼓励采用沼气工程处理畜禽粪污，在政府的倡导下，德国使用全混合发酵法处理畜禽粪便的比例为94%。另外，德国通过改善饲料营养配方，在满足畜禽生产营养需求时降低了饲料中氮、磷含量，降低了微量元素对环境的影响。德国虽在畜禽粪污处理和利用方面的起步与美国、法国等相比较晚，但其专利申请量以30余项居于欧美国家的首位。

3.5 其他国家

法国和荷兰等发达国家，大多都将处理过的畜禽粪尿用作肥料或作为能源发电，将固体部分储存堆肥，液体部分直接用作肥料输送到附近的农田。荷兰于1971年起禁止将粪污直接排放至地表水中，1984年起不批准从业者扩大养殖规模，规定载畜量标准为小于等于2.5畜单位/hm2。大部分国家都有相关法律限制养殖场的饲养量，不能一味扩大饲养，而是在土地和环境可接受的范围内进行饲养，饲养量与粪污的利用达到平衡。加拿大政府对畜禽粪污的管理十分细致，各地都针对当地实际情况制定了详尽的管理技术标准，要求养殖场必须严格按照标准进行管理。

4 展 望

在目前农业农村部主导推进畜禽粪污资源化利用背景下，国家将整合各种养业循环一体化项目、规模化大型沼气工程等专项投资，支持200个以上畜牧大县整县推进畜禽粪污资源化利用，粪污的资源化利用已经是大势所趋。要想做到畜禽粪污的资源化利用，首先要种养结合、因地制宜，根据国办意见中提出的“以地定畜”为指导思想，促进农业“转方式、调结构”的发展和畜牧业生产布局的进一步优化；其次要推行畜禽粪污综合养分管理计划，畜禽粪污无害化处理后作为肥料利用时，粪污施肥量应该在满足作物养分需求的同时不造成环境污染；最后是沼气能源化利用，通过提高厌氧发酵的沼气和生物天然气转化效率，减少沼渣沼液体积，降低沼渣沼液肥料化利用的运输和利用成本，促进畜禽粪污的能源化利用。