劉仁鑫，張金強(qiáng)，楊衛(wèi)平

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西 南昌 330045)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向規(guī)?；?、智能化、集約化轉(zhuǎn)型，畜禽養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展，畜禽糞污排放量也日益增加?！度珖?guó)第一次污染源普查公報(bào)》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量達(dá)2.43億t，尿液產(chǎn)生量達(dá)1.63億t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的96%[1]，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源，而這些畜禽糞污大部分被直接排放到環(huán)境中，嚴(yán)重污染了大氣、水體，危害人體健康[2]。盡管畜禽糞污給我們帶來了諸多的困擾，但是畜禽糞污不僅含有氮、磷、鉀等多種營(yíng)養(yǎng)元素，而且還含有大量的蛋白質(zhì)、維生素等有機(jī)物[3]，是一種特殊的農(nóng)業(yè)資源[4]。幾種畜禽糞便的主要成分見表1[5]。如果能合理將其資源化利用，不僅能解決畜禽糞污的環(huán)境污染問題，而且還能緩解我國(guó)資源短缺的壓力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也普遍認(rèn)為將畜禽糞污資源化處理是最佳方案，并對(duì)資源化處理技術(shù)進(jìn)行了眾多研究[6]。畜禽糞污資源化技術(shù)研究?jī)叭怀蔀橐粋€(gè)新熱點(diǎn)，因此本文對(duì)畜禽糞污資源化處理技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，對(duì)畜禽糞污資源化處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望，旨在為畜禽糞污資源化處理技術(shù)的發(fā)展研究提供參考。

表1 幾種畜禽糞便主要養(yǎng)分含量

1 畜禽糞污資源化處理技術(shù)的現(xiàn)狀

畜禽糞污資源化處理是將畜禽糞污“減量化、無害化、資源化”轉(zhuǎn)化為肥料、飼料、基質(zhì)或能源的過程[7]，按處理結(jié)果可將畜禽糞污資源化處理技術(shù)分為肥料化技術(shù)、飼料化技術(shù)、基質(zhì)化技術(shù)和能源化技術(shù)等[8]。

1.1 肥料化技術(shù)

肥料化技術(shù)是將畜禽糞污在微生物的作用下進(jìn)行好氧發(fā)酵，利用發(fā)酵反應(yīng)產(chǎn)生的高溫殺滅原料中的病蟲卵，同時(shí)使纖維素、蛋白質(zhì)等有機(jī)物礦質(zhì)化、腐殖化，制造腐熟有機(jī)肥的過程，堆肥機(jī)理如圖1所示。經(jīng)過不斷的發(fā)展，肥料化技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的堆漚、條垛式向密閉容器式轉(zhuǎn)變，通風(fēng)方式從自然通風(fēng)向強(qiáng)制通風(fēng)轉(zhuǎn)變，堆肥反應(yīng)環(huán)境由不可控向可控發(fā)展[9]。目前，按工藝的不同，肥料化技術(shù)可分為直接還田、條垛式堆肥、通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥、槽式堆肥和密閉容器式堆肥[10]。上述幾種堆肥系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的比較見表2。

圖1 好氧堆肥機(jī)理

表2 幾種堆肥系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1.1 直接還田 直接還田是一種傳統(tǒng)的畜禽糞污肥料化方式，通過直接將畜禽糞污埋入地底或者進(jìn)行簡(jiǎn)單的堆漚再施用到田地來完成。這種方法簡(jiǎn)單易操作、成本低，但需要有與養(yǎng)殖規(guī)模相匹配的土地來消耗其所排放的糞污[11]，適用于周圍有土地的大型農(nóng)場(chǎng)和農(nóng)村地區(qū)的養(yǎng)殖場(chǎng)。

