猪场废弃物资源化利用及环境友好型养殖技术探讨

2024-01-26陈社新

中国猪业 2023年6期

陈社新

(山东省阳谷县畜牧兽医事业发展中心，山东聊城 252300）

随着我国畜牧业的快速发展，生猪养殖业在满足人类对肉类食品需求的同时，由于养殖规模的扩大也带来了一系列环境问题。如生猪养殖产生的废弃物--粪便、尿液、废水等大量增加，如果不进行妥善处理，会严重影响猪场周边水质、土壤及空气质量，进而对养殖场畜禽健康和环境产生不良影响。因此，研究猪场废弃物资源化利用和环境友好型养殖技术成为当前畜牧业发展的首要任务。猪场废弃物资源化利用是指将废弃物转化为有价值的资源，如将粪便转化为有机肥料、生物质能源等，从而减少废弃物直接排放对环境的污染。环境友好型养殖技术则是指在生猪养殖过程中采取一系列技术措施，合理利用废弃物资源并降低对环境的负面影响，实现生猪养殖与环境保护的和谐发展，包括饲养管理、饲料配方调整、疫病防控以及废弃物处理等。本文旨在综述猪场废弃物资源化利用及环境友好型养殖技术的研究进展，总结了废弃物处理技术、资源化利用途径及环保养殖措施等方面的研究。通过对现有研究成果进行梳理和分析，为实现猪场废弃物资源化利用和环境友好型养殖的目标提供理论支持和实践参考。

1 猪场废弃物资源化利用的意义

猪场废弃物处理不当，会给猪场带来严重的资源浪费和经济损失，也会对环境和人畜健康造成危害。据王博[1]研究报道，我国每年因猪场废弃物造成的土壤污染面积超过1 亿亩，每年因养猪业造成的水体污染面积超过100 万亩。我国养猪业每年排放的氨气、硫化氢等气体总量分别达到1 300 万吨和40 万吨。未经处理的猪场废弃物中含有病原菌、病毒等病原体，若不及时处理，会导致病原微生物传播和流行，如非洲猪瘟、猪蓝耳病、猪流行性腹泻等疫病的发生[2]。因此，猪场废弃物资源化利用具有重要的意义，主要包括以下4 个方面：①节约资源：猪场废弃物包括猪粪、尿液、饲料残渣等，这些废弃物中含有大量的养分和有机物质。通过资源化利用这些废弃物，可以节约大量的资源，减少浪费。②环境保护：猪场废弃物中含有大量的微生物和氮、磷等营养物质。通过发酵或沼气处理等资源化利用后，可以降低对环境污染的风险。③经济效益：通过将猪场废弃物转化为可利用的产品，如有机肥料、饲料、生物质能源等，可以产生一定的经济效益。④循环利用：猪场废弃物资源化利用可实现种养结合的循环经济，促进农业可持续发展，对实现“绿色农业”具有重要的意义。

2 猪场废弃物资源化利用技术

2.1 猪粪生物质能源化利用

2.1.1 生物气体生产

生物气是一种可通过厌氧发酵产生的可再生能源，主要由甲烷和二氧化碳组成。猪粪中含有丰富的有机物，适宜作为生物气的原料。1 头成年猪每天生产猪粪约2～4 kg，利用猪粪生产生物气，不仅可以有效处理猪场废弃物，降低环境污染，还能提供清洁能源，降低化石能源的消耗。猪粪生物气生产的关键技术包括：预处理、厌氧发酵和生物气收集与利用。预处理主要是为了去除猪粪中的杂质、调节水分和碳氮比例，以提高厌氧发酵的效率。厌氧发酵过程中，微生物将有机物分解为甲烷、二氧化碳和其他气体，而发酵温度、pH 值和微生物菌种等对生物气产量和质量有显著影响。生物气收集与利用系统主要包括气体收集设备、储气设备和气体净化设备，以确保生物气的安全、有效地利用。Doreswamy 等[3]研究发现，利用猪粪进行厌氧消化后可得到纯度为89.59%的生物乙醇。此外，Duan 等[4]报道，目前专家已开发出了不同类型的厌氧发酵装置，如固定床发酵器、UASB 反应器和CSTR 反应器等，以适应不同规模猪场的需求，并通过优化发酵条件和菌种筛选，可进一步提高生物气产量和质量。猪粪生物气生产技术的推广和应用，有助于实现猪场废弃物资源化利用，促进养猪业可持续发展。

