北京市规模化奶牛场粪污综合管理模式分析——以北京延庆区大地群生养殖专业合作社为例

陈春琳，徐永洞，王子涵，耿铁焕，刘志丹＊

1 中国农业大学水利与土木工程学院环境增值能源实验室，北京 100083

2 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083

3 北京大地群生养殖专业合作社，北京 102104

0 引言

北京是中国奶牛养殖的传统优势区域之一，也是都市奶牛养殖业发展的典型代表[1]。近年来，在“疏解北京非首都功能”政策下，北京市奶牛存栏量大幅下降，但也在资金、人才和技术支持下，奶牛养殖的规模化程度和奶牛年单产水平大幅提高。据调研，北京现存栏超过100 头的奶牛奶牛场共49家；据北京市奶业协会统计，截至2019年12月底，奶牛养殖北京市奶牛存栏5.68 万头，其中成母牛存栏3.29 万头，年产牛奶26.4 万吨。

然而，由于北京特殊的政治、文化和经济特性，北京地区奶牛养殖业面临养殖成本高、环保压力大的局面，奶牛的存栏量和原料乳产量在全国地位有所下滑；且随着规模化、集约化奶牛养殖迅速发展，规模化奶牛场对现代化、智能化、信息化、机械化融合的精细化饲养、畜舍管理和粪污管理提出了更高要求。作为国家重点扶持的大城市郊区乳业优势发展地区，北京地区奶牛产业可持续发展对我国其他大城市郊区乳业发展起到引导和推动作用。

北京市延庆区大地群生养殖专业合作社（简称“大地群生”）是北京郊区典型的规模化奶牛场，本文以该场为例，对其牧场管理、粪污综合利用及能效管理进行分析和讨论，以期为京津冀都市型奶牛场管理模式提供参考。

1 大地群生基本情况

大地群生是北京市延庆区香营乡孟官屯村一家现代化奶牛场，该场占地110 亩，现存栏奶牛数量1 145 头，其中泌乳牛400 头，干奶牛120 头，青年牛170 头，育成牛265 头，犊牛150 头，围产期牛40头，日产生鲜乳约16 吨。该场共有7 个牛舍分区，分设8 个运动场区域，如图1。

图1 大地群生奶牛场平面图

2 科学管理模式

饲养管理和粪污治理是奶牛场科学管理的重要环节，良好的饲养管理模式直接影响奶牛场效益，并对科学粪污管理具有重要意义。下文将对大地群生部分牛场养殖管理模式进行阐述。

2.1 犊牛网箱养殖设备

犊牛期（0～6月龄）是培育奶牛的关键时期，又可细分为初生期（出生～10 天）、哺乳期（初生期后～2月龄）和断奶期（哺乳期后～6月龄）[2]。犊牛免疫力低下，消化系统发育不完全，对外界环境适应力差。据报道，我国奶牛死亡50.00%～60.00%发生于犊牛阶段[3]，这也说明犊牛的饲养和环境管理需要更加严格。目前，规模化奶牛场的犊牛养殖常采用舍内群养、舍内单栏饲养和舍外犊牛岛饲养[2]。

如图2，大地群生对犊牛采取舍内单栏立体网箱养殖模式，对于初生期犊牛（出生～10 天），采取舍内单栏饲养模式，定时喂奶，牛舍内铺设约10 cm厚的干燥垫料，保证牛犊舒适的环境，如图2（a）所示。渡过初生期后，犊牛将转移至镂空网箱（2.0 m×1.2 m×1.5 m）中进行单栏饲养，网箱距地面约1.0 m，网箱上、前、后三面采用管材围挡，下、左、右采用网格式设计，如图2（b）所示。该网箱既保证牛犊头部可自由出入网箱进行饮食活动，也可保证个体相对独立，且其粪尿可通过网箱流至地面，后通过网箱下的刮板清粪进行清洁，此模式可有效管理犊牛舍粪污，避免犊牛受到粪污污染，并保证良好的通风，大大改善了犊牛生存环境的卫生条件。

