于佳動，趙立欣，姚宗路，李佩琪，馮 晶，羅 娟，葉炳南

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

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

0 引言

習近平總書記指出，畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，關系6 億多農村居民生產生活環(huán)境，關系農村能源革命，關系能不能不斷改善土壤地力，治理好農業(yè)面源污染，是一件利國利民利長遠的大好事。當前，我國畜禽養(yǎng)殖集約化程度越來越高，在提高規(guī)模化程度、管理水平、生產效率的同時，畜禽糞污污染綜合防治也更加注重成熟的處理技術、成套的技術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]；從糞污化學成分上看，固體成分中含有30.00%～50.00%的木質纖維素；從糞污微生物組成證明，糞污中含有大量的產甲烷菌、硝化菌、反硝化菌及各類致病菌等。這些客觀性質均表現出奶牛糞污處理難度大、轉化效率低、污染風險高等問題[3，4]。如何更加全面、準確、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《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%。通過調研和文獻分析，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、慕尼黑工業(yè)大學等建立了以土地承載力為基礎的糞污區(qū)域還田應用體系[8]，美國建立了針對不同作物生長周期的糞污處理標準化還田方法[9]。國內也開展了糞便堆肥、厭氧發(fā)酵和糞水貯存等糞污資源化利用關鍵技術優(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《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發(fā)〔2017〕48號），明確在加強畜禽糞污資源化利用技術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，加強了技術模式的落地應用，也更加強調成體系的技術經濟環(huán)境評價。但是，目前國內外的研究多集中在糞污處理某個單項環(huán)節(jié)技術研發(fā)，缺少包含糞污收集、運輸、處理及利用等全鏈條技術集成與模式評價，涉及成套技術模式的技術、經濟、環(huán)境效益評價體系也尚不完善，技術模式未得到進一步優(yōu)化，特別是對糞污污染防治技術模式在全國的適用性無法給予準確判斷。

因此，本文依據集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標體系[12]，合理確定指標權重，深入研究技術經濟環(huán)境特性，科學劃定評分標準，建立奶牛糞污污染綜合防治評價方法，優(yōu)化凝練技術模式并開展評價，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量發(fā)展提供理論支撐。

1 評價標準構建

1.1構建方法

本文基于集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標體系[12，13]，邀請技術、經濟、環(huán)保領域專家各10名，進一步對指標間的重要性進行科學性、系統(tǒng)性評價，對分級指標相互關系重要性進行判定，為評價指標體系賦予權重，從而確定評分標準。

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

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

1.2 構建原則

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)殖場開展實地調研，采用問卷調查、專家咨詢、樣本檢測、數據分析等方法對各項指標進行科學賦值。其中，技術成熟度、技術可靠性、區(qū)域適應性、運行管理難易程度、占地面積、內部收益率等指標采用實地調研與專家咨詢方法進行賦值。本文共調研北京、內蒙古、河北、黑龍江、山東、河南、新疆等7 省（市、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”四級標準對收集、運輸、處理等“全鏈條”環(huán)節(jié)的指標進行賦值；年平均運行時間、工程總投資、運行成本等指標采用問卷調查方法，將問卷所得到的數據范圍進行分檔賦值；投資回收期、養(yǎng)分回收利用率、農田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放等指標采用分析測試等方法賦值。

1.2.2 賦分原則

定性指標依據“優(yōu)、良、中、差”四級標準的賦分范圍，將分數平均賦予四級標準，并分別給予糞污收集、運輸、處理環(huán)節(jié)20.00%、30.00%和50.00%的權重，通過折權重、加和確定最終賦分結果。

定量指標基于賦值結構，按照數據離散程度對數據進行分檔，檔內按數值上下限線性取分[14，15]，確定賦分。其中，年平均運行時間、內部收益率、養(yǎng)分回收利用率等3 項指標為正向指標，賦分結果與賦值呈正相關；占地面積、工程總投資、運行成本、投資回收期、農田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放為負向指標，賦分結果與賦值呈負相關。

