规模猪场排污系数研究

张 磊，姜树林，娄 薇，徐桂花，陈海洪，李翔宏*，余华阳*，吴志坚，张国生，饶 辉，付师一，汪 江

（1.江西省农业技术推广中心，江西 南昌 330046；2.江西生物科技职业学院，江西 南昌 330200）

我国是世界畜禽第一生产大国和消费大国，生猪产业是我国畜牧业中的支柱产业，生猪养殖量占世界总量的50%［1］。江西省是生猪养殖大省，生猪产业在畜牧业产值中占有重要的比重，2021年全省生猪出栏2910万头，出栏量位列全国第10位。伴随规模化养殖的快速发展，规模猪场粪污产生量占比越来越大，生猪排泄物的处理难度加大［2］，粪污因其自身特性而无法进行长距离运输，农田消纳成为处理畜禽粪污的主要途径［3］。部分地区粪污产出量过大导致区域土地难以实现种养平衡，对区域环境的影响也日益凸显［4］。而畜禽养殖产排污系数是科学评估和预测污染物排放总量的重要基础，因此，在区域内开展生猪排污系数研究对于核算该区域内生猪污染物排放量、研究污染物排放规律、合理利用粪肥资源和优化养殖结构等有着重要意义。

在国外，日本、丹麦等国颁布和制定了比较全面的畜禽产排污系数［5-6］。我国2008年开展了第一次全国污染源普查，据《第一次全国污染源普查公报》表明农业面源污染已经成为我国的主要污染源，畜禽养殖业COD、TN和TP的年排放量分别占全国污染物排放总量的41.87%、21.67%和37.90%，现为农业源污染的重要组成部分［7］。至此，我国开始将畜禽养殖业纳入核算体系，何志华等［8-11］在畜禽养殖业产排污系数方面分别进行了不同方面的研究，还有一些学者研究提出了畜禽养殖业产排污系数的定义与计算方法，并结合影响畜禽产排污系数的主要因素构建产排污系数核算体系［12-16］，发布了《畜禽养殖业源产排污系数测算实施方案》，规范了畜禽养殖业产排污系数测算方法［17］。根据相关研究报道，我国部分省区已有生猪产排污系数的研究成果，但由于我国地域广阔，南北方地质条件、气候差异较大，降水两极分化，畜禽生产管理方式也不尽相同等原因，各区域的产排污系数差异很大［18］，因此区域外产排污系数对江西规模猪场产排污系数的参考作用有限，且目前有关江西规模猪场排污系数研究较少。为此，本研究旨在通过对规模猪场产生的粪污及其处理效果进行周年四季定点监测，获取规模猪场的排污系数，为江西乃至国家科学测算畜牧业生产对环境质量的影响提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 养殖场概况

研究区域为江西新建区某规模生猪养殖场，该场清粪方式以人工干精粪为主，粪便通过收集自然堆沤发酵后用作农家肥，再用于周边作物种植；污水通过专用管网进入处理系统，采用“升流式固体厌氧反应器(Upflow Solid Reactor，USR)+厌氧/好氧(Anoxic/Oxic，A/O)+膜生物反应器(Membrane Bio-Reactor，MBR)”组合工艺模式进行处理后，约30%处理后水用于农作物浇灌，其余约70%的水可达标排放。

1.2 研究内容与方法

1.2.1 排污系数定义排污系数是指在测定产污系数的基础上，通过综合粪便收集率、收集粪便利用率、污水处理效率、污水利用率计算而获得。粪便收集率是指粪便收集量占猪只实际产粪量的比值，其中实际产粪量是通过产污系数试验测定获得；粪便收集量是在该试验场正常饲养条件下，从试验猪同一批猪舍中，选择称量5个由饲养员按照正常人工干清粪方式收集起来的栏舍粪便量获得。收集粪便利用率是粪便利用总量占粪便收集量的比值。污水处理效率是污染物处理后与处理前指标值的比值，各指标值通过在处理系统进口和出水口取样测定分析获得。污水利用率是污水利用量与产生量的比值，污水产生量和利用量通过在进水口和排水口安装流量计测定而得。

1.2.2 测定方法试验在春、夏、秋、冬4个季节开展，每个季节连续采样3 d，采用周年监测的方法对规模猪场保育猪、育肥猪、母猪3个饲养阶段生猪产生的粪便、尿液进行全量收集；对不同工艺处理的粪便和污水进行取样，测定其相关特性参数；在污水进水口和排水口安装流量计，用于每天定时读取污水的产生量和排出量。

