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        我國集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治全鏈條技術(shù)模式評價

        2021-12-25 08:22:30于佳動趙立欣姚宗路李佩琪葉炳南
        中國乳業(yè) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:集約化賦值糞污

        于佳動,趙立欣,姚宗路,李佩琪,馮 晶,羅 娟,葉炳南

        1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點實驗室,北京 100125

        2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081

        0 引言

        習(xí)近平總書記指出,畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化,關(guān)系6 億多農(nóng)村居民生產(chǎn)生活環(huán)境,關(guān)系農(nóng)村能源革命,關(guān)系能不能不斷改善土壤地力,治理好農(nóng)業(yè)面源污染,是一件利國利民利長遠(yuǎn)的大好事。當(dāng)前,我國畜禽養(yǎng)殖集約化程度越來越高,在提高規(guī)?;潭取⒐芾硭?、生產(chǎn)效率的同時,畜禽糞污污染綜合防治也更加注重成熟的處理技術(shù)、成套的技術(shù)模式和成體系的生態(tài)循環(huán)。近年來,我國奶牛養(yǎng)殖水平總體保持穩(wěn)定,2015—2020年,年均存欄約1 000 萬頭,糞污年產(chǎn)量約4 億噸[1]。從養(yǎng)殖場糞污物理組成上分析,含固率15.00%~25.00%的固體糞便與尿液、奶廳沖洗廢水間的比例約5∶3∶2[2];從糞污化學(xué)成分上看,固體成分中含有30.00%~50.00%的木質(zhì)纖維素;從糞污微生物組成證明,糞污中含有大量的產(chǎn)甲烷菌、硝化菌、反硝化菌及各類致病菌等。這些客觀性質(zhì)均表現(xiàn)出奶牛糞污處理難度大、轉(zhuǎn)化效率低、污染風(fēng)險高等問題[3,4]。如何更加全面、準(zhǔn)確、高效的提高集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治水平,突出糞污資源化利用、污染物減排并提高集約化養(yǎng)殖場“全鏈條”糞污處理的運行效益,仍需對糞污污染綜合防治過程作進(jìn)一步剖析和評價,因地制宜提高奶牛糞污污染綜合防治水平。

        根據(jù)《中國奶業(yè)年鑒(2019)》,我國奶牛養(yǎng)殖場主要集中在北方地區(qū),占全國總量的95.00%以上。其中,存欄量排在前6 位的省份包括新疆、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江、山東、河南,約占全國奶牛存欄量的71.00%。通過調(diào)研和文獻(xiàn)分析,奶牛養(yǎng)殖場規(guī)模分為(100~1 000 頭)、中型(1 001~3 000 頭)和大型(3 000 頭以上)3 個區(qū)間[5,6]。近年來,3 000 頭以上的集約化奶牛養(yǎng)殖場數(shù)量增長迅速,加大了糞污區(qū)域處理的難度[7]。國外在養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治研究方面主要針對種養(yǎng)結(jié)合緊密地區(qū),提出了基于養(yǎng)分循環(huán)的糞污處理方式,如德國科隆大學(xué)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)等建立了以土地承載力為基礎(chǔ)的糞污區(qū)域還田應(yīng)用體系[8],美國建立了針對不同作物生長周期的糞污處理標(biāo)準(zhǔn)化還田方法[9]。國內(nèi)也開展了糞便堆肥、厭氧發(fā)酵和糞水貯存等糞污資源化利用關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化提升,研發(fā)了智能裝備,提高了糞污處理效率,如糞污厭氧發(fā)酵效率普遍提升了80.00%~150.00%,容積產(chǎn)氣率提升到2.0~3.0 m3/m3·d;堆肥周期也普遍縮短了5~10 天[10,11]。另外,2017年國家出臺《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》(國辦發(fā)〔2017〕48號),明確在加強(qiáng)畜禽糞污資源化利用技術(shù)集成方面支持糞污污染綜合防治和糞污資源化利用工作;“十三五”期間,國家每年出臺政策支持糞污資源化利用整縣推進(jìn),加強(qiáng)了技術(shù)模式的落地應(yīng)用,也更加強(qiáng)調(diào)成體系的技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境評價。但是,目前國內(nèi)外的研究多集中在糞污處理某個單項環(huán)節(jié)技術(shù)研發(fā),缺少包含糞污收集、運輸、處理及利用等全鏈條技術(shù)集成與模式評價,涉及成套技術(shù)模式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益評價體系也尚不完善,技術(shù)模式未得到進(jìn)一步優(yōu)化,特別是對糞污污染防治技術(shù)模式在全國的適用性無法給予準(zhǔn)確判斷。

