郭常蓮 李永平 湯 昀 朱教寧龐震鵬

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西太原 030031；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西太原 030031）

畜禽糞污傳統(tǒng)的利用方式是直接還田。近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，局部畜禽糞污集聚，給管理與利用帶來很大壓力。特別是在硝酸鹽脆弱區(qū)和養(yǎng)分過剩地區(qū)，糞污處理已成為首先要考慮的問題[1]。

1 畜禽糞污管理策略與技術(shù)選擇

歐洲選擇糞污管理策略與技術(shù)主要是從平衡環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素的角度出發(fā)，基于兩種情況：一是局部養(yǎng)殖規(guī)模適中，養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞污可由本地或鄰區(qū)農(nóng)業(yè)消納；二是養(yǎng)殖場產(chǎn)生糞污局部過量，無法被本區(qū)域農(nóng)業(yè)消納。本文主要探討第一種情況下畜禽糞污處理的策略與技術(shù)。

畜禽糞污管理策略與技術(shù)選擇邏輯見圖1[2]。從圖1可以看出，在養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的糞污量與當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)需求平衡的情況下，其主要的糞污利用與處理技術(shù)包括直接應(yīng)用、酸化、固液分離、堆肥、厭氧消化。直接應(yīng)用仍然是重要的利用方式，該方式在荷蘭占90%左右。

圖1 養(yǎng)殖規(guī)模適中的糞污處理工藝方案

2 處理技術(shù)

2.1 酸化

2.1.1 技術(shù)流程與原理。糞污酸化是通過降低pH值減少氨和一氧化二氮損失的過程，它借助NH3/NH4+的簡單平衡來實(shí)現(xiàn)。通常的操作方案是在靠近畜舍的位置配置一個(gè)處理器，將貯存在地板下的糞污抽到酸化處理池中，添加96%H2SO4并輕輕攪拌、混合、曝氣，直到pH值達(dá)5.5左右且不產(chǎn)生泡沫為止[2]。

2.1.2 技術(shù)效果。糞污酸化可以減少在畜禽養(yǎng)殖場、糞肥貯存和農(nóng)田使用中的氨揮發(fā)和氮損失，可以改善動(dòng)物生存環(huán)境，但pH值低的環(huán)境不利于氨的剝離。在厭氧處理糞肥時(shí)，酸化過程形成的低pH值和高硫環(huán)境有利于減少CH4的損失。

2.1.3 對肥料的影響。影響酸化技術(shù)發(fā)展和使用的主要因素是安全和起泡沫問題。實(shí)際上，液體肥料酸化到pH值=5.5時(shí)對肥料的許多方面都有影響：畜舍氨排放減少50%～70%，儲存設(shè)施氨排放減少50%～88%；儲存期間CH4的排放減少了17%～90%；酸化過程中有一個(gè)短暫的H2S排放增加過程；固液分離后固體部分的營養(yǎng)物質(zhì)減少；酸化過程產(chǎn)生的硫可促進(jìn)植物生長；在隨后的堆肥過程中減少70%的氨排放；低pH值條件下大部分氨氮可溶解，故在過濾過程中NH4+的保留量較大；由于微生物作用減少，蛋白質(zhì)中氨氮的生產(chǎn)變慢；系統(tǒng)的能耗低，計(jì)算得到控制系統(tǒng)每天人均能耗＜0.001 kW·h（不包括用于抽糞的能源）；低pH值條件下，微生物（包括致病菌）活性受到抑制。該處理方式需要經(jīng)技術(shù)人員的指導(dǎo)才能實(shí)施[2]。

2.1.4 未來趨勢。酸化工藝減少了后續(xù)工藝中氨的排放，抑制了甲烷生成，在貯藏等后續(xù)過程中CH4的排放減少，會對溫室氣體排放產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。目前已開展了不少關(guān)于該技術(shù)的學(xué)術(shù)研究，并在幾個(gè)西北歐國家進(jìn)行了中試，在丹麥已有商業(yè)化應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用主要取決于國家對氮排放的控制，因而其他國家未來的增長將取決于國家立法。

2.2 固液分離技術(shù)

2.2.1 類型及要素特點(diǎn)。固液分離技術(shù)操作簡單、費(fèi)用低，在歐洲畜禽養(yǎng)殖場得到了廣泛使用。固液分離可分為沉積、篩選、離心分離、加壓過濾等類型[2]。