1.1.2 條垛式堆肥 條垛式堆肥是一種簡(jiǎn)單、發(fā)展較成熟的系統(tǒng)，周瑋等[12]利用模糊評(píng)價(jià)方法學(xué)研究表明：條垛式堆肥技術(shù)是我國(guó)中部地區(qū)的典型肥料化技術(shù)。這種堆肥系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)是必須用混泥土或者瀝青對(duì)場(chǎng)地表面進(jìn)行處理，防止因滲漏造成對(duì)土壤和水源的污染，同時(shí)場(chǎng)地還應(yīng)具有坡度，以便多余水分快速流走，一般建造坡度應(yīng)該大于1%[13]；其次要注意翻堆的頻率，翻堆的頻率直接影響堆肥的質(zhì)量和堆肥過程中溫室氣體和氨氣的排放[14]，一般來說堆肥前期翻堆頻率要高于后期[15]。

條垛式堆肥需要的設(shè)備簡(jiǎn)單、投資低，但需要的土地面積大，同時(shí)長(zhǎng)達(dá)1～3個(gè)月[16]的堆肥周期更加大了這種堆肥系統(tǒng)對(duì)土地的需求量，這使得它只適用于美國(guó)、加拿大等土地資源豐富的國(guó)家；其次翻堆設(shè)備發(fā)展不完善、翻堆時(shí)間和翻堆頻率難以把控、容易產(chǎn)生厭氧反應(yīng)以及容易受到天氣的影響等缺點(diǎn)都使得這種堆肥系統(tǒng)的堆肥效果、堆肥質(zhì)量不理想，且二次污染嚴(yán)重，難以達(dá)到我國(guó)對(duì)畜禽糞污處理的要求。

1.1.3 通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥 通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥技術(shù)是在條垛式堆肥的基礎(chǔ)上加入通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展起來的[17]。通風(fēng)系統(tǒng)可分為被動(dòng)式和主動(dòng)式2種。被動(dòng)式是通過在堆肥場(chǎng)地挖通氣溝(也可建水泥溝槽代替)，并在堆體垂直方向插入膨松劑，利用煙囪效應(yīng)對(duì)堆體進(jìn)行自然通風(fēng)；主動(dòng)式是在堆體內(nèi)架設(shè)多孔管道，并在管道周圍填充膨松劑，利用鼓風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)等鼓風(fēng)設(shè)備通過管道對(duì)堆體內(nèi)部強(qiáng)制通風(fēng)。

通風(fēng)靜態(tài)垛堆肥相對(duì)于條垛式堆肥，通過加入通風(fēng)系統(tǒng)有效改善了對(duì)堆體溫度和通風(fēng)的控制，使得堆肥周期縮短，間接地減小了對(duì)土地的需求量。但易受天氣影響、二次污染嚴(yán)重等問題仍沒有得到解決，同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)建也帶來了一些新的問題。例如膨松劑對(duì)氧氣輸送均勻程度和輸送范圍有很大的影響，但是目前普遍使用的秸稈等多孔物質(zhì)效果并不理想，通風(fēng)不均勻、末端輸送不到風(fēng)等情況經(jīng)常出現(xiàn)，其次還存在通風(fēng)管道易被腐蝕、通風(fēng)孔易被物料堵塞以及通風(fēng)量難以把控等問題。

1.1.4 槽式堆肥 槽式堆肥主要由發(fā)酵槽和攪拌機(jī)兩部分組成，通常建有頂棚遮蓋設(shè)施。原料預(yù)處理之后可以連續(xù)或定時(shí)向發(fā)酵槽內(nèi)投料，翻堆機(jī)將原料由入口逐步向出口移動(dòng)，同時(shí)在發(fā)酵槽底部鋪有曝氣管道進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)，移出出口時(shí)就完成了一次發(fā)酵過程[18]。

