江苏省规模奶牛场粪污处理利用现状调研分析

2022-05-12张应鹏叶小梅

生态与农村环境学报 2022年4期

张应鹏，叶小梅，杜静，王莉

(1.江苏省农业科学院畜牧研究所，江苏南京 210014；2.江苏省农业科学院循环农业研究中心/ 农业农村部种养结合重点实验室，江苏南京 210014)

近年来，江苏省奶牛养殖集约化、规模化水平显著提升，高标准牧场建设不断提速。根据江苏省农业农村厅统计，截至2020年末，全省奶牛存栏量12.9万头，其中300头以上规模奶牛场比例达88.7%，100头以上规模奶牛场比例已达97%以上，而全国存栏100头以上的规模奶牛场比例为67%[1-3]。但规模养殖造成奶牛粪污大量集中产生，处理难度大，相关资料显示，一头500～600 kg成年奶牛每天排粪30～50 kg，排尿15～25 kg，产生污水15～20 L，相当于10个猪当量，每吨奶牛粪污中还含有37 kg COD、12.37 kg N、1.58 kg P以及多种病原微生物[4-5]。若未及时处理或处理不当，将会对牧场周边大气、土壤、水体环境造成严重污染，危害人畜健康，制约奶牛产业健康稳定发展[6-7]。江苏省奶牛规模养殖占比位居全国前列，同时也是我国首批畜禽粪污资源化利用整省推进试点[8]，压力更大、要求更严，是开展奶牛养殖污染控制与粪污处理利用的典型省份。基于此，选择江苏省奶牛养殖典型区域，对规模奶牛场粪污处理利用现状进行调研，摸清运行情况，分析薄弱环节并提出建议，以期为推进奶牛粪污处理利用提供指导借鉴。

1 调研内容与方法

1.1 调研区域

据报道，江苏奶业生产已逐步形成徐宿淮、沿海、扬泰3个奶业经济带，其中徐宿淮奶业经济带存栏奶牛约占全省年末总存栏量的40%[9]，是江苏奶牛养殖重点区域。同时，江苏在全省7个县(市、区)设立了奶牛产业技术体系推广示范基地。为此，结合奶牛养殖规模和推广示范基地分布情况，笔者选择了徐州、宿迁、淮安、盐城、扬州、泰州等设区市下属的睢宁、泗洪、沭阳、盱眙、大丰、广陵、姜堰、兴化、靖江9个县(市、区)为调研区域(其中6个为推广示范基地)，涉及26家规模奶牛养殖场。

1.2 调研方法

采用问卷调查和座谈交流相结合的方式展开调研。调研内容涉及奶牛场基本信息以及粪污处理利用的全环节、全流程，包括养殖规模、饲养方式、清粪工艺、固液分离方式、粪污处理利用模式等，并对部分奶牛场粪污样品进行采集检测，进一步分析奶牛粪污性状及处理利用效果。

1.3 监测与分析方法

采用玻璃电极法测定样品pH值；采用重铬酸盐法(HJ 828—2017)测定COD；采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(HJ 636—2012)测定TN浓度；采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)测定NH4+-N浓度；采用钼酸铵分光光度法(GB 11893—89)测定TP浓度。采用Excel 2019进行数据分析。

2 调研结果与分析

2.1 奶牛场基本信息

该研究调研的26家规模奶牛场总存栏量3.43万头，约占全省奶牛总存栏量的26.6%。由表1可知，存栏量为101～500、1 001～2 000头的奶牛场占比分别为30.8%和38.5%，是主要的养殖规模区间。奶牛饲养方式包括栓系饲养、散栏式卧床饲养以及发酵床饲养方式(表2)。从调研情况看，散栏式卧床饲养占比达76.9%，是目前应用最广泛的一种方式，而栓系饲养方式仅在个别奶牛场应用，大部分奶牛场均已淘汰，其主要原因是栓系饲养限制了奶牛的活动自由与舒适度，动物福利差、生产性能低，而散栏式卧床饲养增加了奶牛的活动空间，动物福利好，能够有效提高生产效率[10]。发酵床饲养方式具有减少粪污收集量、降低后续处理难度、减少养殖臭气排放、改善养殖环境质量、减少人工设备投入、降低生产成本等优势[11]。调研发现，已有23.1%的奶牛场开展该方式的探索应用，但由于奶牛发酵床饲养还处于起步阶段，相应的垫料配置、维护管理等技术措施尚不成熟，而泌乳牛体型大、排泄量大、生产要求高，所以当前更多是在后备牛群中应用(15.4%)，泌乳牛群中应用较少(7.7%)。