（1）沉積。懸浮固體通過重力從液體部分中分離出來，是一種最經(jīng)濟(jì)的處理方式，常用于季節(jié)性糞污貯存。影響沉積效率的因素主要包括：糞污類型，如豬牛糞漿、液體豬牛糞肥；固體含量，當(dāng)料漿中固體含量處于1%～4%時(shí)，隨固體含量的增加，分離效率提高，超出此范圍則分離效率顯著降低；沉淀時(shí)間，增加沉淀時(shí)間，可以提高分離效率。

（2）篩選。需要特定孔徑的篩網(wǎng)，液體流經(jīng)篩網(wǎng)后排出，篩分器有靜態(tài)的、動(dòng)態(tài)的和旋轉(zhuǎn)的。其中：靜態(tài)篩分器結(jié)構(gòu)最簡單；動(dòng)態(tài)篩分器處理時(shí)，篩網(wǎng)快速振動(dòng)，可以減少堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

影響篩選效率的因素主要包括：糞污類型，如豬、牛糞漿；固體含量，當(dāng)料漿中固體含量＞6%時(shí)不宜使用此方式；篩孔大小，對豬糞使用低于0.5 mm的篩孔會導(dǎo)致連續(xù)操作問題，對于奶牛糞最常用的篩孔規(guī)格為1.5～1.7 mm。

（3）離心分離。通過離心力使固體從液體中分離出來，有立式和臥式（臥螺離心機(jī)）等。影響分離效率的因素主要包括：糞污類型，如豬與牛糞漿、沼液；固體含量，分離效率隨著漿料干物質(zhì)含量的增加而增加，當(dāng)料漿中固體含量＞10%時(shí)不宜使用此方式；速度，增加臥螺離心機(jī)的速度會增加固體組分中干物質(zhì)含量，但對氮、磷、鉀的分離沒有影響；保留時(shí)間，減慢進(jìn)料增加停留時(shí)間可提高分離效率。

（4）加壓過濾。最典型的加壓過濾是螺旋壓力機(jī)過濾；料漿被輸送至0.5～1.0 mm的圓筒篩中，液體通過篩網(wǎng)后被收集至一個(gè)圍繞篩網(wǎng)的容器，固體部分被壓成干物質(zhì)含量較高的濾餅。用這種方式分離出的干物質(zhì)含量是重力篩方式分離的2倍。影響篩選效率的因素主要包括：糞污類型，如豬、牛糞漿；固體含量，當(dāng)料漿中固體含量＜2%時(shí)不宜使用此方式；壓力，增加壓力會增加固體組分中的干物質(zhì)含量。

（5）混凝?？赏ㄟ^加入多價(jià)陽離子（主要是氯化鋁、氯化鐵、硫酸鋁、硫酸鐵以及鈣和鎂的氧化物）以促進(jìn)聚合，形成團(tuán)聚體，使固體更容易被分離，從而提高機(jī)械固液分離效率，降低液體餾分中的磷濃度，增加固體餾分中的干物質(zhì)含量。

2.2.2 技術(shù)效果。分離指數(shù)是固體組分中某一組分（干物質(zhì)或營養(yǎng)素）的總質(zhì)量回收率與原漿中該組分質(zhì)量的比值（表1）。分離指數(shù)越大，表明固相組分中給定組分的含量越大。

混凝-絮凝結(jié)合機(jī)械固液分離可提高分離效率，但會使該工藝的總成本增加，其取決于所處理糞肥的固體含量、流量和使用的化學(xué)品類型。對每天過濾的量進(jìn)行比較，上述4種機(jī)械分離技術(shù)排序從大到小依次為離心過濾、加壓過濾、篩選、沉積。

表1 各分離技術(shù)分離指數(shù) 單位：%

固液分離過程不能去除多余的銨態(tài)氮，不能解決惡臭氣味問題，不能減少糞污中可被生物降解的有機(jī)物、病原體，甚至還可能導(dǎo)致固體部分中Cu和Zn等重金屬濃度的增加，從而造成環(huán)境污染[3-4]。因此，分離后的固體和液體兩部分均需要妥善處理。

2.2.3 對環(huán)境的影響。固液分離過程減少了糞肥體積，增加了養(yǎng)分濃度，從而降低了運(yùn)輸成本及其對氣候變化的相關(guān)影響。4種分離方式中，沉積無噪聲、無氣味，其余3種均有噪聲且氣味達(dá)3級。因此，選用何種分離技術(shù)應(yīng)以養(yǎng)分利用為目標(biāo)，未來應(yīng)致力于優(yōu)化固液分離技術(shù)的性能，以降低成本，同時(shí)提高分離固體組分的營養(yǎng)物質(zhì)濃度。

