北京市奶牛糞污管理及資源化利用技術現狀

徐永洞，王子涵，路永強，郭江鵬，劉志丹＊

1 中國農業大學水利與土木工程學院環境增值能源實驗室，北京 100083

2 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083

3 北京市畜牧總站，北京 100101

0 引言

當前我國乳制品消費量巨大。2020年，新冠肺炎疫情（簡稱“疫情”）背景下，國家衛生健康委發布了《新型冠狀病毒感染的肺炎防治營養膳食指導》，其中科學飲食成為防控新冠肺炎的重要途徑。牛奶在提高人體免疫力功能方面受到廣泛的關注。2020年，居民乳制品購買意愿顯著提高[1]。據農業農村部食物與營養發展研究所動物食物與營養政策中心測算，2020年全國奶類產量3 544.00 萬噸（圖1），全年奶類表觀消費量達到5 406.00 萬噸，同比2019年增長8.0%，人均乳制品消費量達38.30 kg，同比2019年增長7.8%，消費增幅處于歷史高位[2]。

圖1 2012—2020年我國牛奶產量

圖1 2012—2020年我國牛奶產量

乳制品需求的大幅增長為全國的乳制品生產提供了機遇和挑戰[3]。然而，奶牛養殖是一個高污染行業，近年來，在中央加快推進生態文明建設的大背景下，奶牛場污染控制受到較大的關注。奶牛糞污管理落后會導致疾病多發，奶產品質量下降，產量降低，飼料和防控藥物成本增加。尤其在疫情背景下，各奶牛業從業人員在保護自身安全的前提下，更應該加強牛場管理，防止交叉感染或者奶牛場產生其他疫情。在奶牛場管理中，糞污處理是重要環節。奶牛場大量糞尿，剩余飼料等污物會對土壤、大氣和水體造成嚴重污染[4]。奶牛糞污中含有大量細菌、病毒、致病寄生蟲卵，危害畜禽健康和環境安全，甚至威脅人類健康。奶牛糞污中的布魯氏分枝桿菌、結核分枝桿菌、大腸桿菌、牛生殖道彎曲菌、鉤端螺旋體、朊病毒（瘋牛病病毒）、戊型肝炎病毒等，可以導致人類感染，對食品安全、社會衛生安全造成巨大的威脅。

北京是全球大都市，人口密集。在疫情期間，保障大城市的飲食和環境安全十分重要，乳制品在提高人體免疫力、控制疫情方面的作用受到認可，因此，做好乳制品供給尤為重要。近年來，在疏解非首都功能、促進產業轉型升級背景下，北京市現存奶牛場的重要性不言而喻，加強北京市的奶牛牧場糞污管理，具有顯著的示范意義和模式效應。因此，本文以北京市為例，對奶牛場畜禽糞污管理模式和技術進行總結，并對高值化利用奶牛糞污的前沿技術進行介紹。

1 北京市奶牛養殖現狀

近年來，在疏解非首都功能、促進產業轉型升級背景下，北京市奶牛產業作為污染較重的產業，從2015年開始向河北進行疏解[5]。截至2020年底，北京市有奶牛場49 家，其中順義區10 家，密云區5 家，通州區6 家，大興區2 家，房山區5 家，平谷區1 家，延慶區15 家，昌平區5 家。養殖總量68 445頭，各區的奶牛存欄量如圖2所示。

2 北京市畜禽糞污管理和資源化利用技術

近年來，我國畜禽養殖業向集約化、規模化快速發展，環境威脅日益加重。當前畜禽糞污管理已經成為畜禽養殖持續健康發展的關鍵因素。與其他畜禽相比，奶牛的糞污排放量大且養分濃度高。奶牛每天的糞污產生量為60～95 kg/頭，個體生命周期糞便排放量是生豬的13.47 倍[6]。當前北京市的畜禽糞污管理模式為源頭減量、過程控制、后端利用三個方面（表1）。

表1 2020年底北京市奶牛存欄量、糞污處理及利用現狀

2.1 糞污減量

糞污源頭減量是提高糞污處理水平、降低處理難度的重要途徑[7]。在奶牛場一般通過雨污分離、干清糞工藝、固液分離降低糞污的產量。奶牛養殖污水處理難度較高，雨水會顯著增加養殖污水的體積，增加生產成本。2021年，北京夏季降雨量較往年有顯著增大。在調研的49 家北京奶牛場，46 家配備了雨污分流設施，減少了牧場污水的產生量和處理難度。采用干清糞工藝，可以大大減少沖洗用水，降低污水的處理量。干清糞一般通過刮糞鏟、推車和集糞箱組成，工藝簡單。除降低污水產量外，與水沖糞和水泡糞相比，干清糞工藝可以減少投資成本。在調研的49 家奶牛場中，47 家采用干清糞工藝，2 家未采用干清糞工藝的牧場位于密云區，養殖規模分別為10 000和2 435 頭。固液分離是降低污水體積的重要途徑。通過干濕分離機，污水和固體糞便分別得到富集并進行針對性的處理。

續表1

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2.2 無害處理

發酵床技術是指在墊料中加入糞污降解微生物菌劑，通過翻拋等實現奶牛排泄物的混合，在牛舍內實現糞污的無害化降解，可以實現糞污的無害化處理[7，8]。氧化塘法可用于各種規模奶牛場的污水處理，其結構簡單、造價低、便于管理、利于廢水綜合利用和達標排放；但易受土地資源的限制，尤其在用地緊張的大型都市地區推廣較難；受氣候、天氣的影響較大，容易滋生蚊蟲，產生大量的惡臭氣體，引起周圍大氣污染。

