吳浩瑋，孫小淇，梁博文，陳家斌，2，周雪飛，2*

（1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

我國是農(nóng)業(yè)大國，畜牧業(yè)作為我國第一產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。過去50 a，我國畜牧業(yè)養(yǎng)殖方式從家庭散養(yǎng)向規(guī)模養(yǎng)殖加速轉(zhuǎn)變，且畜牧業(yè)總產(chǎn)值占比提高了13.3%[1]；但部分地區(qū)出現(xiàn)了養(yǎng)殖密度過高、土地畜禽廢棄物超負(fù)荷等問題，導(dǎo)致環(huán)境污染風(fēng)險驟增。如畜禽廢棄物經(jīng)雨水沖刷流入水體，會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化；未經(jīng)處理的畜禽糞污直接灌溉農(nóng)田，易造成土壤板結(jié)，且有害污染物在土壤中的大量沉積會嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長[2-4]。據(jù)原農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，我國每年畜禽糞污產(chǎn)生量高達(dá)38億t，但綜合利用率卻不足60%。在這種情況下，如何全面推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的處理及資源化利用成為亟待解決的問題。本文著重從畜禽糞便污染現(xiàn)狀及處理與資源化利用等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 畜禽養(yǎng)殖現(xiàn)狀及污染分析

1.1 畜禽養(yǎng)殖分布狀況

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展以及民眾生活水平的提高，人們對肉蛋奶的需求不斷增加。自改革開放以來，我國畜禽業(yè)發(fā)展取得的成就有目共睹。隨著強(qiáng)農(nóng)惠農(nóng)政策的實施，我國畜禽業(yè)發(fā)展逐步加快，呈現(xiàn)穩(wěn)步、健康發(fā)展的態(tài)勢[5-6]。依據(jù)中國畜牧獸醫(yī)年鑒，全國2015—2017年畜禽出欄量與存欄量匯總見表1。3 a中我國大型牲畜（豬、牛、羊）飼養(yǎng)量相對穩(wěn)定，家禽飼養(yǎng)量有所上升。由于各地區(qū)耕地分布和人口密度的不同，導(dǎo)致我國畜禽養(yǎng)殖種類和疏密度出現(xiàn)了不平衡[7]。2017年全國各地區(qū)主要畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（以豬當(dāng)量核算）分布情況見圖1。從圖1看出，我國畜禽養(yǎng)殖主要集中在山東、湖南、河南及四川等省份，以內(nèi)蒙古新巴虎左右旗交界處到海南省東方市西海岸為界線，西側(cè)為我國畜禽養(yǎng)殖的稀疏地區(qū)，而東側(cè)則為畜禽養(yǎng)殖的密集地區(qū)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明：我國西南地區(qū)依據(jù)草原優(yōu)勢發(fā)展以牛羊為主的食草型畜牧業(yè)；生豬產(chǎn)業(yè)集中在四川、河南、山東等省；禽蛋產(chǎn)業(yè)集中于河北、山東、江蘇等地。

1.2 畜禽養(yǎng)殖污染現(xiàn)狀及評估

伴隨畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖廢棄物的產(chǎn)生量也在逐年增加，對生態(tài)環(huán)境造成了極大威脅，其主要體現(xiàn)在水體、土壤和大氣污染三方面。

1.2.1 畜禽養(yǎng)殖污染種類

（1）水體污染

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的水體污染物主要包括有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)，而這些污染物進(jìn)入水體后會導(dǎo)致藻類迅速生長、水中溶解氧含量持續(xù)降低，導(dǎo)致水生生物大量死亡；同時，死亡的水生生物尸體腐敗后會導(dǎo)致厭氧細(xì)菌大量生長，使水體細(xì)菌指數(shù)超標(biāo)，繼而散發(fā)惡臭，甚至可使河流生態(tài)功能喪失[8]。另外，滲入地下的污水會大幅增加地下水中硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮的濃度，降低地下水溶解氧含量，致使地下水水質(zhì)嚴(yán)重下降。

