奶牛粪蚯蚓生物堆肥技术模式分析

罗 帅，孙志民，袁巧霞，钟 波，李青江

1 山东省农业机械科学研究院，山东济南 250100

2 华中农业大学工学院，湖北武汉 430070

0 引言

近年来养殖业呈现高速发展的态势，根据国家统计局《中国统计年鉴2020》[1]公布的数据，2019年我国牧业总产值达到3.31 万亿元，占农林牧渔总产值的26.67%，同比2018年提高1.40 个百分点；牛的头数在2019年底超过0.91 亿头；牛奶年产量已超过3 200 万吨。随着奶牛养殖规模的增长，规模化、集约化成为奶牛养殖业的显著发展趋势。如何及时有效处理规模化养殖场的奶牛粪污成为一个普遍关注的问题。

蚯蚓是一种古老的生物，对促进地球物质循环具有重要的生态作用，被Stewart称作“了不起的地下工作者”[2]，蚯蚓生物堆肥被认为是一种环境友好型的作物增产方式[3]。长期以来，蚯蚓在生态循环系统中起到了重要的推动作用。近些年来，蚯蚓生物堆肥在畜禽粪污的处理中展现出巨大的潜力[4]，奶牛粪作为公认的适于蚯蚓生物堆肥的原料，也是目前使用最为广泛的原料，其价值也得到重视。本文从可行性、处理工艺流程及处理效益等方面对奶牛粪蚯蚓生物堆肥技术模式进行分析，以期为畜禽废弃物处理研究人员、相关养殖企业提供参考。

1 奶牛粪蚯蚓生物堆肥技术模式可行性分析

1.1 技术需求分析

近年来，国务院和国家部委、地方各级主管部分相继印发《农业农村部办公厅、生态环境部办公厅关于促进畜禽粪污还田利用依法加强养殖污染治理的指导意见》（农办牧〔2019〕84号）、《国务院办公厅关于促进畜牧业高质量发展的意见》（国办发〔2020〕31号）、《“十四五”全国农业绿色发展规划》（农规发〔2021〕8号）等政策文件，支持持续开展畜禽粪污资源化利用整县推进，建设粪肥还田利用种养结合基地，推进绿色种养循环，推行畜禽粪便低成本、机械化、就地就近还田。农业农村部办公厅、生态环境部办公厅联合发布的《关于进一步明确畜禽粪污还田利用要求强化养殖污染监管的通知》（农办牧〔2020〕23号）中提出，鼓励畜禽粪污还田利用，明确还田利用标准规范，粪污经无害化处理后还田利用具体要求及限量应符合《GB/T 36195—2018 畜禽粪便无害化处理技术规范》和《GB/T 25246—2010 畜禽粪便还田技术规范》，粪污经处理后向环境排放的，应符合《GB 18596—2001 畜禽养殖业污染物排放标准》和地方有关排放标准。低成本高效益的畜禽粪污处理方式成为养殖业的迫切需求。

1.2 处理量及产物可用性分析

蚯蚓生物堆肥对牛粪的处理量要满足奶牛场生产需求。根据相关研究测算[5]，育成期奶牛粪便产生量为13.85 kg/天·头，成年期奶牛粪便产生量为32.84 kg/天·头。按照育成期奶牛和成年期奶牛比例为4∶6计算，存栏1 000 头的奶牛养殖场每天产粪量如下。

新鲜奶牛粪容重按1.01 g/cm3计算[6]，每天产生牛粪总体积为25.49 m3。按单个养殖舍长度100 m计，每一养殖舍养奶牛100 头，共需10 个养殖舍。蚯蚓生物堆肥床沿养殖舍布置，物料堆放宽度1.5 m，每天产生的奶牛粪平均铺放在蚯蚓生物堆肥床上，堆积高度约为1.7 cm。正常蚯蚓每天采食量约为蚯蚓自身体重。按堆肥床内蚯蚓活体平均生物量20 kg/m3计，每天预计可处理牛粪30 t，可以满足每天牛粪处理需求。

奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理的主要产物为蚯蚓粪和蚯蚓。蚯蚓粪的用途之一是作为有机肥料再利用。2021年6月开始实施的《NY/T 525—2021 有机肥料》，对商品有机肥料的技术指标和限量指标作了规定。商品有机肥料标准要求与牛粪过腹处理蚯蚓粪指标值对比见表1。对比蚯蚓过腹处理牛粪蚯蚓粪的各项指标，基本满足商品有机肥料的基本要求，经过适当加工可以满足有机肥料标准要求。

表1 商品有机肥料标准要求与牛粪过腹处理蚯蚓粪指标值对比

获得的蚯蚓可以作为鱼饵、中药材等使用。为规范饲料原料生产、经营和使用，保障养殖动物产品质量安全，原农业部于2012年制定了《饲料原料目录》（中华人民共和国农业部公告 第1773号），此后又经过多次修订。该目录明确了蚯蚓粉（蚯蚓经干燥、粉碎的产品）可以作为饲料原料使用。

