山西省規模養豬場的產排污系數測算

隋 超 李文剛 焦福林 吳志娟 胡廣英 閆益波 岳 磊 任毅菲 淡江華

（山西省農業科學院畜牧獸醫研究所， 山西太原 030032）

縱觀歷史，人類從原始社會開始在土地上種植糧食，圈養牛、羊、豬、雞等動物。幾千年來，一直遵循這樣的生產生活方式。土地一直是人類生存發展不可或缺的重要資源。但是土地對各種物質的承載能力是有限的。畜禽養殖技術的進步、養殖規模的逐步擴大，隨之而來的就是畜禽養殖過程中所產生的糞污物對土地的污染與影響。

歐美等國家早已開始對畜禽養殖業所產生的糞污物質進行研究，測算確定完整的畜禽養殖業的產排污系數，并制定了相應的法律法規來約束畜禽養殖業的產排污行為。我國于 2008 年前后組織了“第一次污染源普查”，2009 年出版了包括東北、華北、華東、西南、西北、中南六個地區的 《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》[1]。此外，董紅敏[2]、王國利[3]、何志平[4]、汪開英[5]、莊犁[6]等學者也在畜禽養殖業產排污系數方面進行了不同程度的研究。已有的產排污系數研究主要分布在江蘇、浙江、四川、北京、安徽、河南、廣西和黑龍江等地[6]。 《畜禽養殖業污染物排放標準》 及許多學者都認為在估算畜禽養殖業年污染物對土地污染程度時應用豬當量來換算評估是否超出土地的承載能力。但這些研究并不包括山西省。因此，通過試驗研究的方法測算山西省的規模豬場的產排污系數是十分必要和合理的，也比較有代表意義。

1 畜禽養殖業的產污系數、排污系數的定義和計算方法

1.1 畜禽養殖業產污系數

畜禽養殖業產污系數是指在正常的生產和管理條件下，一定時間內單個畜禽所產生的原始污染物量，包括糞尿量以及糞尿中含有的各種污染物量。

1.2 畜禽養殖業排污系數

畜禽污染物排放系數是指在正常的生產和管理條件下，單個畜禽每天產生的原始污染物經處理設施消減或利用后，或未經處理利用而直接排放到環境中的污染物量。

畜禽養殖業的排污系數由污水和固體廢棄物2部分組成。固體廢棄物主要考慮收集糞便在貯存和處理過程中的流失率；污水包括在畜禽舍中未收集的糞便、尿液和沖洗水等混合物，這些是畜禽養殖排污系數的主要來源。畜禽養殖污水主要是通過貯存、固液分離、厭氧沼氣發酵、好氧處理、氧化塘及人工濕地等方式進行處理后利用或排放。

2 山西省晉中介休地區某萬頭豬場的產排污系數測算試驗

2.1 試驗地點

以山西省晉中介休地區某萬頭規模豬場作為試驗地點。該規模化豬場采取干清糞的方式處理養豬場中的糞便，沼氣池厭氧技術處理豬場中的尿液以及其他生活污水。此規模豬場可代表山西省大部分規模養豬場的養殖水平。因此，監測所得的數據總體可以反映山西省規模化養豬場的產排污基本情況。

2.2 試驗樣品的采集

2.2.1 試驗樣品采集時間

學者、專家們普遍采用1年為試驗周期，分四季分別采集樣品，樣品采集時間為3～5 d。本試驗以一年為試驗周期，分別在春季、夏季、秋季、冬季采集樣本。每次試驗期10 d，7 d預飼，3 d采樣，避免飼料對試驗數據準確性的影響。

2.2.2 試驗動物（豬）的分組原則

每季挑選60日齡的保育豬5頭、120日齡的育肥豬5頭及750日齡的妊娠母豬5頭。保育豬每頭飼養在一個中型代謝籠里，育肥豬每頭飼養在一個大型代謝籠里，妊娠母豬每頭飼養在一個大型代謝籠里。糞便和尿液分開收集。