表1 奶牛场存栏量调研情况

表2 奶牛场饲养方式调研情况

2.2 奶牛场粪污处理利用情况

2.2.1清粪工艺

由表3可知，奶牛场使用的清粪工艺主要是机械刮板清粪、吸粪车清粪和人工干清粪。进一步对不同存栏量奶牛场清粪工艺进行比较，结果发现，清粪工艺的选择与奶牛存栏量密切相关。存栏1 000 头及以上的奶牛场中，除14.3%的奶牛场采用吸粪车外，有85.7%的奶牛场采用机械刮板工艺，该工艺操作简便灵活、清粪效率高，对奶牛影响小，但投资较大，所以在奶牛数量多、粪污产生量大的规模奶牛场普遍应用。存栏1 000头以下的奶牛场中，有83.3%的奶牛场采用人工干清粪或吸粪车工艺，这2种工艺往往在奶牛转场或去奶厅挤奶时才方便作业，清粪频次低，劳动强度大，清粪效果有限，但投资较小，所以在奶牛数量少、粪污产生量小的奶牛场普遍应用[12-13]；此外，采用机械刮板和水冲粪的奶牛场占比均为8.3%。

表3 奶牛场清粪工艺调研情况

2.2.2固液分离

奶牛粪污含水量和养分浓度高，既对周边环境造成较大污染隐患，也不利于后期储存和处理利用[14]。固液分离可将粪污中固体部分和液体部分分开，既有效减少粪水中悬浮固体，降低污染物浓度，减轻粪水处理压力，又可以减少粪渣含水率，便于进一步处理利用[15]。表4列出了奶牛场采用的粪污固液分离工艺情况。结果表明，有69.1%的奶牛场采用了螺旋挤压固液分离工艺，该工艺应用最广泛。其中2家奶牛场采用了多级固液分离工艺，工艺组合分别为螺旋挤压机+微滤机以及二级镜面压榨分离+螺旋挤压机，同时也有26.9%的奶牛场未进行固液分离。

表4 奶牛场粪污固液分离调研情况

进一步对不同存栏量奶牛场固液分离工艺进行比较，发现存栏1 000头以上的奶牛场中，有92.9%进行了固液分离；而存栏1 000头以下的奶牛场中，仅有50.0%进行了固液分离。这说明奶牛场是否进行粪污固液分离与养殖规模有一定关系。根据相关文献报道，在常见的固液分离技术工艺如重力沉降、筛分、压滤以及沉淀离心中，采用压滤技术的螺旋挤压固液分离工艺具有分离效率较好、操作便捷、性价比高的优点，应用非常广泛[16]；重力沉降技术工艺简单、费用低廉，但占地面积大，分离效果不佳；筛分技术对大颗粒物质的去除效果好，但分离后固相含水率偏高；离心技术可以提高营养物质的去除率，但成本高昂，推广应用受到了限制[17]。调研结果与文献反映的情况基本一致，值得注意的是，调研发现与粪污单级固液分离相比，多级固液分离显著改善了分离效果，但目前只有个别存栏2 000 头以上的奶牛场采用，其应用前景好、推广空间大，可能是后续固液分离优化研究的重要方向。

2.2.3粪污处理利用模式

奶牛场粪污处理利用模式及设施设备配套统计情况见表5～6。建设有堆粪厂房/棚、氧化塘/贮存池、黑膜发酵池、水生植物净化塘、达标处理系统的奶牛场占比分别为100%、92.0%、36.0%、11.5%、11.5%。为足量处理粪便或粪水，部分奶牛场会同时采用2种技术模式。奶牛粪便处理利用技术模式包括堆肥利用、垫料回用和蚯蚓转化利用，其中粪便堆肥利用占比达88.5%。奶牛粪水处理利用技术模式包括还田利用和达标排放，其中粪水还田利用占比达76.9%。采用还田利用模式的奶牛场会配套建设黑膜发酵池、氧化塘、沼液贮存池等设施，采用达标排放模式的奶牛场一部分会配套水生植物净化塘、UASB、A/O等系统装备，一部分则委托第三方进行处理。

