畜禽養殖業污染物的無害化處理及資源化利用分析

王元芳，古 鵬，劉存慶，囤 越，馬海彥，郭新彬，喬光明

(1.濰坊學院 化學化工與環境工程學院，山東 濰坊 261061；2.淄博市環境污染防控中心，山東 淄博 255000)

中國作為一個農業大國，第一產業生產總值一直占據較大的比重，其中畜牧業生產總值的比例持續增長，平均增速為7.2%。為了滿足人民日益增長的消費需求，各種畜禽產品的產量不斷增長，肉、奶、蛋等已經由1996年的4584.0、735.8、1965.2萬t增長到2018年的8624.6、3176.8、3128.3萬t；平均年增速分別為3.8%、14.4%、2.6%[1]。人民生活質量的逐步改善卻是以環境質量的惡化為代價的，截至2018年，仍有64.2%的城市環境空氣質量超標，重度污染達1899天次；6.7%的地表水體為劣五類水質，其中黃河、淮河和松花江流域為輕度污染，海河和遼河流域為中度污染，111個重要湖泊、水庫中仍有9個為劣五類水質，主要污染指標為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、高錳酸鹽指數等[2]。

畜禽養殖業的飛速發展在提高農民收入的同時，引發了嚴重的水環境、大氣環境、土壤環境等污染問題[3-6]。畜禽糞便廢水中含有較高濃度的N、P、重金屬、藥物以及大量病原微生物等，如果未經處理直接排入外環境，將導致水體富營養化、重金屬超標等，地表水體及湖泊、水庫等環境質量急劇惡化[7-10]。傳統養殖模式下，多數畜禽糞便直接還田，導致了土壤的嚴重污染，重金屬、抗生素、致病菌等污染物隨著生物鏈的傳遞，在生物體內不斷富集，破壞了生態系統的平衡，影響了各種農作物質量，危害了人類的生命健康[11-12]。畜禽養殖過程中排放的大量溫室氣體，以及含硫、氮等揮發性惡臭氣體，不僅影響了畜禽的生長發育，損害了周圍居民的身心健康，而且引發了一系列的氣候問題[13-14]。

畜禽養殖糞便的隨意排放不僅污染了環境，而且浪費了資源。糞便的無害化處理及資源化利用已成為社會各界廣泛關注的環境問題之一。傳統的糞便直接還田模式已經造成土壤嚴重超負荷，新型、高效的處理技術已成為糞便研究的熱點，而利用處理后的糞便開展資源化研究，實現變糞便為資源，成為促進畜牧業、農業可持續發展的重要手段之一。本研究以2005～2018年的豬、牛養殖產量為基數，分析了自“十一五”以來畜禽養殖業的發展歷程以及污染物的排放，探討了各種無害化處理技術及資源化利用途徑的可行性，從而提出了有利于生態文明建設的畜禽養殖糞便的處理對策及建議。

1 全國畜禽養殖業污染物產生量計算

1.1 數據來源

全國主要畜禽(豬、牛)的養殖數量來源于國家統計局發布的2005～2018年《中國統計年鑒》，豬肉、牛肉產量來源于2005～2018年《國民經濟和社會發展統計公報》。我國豬的平均飼養周期取199 d，牛的平均飼養周期取365 d[15]，因此在測算畜禽養殖業污染物的排放量時，豬、牛的測算基數分別為豬的年末出欄數、牛的年末存欄數。自“十一五”以來，全國每年主要畜禽養殖數量變化見圖1，豬肉、牛肉產量變化及增長速度見圖2。

由圖1可以發現，2005～2014年期間，除個別年份外，我國生豬的養殖數量基本保持逐年遞增的趨勢，由2005年的60357.4萬頭增加到2014年的74951.5萬頭，增長率為24.2%。自2014年以后，生豬養殖態勢有所減緩，但截至2018年底，仍有69382.4萬頭存欄量。居高不下的生豬養殖量與我國居民的飲食習慣密切相關，在肉制品市場中居民對豬肉的需求是最高的。受自然生產周期長、養殖風險大等因素影響，奶牛養殖業發展緩慢，因此導致奶牛和牛犢數量逐年下降，自2005年的10990.8萬頭下降到2018年的8915.3萬頭，下降幅度達18.9%。

圖1 2005～2018年全國主要畜禽養殖數量

由圖2可知，全國豬肉產量雖然每年略有波動，但整體呈上升趨勢，由2005年的4528萬t增長到2018年的5404萬t；增長了19.3%。自2005年以來，全國牛肉產量逐年遞增，由2005年的549萬t增加到2017年的726萬t，增幅達32.2%；2018年肉牛的產量略有下降。除豬肉、牛肉以外，我國每年的羊肉、禽蛋等產品亦占有很高的比重，2018年，羊肉產量475萬t，禽肉產量1994萬t，禽蛋產量3128萬t，牛奶產量3075萬t。