2 奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理模式工艺流程

2.1 总体规划

以1 000 头规模奶牛场为例，其奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理模式总体规划如图1。养殖舍两侧为奶牛活动区域，中间为工作通道；两相邻养殖舍之间改造为蚯蚓养殖床，中间设置有排水沟。养殖舍两侧奶牛粪污排入到蚯蚓养殖床中，经蚯蚓生物过腹转化之后成为蚯蚓粪，蚯蚓粪及蚯蚓经分离后进一步利用。该总体规划充分利用该养殖规模条件下典型奶牛养殖场的场地和技术条件，适于大部分养殖场参考借鉴。

2.2 一般工艺流程

蚯蚓生物堆肥处理奶牛场牛粪的一般工艺流程如图2。奶牛养殖中产生的粪污经收集后由牛粪布料机均匀撒布到蚯蚓生物堆肥床上，根据需要可喷洒好氧堆肥菌剂，经蚯蚓过腹处理后得到蚯蚓粪，蚯蚓和蚯蚓粪经分离装置分离。蚯蚓根据生产需要，经适当处理用作鱼饵，亦可进一步加工可以作为饲料原料、中药材，提取超氧化物歧化酶用作化妆品原料等用途。

图2 奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理一般工艺流程

该工艺可满足奶牛场养殖粪污的再利用需求，实现绿色农业种养循环。此外，还有更多可能的循环途径，如蚯蚓粪作为自积自造自用有机肥，种植奶牛养殖粗饲料；蚯蚓粪经精加工制成商品有机肥料作为产品出售等。蚯蚓粪可以提供植物容易吸收的营养物质，调节植物生长和土壤微生物菌群[11]，改良土壤[12]，缓解作物连作障碍，控制土传病害，提高作物产量和品质[13]。

2.3 注意事项及关键点

目前蚯蚓规模化养殖所用到的主要品种为赤子爱胜蚓（Eisenia fetida），20世纪70年代从日本引进我国后商品名为“大平2号”，是一种适合于人工养殖的优良品种。选用其他蚯蚓种前要充分考察所选蚯蚓种适应性，蚯蚓种引进之后先进行3～5 天的试样，未出现异常状况再进行大规模养殖。养殖过程中可以添加少量秸秆以调节碳氮比（C/N），并注意控制含水率，必要时对原料进行堆置、调节pH值等预处理后再进行使用。

3 奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理模式效益分析

3.1 经济效益分析

养殖场前期投入主要为蚯蚓生物堆肥床的改造投入。运行过程中的蚯蚓生物堆肥所获得的产物主要为蚯蚓粪及蚯蚓，两者均有较大的经济效益。根据目前活体蚯蚓市场价格20 元/kg计算，成年蚯蚓产量以100 kg/m2·年，养殖场采用蚯蚓生物处理奶牛粪污投入产出分析见表2。

表2 蚯蚓生物堆肥处理奶牛粪污模式投入产出分析

当年总投入共计277.00 万元，蚯蚓及蚯蚓粪销售收入380.00 万元，利润可达100.00 万元左右。通过对现有奶牛养殖场进行简单改造，即可实现对奶牛粪污的就地化处理。蚯蚓对奶牛粪进行过腹处理，充分利用养殖场现有场地，且具有可观的经济效益。

3.2 环境和社会效益分析

规模养殖场面临的环境保护压力非常大，1 000头规模奶牛场每天产生的粪污高达25.24 t，年粪污产生量超过9 000.00 t，若得不到及时有效的处理，会造成严重的环境污染和破坏。

根据农业农村部办公厅发布的《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（农办牧〔2018〕1号），1 个猪当量的氮排泄量为11.00 kg，磷排泄量为1.65 kg；100 头猪相当于15 头奶牛；奶牛固体粪便中氮素占氮排泄总量的50.00%，磷素占80.00%。据此计算，1 个1 000 头规模奶牛养殖场，每天通过粪便排出的氮排泄量计算如下。

每天通过粪便排出的磷排放量计算如下。

每年氮素和磷素的排放量分别达到36.67 t和8.80 t。

以小麦为例，目标产量为4.5 hm2，氮素需求量135.00 kg，磷素需求量45.00 kg，土壤氮磷养分分级取Ⅱ级，施肥供给养分占比取45.00%，粪肥占施肥比例取50.00%，粪肥中氮素当季利用率取27.50%，磷素当季利用率取32.50%。每公顷粪肥氮素需求量计算如下。

每公顷粪肥磷素需求量计算如下。

粪污收集过程中氮留存率取62.00%，磷留存率取72.00%，则奶牛场每年产生的奶牛粪污制成蚯蚓粪可供超过200 公顷小麦田在满足氮磷养分需求的条件下替代50.00%的化肥施用量。

4 小结

奶牛粪蚯蚓生物堆肥技术，实现养殖粪污的循环利用，在中共中央办公厅、国务院办公厅众多导向政策支持的背景下，具有良好的发展前景。在充分利用奶牛养殖场现有条件的前提下，给出了奶牛粪蚯蚓生物堆肥处理模式的工艺流程，该模式具有可观的经济效益以及环境和社会效益，在响应国家政策，实现奶牛养殖场粪污就地消纳、能量循环、综合利用，促进奶牛养殖业健康发展，助力乡村振兴等方面具有重要的现实意义。