1.3 采样和检测

1.3.1 粪便对当天收集的鲜粪和堆积的发酵粪分别进行采样，采样点由底部自下而上每20 cm取样500 g，装入样品混合盆中，混匀后采用四分法采样500 g。每次采3个样品，其中1份样品不进行预处理，直接用于含水率的测定，另外2份样品按照每100 g添加4.5 mol/L硫酸10 mL进行现场固定处理，一份用于检测相关指标，一份留样。样品采集后填写好样品标签信息，用保温样品箱加冰袋保存并及时送检测机构检测。

1.3.2 污水在污水处理区分别对固液分离、USR、A/O和MBR各级工艺处理后出水进行采样，用采样器每次取3次污水样进行混匀，混匀后取出500 mL污水用50%硫酸调节pH值至2以下，样品采集后填写样品标签信息，并送检测机构检测。

1.3.3 检测指标和方法粪便、尿液、污水检测指标及检测方法见表1。

表1 粪样的检测指标、检测方法和标准号

1.4 数据处理

对测定获得的数据运用Excel 2007软件进行整理，采用SPSS 19.0软件进行显著性分析，数据用平均值±标准差表示。

1.5 排污系数计算

排污系数是指在正常生产和管理条件下，单个畜禽每天产生的原始污染物经处理设施消减或利用后，或未经处理或利用而直接排放到环境中的污染物量。其计算公式为：

其中：FD(j,k)为第j阶段每头生猪第k种污染物的排污系数(mg/d)；QFj为第j阶段每头生猪粪便产生量(kg/d)；CF(j,k)为第j阶段每头生猪粪便中第k种污染物的浓度(mg/kg)；ηF为粪便收集率(%)；QUj为第j阶段每头生猪尿液产生量(L/d)；CU(j,k)为第j阶段每头生猪尿液中第k种污染物的浓度(mg/L)；η(T,k)为尿液与未收集粪便共同形成的污水中第k种污染物的处理效率(%)；ηW为尿液与未收集粪便共同形成的污水的利用率(%)；ηU为粪便利用率(%)。

2 结果与分析

2.1 生猪不同饲养阶段不同季节的粪便产生量及有关污染物浓度

生猪不同饲养阶段不同季节的粪便产生量及TN、TP、NH3-N含量见表2。保育猪产粪量秋、春季间差异不显著，但两者均显著高于夏、冬季的，且夏、冬季间无显著差异；保育猪粪便的TN含量在夏、秋、冬各季节间差异均不显著，但三者均显著高于春季的；其TP含量以冬季的最高，但与秋季的差异不显著，冬、秋季的显著高于夏季的，夏季的显著高于春季的；其NH3-N含量在冬、秋、春季节间差异不显著，但冬、秋季的均显著高于夏季的，春季的与夏季的差异不显著。育肥猪产粪量秋季的显著高于夏季的，其他各季节间差异均不显著；育肥猪粪便的TN含量以秋季的最高，显著高于夏、冬、春3个季节的，且此3个季节间差异不显著；其TP含量以秋季的最高，但与冬季的差异不显著，秋、冬季的均显著高于夏季的，夏季的显著高于春季的；其NH3-N含量以秋季的最高，显著高于冬、春、夏季的，冬、春季节间差异不显著，但两者均显著高于夏季的。母猪产粪量以冬季的最高，但与春季的差异不显著，冬、春季的均显著高于秋季的，秋季的显著高于夏季的；其TN含量各季节间无显著差异；其TP含量以秋季的最高，显著高于冬季的，冬季的显著春季的，春季的显著高于夏季的；其NH3-N含量以秋季的最高，显著高于冬季的，冬季的显著高于春、夏季的，春、夏季间差异不显著。保育猪、育肥猪、母猪粪便产生量均值分别为0.65、1.31、1.91 kg/(头·d)；TN含量均值分别为4.22%、3.73%、2.37%，TP含量均值分别为3.95%、4.00%、5.25%，NH3-N含量均值分别为0.65%、0.60%、0.39%。

表2 生猪不同饲养阶段不同季节的产粪量及各项指标值

2.2 生猪不同饲养阶段不同季节的粪便收集率

生猪不同饲养阶段不同季节的粪便收集率见表3。保育猪、育肥猪、母猪粪便收集率年均值分别为 96.4%、98.1%、98.6%，少量粪便因在收集过程中受供试猪、收集器具及人为等因素的影响而造成了损失。