2.1.2 生物柴油生产

生物柴油是一种通过对猪粪进行处理，将其转化为可替代化石柴油的生物燃料[5]。这种方法不仅能实现猪场废弃物的有效利用，还可以缓解柴油机等对化石柴油的依赖，降低环境污染。猪粪生物柴油生产主要包括以下6 个步骤：①预处理：猪粪经过固液分离，去除杂质、异物和多余的水分。②脱水与干燥：使用粪便脱水干燥机将预处理后的粪便进一步脱水和干燥，降低水分含量，以便于后续处理。③提取油脂：将干燥的猪粪进行油脂提取，通常采用溶剂提取法或者超临界流体提取法，提取猪粪中的油脂成分。④酯交换反应：将提取出的油脂与醇（如甲醇或乙醇）在催化剂（如碱性催化剂）作用下进行酯交换反应，生成生物柴油（猪粪生物酯）和甘油副产品。⑤分离与提纯：通过分离、脱水和脱色等工艺对生物柴油进行提纯，以达到满足燃料使用要求的生物柴油产品。⑥生物柴油产品的应用：经过提纯的猪粪生物柴油可作为柴油发动机的燃料，直接替代或与化石柴油混合使用，降低对化石柴油的依赖和温室气体排放。猪粪生物柴油生产技术有助于推动猪场废弃物的资源化利用，减少环境污染，实现养殖业的可持续发展[6]。这种技术的推广应用还需要克服一些技术难题，如提高油脂提取效率、降低生产成本等，以使其具有更好的经济效益和市场竞争力。

2.2 猪粪肥料化利用

2.2.1 制造有机肥

猪粪肥料化利用是将猪粪转化为对农作物有益的有机肥料，从而实现资源化利用的过程。猪粪作为一种天然的有机物来源，富含氮、磷、钾等农作物生长所需的养分，具有很高的利用价值。将猪粪生产成有机肥，既能降低猪场废弃物对环境的污染，又能为农业生产提供优质的肥料资源[7]。有机肥生产主要有5 个步骤：①预处理：将猪粪进行固液分离，去除杂质和过多的水分。②堆肥发酵：将预处理后的猪粪与其他农业废弃物（如秸秆、树叶等）混合，进行厌氧或好氧发酵。在此过程中，微生物分解猪粪中的有机物，产生热量，使堆肥温度升高，同时将猪粪中的有害物质（如致病菌、寄生虫卵等）消除或降低至安全水平。③成熟与稳定：经过一定时间的发酵，堆肥的肥料逐渐成熟稳定，具备较高的肥效和良好的农作物适应性。成熟的堆肥呈黑褐色，气味较小。④有机肥生产：将成熟的堆肥肥料进行造粒、干燥等处理，生产出有机肥产品。这些有机肥产品可直接用于农业生产，改善土壤结构，提高作物产量和品质，实现农业生产的可持续发展。

2.2.2 猪粪生物活性物质提取

猪粪肥料化利用不仅可以应用于堆肥与有机肥生产，还可以从中提取生物活性物质。由于猪粪中含有多种生物活性物质，如植物生长调节剂、抗氧化剂、抗菌肽等。这些物质在农业生产中具有潜在的应用价值[8]。生物活性物质提取主要有4 个步骤。①预处理：对猪粪进行固液分离、去除杂质和多余水分。②提取：利用有机溶剂、水提取或超临界流体萃取等方法，从预处理后的猪粪中提取生物活性物质。③分离纯化：对提取液进行色谱分离、离心、膜过滤等操作，分离纯化出目标生物活性物质。④应用：将提取出的生物活性物质应用于农业生产，如植物生长调节剂可以促进作物生长，抗氧化剂和抗菌肽可用于农作物抗病或产品贮存。猪粪生物活性物质提取有助于提高猪粪的经济价值，同时，这些提取物质也有助于推动农业生产可持续发展。

2.3 猪粪饲料化利用

2.3.1 猪粪蛋白饲料

猪粪蛋白饲料是一种饲料化利用的方式，主要通过发酵、蛋白水解等工艺处理猪粪，提高其蛋白质含量，生成适用于畜禽养殖的饲料[9]。包括5 个步骤：①预处理：对猪粪进行固液分离、去除杂质和多余水分。②发酵处理：将预处理后的猪粪与发酵菌种（如酵母菌、曲霉等）混合，通过好氧或厌氧发酵工艺，使微生物将猪粪中的有机物质分解成蛋白质，以提高蛋白质含量。发酵过程可以消除猪粪中的有毒物质、抑制因子等，提高饲料的安全性。③蛋白水解：对发酵后的猪粪进行蛋白水解处理，可以采用化学法（如酸碱水解）或酶法（如蛋白酶水解）。水解过程中，大分子蛋白质被分解为小分子肽和氨基酸，提高动物对饲料的消化吸收率。④制粒与干燥：将水解后的猪粪进行制粒，制成颗粒状饲料，并通过干燥设备降低其水分，以提高饲料的贮存稳定性。⑤配合饲料：将猪粪蛋白饲料与其他饲料原料（如玉米、豆粕等）按一定比例混合，制成全价配合饲料，用于畜禽养殖。