        因此,本文依據(jù)集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標(biāo)體系[12],合理確定指標(biāo)權(quán)重,深入研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境特性,科學(xué)劃定評分標(biāo)準(zhǔn),建立奶牛糞污污染綜合防治評價方法,優(yōu)化凝練技術(shù)模式并開展評價,對“十四五”我國集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治高質(zhì)量發(fā)展提供理論支撐。

        1 評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

        1.1構(gòu)建方法

        本文基于集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標(biāo)體系[12,13],邀請技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保領(lǐng)域?qū)<腋?0名,進(jìn)一步對指標(biāo)間的重要性進(jìn)行科學(xué)性、系統(tǒng)性評價,對分級指標(biāo)相互關(guān)系重要性進(jìn)行判定,為評價指標(biāo)體系賦予權(quán)重,從而確定評分標(biāo)準(zhǔn)。

        綜合評價指標(biāo)體系按照層次分析法分為三級,第一級包括技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)3 個指標(biāo);第二級包括技術(shù)的穩(wěn)定性、技術(shù)的適應(yīng)性、項目成本、經(jīng)濟(jì)效益、資源化利用、污染物排放6 個指標(biāo);第三級包括技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性、年平均運行時間、區(qū)域適應(yīng)性、運行管理難易程度、占地面積、工程總投資、運行成本、內(nèi)部收益率、投回收期、養(yǎng)分回收利用率、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放15 個指標(biāo),評價指標(biāo)體系框架如圖1所示。

        圖1 集約化畜禽養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)綜合評價指標(biāo)體系[12]

        1.2 構(gòu)建原則

        1.2.1 賦值原則

        對東北、華北、西北地區(qū)3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場開展實地調(diào)研,采用問卷調(diào)查、專家咨詢、樣本檢測、數(shù)據(jù)分析等方法對各項指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)賦值。其中,技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性、區(qū)域適應(yīng)性、運行管理難易程度、占地面積、內(nèi)部收益率等指標(biāo)采用實地調(diào)研與專家咨詢方法進(jìn)行賦值。本文共調(diào)研北京、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江、山東、河南、新疆等7 ?。ㄊ?、區(qū))60 余家3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場,按照“優(yōu)、良、中、差”四級標(biāo)準(zhǔn)對收集、運輸、處理等“全鏈條”環(huán)節(jié)的指標(biāo)進(jìn)行賦值;年平均運行時間、工程總投資、運行成本等指標(biāo)采用問卷調(diào)查方法,將問卷所得到的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行分檔賦值;投資回收期、養(yǎng)分回收利用率、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放等指標(biāo)采用分析測試等方法賦值。

        1.2.2 賦分原則

        定性指標(biāo)依據(jù)“優(yōu)、良、中、差”四級標(biāo)準(zhǔn)的賦分范圍,將分?jǐn)?shù)平均賦予四級標(biāo)準(zhǔn),并分別給予糞污收集、運輸、處理環(huán)節(jié)20.00%、30.00%和50.00%的權(quán)重,通過折權(quán)重、加和確定最終賦分結(jié)果。

        定量指標(biāo)基于賦值結(jié)構(gòu),按照數(shù)據(jù)離散程度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分檔,檔內(nèi)按數(shù)值上下限線性取分[14,15],確定賦分。其中,年平均運行時間、內(nèi)部收益率、養(yǎng)分回收利用率等3 項指標(biāo)為正向指標(biāo),賦分結(jié)果與賦值呈正相關(guān);占地面積、工程總投資、運行成本、投資回收期、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放為負(fù)向指標(biāo),賦分結(jié)果與賦值呈負(fù)相關(guān)。