2.3 厭氧消化

厭氧消化是將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣的微生物過程。沼氣主要由甲烷和二氧化碳組成，其中甲烷含量為55%～75%。該工藝可用于處理污水污泥、動(dòng)物糞便、有機(jī)工業(yè)廢棄物、城市固體廢物的有機(jī)組分、能源作物以及高強(qiáng)度有機(jī)廢水。該過程產(chǎn)生的沼氣可用于能源生產(chǎn)。在生產(chǎn)技術(shù)升級后，甲烷作為汽車燃料或天然氣替代品使用也引起了全世界的關(guān)注。瑞典在沼氣作為生物燃料使用方面走在世界前列。

2.3.1 工藝與原理。在沼氣生產(chǎn)過程中，所有的有機(jī)化合物被轉(zhuǎn)化成不同的揮發(fā)性脂肪酸，pH值降低到較低水平，微生物生長受到抑制，從而影響了銨與氨之間的平衡。沼氣處理系統(tǒng)產(chǎn)生的水分、灰塵和硫化氫會對能源生產(chǎn)單元產(chǎn)生負(fù)面影響，因而沼氣在進(jìn)入能源化利用之前需要凈化處理。

2.3.2 技術(shù)效果。糞污的沼氣產(chǎn)量相對較低，如豬糞和牛糞分別為 10～15 m3/t和 22～27 m3/t；而一些有機(jī)工業(yè)廢棄物的沼氣產(chǎn)量較高，如濃縮乳清為100～130 m3/t。根據(jù)實(shí)際需要，可將某些工業(yè)有機(jī)廢棄物與糞污混合使用，使沼氣生產(chǎn)更經(jīng)濟(jì)[2]。

沼氣轉(zhuǎn)化為可用能源可以通過直接燃燒產(chǎn)生熱量，或在CHP（熱電聯(lián)產(chǎn)）裝置中燃燒產(chǎn)生電能和熱能。1 m3沼氣可產(chǎn)生 1.8～2.0 kW·h電能和 2～3 kW·h熱能，這取決于熱電聯(lián)產(chǎn)裝置的功率。為使用沼氣作為生物燃料或用于天然氣電網(wǎng)注入，甲烷含量需要進(jìn)一步提純至95%～98%[2]。

2.3.3 對氣候的影響。厭氧消化有助于減少CO2排放。據(jù)調(diào)查，沼氣替代化石燃料，其相應(yīng)的CO2排放量可減少90%左右。如果對糞污進(jìn)行厭氧消化處理，對于減少二氧化碳排放的效果更好。因?yàn)閰捬跸碗S后沼氣能源使用減少了糞便儲存和管理過程中CH4向大氣的自然排放[5]。

未來的研究重點(diǎn)是通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理增加糞便的沼氣產(chǎn)量，以減少對其他有機(jī)廢物作為輔助基質(zhì)的依賴；將厭氧消化技術(shù)整合到養(yǎng)分回收和管理的過程中，以建立可持續(xù)的糞便處理策略。

2.4 堆肥

堆肥是在有氧環(huán)境中，通過細(xì)菌、真菌和其他微生物（包括微節(jié)肢動(dòng)物）將有機(jī)物分解成穩(wěn)定、可用的有機(jī)基質(zhì)。堆肥有助于回收常量和微量營養(yǎng)元素、有機(jī)質(zhì)等，同時(shí)可降解有毒物質(zhì)，降低病原體轉(zhuǎn)移和雜草種子萌發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，還易于造粒和運(yùn)輸。堆肥過程不需要外部能量，技術(shù)簡單、直接、經(jīng)濟(jì)，是畜禽糞污處理的重要手段之一。

2.4.1 堆肥技術(shù)流程與原理。堆肥過程要經(jīng)歷3個(gè)階段：初始的中溫階段，持續(xù)1～3 d，中溫細(xì)菌和真菌降解簡單化合物（糖、氨基酸、蛋白質(zhì)等），并迅速提高溫度；嗜熱階段，嗜熱微生物降解脂肪、纖維素、半纖維素和一些木質(zhì)素，伴隨著病原體的破壞；冷卻階段，可降解的有機(jī)物耗竭，微生物活性降低，堆垛溫度降低。