（2）土壤污染

集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖模式導(dǎo)致畜禽糞便排放量大，遠(yuǎn)超土壤承載能力，難以被及時消納。畜禽糞便的大量堆積會導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)失衡及有害物質(zhì)的不斷累積，如農(nóng)田土壤中糞便施用過量會使土壤中氮、磷、鉀含量超標(biāo)，嚴(yán)重抑制農(nóng)作物生長[9]；此外，由于部分飼料中含有添加劑、抗生素等物質(zhì)，將帶有此類有害物質(zhì)的畜禽糞便施入農(nóng)田土壤后可導(dǎo)致大量有害組分被農(nóng)作物吸收，進(jìn)而嚴(yán)重威脅食品安全。

表1 全國2015—2017年主要畜禽出欄量與存欄量匯總Table 1 Summary of China′s main livestock and poultry output and stock in 2015—2017

圖1 2017年各地區(qū)主要畜禽養(yǎng)殖數(shù)量（以豬當(dāng)量核算）分布情況Figure 1 Distribution of main livestock and poultry raising in different regions in 2017（calculated by pig equivalent）

（3）大氣污染

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的空氣污染物以硫醇類、氨、硫化氫及糞臭素為主。在規(guī)?；B(yǎng)殖場中，由于養(yǎng)殖數(shù)量大且養(yǎng)殖區(qū)域集中，堆積的畜禽糞便經(jīng)腐敗分解后會產(chǎn)生諸如硫化氫等大量有毒有害氣體，致使畜禽對疾病的抵抗力減弱，極易感染一些傳染病[10]；此外，據(jù)統(tǒng)計，畜牧業(yè)是全球排名第二的溫室氣體來源產(chǎn)業(yè)，在我國，畜牧業(yè)也是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域第一大甲烷排放源，若畜禽糞尿處理不當(dāng)，將會對人們的生活環(huán)境和健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[11]。

1.2.2 畜禽養(yǎng)殖污染量化評估

本文只對我國畜禽養(yǎng)殖污染情況做粗略評估。因此，本研究在計算畜禽糞便排泄量時，只考慮豬、牛、羊及家禽這4類畜禽。據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ 497—2009）和國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[12]，飼養(yǎng)量估算如下：豬的飼養(yǎng)周期為199 d，因此豬1 a的飼養(yǎng)量按照當(dāng)年的出欄數(shù)計算；牛按用途分類主要有肉牛、役牛、奶牛和種牛（種牛數(shù)量相對很少，本文做近似估算，不考慮），其中役牛和奶牛一般當(dāng)年不出欄，采用年末存欄量作為當(dāng)年飼養(yǎng)量。肉牛未出欄時通常算在役牛的年末存欄量里，肉牛的當(dāng)年飼養(yǎng)量按當(dāng)年的出欄量計；羊的飼養(yǎng)周期長于1 a，采用年末存欄量作為當(dāng)年飼養(yǎng)量；由于無法收集各省家禽中肉雞、蛋雞、鴨及鵝的數(shù)據(jù)，故將家禽的年末存欄量近似認(rèn)為是當(dāng)年一個相對穩(wěn)定的飼養(yǎng)量。依據(jù)我國生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[12]，對畜禽糞、尿排泄系數(shù)（表2）和畜禽糞、尿污染物平均含量（表3）進(jìn)行了確定。

基于此，可采用公式（1）對畜禽糞便年產(chǎn)生量進(jìn)行估算：

式中：Q為年度畜禽糞便產(chǎn)生量；N為畜禽飼養(yǎng)量；T為飼養(yǎng)周期，其中豬的飼養(yǎng)周期為199 d，肉牛、役牛、奶牛、羊為365 d；P為畜禽糞便排泄系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，采用公式（2）進(jìn)一步求得畜禽糞便中各類污染物含量：

式中：A為畜禽糞便中某類污染物含量；C為單位質(zhì)量畜禽糞便中該類污染物含量。

表2 畜禽糞、尿排泄系數(shù)（kg·d）Table 2 Excretion coefficient of livestock and poultry manure（kg·d-1）

表3 畜禽糞、尿污染物平均含量（kg·t-1）Table 3 Average contents of pollutants of livestock and poultry manure（kg·t-1）

本研究由于無法收集各省家禽中肉雞、蛋雞、鴨、鵝的數(shù)據(jù)，故對家禽的糞便產(chǎn)生量做如下處理：將家禽的年末存欄量近似認(rèn)為是當(dāng)年一個相對穩(wěn)定的飼養(yǎng)量；家禽糞便污染物含量則為雞糞與鴨、鵝糞污染物含量的平均值。采用公式（3）對家禽糞便產(chǎn)量進(jìn)行估算：