图2 大地群生犊牛养殖设施模式图

2.2 运动场管理

运动场是奶牛运动、反刍、休息的场所，是奶牛福利的重要环节和奶牛生产力的重要影响因素。据调研，大地群生奶牛场不仅为牛舍配置了8 个对应的运动场（图1），保证了充足的运动场空间，并且运动场全部安装挡雨棚，配套雨污分离槽，有效避免雨季造成的运动场潮湿、积水等问题，便于运动场粪污管理；运动场均采用硬化地面并铺设牛粪再生垫料以提升运动场舒适性。此外，运动场内粪污实行定期清理和铺设新的牛粪再生垫料，确保干净舒适的运动场环境。

2.3 臭气治理

奶牛粪污排放量大，在多种微生物作用下释放出氨气、硫化氢和甲硫醚等臭味物质，且极易滋生蚊蝇，成为奶牛场环境卫生和生物安全的重要隐患。大地群生场内双管齐下，一方面采用生物除臭技术，防止了臭味物质产生和扩散以及蚊蝇滋生；另一方面配置了智能雾化除臭设备，定期喷洒植物型除臭剂以降低场内氨气、硫化氢及粪臭异味，为奶牛场粪污除臭和蚊蝇问题提供示范。

3 废弃物资源化模式

3.1 垫料化利用

大地群生采用固液分离+好氧发酵系统处理粪污。奶牛养殖粪尿产生量大，按照大地群生牧场结构，按徐鹏翔等[4]方法进行估算，该场年产4 500 吨粪便，1 800 吨尿液，粪尿产生量巨大。同时，场内用于清洗的污水排放量巨大，为畜禽粪污处理增加难度。固液分离是继堆肥、氧化、厌氧发酵等方法的畜禽粪污处理替代办法。

牛床垫料是奶牛场主要的支出项目之一，传统垫料通常是稻壳、稻草等，在铺设过程中容易引起扬尘现象并引发奶牛呼吸道疾病；稻草、稻壳本身吸水性较差，奶牛躺卧潮湿感增加[5]；此类垫料需要在干燥环境大量储存，增加了运营成本。据报道，牛粪再生垫料是良好的传统垫料替代品：（1）其粒径分布适合用作垫料（＜1.0 mm占34.81%，1.0～2.0 mm占38.42%，＞2.0 mm占26.77%）；（2）质地疏松，持水性强，且经再生垫料设备处理后的牛粪纤维充分软化，牛床舒适性增加[6]。

大地群生引入了一套螺旋式固液分离+牛粪好氧发酵牛粪再生垫料系统，如图3。奶牛养殖过程中产生的粪污进入集粪池后，集中提升至固液分离机中，经螺旋挤压过滤后水分被挤出进入粪水池，固体部分则进入好氧发酵装置中，在较高温度条件下（55～60 ℃）发酵，经此设备发酵后的牛粪可将含水率控制在50.00%以内，能够有效去除常见致病菌如大肠杆菌、链球菌、金黄色葡萄球菌及克雷伯氏菌等。经此系统处理，奶牛粪污固体实现了场内循环利用，粪污处理难度降低，此外，也降低了外购垫料成本。

图3 大地群生奶牛场粪污资源化利用系统

3.2 还田利用管网系统

北京水资源历来紧缺，人均水资源占有量仅为全国人均水资源1/7（285 m3），而且降水不均、丰枯交替[7]。而奶牛场用水量大，100 头奶牛年均用水量约1 825 m3，为人均用水量10.5 倍[8]。因此，通过源头控制养殖用水和末端资源化利用养殖污水为促进科学用水、增产增收、发展绿色可持续奶牛养殖业具有重要作用。

如图3，大地群生对场内污水精细管理，分设了雨水池和粪水池，使用了相互独立的雨水和粪污输运管网，用于配套饲料地的灌溉，此模式同时实现了液体粪污和雨水的有效利用，既能减少雨水径流污染，也能缓解旱季用水紧缺和节省用水开支。