2.4.2 堆肥要素分析。有效的堆肥需要控制幾個(gè)因素，其決定了微生物發(fā)育和有機(jī)物（OM）降解的最佳環(huán)境條件：堆肥混合物的配方，包括C/N、pH值、粒度、孔隙率和水分；過程處理因素，包括O2濃度、溫度和水含量。

堆肥適宜的碳氮比為25～35。高碳氮比使底物過量、微生物降解過程緩慢；低碳氮比使無機(jī)氮過多，并以氨氮形式揮發(fā)或蒸發(fā)掉。pH值為6.7～9.0時(shí)微生物活性良好，最佳值為5.5～8.0，pH值大于7.5時(shí)，氨揮發(fā)量可能特別大[2]。

粒度、孔隙度對于平衡微生物生長的表面積和保持足夠的氣孔率至關(guān)重要：粒徑越大，表面積與質(zhì)量比越低，微生物難以進(jìn)入大顆粒內(nèi)部，無法使其充分分解；過小的顆粒會壓實(shí)質(zhì)量，減少孔隙率。對于強(qiáng)制曝氣，50 mm粒徑足夠?？紫堵蚀笥?0%，堆肥保持在低溫狀態(tài)，能量損失過大；孔隙度過低，又會導(dǎo)致厭氧環(huán)境的產(chǎn)生。堆垛充氣孔隙率應(yīng)該為35%～50%[2]。

曝氣是堆肥的關(guān)鍵因素，適當(dāng)進(jìn)行曝氣可控制溫度、去除多余的水分和CO2，并為生物過程提供O2（最適宜的O2濃度為15%～20%）。曝氣不足會導(dǎo)致厭氧條件的產(chǎn)生，使厭氧微生物和惡臭氣味增加；過度曝氣會加快冷卻，減少微生物代謝活動(dòng)。堆肥的最佳含水量一般為50%～60%，超過60%時(shí)使堆垛趨于厭氧環(huán)境[2]。

堆肥過程中，微生物結(jié)構(gòu)組成隨溫度變化而變化：細(xì)菌在堆肥早期占主導(dǎo)地位（中溫階段）；真菌在整個(gè)過程中都存在，在含水率低于35%時(shí)占主導(dǎo)地位，在溫度＞60℃時(shí)不活躍；放線菌在穩(wěn)定和固化過程中占主導(dǎo)地位，與真菌共同降解抗性聚合物，溫度超過60℃時(shí)病原體和寄生蟲被抑制（堆肥最佳溫度為 40～65 ℃[2]）。

根據(jù)曝氣系統(tǒng)的不同，堆肥技術(shù)可分為翻轉(zhuǎn)樁、強(qiáng)制曝氣、被動(dòng)曝氣、空氣流過樁等方式。技術(shù)難度從小到大依次為靜樁加被動(dòng)曝氣、絞車帶、強(qiáng)制曝氣靜樁、堆肥反應(yīng)堆。

2.4.3 對氣候的影響。堆肥過程中，溫室氣體CH4、N2O和酸化氣體NH3都可能產(chǎn)生和排放。氨氮排放受總氨氮、溫度和pH值的影響。堆肥開始后，由于有機(jī)酸的降解，溫度較高，pH值升高，使平衡態(tài)NH4+-NH3向NH3方向變化。熱空氣被輸送到堆肥材料的表面并產(chǎn)生對流，將釋放的氨氮輸送到堆垛表面和大氣中，堆肥過程中NH3的排放潛力增加，且主要在堆肥高溫階段釋放。數(shù)周后，由于NH3耗損，NH4+轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮或硝化氮，排放量下降到較低值。

在堆肥過程開始時(shí)即可能產(chǎn)生甲烷，但排放往往會延遲，因?yàn)樵诙阎行漠a(chǎn)生的CH4在運(yùn)輸?shù)蕉讯獗砻娴倪^程中會轉(zhuǎn)化為CO2。甲烷產(chǎn)量與溫度成指數(shù)關(guān)系：在嗜熱階段，甲烷排放量可能很高；在中溫階段，由于溫度較低和易分解有機(jī)質(zhì)的消耗，CH4的排放速率降低。使用填充劑可以減少N2O和CH4的排放，可能增加NH3的排放；與靜態(tài)堆相比，主動(dòng)翻轉(zhuǎn)糞污堆中的NH3損失更大，而靜態(tài)堆中的N2O排放量高于使用增強(qiáng)空氣的主動(dòng)翻轉(zhuǎn)堆。

