我国畜禽粪污资源化利用综述及发展探析

魏鼎才 李光辉 随顺涛 蒋金巧

四川省农业机械科学研究院，四川 成都

20 世纪90年代以来，畜牧业养殖规模逐步扩大，集约化、产业化程度越来越高[1]。随着集约化畜禽养殖业快速发展，畜禽养殖规模化程度提升，畜禽粪污产生量逐渐增大，环境污染成为畜禽养殖业发展的重要制约因素[2-3]。畜牧业养殖的污染物会经过物质循环进入土壤，导致土壤污染和农作物减产，畜禽污染物中的硝态氮和土壤性病原菌会威胁人类健康，无机化肥和畜禽粪便容易造成水体污染，特别是地下水硝酸盐污染[4-6]。为减少畜禽粪污的污染，实现畜禽粪污的资源化利用，四川省邛崃市将畜禽粪污进行资源化利用，通过沼肥还田后成功解决当地26 万m3沼肥，还田超5 300 万m2，化肥减量施用10%以上，农作物增产5%以上[7]。据统计，湖北省根据农业废弃物（畜禽粪污、农作物秸秆）还田理论可实现氮肥消费量减少39.8%、磷肥消费量减少25.0%[8]。本文开展了畜禽粪污资源化利用应用调研与技术探析，并根据调研情况提出发展建议，以期通过畜禽粪污资源化利用，减少畜禽粪污对环境的污染，实现绿色发展。

1 畜禽粪污资源化的研究现状

《中国沼气行业“双碳”发展报告》指出，预计到2025年中国畜禽粪污年产量将达39.8 亿 t[9]，随着畜牧养殖业的发展壮大，畜牧养殖厂开始面临畜禽粪污处理问题。相关学者开展畜禽粪污资源化利用的研究，于贺春等[2]通过传热学理论分析和流体仿真相结合的方法，利用Fluent软件对不同油路结构内的流场进行模拟，发现对导热油路添加挡板，导热油传热效果更好。罗娟等[1]利用层次分析法构建了一套全面衡量畜禽粪污处理的综合评价指标体系，用于评价规模化养殖场畜禽粪污处理的综合效益，具有一定的实践指导性。Pubule 等[10]采用定性和定量的研究方法将沼气工程对环境的影响进行评估，并提出畜牧养殖业今后的发展建议。Thapa 等[11]以养分供求平衡为研究主线，分析了1996～2006年尼泊尔山区的畜禽养殖土地环境承载力。畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物是丰富的生物质资源，我国的生物质回收机制还不够完善，大部分生物质资源没有得到合理利用[12]。如何处理好畜禽粪污的污染问题已迫在眉睫，亟待深入了解目前畜禽粪污资源化利用的研究现状，为畜禽粪污的资源化利用提出发展建议。

2 国外畜禽粪污处理模式探析

随着社会经济水平的不断发展，国际畜牧业逐渐朝着规模化、系统化的方向发展，发达国家开始因地制宜采用不同畜禽废弃物还田模式[13-15]。美国将养殖场的畜禽粪污进行收集、发酵、贮存后，在施肥季节作为液体肥料进行全量化还田；欧盟基于养分平衡理论采用生态利用模式，对养殖场产生的粪水进行深度处理，粪水达标后还田；日本将养殖厂的畜禽粪污固液分离之后，提出以处理固体粪便为主的粪便堆肥处理工艺，经高温好氧堆肥无害化处理后，生产有机肥或进行农田利用；德国对畜禽粪污进行收集，通过建设大型沼气工程或者采用粪污肥料化进行畜禽粪污的处理，将粪污和灌溉水按照比例混合，实现水肥一体化还田利用，如表1所示。

表1 国际畜禽粪污处理模式

3 畜禽粪污资源化利用情况调研

3.1 畜禽粪污处理的运输方式

3.1.1 传统畜禽粪污的处理方式

传统的畜禽粪污处理主要是以人工推车、拖拉机、沟渠和吸粪车运输为主，如表2所示，其运输方式的发展因地域、养殖规模等受到限制，需要创新运输方式，配合传统运输方式，促进机械化和智能化的高效运输。

表2 传统畜禽粪污处理的运输方式

3.1.2 畜禽粪污泵送设备

关于畜禽粪污泵送设备的研究，王中军[16]等分析摆线型凸轮转子泵抽送粪污介质的性能变化，以猪粪作为抽送介质对凸轮转子泵进行数值模拟，发现采用转子泵的运行性能优于抽送清水介质，对凸轮转子泵提出改进设计。王星等[17]为解决高浓度猪粪收集、转运等过程的技术问题，探讨含固率、真空度、管径及自然放置时间等参数的影响，发现抽吸流量随猪粪含固率增加而减少，抽吸流量与管径是幂指增长的关系，为畜禽粪污环保处理提供理论参考。