粪污处理利用模式的选择与养殖规模有关，其中存栏1 000头以下的奶牛场，粪便处理利用模式为堆肥利用和蚯蚓转化利用，粪水处理利用模式主要是还田利用；存栏1 000头以上的奶牛场，粪便处理利用模式主要为堆肥利用和垫料回用，粪水处理利用模式主要是还田利用和达标排放。出现上述情况的原因可能是不同养殖规模导致粪污产生量、清粪工艺不同，进而影响后续技术模式选择。存栏1 000头以下的奶牛场以人工干清粪和吸粪车为主，粪污量小，收集的粪便适合养殖蚯蚓；存栏1 000头以上的奶牛场以机械刮板清粪为主，粪污量大，一般先进行固液分离处理，分离后的固体部分适合作为牛床垫料，减少大规模奶牛场购买垫料投入，而分离后的液体部分体量仍然很大，在还田利用基础上补充达标排放模式可以很好地缓解压力。

调研还发现，粪水还田利用的奶牛场均流转了农田或与周边种植户签订了沼液消纳协议，但根据《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》，若种植稻麦，1头奶牛约需配套0.1 hm2农田，则千头奶牛场需要配套100 hm2农田，而大部分奶牛场农田配套面积不足[18]。此外，大多数奶牛场不清楚粪水还田利用的适宜方式和用量，主要根据经验习惯作业，容易出现过量施用的情况，进而对作物生长和土壤环境造成不利影响。

表5 奶牛场粪污处理利用模式调研情况

表6 奶牛存栏量与粪污处理利用模式的关系

2.2.4奶牛场养殖生产用水情况

奶牛场养殖生产用水主要包括饮用水、挤奶厅用水和降温喷淋水，其中饮用水占比最高[19]。调研发现，泌乳牛饮水量为108～131 L·头-1·d-1，而饮水槽清洗水量为2.5～3.1 L·头-1·d-1，且基本直接从水槽底部排出与牛舍粪尿混合。挤奶厅用水主要包括挤奶台和地面冲洗水、挤奶管道和奶罐清洗水、消毒水等，占奶牛场生产用水的比例达到24.5%～32.5%，是污水的主要来源之一[20]，泌乳牛在挤奶厅的耗水量达27 kg·头-1·d-1[21]，则一个有500头泌乳牛的奶牛场挤奶厅用水量可达13.5 t·d-1，但挤奶厅污水属于低浓度污水，可以单独处理后回用[22]。而调研发现，73.1%的奶牛场将挤奶厅污水与牛舍粪尿全部收集后混合处理，15.4%的奶牛场配套了小型氧化塘或沉淀池单独处理，仅有11.5%的奶牛场将挤奶厅污水部分或全部循环利用。降温喷淋水仅在夏季使用，用水量约18～26 L·头-1·d-1[20-21]，且大部分奶牛场使用普通喷淋装置，无法根据牛只距离控制喷淋头的开启或关闭。总体来看，饮水槽清洗水直排、挤奶厅污水与粪尿混合以及使用普通喷淋装置的方式，都会增加奶牛场粪污量，加剧处理压力。

2.3 奶牛场粪水处理效果

奶牛场粪水体积大、储存困难、运输成本高，其处理利用一直是粪污处理的难点和痛点。为摸清不同处理工艺、不同处理环节下奶牛场粪水理化性状变化情况，在调研期间选择了6家奶牛场进行采样检测，具体技术工艺包括固液分离+厌氧发酵+沼液贮存、固液分离+厌氧发酵+沼液贮存+水生植物净化、固液分离+絮凝沉淀+UASB+A/O、固液分离+离子澄清+SMBR+脱色。按照处理流程在各位置采样，检测结果见表7。