結合定性、定量指標的賦分原則，提出評分標準。

1.3 技術模式集成

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鍵環(huán)節(jié)技術類型，參照已有技術模式，對集約化奶牛糞污污染綜合防治技術模式開展“全鏈條”優(yōu)化集成。

1.4 技術模式評價

根據構建形成的集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標準，對集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術模式進行評價，并對集成的技術模式打分。通過比較技術模式得分，總結出適宜華北、東北、西北等地區(qū)的技術模式。

2 結果與分析

2.1 指標體系權重

根據實地調研和專家咨詢結果，確定集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術綜合評價指標體系各個指標權重，結果如表1所示。結果表明，技術指標權重最高，占總權重的59.36%，是經濟指標的2倍、環(huán)境指標的4 倍。其中技術成熟度、技術可靠性與運行管理難易程度權重較高，對最終的評分結果具有重要的影響作用。

表1 評價指標體系權重表

2.2 評分標準

2.2.1 賦值結果

依照賦分原則，將定性指標分為“優(yōu)、良、中、差”四個等級，賦值結果如表2所示。從表中可以看出，我國北方地區(qū)收集、運輸的運行管理難易程度較差，賦值結果以“中、差”為主，只有西北地區(qū)管道運輸技術為“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成熟度較好，僅東北地區(qū)的運輸技術、處理利用技術有“差”。技術可靠性指標中，西北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術與管道運輸技術、華北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術與糞溝運輸技術獲得了“優(yōu)”，處理利用技術賦值“良、中”分布平均。區(qū)域適應性指標中，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賦值表

定量指標特性如圖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，導致工程投資較高，內部收益率較低，凈利潤較少，投資回收期相對較高；華北地區(qū)溫度適宜，設備連續(xù)運行能力較強，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，所需的農田消納面積顯著高于西北和華北地區(qū)，平均達到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，農田消納面積分別為6.0 畝/頭和4.6 畝/頭。

2.2.2 評分標準確定

對每個賦值范圍進行賦分，其中定性指標根據實際情況在所對應的分值區(qū)間內選擇分數。集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標準如表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準

2.3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術模式

基于集約化養(yǎng)殖場現有的技術模式，結合糞污污染綜合防治收集、運輸、處理利用等“全鏈條”技術發(fā)展現狀，凝練出6 種技術模式，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模式

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

“糞污濕發(fā)酵氣肥聯產+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)物質含量高和制肥時間短等特點，可把糞污轉化為沼氣、有機肥和墊料進行資源化利用。

“干清糞墊料+糞肥農田施用”模式墊料生產效率高、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肥。

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

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

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

2.4 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術模式評分結果

東北、西北、華北地區(qū)6 種技術模式得分情況詳見表4～6。東北地區(qū)最優(yōu)技術模式為“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可靠性；西北地區(qū)最優(yōu)技術模式為“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等優(yōu)勢最終獲得了93.25 分；“干清糞干發(fā)酵氣肥聯產+沼渣肥農田施用”模式在華北地區(qū)具有較好的適應性，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模式得分表

綜合分析，以肥料化技術為核心的模式具有適用地區(qū)廣、糞污污染防治適用性強的特點，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)酵技術為核心的模式顯示出較強的地區(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 結論

3.1 建立綜合防治評分標準

基于現有的集約化養(yǎng)殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系，采用實地調研、專家咨詢、數據測算、樣品檢測等方式對指標進行賦值與賦分，構建了存欄量3 000 頭以上奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標準。

3.2 污染防治技術模式提出

根據現有大型奶牛養(yǎng)殖場所用技術特點，結合不同地區(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)酵氣肥聯產+沼渣肥農田施用”“糞污濕發(fā)酵氣肥聯產+糞水儲存還田利用”“干清糞墊料+糞肥農田施用”“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模式。

表5 西北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術模式得分表

表6 華北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術模式得分表

3.3 不同地區(qū)適用模式

以肥料化技術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)酵氣肥聯產+沼渣肥農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)酵技術為核心的模式，特別是干清糞干發(fā)酵氣肥聯產+沼渣肥農田施用技術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模式不適用于寒冷的東北地區(qū)。