4 综合管理全链条分析

研究奶牛养殖过程的技术、相关农业装备、配套设施，进行集成示范，提高规模化奶牛场生产力和粪污资源化利用率，形成较系统的全产业链养殖和粪污管理体系。本文针对粪污资源化管理、水资源管理和环境效益进行分析。

4.1 粪污资源化管理分析

奶牛养殖产业是重要的面源污染控制对象，粪污处理是其中的重点控制环节，牛粪再生垫料模式是资源化处理的重要手段。尽管短期内因设备购置费造成成本较高，但从长期发展的角度看，牛粪再生垫料模式不仅可以推进奶牛场粪污无害化处理和资源化利用，长期使用还可以降低奶牛场垫料成本并可期望获得更高生产力[9，10]。

按大地群生奶牛结构，日产粪尿共约35吨，经再生垫料系统处理可满足场内垫料需求[4]。据目前市场供需关系，按每天需补充5吨垫料计，传统稻壳垫料（市价420 元/吨）作为垫料每年垫料费用约77 万元，采用牛床再生垫料系统的垫料成本为280 元/吨（启动成本+运行成本），每年费用为51 万元，每年垫料成本可节省约26 万元，并大大减轻了粪污处理难度[5，6]。

牛粪垫料化模式实现了奶牛场粪污产业化的长期示范和粪污场内循环清洁回用，为推进奶牛养殖废弃物无害化的处理和综合利用，促进奶牛养殖业的健康发展打下了坚实的基础。此外，据《环境保护税法实施条例》规定，此模式符合奶牛粪污综合利用和无害化处理原则，无需缴纳环境保护税。

4.2 水耗分析

奶牛养殖业是高水耗行业，贯穿饲养、清洁、防疫和动物福利等环节，有用量大、季节性强、功能多、利用效率不高等特点。如图4，奶牛场用水主要包括奶牛饮水、喷淋用水（夏季）、挤奶厅用水、清洁和消毒用水，其中奶牛饮水消耗最高，其次是挤奶厅清洗用水和喷淋用水（夏季）[11]。此外，高输入同时对应高输出，奶牛场污水排放量大、污染性高（N、P含量高），处理不慎将造成严重的面源污染。北京地区作为奶牛养殖优势区域，有大量科研机构和资源为依托，同时作为水资源短缺区域，应该积极探索环保节水养殖模式，因地制宜实行养殖设施改造和污水分类回收利用，如改善牛场饮水槽设计降低饮水浪费，改善挤奶厅清洗模式、更换红外感应喷淋装置等，实现奶牛场水资源高效利用，为全国发挥示范作用。

图4 奶牛场水耗情况

4.3 环境效益

农业农村领域减排固碳既是我国碳达峰、碳中和的重要组成部分，也是潜力所在。畜牧业减排是农业减排重要一环，2018年，中国畜牧业温室气体总排放量0.3 Gt CO2-eq（6.67%来源于奶牛养殖），占农业温室气体总排放量46.88%，其中CO2，CH4和N2O是温室气体的主要贡献者[14]。如图5，奶牛养殖温室气体排放主要来自奶牛肠道、粪污和养殖过程中的能源消耗，综合管理奶牛养殖全过程可以实现碳减排目标。例如，进一步提高规模化奶牛养殖程度；在粪污管理过程中缩短粪污贮存时间并进行无害化和资源化处理[15]，进行固液分离-好氧发酵制备牛粪再生垫料[9]，厌氧发酵产沼气[16]，作有机肥深耕还田[4]等。此外，利用牛场周边饲料地进行种养结合，实现粪污处理和营养元素回收，也是减少温室气体排放的有效手段[17]。未来，在国家实现碳达峰、碳中和的大背景下，奶牛养殖业将面临更加严峻的碳排放挑战，积极进行碳减排从未来碳交易角度来看具有经济效益。

图5 奶牛场温室气体排放及减排

5 讨论

政策扶持下迅速扩张的规模化养殖提高了奶牛生产力，保障了国内奶及奶制品的稳定供应，但也逐渐暴露出我国奶牛养殖产业在技术、装备和管理方面的诸多问题。未来，奶牛养殖必将面临更为严峻的水、土地和环境多重挑战，发展高水平饲养管理、技术投入密集、产出效率高且绿色可持续的规模化奶牛养殖业是必然趋势。