表3 生猪不同饲养阶段每头的粪便收集率 %

2.3 生猪不同饲养阶段不同季节尿液产生量及污水中污染物含量

生猪不同饲养阶段不同季节尿液产生量及污水中COD、TN、TP、NH3-N含量见表4。保育猪产尿量以冬季最高，显著高于夏、春季的，夏、春季间差异不显著，但两者均显著高于秋季的；保育猪尿液中COD含量冬季显著高于秋、夏季的，秋、夏季间差异不显著，但两者均显著高于春季的；其NH3-N含量以春季的最高，显著高于夏、冬、秋这3个季节的，夏、冬、秋季间差异不显著；其TN含量以冬季的最高，但与春季的差异不显著，显著高于夏、秋季的，春季与夏季的差异不显著，但显著高于秋季的，夏季与秋季间差异不显著；其TP含量春、秋季间差异不显著，但均显著高于冬、夏季，冬季与夏季间差异不显著。育肥猪产尿量在冬、夏、春季间差异不显著，但三者均显著高于秋季的；育肥猪尿液中COD含量在冬、春、秋季间差异不显著，但冬、春季的显著高于夏季的，秋、夏季间差异不显著；其NH3-N含量以夏季的最高，显著高于春季的，春季的显著高于秋季的，秋季的显著高于冬季的；其TN含量春季的显著高于秋季的，其他各季节间差异均不显著；其TP含量以冬季的最高，显著高于秋季的，秋季的显著高于春、夏季的，春季与夏季间差异不显著。母猪产尿量以冬季的最高，但与夏季的差异不显著，显著高于春季的，夏季与春季间差异不显著，但显著高于秋季的；母猪尿液中COD含量以春季的最高，显著高于冬季的，冬季的显著高于秋季的，秋季的显著高于夏季的；其NH3-N含量以夏季的最高，显著高于秋季的，秋季的显著高于春季的，春季的显著高于冬季的；其TN含量以春季的最高，显著高于秋、冬季的，秋、冬季间差异不显著，但秋、冬季的均显著高于夏季的；其TP含量在秋、冬、春季间差异不显著，但三者均显著高于夏季的。保育猪、育肥猪、母猪尿液产生量均值分别为1.93、3.74、5.21 L/(头·d)；COD含量均值分别为13843.33、12955.50、11275.17 mg/L，TN含量均值分别为4020.10、8355.67、5987.33 mg/L，TP含量的均值分别为73.47、154.55、207.15 mg/L，NH3-N含量的均值分别为1367.30、3642.73、1320.70 mg/L。

表4 生猪不同季节不同饲养阶段的尿液产量及各项检测指标值

2.4 污水处理效率

不同的处理工艺对污水中的污染物去除效果不同，致使污水处理效率也不一样。本研究中污水经USR+A/O、USR+A/O+MBR模式处理后各有关污染物指标值变化及处理效率分别见表5、表6。经USR+A/O组合工艺处理后，水中COD、NH3-N、TN、TP处理效率分别达到了66.10%、56.65%、48.18%、47.27%。再经MBR处理后，水中COD、NH3-N、TN、TP含 量 均 值 分 别 为386.06、70.89、493.53、7.61 mg/L，处理效率分别达到了95.40%、91.41%、72.73%、95.89%。因此，该规模猪场污水采用USR+A/O+MBR组合工艺进行处理后，污染物总体处理效率高，出水水质能达到集约化畜禽养殖业水污染的最高允许排放标准。

表5 经处理工艺后污水中污染物的浓度指标值 mg/L

表6 各级处理工艺的污水污染物处理效率 %

2.5 排污系数

粪污排出养殖场区边界即认定为排放。本试验固体粪便经自然堆积发酵后用于周边作物种植，固体粪便利用率为100%；考虑到养殖场污水处理工艺的实际情况，并进行比较分析，本案例污水处理分USR+A/O（模式1）和USR+A/O+MBR（模式2）2种方式，处理后均按约70%外排进行测算，根据排污系数计算公式和方法，得到养殖场生猪不同饲养阶段的排污系数（表7）。由表7可知，模式1中的排污系数均大于模式2的，说明不同污水处理工艺对养殖场的排污系数影响较大，处理效率越高，排污系数就越小。