本文以2017年畜禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)上述公式對我國各地區(qū)主要畜禽（大型牲畜豬、牛、羊和家禽）糞尿中COD、氮、磷分布及負(fù)荷占比進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖2所示。

從各地區(qū)COD分布圖來看（圖2a），內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、青海、寧夏以及新疆牛糞便COD比例較高，均占其總排放量的70%以上，雖然這些地區(qū)羊養(yǎng)殖量顯著多于豬和牛，但由于牛糞COD遠(yuǎn)超羊糞COD，因此牛糞反而成為了這些地區(qū)COD的最大來源；此外，黑龍江、貴州、云南及吉林牛糞便COD占其COD總量的60%左右，而其余地區(qū)豬為畜禽產(chǎn)業(yè)的主要養(yǎng)殖對象，因此豬糞COD占比較大。

圖2 各地區(qū)主要畜禽糞便中COD、氮、磷分布及負(fù)荷占比Figure 2 Distribution and load proportion of COD，TNand TPin manure of main livestock and poultry in different regions

從各地區(qū)畜禽糞便總氮、總磷分布圖來看（圖2b），四川、山東、河南、內(nèi)蒙古、云南排名靠前，與排放量基本一致。由總氮負(fù)荷占比分布圖（圖2c）可看出，絕大多數(shù)省份產(chǎn)出的四類畜禽糞便中，牛糞便氮含量占比最高，豬糞便次之；而內(nèi)蒙古、西藏、甘肅、青海、寧夏以及新疆等地區(qū)由于豬的養(yǎng)殖量較低，因此牛糞便的總氮比例較高，同時，這些地區(qū)羊養(yǎng)殖數(shù)量龐大，因此羊糞便的總氮比例顯著高于其他地區(qū)。從總磷負(fù)荷占比分布圖（圖2d）中可發(fā)現(xiàn)，西藏、青海、寧夏等地畜禽糞便中牛糞便含磷量均超過了50%，內(nèi)蒙古與新疆兩地區(qū)羊糞便中磷占比最高，均超過46%，而豬糞便與家禽糞含磷量在其他地區(qū)占有較高比例。由此可見，各地區(qū)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的不同直接導(dǎo)致畜禽糞便中各類污染物占比呈現(xiàn)顯著差異。

2 畜禽糞便處理與資源化利用技術(shù)

通過對畜禽糞便進(jìn)行有效處理，可在消除畜禽糞便污染的同時，使之變廢為寶，從而進(jìn)行資源化利用。

2.1 畜禽糞便處理技術(shù)

2.1.1 除臭處理

針對畜禽養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的諸如氨氣和硫化氫等臭氣，主要從以下兩方面進(jìn)行除臭處理：一是在飼料中添加除臭劑，強(qiáng)化飼料中蛋白質(zhì)的消化吸收進(jìn)而減少臭氣排放[13]；二是采用物理法（水洗法、空氣稀釋法）、化學(xué)法（燃燒法、投加藥劑法）和生物法（微生物菌劑、生物濾床法）等手段控制動物排泄后糞便的臭味，主要除臭手段的適用性及優(yōu)缺點見表4。

2.1.2 固液分離處理

據(jù)推算，我國每年由畜禽養(yǎng)殖場排放污水的化學(xué)耗氧量（COD）總量已接近工業(yè)廢水的COD排放總量，而排放的總固體含量（TS）是工業(yè)固體廢棄物的4倍，達(dá)19億t[3]。鑒于畜禽養(yǎng)殖廢水和固廢混合物的復(fù)雜性，目前國內(nèi)外普遍采用固液分離技術(shù)將畜禽廢物進(jìn)行干濕分離，以便于后續(xù)處置（如厭氧發(fā)酵）。通過固液分離可以分離出高COD固相，有利于厭氧效果的提升；同時，液相COD的降低縮小了厭氧處理裝置的容積和占地面積，可有效節(jié)約成本。目前，廣泛應(yīng)用的固液分離技術(shù)包括重力沉降技術(shù)、蒸發(fā)技術(shù)、絮凝分離技術(shù)、篩分技術(shù)、壓濾技術(shù)及沉淀離心技術(shù)，其應(yīng)用優(yōu)缺點如表5所示。