槽式堆肥系統(tǒng)將翻堆和強(qiáng)制通風(fēng)相結(jié)合，有利于物料和氧氣的充分接觸，使得堆體升溫快，縮短反應(yīng)周期，但是需要注意控制翻堆的次數(shù)，隔1～3 d[19]翻堆1次最佳，翻堆的次數(shù)過快，不利于保持堆體溫度，還可能使物料未腐熟完成就被移出發(fā)酵槽。槽式堆肥還具有日處理量比較大、可連續(xù)作業(yè)以及頂棚有效避免天氣對(duì)堆肥的影響等優(yōu)勢(shì)，但是這種堆肥系統(tǒng)需要大量的土地及設(shè)備，投資成本很高。目前國(guó)內(nèi)也在積極研究一種多層一體式槽式堆肥機(jī)，通過利用空間來減少對(duì)土地的依賴，同時(shí)還有利于對(duì)臭氣的收集和處理。

1.1.5 密閉容器式堆肥 密閉容器式堆肥是目前比較先進(jìn)的堆肥處理方式，整個(gè)反應(yīng)過程在一個(gè)密閉或半密閉的裝置中完成，原料預(yù)處理之后可以連續(xù)或定時(shí)向容器內(nèi)投料，物料通過自身重力作用或者翻堆機(jī)的推動(dòng)下，以自上而下或者至始而終的方式從進(jìn)料口走向出料口，當(dāng)物料移出出口時(shí)就完成了一次腐熟發(fā)酵過程。

密閉容器式堆肥系統(tǒng)根據(jù)裝置的不同，可分為滾筒式、筒倉式、塔式和隧道式等。這幾種工藝的比較見表3[20]。它們都具有高度機(jī)械化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以對(duì)堆肥過程中的水分、溫度、pH值和氧氣水平進(jìn)行監(jiān)控，以保持堆肥反應(yīng)在最佳環(huán)境條件下進(jìn)行，使堆肥周期縮短，堆肥無害化程度和堆肥質(zhì)量提高；同時(shí)堆肥的整個(gè)過程在密閉容器中進(jìn)行，不易受天氣的影響，還有利于臭氣的收集和處理。密閉容器式堆肥系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)堆肥系統(tǒng)很多的不足，但是它單體處理量小，運(yùn)行成本高，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模處理；另外它在重要的通氣技術(shù)上也存在問題，主要表現(xiàn)在堆肥過程中旋轉(zhuǎn)的葉片容易將原料壓實(shí)，葉片上的通氣孔又易被壓實(shí)的塊狀運(yùn)料堵塞，致使通氣性能不太好，所以目前難以作為主要的畜禽糞污處理方式。

表3 幾種密閉容器式堆肥工藝的比較

1.2 能源化技術(shù)

1.2.1 直燃產(chǎn)熱 通過將畜禽糞污干濕分離，固體糞便經(jīng)壓塊處理后直接當(dāng)燃料使用，可用于取暖、照明和發(fā)電。美國(guó)薩?？丝さ陌岭u糞發(fā)電站是最早利用焚燒干燥畜禽糞污產(chǎn)熱發(fā)電的電站，每年可消耗雞糞12.5萬t[21]；國(guó)內(nèi)對(duì)這種技術(shù)也有應(yīng)用，福建圣農(nóng)集團(tuán)每年燃燒25萬t雞糞和谷殼的混合物，可節(jié)省8.8萬t煤[4]。但是要注意對(duì)焚燒過程中產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行收集處理，否則極容易造成二次污染。

1.2.2 沼氣工程 沼氣工程是一種利用畜禽糞污制沼氣的糞污處理系統(tǒng)，無氧的環(huán)境是產(chǎn)生沼氣的首要條件，合適的碳氮比對(duì)產(chǎn)氣的速度有重要影響，魏碧武等[22]認(rèn)為碳氮比25∶1時(shí)產(chǎn)氣系數(shù)較高。常見的沼氣工藝主要有：地下水壓式沼氣池、厭氧消化池、上流式厭氧污泥床(UASB)、升流式污泥床反應(yīng)器(USR)、厭氧濾器(AF)、兩段厭氧消化法、厭氧復(fù)合床反應(yīng)器(UBF)、全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR)等，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要使用CSTR、USR、地下水壓式沼氣池，這3種工藝的使用比例達(dá)66%[23]。