3 讨论

排污系数与该区域粪污的处理工艺如清粪方式、污水处理工艺和粪便污水利用情况等有直接关系，各养殖场的粪污处理工艺不同，测得的排放系数差异也较大［14］。本研究基于USR+A/O+MBR组合工艺处理污水的规模猪场，分别测算了USR+A/O和USR+A/O+MBR这2种模式不同污水处理工艺模式的排污系数，为管理部门和生猪规模养殖户选用或改进粪污处理利用工艺模式提供参考和借鉴。

由表7可以看出，本研究中保育猪、育肥猪、母猪COD的排污系数模式1和模式2均低于《第一次全国污染源普查公报》（以下简称《一污普》）中华东区域生猪的排污系数。污水经模式2处理后，保育猪、育肥猪、母猪TN排污系数为《一污普》中华东区域的1.76、2.20、1.01倍；保育猪、育肥猪、母猪TP排污系数为《一污普》中华东区域的2.31、3.34、2.90倍；《一污普》中未涉及NH3-N产生量的内容。这与董红敏等［12］所得的北京市某猪场不同阶段生猪的排污系数TN、TP的产生量高于《一污普》中TN、TP产生量的结论相符合。隋超等［9］得出山西晋中某规模猪场保育猪、育肥猪、母猪TN排污系数为《一污普》中华北地区的1.05、1.67、1.16倍，TP排污系数为《一污普》中华北地区的2.67、3.15、2.70倍，这与本研究中TN、TP倍数关系结论相接近。

表7 生猪不同饲养阶段不同管理模式的排污系数 g/(头·d)

本研究中TN、TP的产生量远高于《一污普》中华东地区的检测结果，这可能与《一污普》数据测定样本采集时间为2008年，而当时的生产方式较为粗放有关。近年来江西规模猪场多采用高床节水养殖模式，污水实现了雨污分流、固液分离、饮污分离，从源头减少了COD的产生量，从而降低了COD的排污系数；TN、TP的排污系数高于《一污普》中的系数，这可能与饲养品种、饲养方式的改变及饲料配比中N、P元素含量有关。同时，不同区域因采样处理措施、污水处理工艺不同，区域间排污系数差异也会较大。

猪粪污中N、P含量较高，粪污产生的过量N已经成为影响大气、水体、土壤质量的主要污染源［20］，其会导致光化学空气污染，使可见度降低，导致同温层臭氧损耗，产生酸雨和全球变暖等危害［21］。P是畜禽粪便中的重要养分，也是引起水体富营养化的主要因子之一。有研究表明，当P在水体的浓度为30 g/L时，藻类将急剧繁殖，造成水体富营养化［22-24］。污水处理方式的不同会导致其养分含量差异性较大，经工艺相对简单的沉淀处理后水体养分含量相对较高，经工业化处理后的终端污水则清洁度较高，其中的各种污染物的检出率较低［15］。本研究结果与之基本一致，污水经过模式1处理后，COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别为66.10%、56.65%、48.18%、47.27%；污水经过模式2处理后，COD、NH3-N、TN、TP的去除率分别为95.40%、91.41%、72.73%、95.89%。经USR+A/O+MBR模式处理后得到的排污系数远低于USR+A/O模式的排污系数，说明USR+A/O+MBR模式的处理效率更高。因此，建议规模化猪场若周边未配备足够的土地消纳污水，应采用更加洁净的污水处理方式，提高污水处理效率，减轻环境压力。

4 结论

本研究通过对采用USR+A/O+MBR组合工艺处理污水模式的规模猪场粪污特性参数监测，测算其2种不同组合处理工艺情况下的排污系数为：经USR+A/O+MBR工艺处理模式的每头保育猪、育肥猪和母猪3个阶段的排放系数COD分别为0.87、1.57、1.89 g/(头·d)，TN分别为6.71、15.46、14.38 g/(头·d)，NH3-N分 别 为0.41、1.32、0.87 g/(头·d)，TP分别为0.74、1.57、2.96 g/(头·d)；经USR+A/O工艺处理模式的每头保育猪、育肥猪和母猪3个阶段的排放系数COD分别为6.43、11.54、13.90 g/(头·d)，TN分别为12.76、29.37、27.33 g/(头·d)，NH3-N分别为2.26、7.28、4.81 g/(头·d)，TP分别为9.48、20.09、38.00 g/(头·d)。上述研究结果可为估算江西规模猪场粪污的产生量提供参考依据。