2.2 畜禽糞便資源化處理技術(shù)

2.2.1 厭氧發(fā)酵處理

畜禽糞便中有機(jī)質(zhì)含量為30%～70%，是具有巨大應(yīng)用潛力的碳源，可通過厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣等清潔能源；同時，消化產(chǎn)物沼液和沼渣富含多種有益微生物及氮、磷等營養(yǎng)元素，可用作土壤有機(jī)肥[20]。因此，畜禽糞便的厭氧發(fā)酵處理是一種可同時實現(xiàn)畜禽廢棄物減量化、資源化和能源化的高效資源化技術(shù)。典型的畜禽糞便厭氧處理流程如圖3所示。

表4 各種除臭方法的比較[14-16]Table 4 Comparison of various deodorization methods[14-16]

表5 幾種固液分離技術(shù)的優(yōu)缺點[17-19]Table 5 Advantages and disadvantages of several solid-liquid separation technologies[17-19]

目前，養(yǎng)殖場中常見的畜禽糞便厭氧發(fā)酵方式包括家庭式小型厭氧發(fā)酵罐、小型沼氣池及工程化升流式/臥式厭氧反應(yīng)器。前兩種簡易厭氧發(fā)酵技術(shù)成本低、處理能力小，主要應(yīng)用于個體養(yǎng)殖戶；而工程化升流式/臥式厭氧反應(yīng)器主要應(yīng)用于規(guī)模化養(yǎng)殖小區(qū)糞污集中處理。

2.2.2 堆肥化利用

畜禽糞便肥料化利用模式主要包括糞污全量還田、糞水肥料化利用、糞水達(dá)標(biāo)排放、異位發(fā)酵床及糞污堆肥利用等5種[22]。相較而言，堆肥手段具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，是目前應(yīng)用較廣的畜禽糞便處理模式[23]。畜禽糞便堆肥是利用堆料中的微生物發(fā)酵降解糞中有機(jī)物質(zhì)并產(chǎn)生高溫，促進(jìn)糞便腐熟并殺滅其中的病原微生物及雜草種子等，最后形成有利于植物利用的化合物及腐殖質(zhì)的一種生物化學(xué)過程[24-25]。典型的畜禽糞便堆肥工藝流程如圖4所示。

目前主要使用的堆肥技術(shù)包括條垛式堆肥、靜態(tài)堆垛堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥4類，其實際應(yīng)用范圍及優(yōu)缺點如表6所示。

3 畜禽糞便的資源化利用潛能評估

對畜禽糞便進(jìn)行資源化利用不僅能減少畜禽糞便的丟棄浪費(fèi)，提高利用效率，且對畜禽養(yǎng)殖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。按目前技術(shù)發(fā)展水平，畜禽糞便資源化利用方式主要為能源化利用和肥料化利用。本文以畜禽糞便產(chǎn)生量為基礎(chǔ)對畜禽糞便的能源化利用和肥料化利用潛能進(jìn)行評估，旨在為畜禽養(yǎng)殖污染控制及能源布局提供數(shù)據(jù)支持。

3.1 能源化利用潛能評估

畜禽糞便能源化利用是基于厭氧發(fā)酵技術(shù)處理糞便的同時，將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為甲烷、氫氣等清潔能源的過程。由于該法處理畜禽養(yǎng)殖廢棄物的一次性投資較大，對操作技術(shù)要求高，因而主要適用于大規(guī)模養(yǎng)殖或散養(yǎng)密集區(qū)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的集中式資源化處置。進(jìn)行畜禽糞便能源潛力（產(chǎn)沼氣量）評估時，以糞便的干物質(zhì)含量或COD含量為基準(zhǔn)進(jìn)行計算，不同畜禽糞便的產(chǎn)氣率見表7[12，28]。

圖3 典型畜禽糞便厭氧處理系統(tǒng)[21]Figure 3 Typical anaerobic treatment systemof livestock manure[21]