从表7可知，奶牛场集污池的原浆液浓度非常高，其中COD、TN、NH4+-N、TP质量浓度分别为 33 186～54 594、1 510～3 060、1 048～2 288、144～513 mg·L-1。经过固液分离，污染物浓度初步降低，粪水中COD降至20 776～40 164 mg·L-1，TN质量浓度降至1 109～2 493 mg·L-1，NH4+-N质量浓度降至795～1 835 mg·L-1，TP质量浓度降至125～399 mg·L-1，且随着固液分离级数增加，粪水中COD、TN、NH4+-N、TP去除率均有不同程度提升，分别从最低的14.70%、9.35%、10.16%、7.04%提升至最高的38.85%、26.56%、24.16%、27.43%。根据相关文献报道，固液分离一般不能有效去除NH4+-N[19]，该研究出现这种情况可能是因为实地采样时，集污池与固液分离机有一定距离，且集污池都是敞口式，因此粪污水在集污池暂存和输送期间可能出现氨挥发造成损失。经过厌氧发酵和沼液贮存，粪水浓度明显下降，其中COD去除率为69.53%～78.98%，TN去除率为51.45%～61.02%，NH4+-N去除率为54.36%～62.26%，TP去除率为42.83%～54.07%。进一步采用水生植物末端净化处理，COD、TN、NH4+-N和TP平均去除率可分别达98.48%、95.54%、96.42%和96.53%以上；若采用UASB、A/O、SMBR等达标处理方式，粪水中主要污染物平均去除率达99%以上。

以上结果表明：(1)相比一级固液分离，粪污多级固液分离的效率更高，降解效果更好。(2)厌氧发酵+沼液贮存是处理高浓度奶牛粪水的重要技术手段，但沼液中仍含有大量COD、N、P等，高于GB 5084—2021《农田灌溉水质标准》限值，这可能与奶牛场粪水浓度高以及发酵、贮存时间不足有一定关系，需要进一步延长处理时间，完全发酵、陈化并且稀释后才能还田利用。(3)利用莲藕、水芹等水生植物进一步处理沼液效果明显，其净化方式主要包括植物吸收、微生物转化、底泥吸附、挥发等[23]。另外，调研发现该工艺应用时沼液会与灌溉水混合注入，停留时间至少达到45 d以上，因此稀释作用也是沼液浓度下降的原因。由于水生植物塘规模较大，且莲藕、水芹成熟后需要及时收获、刈割才能保证持续的净化能力，所以在管理上有更高要求。(4)利用UASB、A/O、SMBR等系统处理对粪水的降解效果最好，但调研发现，这些系统运行成本高昂，普遍要达到20～30元·t-1，大多数奶牛场无法承受，同时处理过程需要使用化学絮凝剂，配制絮凝剂溶液需要消耗大量水资源，增加污水量，同时絮凝剂残留组分还可能对后续粪水安全利用造成影响。

表7 调研的奶牛场粪水理化性状

3 讨论

根据对调研结果的分析，发现目前江苏省奶牛粪污处理利用还存在一些薄弱环节，主要体现在粪水的处理利用上，包括：奶牛养殖生产过程用水量大，但缺少有效的节水管理技术措施，增加了污水量，加大了处理难度；奶牛场广泛使用的螺旋挤压固液分离工艺效率有限，粪水厌氧发酵无害化程度不够；规模奶牛场粪水还田压力大，普遍根据经验习惯施用，安全施用量不清，种养平衡尚未实现。围绕上述环节，后续可从以下几方面开展技术攻关，实现优化提升。

3.1 加强粪污减量技术措施的研究与应用

一是对奶牛场养殖生产用水规律进行监测分析，有针对性地采取相应的节水措施，如饮水槽清洗水收集后作为灌溉水、挤奶厅废水作为冲洗水循环利用，采用智能感应降温喷淋系统，实行用水总量考核制等；二是推广粪污多级固液分离技术工艺，研发高效安全低本的天然、生物絮凝剂产品，并与固液分离技术耦合应用；三是粪水储存、处理设施做好必要的防雨措施，建议采用黑膜覆顶式或全黑膜式储存池，也可为氧化塘配套挡雨棚，避免雨水灌入增加粪水量；四是推行奶牛发酵床养殖原位降解粪污技术模式，在相关管理技术措施的标准化、规范化上开展科研攻关，减少粪污收集量。

3.2 加强粪水水生植物净化工艺的研究与应用

从调研监测情况看，水生植物塘用于沼液的深度净化效果良好，沼液消纳量高、施用次数多、施用方便，可作为沼液还田利用的补充方式推广，缓解还田压力，同时水生植物塘出水可以灌溉农田，但需要加强生产管理，及时收获、刈割。建议后续强化对植物生长和环境影响的运行监测，同时积极探索水生植物立体复合配置净化奶牛粪水工艺，在植物配置方式、安全消纳浓度、周年稳定运行等方面开展进一步研究。