2.3.2 猪粪菌草饲料

猪粪菌草饲料的生产过程包括预处理、菌种接种、发酵培养、收获与加工以及配制饲料等步骤。通过将猪粪与菌草混合培养，利用菌草的分解和吸收作用，可以生产出高营养价值的菌草饲料。在生产过程中，需要注意控制生产条件和菌种的选择，确保饲料的安全性和有效性。

3 环境友好型养殖技术

3.1 猪舍环境改善技术

3.1.1 猪舍通风与气流调控

猪舍通风与气流调控是猪舍环境改善的关键技术[10]，可以有效调节猪舍内的温度、湿度、气体浓度和气流速度，提高生猪的生产性能和健康水平。其中，通风包括自然通风和机械通风，自然通风能源消耗低，但受气候和建筑结构影响较大；机械通风效果较好，但能耗较高。通风系统设计应考虑猪舍建筑结构、气候条件和养殖密度等。气流调控[11]通过调节猪舍内的气流速度、方向和分布，从而提高猪舍空气质量和舒适度。

3.1.2 猪舍温湿度调控

猪舍温湿度调控关乎生猪生产性能与健康[12]，包括保温、降温与湿度调节。依据猪舍建筑材料选择保温材料和隔离帘；通过通风、水喷雾及屋顶喷洒等方式实现猪舍降温调节；通过通风、铺设干燥材料与地面排水的方式进行猪舍湿度调节。

3.2 猪场污水处理技术

3.2.1 分流与沉淀处理

分流与沉淀是处理猪场污水常用的方法[13]，分流是将猪场产生的固态和液态废弃物分开，通常采用斜筛、格栅或滚筒筛等设备。此过程可减轻后续处理设备的压力，提高处理效率。沉淀处理是利用重力作用，让较重的固态颗粒在水中沉降，形成污泥。沉淀池的设计需考虑固体废物停留时间、有效容积和沉淀速度。

3.2.2 生物处理技术

生物处理技术包括好氧处理（如活性污泥法）、厌氧处理（如厌氧消化法）以及微生物菌剂处理等。好氧处理指微生物在氧气充足的条件下，将污水中的有机物进行氧化分解，从而实现有机物的降解和无害化处理。厌氧处理指厌氧微生物在无氧环境下分解有机物，产生沼气等可利用产物。微生物菌剂处理则通过在污水中接种特定的功能性微生物菌剂，提高污水处理效率。

3.2.3 化学处理技术

化学处理技术包括絮凝、沉降、中和和氧化还原等方法，可有效去除猪场污水中的污染物[14]。主要是通过在猪场污水中加入特定的化学物质，使污染物形成悬浮物、胶体颗粒等，并使其聚集沉降；通过调整pH 值和有害物质的氧化还原反应，对污水中的有害物质进行降解和处理。

3.3 猪场废气治理技术

当前，猪场废气治理技术主要包括以下6 种：①生物滤器处理技术：通过填充物、微生物群落和过滤床来降解猪场废气中的有机物质，减轻恶臭和污染。可通过选择填充物类型、微生物种类，优化过滤床厚度和控制适宜的温度、湿度条件等方法来提高处理效率。②生物技术：包括生物过滤技术、生物脱臭技术、生物吸附技术等，可利用微生物的降解作用将废气中的有机物质转化为无害物质。生物技术具有成本低、效果好、环保等优点。③物理吸附技术：使用活性炭、沸石等吸附材料吸附猪场废气中的有机物质和恶臭气体，降低废气对环境的污染。但需定期更换吸附材料，增加了养殖成本。④化学处理技术：通过化学氧化、中和等反应来去除废气中的有害成分。虽然处理效果较好，但可能会造成二次污染，且处理成本高。⑤光催化氧化技术：利用光催化剂在光照下催化氧化废气中的有机物质，将其转化为无害物质；该技术具有处理效果好、无二次污染等优点，但所需要的技术设备成本较高。⑥植物净化技术：通过种植具有吸附、降解恶臭物质功能的植物，达到净化猪场废气的目的。这种方法具有成本低、环保、美观等优点。