2.3 資源利用

2.3.1 堆肥

固體糞污收集后，可以用于堆肥。當前北京市奶牛場多采用堆肥處理固體奶牛糞污。奶牛糞便中含有大量有機成分（如粗蛋白、粗脂肪、粗纖維和無氮浸出物）可以被微生物降解利用。此外，牛糞中含有大量的纖維素降解菌。控制好濕度（常為70%）和發酵環境（有氧），微生物在大量繁殖的同時會將其中的有機物分解成無臭味、完全腐熟的有機物，從而還田利用。牛糞堆肥過程中的溫度較高（常為65～70 ℃），可以殺死牛糞中部分有害微生物和寄生蟲卵，達到無害化處理牛糞的目的，有效解決奶牛場牛糞衛生安全問題[8，9]。

2.3.2 生產沼氣

厭氧發酵是指畜禽糞便、秸稈等農林有機廢棄物，在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體的過程。牛糞中含有多種厭氧發酵微生物，具有較好的原料條件，能夠實現高效的降解[10]。沼氣發酵系統基于沼氣發酵原理，以能源生產為目標，最終實現沼氣、沼液、沼渣的綜合利用。北京目前有3 家場奶牛利用厭氧發酵處理糞污生產沼氣。

2.3.3 牛床墊料

牛糞中含有較高的纖維素類物質，具有疏松透氣等性能。糞污堆肥結束后經過晾曬和烘干，作為牛床墊料使用[8]。牛床墊料使用尤其需要注意墊料中的微生物尤其是致病菌的含量。

2.3.4 蚯蚓養殖

當前順義區1 家奶牛場利用奶牛糞污養殖蚯蚓，實現糞污的高值化利用。利用蚯蚓處理糞污工藝簡單，費用低廉，收獲的蚯蚓具有較高的經濟利用價值。當前糞污處理使用的蚯蚓品種為赤子愛勝蚓，具有食量大、適應性廣、繁殖快、處理效率高的特點。蚯蚓養殖一般采用條垛式，溫度控制在20～30 ℃，最適濕度在75%左右，最適接種密度為8～12 條/90 g干牛糞基質[10，11]。

3 新興技術研究持續開展

當前北京市采用的畜禽糞污處理技術各有利弊。在探討畜禽糞污常規利用的同時，開發糞污利用的新型工藝和技術，具有重要意義。本課題組近10 余年，針對畜禽糞污管理和資源化利用，在堅持開展工程實踐的同時，持續開展了前沿技術的實驗室和中試研究。微藻轉化和水熱轉化技術研究的開展和應用，可以從本質上改變對畜禽糞污管理模式和畜禽糞污高值化利用途徑。

3.1 微藻處理轉化

經過厭氧發酵、氧化塘處理、厭氧氨氧化處理之后的廢水中含有較高的氮磷物質和化學需氧量（COD）。微藻具有較高的光合效率、環境適應能力強且生長周期短，在污水處理、轉化生物質產品中體現出顯著的優勢[12，13]。該方法的原理是：在氧化塘中養殖一定量的藻類，塘中的好氧細菌利用藻類光合作用產生的氧氣生存，并分解塘中的有機物，起到很好的脫氮除磷作用。此外，微藻對重金屬的吸附作用大大提高了沼液作為灌溉用水的安全性。收獲的微藻生物質在生物柴油、生物乙醇、生物氫及其他生物質轉化中具有較高的利用價值。

3.2 水熱轉化利用

水熱轉化技術是指在較高壓力下的熱轉化過程，溫度一般低于熱解液化[14]。一般來說，生物質是在有溶劑和氣氛存在以及反應溫度200～400 ℃、反應壓力5～25 MPa的條件下進行的生物質轉化過程。該處理條件下，糞污中的有害微生物被徹底殺滅，并能把糞污轉化為生物炭和生物原油。牛糞中含有較高的纖維素類物質，在水熱炭化時，獲得較高的生物炭產量。水熱轉化的生物炭在吸附性能、電池材料和土壤改良等方面具有重要的應用前景。水熱液化獲得的生物柴油，經過進一步處理后，在動力燃料應用方面具有較高的利用價值（圖3）。

圖3 微藻與水熱轉化耦合實現畜禽廢棄物資源化

3.3 墊料利用關鍵技術

牛糞再生墊料不僅能實現奶牛場糞污的無害化處理和資源化利用，而且可增加奶牛舒適性，逐漸替代了傳統墊料。但由于牛糞再生墊料的原料是牛糞，而新鮮牛糞中含有大量致病菌，因此，墊料產品的安全性受到廣泛關注。本課題組采用國產滾筒發酵設備（裝置見圖4）生產牛糞再生墊料探究不同季節牛糞墊料生產及存放過程物料特性及乳房炎致病菌的動態變化規律，并認為滾筒溫度和原料中總碳含量是致病菌數量變化的主要影響因素[15]。

圖4 牛糞再生墊料系統裝置圖

4 小結

做好奶牛糞污管理具有重要意義，尤其在當前疫情背景下，做好奶牛糞污管理對疫情防控、保障乳制品質量、穩定市場供應具有重要意義。在糞污處理中，政府的監管和示范具有重要導向作用，各奶牛場應該結合自身特點、地區特色和安全生產要求選擇適合的奶牛糞污管理模式，實現奶牛場的可持續發展。