沼氣工程能有效殺死畜禽糞污中的病蟲卵，減少污染，產(chǎn)生的沼氣在我國(guó)主要用于發(fā)電并入電網(wǎng)，我國(guó)延慶縣的德青源發(fā)電工程每天可處理400多t雞糞，日發(fā)電量達(dá)4萬kW·h[24]。同時(shí)沼氣高值化技術(shù)與提純技術(shù)的發(fā)展，有望將沼氣提純代替柴油、汽油以及天然氣等[25]，能有效解決能源短缺問題。但是因微生物對(duì)溫度變化很敏感，要使沼氣能穩(wěn)定生產(chǎn)，沼氣工程必須配備全自動(dòng)的溫控系統(tǒng)，對(duì)資金和技術(shù)要求都很高[26]；另外沼液的處理還是個(gè)難題，很容易造成二次污染。

1.3 飼料化技術(shù)

通過將畜禽糞便中未消化的粗蛋白、粗纖維等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行處理加工后，摻雜到飼料中，加以循環(huán)利用，有利于提高飼料的使用效率，是畜禽糞污資源化利用的重要途徑。目前畜禽糞污飼料化的主要方式有以下幾種。

1.3.1 新鮮糞便直接做飼料 這種方法主要適用于雞糞，例如雞糞直接用來喂魚或者豬[27]。它簡(jiǎn)單易操作，但是糞便未經(jīng)處理，其中含有大量的微生物、有毒物質(zhì)和寄生蟲，達(dá)不到飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，容易造成食品安全問題，限制了其推廣使用。

1.3.2 青貯 青貯法是將畜禽糞污和青飼料等按一定比例混合(例如雞糞65%、青飼料25%、麩皮10%)[28]進(jìn)行青貯，可以殺死糞污中的微生物病菌，提高粗蛋白水平，同時(shí)成品還有一定的口感，但是其中的抗生素和重金屬還是無法得到有效處理。

1.3.3 干燥 畜禽糞污干燥后可制成高蛋白飼料，水分通常低于10%，病蟲卵被有效殺死。干燥的方法有自然干燥、烘干以及高溫快速干燥等[29]。自然干燥的方法是將畜禽糞便直接攤開在地面上，利用陽光、風(fēng)或者人工翻動(dòng)來降低水分[30]，這使得它很容易受天氣條件的影響；烘干是通過設(shè)備將糞便加熱，通常干燥過程的溫度在70 ℃左右，干燥完成約需12 h，提高加熱溫度也可縮短加熱時(shí)間；高溫快速干燥的加熱溫度一般高于500 ℃，干燥速度快，能有效殺死微生物病菌，但是設(shè)備耗能大，使得成本很高，同時(shí)臭氣難處理。

1.4 基質(zhì)化技術(shù)

畜禽糞污基質(zhì)化主要有2種模式：一是將畜禽糞污直接作為基質(zhì)原料，這種模式操作簡(jiǎn)單，但是基質(zhì)養(yǎng)分利用困難，理化性質(zhì)也難達(dá)標(biāo)；二是作為輔助物質(zhì)加入到基質(zhì)原料中提高基質(zhì)品質(zhì)。汪開英等[31]發(fā)現(xiàn)加入30%豬糞作為輔助物質(zhì)時(shí)，基質(zhì)的理化性質(zhì)最好，適合工產(chǎn)化生產(chǎn)；范如芹把這種模式的流程歸納為料預(yù)處理、復(fù)配以及性狀調(diào)控三步，技術(shù)流程圖如圖2所示[32]。畜禽糞污基質(zhì)化后是無土栽培的重要原料，能固定、支持植株，同時(shí)為植物提供營(yíng)養(yǎng)及通氣持水條件等，有助于植物的生長(zhǎng)[33]。王宇等[34]發(fā)現(xiàn)用加入畜禽糞污作為輔助物質(zhì)的基質(zhì)，能使首茬出菇量提高24.4%。但目前畜禽糞污中的重金屬含量普遍超標(biāo)，難以用來栽培食用性植物，且在生產(chǎn)過程中，缺乏生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)，造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。