        結(jié)合定性、定量指標(biāo)的賦分原則,提出評分標(biāo)準(zhǔn)。

        1.3 技術(shù)模式集成

        在華北、東北、西北地區(qū)等奶牛養(yǎng)殖優(yōu)勢區(qū)域,分析存欄量3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污綜合防治關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)類型,參照已有技術(shù)模式,對集約化奶牛糞污污染綜合防治技術(shù)模式開展“全鏈條”優(yōu)化集成。

        1.4 技術(shù)模式評價

        根據(jù)構(gòu)建形成的集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn),對集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式進(jìn)行評價,并對集成的技術(shù)模式打分。通過比較技術(shù)模式得分,總結(jié)出適宜華北、東北、西北等地區(qū)的技術(shù)模式。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 指標(biāo)體系權(quán)重

        根據(jù)實地調(diào)研和專家咨詢結(jié)果,確定集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)綜合評價指標(biāo)體系各個指標(biāo)權(quán)重,結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明,技術(shù)指標(biāo)權(quán)重最高,占總權(quán)重的59.36%,是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的2倍、環(huán)境指標(biāo)的4 倍。其中技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性與運行管理難易程度權(quán)重較高,對最終的評分結(jié)果具有重要的影響作用。

        表1 評價指標(biāo)體系權(quán)重表

        2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

        2.2.1 賦值結(jié)果

        依照賦分原則,將定性指標(biāo)分為“優(yōu)、良、中、差”四個等級,賦值結(jié)果如表2所示。從表中可以看出,我國北方地區(qū)收集、運輸?shù)倪\行管理難易程度較差,賦值結(jié)果以“中、差”為主,只有西北地區(qū)管道運輸技術(shù)為“優(yōu)”。而我國北方地區(qū)奶牛糞污收集運輸處理利用的技術(shù)成熟度較好,僅東北地區(qū)的運輸技術(shù)、處理利用技術(shù)有“差”。技術(shù)可靠性指標(biāo)中,西北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術(shù)與管道運輸技術(shù)、華北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術(shù)與糞溝運輸技術(shù)獲得了“優(yōu)”,處理利用技術(shù)賦值“良、中”分布平均。區(qū)域適應(yīng)性指標(biāo)中,各環(huán)節(jié)“優(yōu)、良、中、差”分布均衡。

        表2 奶牛糞污污染防治定性指標(biāo)賦值表

        定量指標(biāo)特性如圖2所示。東北地區(qū)冬季溫度較低且時間較長,因此運行的時間相對較短,且需添加曝氣及加熱裝置,導(dǎo)致工程投資較高,內(nèi)部收益率較低,凈利潤較少,投資回收期相對較高;華北地區(qū)溫度適宜,設(shè)備連續(xù)運行能力較強(qiáng),年平均運行時間330~365 天,然而華北地區(qū)運行時間較長,運行能耗較高。厭氧發(fā)酵過程中,而西北地區(qū)工程占地面積較大,設(shè)備投資高于東北和華北地區(qū),能耗、人工成本以及折舊比華北地區(qū)運行成本增加約67.00%。

        圖2 奶牛糞污污染防治定量指標(biāo)特性

        東北地區(qū)土地肥沃,消納營養(yǎng)豐富的糞水/沼液時單位糞肥還田量較低,所需的農(nóng)田消納面積顯著高于西北和華北地區(qū),平均達(dá)到9.6 畝/頭,而華北、西北地區(qū)土地承載力相對較高,養(yǎng)分回收率相對較低,農(nóng)田消納面積分別為6.0 畝/頭和4.6 畝/頭。

        2.2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)確定

        對每個賦值范圍進(jìn)行賦分,其中定性指標(biāo)根據(jù)實際情況在所對應(yīng)的分值區(qū)間內(nèi)選擇分?jǐn)?shù)。集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

        表3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)

        2.3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式

        基于集約化養(yǎng)殖場現(xiàn)有的技術(shù)模式,結(jié)合糞污污染綜合防治收集、運輸、處理利用等“全鏈條”技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,凝練出6 種技術(shù)模式,如圖3所示。

        圖3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式

        “干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”模式具有原料處理量大、厭氧發(fā)酵單位容積產(chǎn)氣效率高和沼渣可直接生產(chǎn)墊料、有機(jī)肥等特點。