2.2.3 樣品采集的原則

試驗期間，每天下午15時30分稱重記錄每頭試驗豬的采食量和體重，采集重量在0.1 kg和0.25 kg的新鮮糞便樣品2個（每100 g加4.5 mol/L硫酸溶液5 mL），0.5 L的尿液樣品一個（滴3滴甲苯固定，每100 mL加4.5 mol/L硫酸溶液2 mL）。排污系數的測算要求在產污系數的基礎上考慮污染物處理效率。因此，每天下午15時30分在污水處理設備的進水口和出入口采集樣品，污水樣品0.5 L，滴3滴甲苯固定，加4.5 mol/L硫酸溶液調節pH值，使其小于2。

2.3 測定指標與測定單位

2.3.1 檢測指標

糞便的主要檢測指標為含水率、有機質、總氮、總磷；污水和尿液的主要檢測指標包括COD、總磷、總氮、氨氮。飼料成分包括粗蛋白、磷、含水率。

2.3.2 檢測單位

所有采集的糞便送山西省農業科學院農業環境與資源研究所檢測。尿液、污水樣品、飼料樣品送山西省太原市京誠科技公司檢測。

3 糞便、尿液、污水中各物質成分檢測

保育豬糞便中含水率濃度由高到低依次是春季＞冬季＞秋季＞夏季，全氮濃度從高到低分別是冬季＞夏季＞春季＞秋季，全磷濃度由高到低分別是冬季＞春季＞夏季＞秋季，有機質濃度從高到低依次是冬季＞秋季＞夏季＞春季，糞便產生量從高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD濃度、氨氮濃度和總氮濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，總磷濃度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，尿液產生量由高到低分別是夏季＞春季＞冬季＞秋季。

育肥豬糞便中含水率濃度由高到低分別是秋季＞冬季＞春季＞夏季，全氮濃度從高到低依次是冬季＞春季＞秋季＞夏季，全磷濃度、有機質濃度和糞便產生量由高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD濃度由高到低依次是秋、春、冬、夏，氨氮濃度和總氮濃度從高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季，總磷濃度由高到低分別是夏季＞春季＞秋季＞冬季，尿液產生量由高到低依次是秋季＞夏季＞冬季＞春季。

妊娠母豬糞便中含水率由高到低分別是秋季＞夏季＞冬季＞春季，全氮從高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季，全磷從高到低分別是春季＞秋季＞夏季＞冬季，有機質濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，糞便產生量由高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季。尿液中COD濃度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，氨氮濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏秋，總氮濃度和總磷濃度從高到低分別是秋季＞夏季＞春季＞冬季，尿液產生量由高到低分別是冬季＞春季＞秋季＞夏季。

表1 糞便、尿液、污水中各種物質成分

污水中COD濃度和氨氮濃度由高到低依次是夏季＞秋季＞春季＞冬季，總氮濃度從高到低依次是春季＞秋季＞冬季＞夏季，總磷濃度由高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。

4 產污系數的計算公式與結果

4.1 試驗豬場生豬不同生長階段日產污系數計算公式

在計算畜禽養殖業的產污系數時董紅敏[2]、莊犁[6]等都以天為單位，分別計算不同動物（生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞、山羊、綿羊）、單個（頭、只）動物在不同飼養階段的產污系數。采用的公式如下：

式⑴中，i、j、k分別為動物種類、生產階段、污染物種類；Fi,j,k為單位動物產污系數，mg/d；Qi,j為單位動物糞產量，kg/d；Ci,j,k為糞便中污染物濃度，mg/kg；Pi,j為單位動物尿液產量，L/d；Ui,j,k為尿液中污染物濃度，mg/L。

4.2 試驗豬場生豬不同生長階段產污系數計算結果

通過公式⑴計算得出試驗豬場生豬不同生長階段產污系數，見表2。

表2 生豬不同生長階段產污系數

產污系數：保育豬產糞量為0.689333 kg/d、產尿量1.126667 L/d、氮產生量30.71844 g/d、磷產生量9.311602 g/d、氨氮產生量1.079056 g/d、COD產生量13.80784 g/d；育肥豬產糞量 1.2995 kg/d、產尿量2.573167 L/d、氮產生量 55.04271 g/d、磷產生量19.09751 g/d、氨氮產生量2.795423 g/d、COD產生量39.70804 g/d；妊娠母豬產糞量1.0875 kg/d、產尿量3.4665 L/d、氮產生量 50.51397 g/d、磷產生量26.79187 g/d、氨氮產生量4.10173 g/d、COD產生量39.2535 g/d。