施卫东等[18]设计了一种后掠式双叶片污水泵，能够提高泵的处理效率，具有通过性能强、抗缠绕性能好和运行稳定等优点。王少勇等[19]自主设计了室内小型环管实验系统，对不同工况下膏体管道输送的黏度和剪切速率进行测试，得到流动曲线，获得了管道输送膏体的流变参数，符合工程实际。刘刈等[20]研究猪粪、鸡粪、牛粪等6 种畜禽粪污的流变特性，得到不同物料浓度、不同温度和发酵时间等因素对流变特性参数的影响。以上研究为畜禽粪污泵送设备的理论研究奠定基础，但是缺乏对泵送设备结构设计、参数选择等相关的研究，让粪污的抽送过程更加成熟可靠和高效智能。

探析畜禽粪污处理中泵送设备，按照其工作原理可大致梳理为容积式泵、叶轮式泵和喷射式泵3 种，具体如表3所示。目前畜禽粪污泵送设备以叶轮式泵为主，容易存在易堵塞、适用性差和使用寿命短等问题。这是由于畜禽粪污的成分复杂、含纤维物多、黏度大，属高黏度非牛顿流体，亟需研发高效可靠的泵送系统[16]。因此，需要针对畜禽粪污的实际应用深入的研究，研发出更全面、系统的畜禽粪污处理泵送设备。

表3 畜禽粪污处理泵送设备

3.2 畜禽粪污固液分离设备

目前养殖场对畜禽粪污进行固液分离后，固体部分通过好氧堆肥来生产商品有机肥，液体部分则经无害化处理后直接全量化还田或建立沼气工程[21]。机械分离可去除粪污中约80%的干物质[22]，众多科研工作者进行分离技术的研究，以提升畜禽粪污固液混合物的分离效果。目前畜禽粪污固液分离采用的技术主要有离心式、挤压式、筛分式3种，如表4所示。

表4 畜禽粪污固液分离设备

畜禽粪污固液分离设备中的螺旋挤压式固液分离机，由于能耗低、可靠性高等优点而应用广泛[23]。相关学者开展关于螺旋挤压式固液分离机的研究，武军等[24]开展间断式螺旋挤压分离机的深入研究，认为其相比较于传统连续螺旋挤压分离机具有适应性强、效率高等发展优势。Moller 等[25]研究螺旋挤压式固液分离机时，发现干物质含量对其分离效果具有显著影响。Apachanov 等[26]通过模拟挤压螺旋分离器固体和液体的运动过程，发现固液分离效率下降和能耗增加的主要原因是畜禽粪污物料进入“死区”并围绕螺钉轴旋转。Popovic等[27]研究螺旋挤压式固液分离机时，发现将猪粪中添加生物炭等添加剂，可以避免猪粪一直在固液分离器的漩涡中绕轴旋转，说明使用添加剂可以提升2%～3%的固液分离效率。林代炎等[28]研制的挤压式固液分离机具有布局合理、功能齐全和运行安全平稳等特点，并在福建省主要生猪生产区进行试验，取得了明显的进展。申江涛等[29]认为断式螺旋挤压式固液分离机能够使物料堆积、压缩并维持相对的恒定状态，实现黏稠物料的固液分离过程。螺旋挤压式固液分离机现已广泛推广应用，然而，市场上有许多不同类型和功能结构的固液分离设备，存在难以选型和配型的问题，建议设备的优劣判断还需要从效率、能耗、质量可靠和绿色环保等角度进行综合评判，才能得到农户、养殖场等的认可和使用。

3.3 畜禽粪污资源化的处理方式

3.3.1 畜禽粪污的清粪方式

适宜的清粪方式对养分的充分利用、环境的污染治理尤为重要[30]。目前，主要的清粪方式是干清粪、水冲粪和水泡粪[31]，如表5所示。合理的清粪方式能够有效利用现有资源，应根据养殖场的实际情况确定清粪方式[32]。我国的清粪方式以人工清粪为主，其机械化程度低，还需不断改进畜禽粪污的清粪技术。