圖2 2005～2018年全國豬肉、牛肉產量變化

1.2 污染物產生量計算

畜禽養殖業污染物的產生量由畜禽養殖數量及污染物排放強度測算得出，本文采用第一次全國《污染源普查產排污系數手冊》中的數據，豬、牛產污系數見表1。根據下列計算公式，得出全國畜禽養殖業污染物的產生量，具體結果見圖3。

表1 豬、牛產污系數表 kg/頭

畜禽養殖業每年COD產生量計算公式為：

YC=N×E×10-3

(1)

畜禽養殖業每年NH3-N產生量計算公式為：

YN=N×E×10-3

(2)

式中：YC、YN分別為每年COD、NH3-N產生量，單位：萬t；N為養殖數量，單位：萬頭；E為產污系數，單位：kg/頭。

畜禽養殖廢水主要包括糞便沖洗水及尿液，成分復雜，有機物濃度高，COD可達46800 mg/L，NH3-N可達1780 mg/L，重金屬銅的含量可達5.8 mg/L，重金屬鋅的含量可達9.3 mg/L[16-18]。由圖3可知，2011年以前，畜禽養殖業 COD 產生量逐年下降，且降幅較大，由2005年的9998.7萬t降到2011年的9094.5萬t，年下降速度為9%，主要是由于奶牛養殖數量的下降導致的。進入“十二五”以來，COD產生量每年降幅不大，基本維持在9000萬t左右。畜禽養殖業NH3-N的產生量卻是持續增長，由2005年的136.7萬t上升到2014年的157.6萬t，之后NH3-N產生量的增長速度有所減緩，目前維持在150萬t左右。2015年《中國環境狀況公報》顯示，畜禽養殖業的COD和NH3-N排放量分別占全國廢水COD和NH3-N排放總量的45.7%、24.0%。畜禽養殖業已成為農業面源污染的主要來源之一，一旦畜禽養殖廢水未經處理進入地表水體、湖泊、水庫等水生態環境，將不斷消耗水體溶解氧，導致水生生物死亡，生態系統失衡。畜禽養殖糞便的長期堆積、廢水的下滲均會影響地下水水質及土壤質量，例如硝態氮濃度升高、重金屬含量升高、溶解氧濃度下降、土壤板結等。基于上述分析，畜禽養殖業的末端治理仍是消除農業面源污染的重中之重。

圖3 2005～2018年全國畜禽養殖業污染物產生量

2 畜禽養殖業污染物的治理技術

畜禽養殖業污染物的治理主要針對糞便的收集處理及廢水的污染控制。本文以對污染物的處理結果為依據，將治理技術分為無害化處理及資源化利用兩大類。畜禽養殖過程中會產生大量廢水，尤其是生豬養殖業，通過對畜禽養殖廢水的集中收集處理，可大大降低農業源COD和NH3-N的排放量。目前常用的糞便廢水集中處理工藝包括4個工序：預處理、厭氧生物處理、好氧生物處理、深度處理。通過預處理階段，實現糞便及尿液的分離，并調節污水進水水質。利用厭氧微生物和部分兼性微生物的代謝作用，降解廢水中的有機物，去除部分COD，并殺滅某些病原菌。厭氧生物處理階段對廢水中NH3-N的去除效率不高。好氧微生物利用厭氧階段未完全降解的有機物為底物，進行有氧代謝，實現有機物向無機物的轉化，進一步去除廢水中的COD和NH3-N。為了實現畜禽養殖廢水的無害化處理，消除各種致病菌的存在，深度處理工藝是必需的環節。而且通過深度處理，畜禽養殖廢水在滿足《畜禽養殖業污染物排放標準》(GB 18596—2001)中的相關規定的同時，又可以達到不同的回用水標準，實現水資源的再利用。畜禽養殖廢水全過程處理的具體方法見圖4。經過上述4個環節的無害化處理，畜禽養殖廢水可實現達標排放。例如，吳衍莉[19]利用厭氧序批式活性污泥法-間歇式活性污泥法(ASBR-SBR)串聯工藝處理高濃度養牛場廢水，得到了50%的COD去除率和92.8%的NH3-N去除率；崔璨[20]利用納濾處理后的海水處理養豬場廢水，既去除了廢水中的NH3-N，又以鳥糞石的形式回收了海水中的鎂；靳省飛[21]利用伊犁絹蒿種子的提取液作為絮凝劑處理養豬場糞便污水，COD去除率達到68.3%。