4.3 試驗豬場產污系數與華北地區生豬產污系數的比較

由圖1可知，試驗場保育豬糞便、尿液、氮產生量、磷產生量及COD分別是華北地區保育豬排放量的66.28%、1.05倍、1.5倍、267.57%、5.83%；試驗場育肥豬糞便、尿液、氮產生量、磷產生量及COD是華北地區育肥豬排放量的62.25%、1.2倍、1.67倍、3.15倍、9.46%；試驗場妊娠母豬糞便、尿液、氮產生量、磷產生量及COD是華北地區妊娠母豬排放量的53.31%、96.83%、1.16倍、2.7倍、8.14%。《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》中未提及氨氮產生量。

試驗得出的保育豬、育肥豬、妊娠母豬的氮磷產生量遠遠高于《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》中調查的華北地區的排污結果，但是試驗得出的COD的產生量卻不到《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》統計結果的10%。這或許與試驗采用的豬的品種、飼料中氮磷含量、飼養條件等有關。

5 排污系數的計算公式與結果

5.1 試驗豬場生豬不同生長階段排污系數計算公式

排污系數的測算要求在產污系數的基礎上考慮污水的處理效率[6]。不同學者對排污系數的計算采用的公式不同。本文參考董紅敏[2]計算畜禽養殖業排污系數的公式。具體公式如下：

式⑵中，Di,j,k為單位動物排污系數，mg/d；ηU為糞便利用率，%；ηT,k為第k種污染物處理效率，%。ηF為糞便收集率，%；WU為污水利用量，m3/d；WP為污水產生量，m3/d。

試驗豬場采取“干清糞＋沼氣池厭氧”處理生豬排出的糞便、尿液及其他污水。糞便收集后堆漚成有機肥后再還田，故糞便利用率ηU為0，污水經厭氧處理后直接排放至貯存池儲存，定期排放，故WU污水利用量為0，m3/d。

5.2 試驗豬場生豬不同生長階段排污系數計算結果

排污系數：保育豬的氮產生量為1.474438 g/d、磷產生量為9.329156 g/d、氨氮產生量為9.329156 g/d、COD產生量為14.87408 g/d；育肥豬氮產生量為62.31923 g/d、磷產生量為18.75259 g/d、氨氮產生量為2.63437 g/d、COD產生量為43.10466 g/d；妊娠母豬氮產生量為60.61763 g/d、磷產生量為26.16499 g/d、氨氮產生量為 4.564842 g/d、COD產生量為43.51085 g/d。

5.3 試驗豬場排污系數與華北地區生豬排污系數的比較

由圖2可以看出，試驗組保育豬、育肥豬（試驗）、妊娠母豬的氮產生量分別是華北地區保育豬、育肥豬、妊娠母豬氮產生量的45.79%、11.67倍、7.19倍；試驗組保育豬、育肥豬、妊娠母豬的磷產生量分別是華北地區保育豬、育肥豬、妊娠母豬磷產生量的24倍、43倍、100倍。試驗組保育豬COD產生量僅占華北地區保育豬的55.33%，試驗組育肥豬、妊娠母豬的COD產生量分別是華北地區育肥豬、妊娠母豬的1.4倍和2.23倍。《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》未涉及氨氮產生量的內容。

這與董紅敏[2]所得出的北京市某豬場不同階段生豬的排污系數氮的產生量、磷的產生量、COD的產生量高于《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》中氮的產生量、磷的產生量、COD產生量的結論相符合[6]。《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》對于污水處理的方式沒有涉及，這也是試驗得出的排污系數與《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》結果相差較大的原因。