表5 畜禽粪污清粪方式

3.3.2 畜禽粪污的处理技术

目前，畜禽粪污的处理技术较多，主要包括好氧堆肥、厌氧发酵、低温干化、焚烧等技术，以及一些新型技术，如热解、电解、深度处理、氧化塘和昆虫转化等技术[21、33-40]。目前主要是采用好氧堆肥和厌氧发酵技术，好氧堆肥技术在我国农村地区应用广泛，该技术是畜禽粪污在氧气充足的条件下，好氧细菌将粪污分解成CO2、H2O 和小分子有机物，最终变成有机肥的过程[41]。我国厌氧发酵技术的研究和应用时间最长，该技术是畜禽粪污在厌氧条件下，利用厌氧消化菌将粪污转化为CH4、H2O、CO2和有机物等的过程[42]。通常畜禽粪污通过固液分离后，将液体粪污采用厌氧处理[43]。目前的沼气池主要是利用厌氧发酵而产生沼气、沼液、沼渣，从而提供了肥料和能源，实现畜禽粪污的资源化利用，如表6所示。

表6 畜禽粪污的处理技术

4 畜禽粪污资源化利用的发展建议

4.1 因地制宜，提高畜禽粪污综合利用率

据统计，2019年末中国畜禽粪污综合利用率提高到75%，畜禽规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到93%[44]。《“十四五”全国农业绿色发展规划》中提出，到“十四五”末，畜禽粪污综合利用率达到80%；秸秆综合利用率达到86%以上[8]。我国是世界上最早利用沼气的国家之一，然而我国沼气工程技术支撑弱、管理滞后、工程收益低，以中国2025年的畜禽粪污产量计，全部投入生产预计产沼气191.6 亿m3[9，12,45]。据此建议因地制宜，拓宽粪污处理方式，通过纳入沼气工程等方式实现资源综合利用，或将肥料还入农田减少面源污染，使得土壤有机碳储量不断提高从而改善土壤肥力，从而促进农业绿色健康发展。

4.2 政府支持，构建专业化种养结合模式

种养结合是一种结合种植业和养殖业的生态农业模式，成为畜禽粪污资源化利用的新趋势。林赛男等[7]引入“种养结合生态循环+公共私营合作制”的模式，使得农产品品质得到了大提升，促进了农业的绿色发展。董红敏等[13]认为种养结合循环发展是畜禽粪污资源化利用的根本出路，并且提出针对养殖场可采用3 种专业化种养结合的模式，如表7所示。因此，根据我国农田特点，创新发展种养结合机制是今后的方向，有利于畜牧废弃物实现资源化利用，以及畜牧业的可持续发展和改善环境污染问题。

表7 畜禽粪污种养结合模式

4.3 社会参与，撬动金融和社会资本投入

实现畜禽粪污的资源化利用需要社会的广泛参与，以及金融、社会资本的投入，一是政府可以出台相关政策和法规，鼓励和支持畜禽养殖场进行粪污资源化利用，政府提供财政补贴、税收优惠等激励措施，吸引和鼓励多方共同参与畜禽粪污资源化利用项目。二是推动科技创新和技术进步，鼓励科技发展，提高畜禽粪污资源化利用的技术水平和效率，设立科研机构或实验室进行技术的研发和创新。三是加强宣传和教育，提高社会的环保认识和意识，通过举办宣传活动、开展培训和教育等方式，传达资源化利用的重要性和好处，鼓励更多人参与。从而推动畜禽粪污的资源化利用，不断解决环境污染问题，以期鼓励社会的不断参与，吸引金融和社会资本的投入，提高资源利用效率，促进畜禽粪污的绿色发展。

4.4 市场运作，构建畜禽粪污处理产业链

政府、种植和养殖方、第三方运营企业是农业面源污染治理的参与主体[9]，建议通过市场需求推动政府、种植和养殖方、第三方运营企业实现多方合作，构建畜禽粪污资源化利用的产业链。政府通过规划和管理，可以利用专业化合作社，与设备制造商、技术提供商等企业合作，为种植和养殖方提供各类处理设备和技术服务，建立畜禽粪污处理技术和设备的供应市场，建立包括粪污收集运输、技术处理、转化利用等环节的畜禽粪污资源化利用产业链，实现畜禽粪污资源化利用的良性循环。

5 结论

畜禽粪污是非常丰富的生物质资源，我国的生物质回收机制还不够完善，大部分生物质资源没有得到合理利用，畜禽粪污的资源化利用事关能源利用、环境污染和产业发展，具有不可忽视的作用。本文开展畜禽粪污资源化利用的现状调研，探究了畜禽粪污处理的运输方式、固液分离设备和粪污处理方式的具体情况，提出因地制宜，提高畜禽粪污综合利用率；政府支持，构建专业化种养结合模式；社会参与，撬动金融和社会资本投入；市场运作，构建畜禽粪污处理产业链的发展建议，以期减少畜禽粪污对土壤、水源和空气造成的污染。