圖4 堆肥工藝流程Figure 4 Process flow of the composting

表6 4種堆肥技術(shù)的優(yōu)缺點Table 6 Advantagesand disadvantages of four composting techniques[26-27]

本文以干物質(zhì)含量計，公式如下：

式中：Y為畜禽糞便產(chǎn)沼氣預(yù)估量，m3；n為畜禽種類數(shù)量；Mi為第i種畜禽糞、尿產(chǎn)量，kg；Di為第i種畜禽糞便干物質(zhì)含量；βi為第i種畜尿糞便產(chǎn)氣率，m3·kg-1。

以公式（1）中的畜禽糞、尿年產(chǎn)生量（Q）作為Mi，以表7提供的干物質(zhì)含量與產(chǎn)氣率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用公式（4）對我國2017年各地區(qū)大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便可產(chǎn)沼氣量進(jìn)行了估算，結(jié)果如圖5所示。

表7 畜禽糞便的干物質(zhì)含量及產(chǎn)氣率Table 7 Dry matter content and biogas production rate of livestock and poultry manure

由圖可知，我國主要畜禽糞便能源潛力非?？捎^，2017年我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便產(chǎn)沼氣總潛能為1 983.00億m3，通過折算后相當(dāng)于產(chǎn)出1.42億t標(biāo)準(zhǔn)煤（以1 m3沼氣折合標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)為0.714 kg ce進(jìn)行計算）。我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便產(chǎn)沼氣潛力均值為63.97億m3，其中，產(chǎn)沼氣潛力較高的省份包括山東（161.78億m3）、內(nèi)蒙古（156.85億 m3）、河南（143.18億 m3）、四川（137.80億 m3）和新疆（113.48億m3）；而產(chǎn)沼氣潛力相對較低的省份主要包括浙江（14.55億 m3）、海南（12.03億 m3）、天津（6.31億 m3）、北京（3.86億 m3）和上海（1.99億 m3）。以市場價標(biāo)準(zhǔn)煤450～550元·t-1為基準(zhǔn)，可推算出我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便所產(chǎn)生的能源效益至少為637.14億元，各地區(qū)所產(chǎn)生的平均能源效益為20.55億元。

3.2 肥料化利用潛能評估

通常畜禽糞便污染物的流失率為25%～30%[29]，如按30%計，則2017年我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便氮、磷損失量分別為622.38萬t和171.26萬t。畜禽糞便養(yǎng)分主要包括氮和磷，經(jīng)堆肥處理過的畜禽糞便中重金屬活性顯著降低，且養(yǎng)分更有利于植物吸收利用。

圖5 各地區(qū)主要畜禽糞便的產(chǎn)沼氣潛力Figure 5 Potential biogas of main livestock and poultry manure of different regions

由中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)可知，2017年我國施用氮肥、磷肥分別為2 221.82萬t和797.59萬t。由此可知，我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便氮、磷養(yǎng)分含量分別達(dá)到氮肥、磷肥施用量的93.4%和71.6%。綜上，我國畜禽糞便肥料化潛力可以在較高程度上填補(bǔ)氮肥、磷肥的需求量，因此應(yīng)增加畜禽糞便還田比例以減少化肥的施用，在降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的同時，解決畜禽廢棄物的污染問題并減少化學(xué)肥料對農(nóng)田土壤的危害。

4 結(jié)論

（1）我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽養(yǎng)殖主要集中在山東、湖南、河南及四川等省份，畜牧業(yè)的發(fā)展帶來的水體、土壤和大氣污染不容忽視。各地區(qū)養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的不同直接導(dǎo)致畜禽糞便中各類污染物（COD、總氮、總磷）占比呈現(xiàn)顯著差異。

（2）目前對畜禽糞便主要采用厭氧發(fā)酵、堆肥等資源化利用技術(shù)。由于堆肥具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點，已成為我國畜禽糞便資源化利用的主流技術(shù)。

（3）我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便年產(chǎn)沼氣潛力為1 983.00億m3，折合1.42億t標(biāo)準(zhǔn)煤；在肥料化潛力方面，糞便總氮、總磷養(yǎng)分含量分別達(dá)到氮肥、磷肥施用量的93.4%和71.6%，可以在較高程度上填補(bǔ)氮、磷肥的需求量，減少化肥過量施用對農(nóng)田土壤的危害。