首先，未来规模化养殖必定是科技的时代，行业从业者必须更新管理意识，长远布局，紧跟行业变革步伐，引进专业人才、先进设备和技术，充分利用科技力量。北京具有科研、人才和技术的先天优势，北京地区的奶牛养殖企业更应多借助这些力量谋求创新发展。

规模化奶牛养殖应尤其注意水耗、能源和粪污问题。水资源短缺是世界共性问题，作为高水耗行业，如何保证水资源最大化利用是可持续发展的必然要求。奶牛饮水和挤奶厅用水是奶牛场用水主要去向，约占80.00%[23]。奶牛饮水因品种、季节差异较大，夏季饮水较其他季节最多。犊牛饮水量最少，约7 L/头·天；泌乳牛饮水最多，约114 L头·天[24]。而因饮水池造成的奶牛饮水浪费达到10.00%，故合理设计饮水池是降低饮水浪费的重要措施。夏季的喷淋用水也是重要节水环节，采用红外感应喷淋器可降低50.00%喷淋水耗[12]。挤奶厅用水集中于清洗奶牛乳房、挤奶器、储奶罐和待挤厅地面，且挤奶厅类型和养殖规模对此环节用水量影响重大，自动挤奶厅可以节省水耗[11，24]，分类回收挤奶厅清洗用水以及改变储奶管道和储奶罐的杀菌方式为高压蒸汽灭菌都可有效节水[25]。此外，奶牛粪尿的管理也是水资源再利用的重要环节。

规模化养殖对末端粪污处理提出了更高的要求，不仅需要无害化，还需要资源化、能源化。结合环保问题考虑，以就地消纳、能量循环、种养结合、综合利用为主线，践行固液分离-好氧发酵制备牛粪再生垫料模式、有机肥还田模式和厌氧发酵产沼气模式，实现粪污全量利用。此外，中国农业大学环境增值能源实验室提出引入快速资源化技术-水热技术参与养殖粪污末端处理，具有以下优势。（1）水热过程不仅可以破坏絮体结构，减少原料表面亲水性官能团，促进结合水向自由水的转化，改善畜禽粪便脱水难的问题，还可短时间内杀灭病原菌[21]。（2）粪污水热转换也是一种有效的碳汇途径，能够起到固碳减排的作用。（3）水热转换工艺是一种不受畜禽粪污含水率制约，全组分转化有机成分制备高价值碳、油、水的粪污资源化处理技术，从三相产物综合利用角度出发，可将生物原油提质作为燃油的添加剂[21，26]；可开展畜禽粪便水热炭在土壤改良[27]、固体酸催化剂、多孔炭及电极等领域的前沿研究[27～28]以及开发水热水相制作微生物抑菌剂。

北京地区在资金、技术和科研上具有独特优势，奶业发展起步早，近年来受到疏解北京非首都功能影响，其作为都市奶牛养殖的代表性更为突出。借助自身优势，着力开发和改进适合规模化奶牛养殖业发展的装备、技术，如开发高效臭气管理技术、粪肥科学还田技术、运动场防雨排水技术，改进固液分离和好氧发酵装置等，并逐步辐射至京津冀乃至全国各地，解决当前奶牛养殖行业所面临的生产力和环境等共性问题。

6 结论

我国已成为世界第三大产奶国，规模化奶牛场是当前我国生鲜乳商品化生产的主体。提高规模化奶牛场综合管理能力、改进生产技术和装备以促进奶牛养殖业高效、绿色、可持续的发展是现代化农业的持续要求。大地群生的实践为奶牛场现代化管理、分级管理、粪污管理的良好技术规范提供了技术支持，具有一定的借鉴价值。北京地区也应借助自身资源优势，在技术、装备和管理上做出示范，并逐步带动京津冀地区乃至更广泛范围。