        “糞污濕發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+糞水儲存還田利用”模式具有糞污一并厭氧發(fā)酵,操作簡單,沼渣營養(yǎng)物質(zhì)含量高和制肥時間短等特點,可把糞污轉(zhuǎn)化為沼氣、有機(jī)肥和墊料進(jìn)行資源化利用。

        “干清糞墊料+糞肥農(nóng)田施用”模式墊料生產(chǎn)效率高、腐熟度高、微量元素含量豐富,可以把糞污資源化利用為墊料和有機(jī)肥。

        “糞污厭氧發(fā)酵墊料+糞水儲存還田利用”模式具有生產(chǎn)過程產(chǎn)生沼氣可供養(yǎng)殖場內(nèi)部發(fā)電自用、溫室氣體排放減少等特點,可把糞污轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥和墊料進(jìn)行資源化利用。

        “干清糞堆肥+全量還田利用”模式具有原料處理量大、容積產(chǎn)氣效率高、沼渣可直接生產(chǎn)墊料、有機(jī)肥等特點。

        “糞污儲存+全量還田利用”模式具有糞污處理前期操作簡單、可根據(jù)施肥需要定量生產(chǎn)有機(jī)肥等特點。

        2.4 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式評分結(jié)果

        東北、西北、華北地區(qū)6 種技術(shù)模式得分情況詳見表4~6。東北地區(qū)最優(yōu)技術(shù)模式為“干清糞堆肥+全量還田利用”模式,最終得分為83.81 分,在6 種模式中具有最高的技術(shù)可靠性;西北地區(qū)最優(yōu)技術(shù)模式為“干清糞堆肥+全量還田利用”模式,其以容易的運行管理程度和成熟可靠的技術(shù)等優(yōu)勢最終獲得了93.25 分;“干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”模式在華北地區(qū)具有較好的適應(yīng)性,其運行易管理、成熟度高、可靠性好、容易運行管理等優(yōu)點在6 個模式中最為凸顯,最終得分為91.18 分。

        表4 東北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

        綜合分析,以肥料化技術(shù)為核心的模式具有適用地區(qū)廣、糞污污染防治適用性強(qiáng)的特點,適用于我國北方地區(qū),更適用于西北地區(qū),西北地區(qū)的“干清糞堆肥+全量還田利用”模式得到了93.25分。以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的模式顯示出較強(qiáng)的地區(qū)適用性差異,適宜在華北地區(qū)開展,在東北地區(qū)得分僅為華北的30.63%,在西北地區(qū)得分僅為華北的9.53%。以墊料技術(shù)為核心的模式適宜在東北和西北地區(qū)使用,且固液分離更適宜在糞污處理之前進(jìn)行。糞水儲存還田利用不適用于我國北方地區(qū),在東北、西北、華北三個地區(qū)中評分均較低。

        3 結(jié)論

        3.1 建立綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)

        基于現(xiàn)有的集約化養(yǎng)殖場畜禽糞污處理綜合評價指標(biāo)體系,采用實地調(diào)研、專家咨詢、數(shù)據(jù)測算、樣品檢測等方式對指標(biāo)進(jìn)行賦值與賦分,構(gòu)建了存欄量3 000 頭以上奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)。

        3.2 污染防治技術(shù)模式提出

        根據(jù)現(xiàn)有大型奶牛養(yǎng)殖場所用技術(shù)特點,結(jié)合不同地區(qū)集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染防治特性,提出“干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”“糞污濕發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+糞水儲存還田利用”“干清糞墊料+糞肥農(nóng)田施用”“糞污厭氧發(fā)酵墊料+糞水儲存還田利用”“干清糞堆肥+全量還田利用”“糞污儲存+全量還田”6 種奶牛糞污污染防治技術(shù)模式。

        表5 西北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

        表6 華北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

        3.3 不同地區(qū)適用模式

        以肥料化技術(shù)為核心的干清糞堆肥+全量還田利用模式適用于西北地區(qū)耕地面積較大地區(qū),干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用模式則適用于養(yǎng)殖規(guī)模程度高、集約化奶牛養(yǎng)殖場占比較高的華北地區(qū)。

        以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的模式,特別是干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用技術(shù)模式更適用于華北地區(qū),其中以濕法厭氧發(fā)酵、糞污儲存為核心的技術(shù)模式不適用于寒冷的東北地區(qū)。

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