6 試驗豬場生豬不同階段的產污系數與排污系數的比較分析

由圖3可知，保育豬的氮排放量占氮產生總量的4.8%，但是保育豬的氨氮排放量卻是氨氮產生總量的8.65倍。保育豬的磷、COD及其他階段的各種污染物的排放量與產生量的數值在94.24%～120%之間。豬場干清糞效率在90%的情況下，除保育豬的氮、氨氮外，保育豬的磷、COD及其他階段的各種污染物的排放量與產生量的數值在94.24%～120%之間，說明該豬場的沼氣厭氧池處理污水的效率極低，不能很好地降低各種污染物的濃度。

7 山西省生豬養殖業的排泄系數

周天墨[14]、林源[15]等都對畜禽養殖業的日產污系數進行了整合，以便在估算畜禽養殖業糞污產生量時有精確的排泄系數。

本文采用林源[15]的日產污系數整合公式，經過計算得出，一頭生豬的排泄系數：產糞量為1.06482 kg/d、產尿量為2.016821 L/d、氮的產生量為45.68722 g/d、磷的產生量為15.3337 g/d、氨氮產生量為2.135282 g/d、COD產生量為29.74642 g/d。母豬的排泄系數：產糞量為2.920821 kg/d、產尿量為7.550412 L/d、氮的產生量為133.5327 g/d、磷的產生量為59.34817 g/d、氨氮產生量為 8.516361 g/d、COD產生量為87.22412 g/d。

8 結論與討論

通過試驗采樣、實驗室樣本成分分析，運用公式⑴和公式⑵得出試驗豬場的產排污系數。試驗得出的山西省的產排污系數與《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》的結果相比，各階段生豬的糞尿產生量差異不大，但氮磷產生量遠遠高于《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》的結果。試驗得出的COD產生量不到《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》結果的10%。試驗發現不同階段生豬的排污系數氮產生量、磷產生量、COD產生量高于《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》中的氮產生量、磷產生量、COD產生量。《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》中污染普查與本次試驗所選擇的豬品種、采樣時間、采樣時處理措施、豬場采用的清糞方式、尿液污水處理技術等不同。此外，豬場所用飼料的氮磷含量也影響糞尿中各污染物的排泄。因此兩者的產排污系數存在極大的差異。

保育豬的氮排放量占氮產生總量的4.8%，但保育豬的氨氮排放量卻是氨氮產生總量的8.65倍。保育豬、育肥豬及妊娠母豬的磷、氮、氨氮、COD等的排放量與產生量的數值在94.24%～120%。說明厭氧處理污水效率極低。莊犁等[6]通過數據統計分析，發現西南地區生豬養殖小區采用干清的清糞方式、厭氧＋好氧的污水處理方式得到的排污系數遠低于同地區其他養殖規模的排污系數。說明“厭氧＋好氧”的污水處理方式效率要優于厭氧處理。

未來山西省的規模豬場應采取以下措施來控制豬場的糞污排放量。①提高規模豬場糞便的收集率；②定時維護與優化沼氣池的處理工藝，提高沼氣池處理尿液及其他生活污水的效率；③通過添加植酸酶和氨基酸來降低飼糧中蛋白質和磷含量，這樣可以降低豬糞尿中的氮磷含量[28-30]。

此外，根據試驗得出的產污系數，代入公式⑷和公式⑸得出山西省養豬業的排泄系數：一頭生豬產糞量為1.06482 kg/d、產尿量為2.016821 L/d、氮的產生量為45.68722 g/d、磷的產生量為15.3337 g/d、氨氮產生量為2.135282 g/d、COD產生量為29.74642 g/d。妊娠母豬產糞量為2.920821 kg/d、產尿量為7.550412 L/d、氮的產生量為133.5327 g/d、磷的產生量為59.34817 g/d、氨氮產生量為 8.516361 g/d、COD產生量為87.22412 g/d。利用具體的山西省養豬業的排泄系數可以準確估算山西省的糞污年產生量。

綜上所述，生豬的不同生長階段的產排污系數與《第一次全國污染源普查畜禽養殖業產排污系數及排污系數手冊》存在極大的差異。本次試驗測算得出的生豬不同生長階段的產排污系數是在第一次污染普查的基礎上對山西省畜禽養殖業的產排污系數的修正，更符合山西省畜禽養殖的污染特點，實用性更強。精確的排泄系數為估算山西省的糞污年產生量提供了較為準確的參考數據。