圖2 基質(zhì)化生產(chǎn)技術(shù)流程示意圖

2 畜禽糞污處理技術(shù)存在的問題

2.1 投入不足，技術(shù)落后

目前的畜禽糞污處理技術(shù)都缺乏效益性，但是建一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的糞污處理系統(tǒng)投資費(fèi)用很高，而國(guó)家的財(cái)政支持力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，使得業(yè)主難以承擔(dān)治污費(fèi)用，對(duì)畜禽糞污處理的投入極其不足[35]。這導(dǎo)致直接還田、條垛式及槽式堆肥等技術(shù)含量低、效果差的處理系統(tǒng)仍然是我國(guó)畜禽糞污的主要處理方式[36]，這些技術(shù)都不同程度地存在著二次污染、綜合效益不高等缺陷[37]，技術(shù)嚴(yán)重滯后。其次先進(jìn)實(shí)用的配套技術(shù)及設(shè)備的缺乏，進(jìn)一步導(dǎo)致畜禽糞污資源化綜合利用程度較低，如清糞技術(shù)、儲(chǔ)存技術(shù)以及運(yùn)輸技術(shù)等[13]。

2.2 缺乏先進(jìn)完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)齡一般為3～5年，但我國(guó)現(xiàn)行的關(guān)于畜禽糞污處理技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)超過5年[38]，難以適用于當(dāng)下形勢(shì)。同時(shí)我國(guó)地域廣闊，氣候環(huán)境復(fù)雜，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模大小不一，單一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無法適應(yīng)所有糞污處理的需要，針對(duì)不同情況下的新技術(shù)、新材料的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范急亟建立，產(chǎn)品檢測(cè)、生產(chǎn)的技術(shù)規(guī)范亟需完善，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的可操作性亟需加強(qiáng)。

2.3 處理技術(shù)與實(shí)際脫離

現(xiàn)在畜禽糞污資源化技術(shù)的研究主要集中在純技術(shù)上的研究和探討[39]，著重于糞便處理的技術(shù)工藝措施的分析和總結(jié)[40]，在技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的研究比較多，但是大部分沒有考慮到農(nóng)村缺乏勞動(dòng)力、資金，而規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)缺乏配套土地以及種植戶對(duì)有機(jī)肥的需求情況等因素，未將技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境結(jié)合起來進(jìn)行整合研究，導(dǎo)致大部分技術(shù)與種養(yǎng)業(yè)脫節(jié)[41]，不能滿足實(shí)際需求。

3 畜禽糞污處理技術(shù)的展望

肥料化是主要技術(shù)途徑。由于氣候、濕度、地理等因素，畜禽糞污能源化、基質(zhì)化和飼料化在我國(guó)應(yīng)用推廣存在難度[7]。相對(duì)而言，畜禽糞污肥料化技術(shù)的工藝、設(shè)備發(fā)展較成熟，具有經(jīng)濟(jì)可行性和操作性，還可以解決化肥使用過量導(dǎo)致的土壤結(jié)塊、水體污染等環(huán)境問題，所以畜禽糞污堆肥化將是解決畜禽糞污問題的主要技術(shù)途徑[39]。

產(chǎn)品功能化、多樣化。根據(jù)種植作物的種類以及附近農(nóng)地面積、土壤成分及農(nóng)作物所需養(yǎng)分含量，整合多種方式方法、應(yīng)用多種科學(xué)技術(shù)制定適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的處理模式，對(duì)畜禽糞污進(jìn)行針對(duì)性處理，制得當(dāng)?shù)匦枰某善罚沟卯a(chǎn)品多樣化、功能化。

完善畜禽糞污利用管理系統(tǒng)。可根據(jù)畜禽糞污的成分、含水量及重金屬含量等，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備、當(dāng)?shù)氐臍夂颉?dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)、現(xiàn)有的勞動(dòng)力、可投入的資金、市場(chǎng)等各種因素，選擇符合當(dāng)?shù)貙?shí)際的畜禽糞污管理模式。