圖4 畜禽養殖廢水無害化處理途徑

畜禽養殖場廢水的排放量及污染物濃度很大程度上取決于養殖場的清糞方式。清糞方式主要包括水沖糞、水泡糞、人工干清糞、機械干清糞。傳統的散養模式及部分養殖專業戶采取水沖糞、水泡糞的方式進行糞便處理，大大增加了廢水排放量，且糞便中的有機物轉移至廢水中，導致廢水污染物濃度升高，加大了處理成本及難度。該種清糞方式在北方地區已被陸續淘汰，例如山東省已經禁止規模化養殖場(小區)對豬舍、牛圈等采取水沖糞、水泡糞處理方式。為進一步實現糞便污水的減量化，政府應大力提倡傳統的散養模式、養殖專業戶向規模化養殖場(小區)轉移，提高了我國畜禽養殖業的集約化程度，從源頭上控制了廢水排放量及污染物濃度。通過人工或機械干清糞，可以實現廢水的減量化，同時降低廢水污染物濃度。集中收集的糞便可以用于生產飼料、生產有機肥、農業利用、能源利用等，實現糞便的資源化，具體的資源化利用途徑見圖5。根據畜禽養殖場的養殖規模、養殖種類、飼養管理方式、自然環境條件等，可以采用多種技術的優化組合模式。

圖5 畜禽養殖糞便資源化利用途徑

3 影響糞便處理工藝的因素

無論是采用自然生態處理法、物理化學處理法，還是采用生物處理法，在畜禽養殖廢水及糞便的處理過程中，很多因素會影響處理的最終效果。好氧堆肥是糞便資源化處理的有效手段之一，不僅可以殺滅糞便中的病原菌，還具有占地少、投資少、操作簡單可靠等優點[22-23]。厭氧發酵可以產生新能源，而且產泥量少[24]。本文以好氧堆肥及厭氧發酵為例介紹具體的影響糞便處理工藝的因素。

(1)碳氮比(C/N)

畜禽糞便的碳氮比反映了糞便堆肥的平衡狀態，而且影響厭氧發酵的沼氣產率及發酵液的氨氮濃度。由于微生物的C/N約為20，因此一般C/N取15～30之間，有利于好氧堆肥的快速腐熟、厭氧發酵的進行。

(2)溫度

堆體溫度反映了好氧堆肥及厭氧發酵系統中微生物的活動狀態，是影響微生物生長代謝的重要因素。溫度過高，微生物的代謝作用受到抑制，影響了有機物的降解。一般微生物活性最佳的溫度范圍為35～50 ℃，調節環境溫度處于該范圍有利于堆肥反應的發生。而微小的溫度波動對厭氧微生物會造成較大的沖擊，因此，在厭氧發酵工藝中應盡可能避免任何劇烈的溫度變化。

(3)pH值

堆肥過程中pH值過高或過低會影響微生物的生物活性。一般微生物適宜的pH值是中性或弱堿性。在整個堆肥過程中，堆體pH值具有一定的緩沖能力，可以在一定程度上維持穩定。通常厭氧微生物對環境pH值的變化適應較慢。

(4)水分

堆體水分含量的高低影響了好氧堆肥反應速度的快慢，甚至決定了整個好氧堆肥體系的穩定運行。如果堆體水分低于10%～15%，好氧微生物的代謝作用緩慢甚至停滯；如果堆體水分含量過高，微生物進入厭氧發酵狀態，有機物降解速度降低，堆肥時間延長。

(5)操作方式

堆肥過程中的通風方式、次數會一定程度上影響糞便氮素的損失，通常翻堆次數過多會導致氮素損失較多。

4 結論及建議

(1)嚴格污染源頭控制。畜禽養殖業污染物排放是農業面源污染的主要來源之一，其排放源的分散性、時空不確定性不利于統籌管理，增大了污染治理難度。從源頭管控污染物的排放量及排放強度，能夠有效地解決過程監控的盲區，促進末端治理效率的提升，實現畜禽養殖廢水及糞便的無害化處理及資源化利用。堅持“預防為主、防治結合”的治理原則，嚴格遵循《畜禽養殖禁養區劃定技術指南》劃定禁養區，大力推廣機械干清糞，從源頭上預防污染物的產生。

(2)因地制宜、采取適宜的末端治理技術。選擇適合地區發展的糞便處理技術是糞便末端治理首先要考慮的問題。結合當地經濟發展，選擇切合實際的處理工藝及資源化途徑，構建畜禽養殖業、農業、種植業、林業、漁業等市場經濟鏈。一方面，企業通過自主拓寬市場、打造產品交易網絡；另一方面，政府應采取政策引導、技術扶持、資金獎勵等措施建立起更加完善的污染物管理體系，加強執法力度，促進畜禽養殖業的生態健康發展。