不同國家的堆肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)因成熟度、農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)（有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分、pH值和EC值）、衛(wèi)生條件以及雜質(zhì)（塑料、金屬、玻璃或石頭）和雜草種子的存在情況而不同。各個(gè)國家根據(jù)不同元素的毒性特征以及植物對微量營養(yǎng)素的需求，確定了重金屬濃度限制[6]。

3 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

農(nóng)業(yè)應(yīng)用技術(shù)實(shí)際上是糞肥的一種管理方式，不僅適用于原糞，也適用于來自不同處理系統(tǒng)的可用作有機(jī)肥料的產(chǎn)品。

3.1 影響因素

農(nóng)業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)是糞肥的數(shù)量和組成、作物的營養(yǎng)需求和預(yù)期產(chǎn)量以及適用于該地區(qū)的立法，還要考慮肥料利用率。影響施肥后氨揮發(fā)的因素很多，如氣候條件、施肥類型、作物生長階段和施肥設(shè)備等；減少氨排放的有效方法包括糞污酸化、漿液注射入土、固體顆粒摻入土壤等?？墒褂枚喾N設(shè)備和技術(shù)將糞漿和固體糞污撒播到土地上，如荷蘭、丹麥、比利時(shí)、佛蘭德斯等國家和地區(qū)使用帶式撒播機(jī)和噴射器噴灑糞漿以減少氨排放；一些國家的法律要求固體糞污在被切碎成小塊后撒播并摻入土壤。因此，施用設(shè)備因糞肥、施用技術(shù)、土地利用情況和土壤結(jié)構(gòu)而不盡相同。

從養(yǎng)分平衡、廢氣排放、能耗和經(jīng)濟(jì)平衡的角度，糞污應(yīng)用應(yīng)考慮4個(gè)方面的因素：一是國家氣候、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域法律對氮、磷、鉀和金屬、病原體等的要求[1]；二是原料肥料類型或其他養(yǎng)分有效因子的組成及數(shù)量[2]；三是作物種類、產(chǎn)量、面積、主要養(yǎng)分營養(yǎng)限制等[6]；四是用于施肥的車輛類型[7]。

3.2 營養(yǎng)平衡和損失

因?yàn)榻龊蛷搅髟斐傻酿B(yǎng)分損失會影響糞肥中氮、磷、鉀的含量，所以糞肥產(chǎn)品的營養(yǎng)物質(zhì)含量水平與其數(shù)量和類型、撒播系統(tǒng)、摻入土壤與否、作物類型、施用季節(jié)和土壤質(zhì)量有關(guān)。

當(dāng)氣溫、風(fēng)速、太陽輻射和漿液干物質(zhì)含量降低時(shí)，氨排放量通常會隨之下降。氨排放量占總氨氮量的百分比通常隨氨氮總量濃度和應(yīng)用率的增加而減少，不同糞污類型的排放量有所不同。此外，氨排放量還取決于土壤條件，如排水良好、質(zhì)地粗糙、干燥的土壤可以更快滲透，與滲透率較低的潮濕、緊湊土壤相比，其氨排放量更低。高黏度漿液會增加NH3排放量，厭氧消化后的漿液比生糞更容易迅速滲透到土壤中[8]。

3.3 對氣候的影響

施肥方式對溫室氣體排放有很大影響。理想情況下，有機(jī)肥料應(yīng)以液體形式撒播并迅速滲透到土壤中，如果是固體，則應(yīng)迅速耕翻。

總體而言，降低糞肥中氨濃度、防止厭氧條件、降低可降解糞肥中碳的濃度等可減少糞肥施用而產(chǎn)生的溫室氣體排放。糞污固體的分離和厭氧降解預(yù)處理可以減少地下施肥的CH4排放。選擇適宜的施肥時(shí)機(jī)（例如避免在雨前施肥）和保持土壤pH值高于6.5有利于減少N2O排放[9]。

使用糞肥作為礦物肥料的替代品、補(bǔ)充品可以減少無機(jī)肥料制造和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放。根據(jù)研究，糞肥作為有機(jī)肥料使用，如果管理得當(dāng)，1 m3糞肥可以減少溫室氣體排放量16.6 kg CO2當(dāng)量[2]，還可以減少因使用無機(jī)氮肥而產(chǎn)生的N2O排放。

動(dòng)物糞污是能源密集型和高成本合成肥料的替代品，其可用養(yǎng)分含量、礦化率與作物養(yǎng)分吸收同步時(shí)，可以成為非常有效的肥料來源[10]。科學(xué)試驗(yàn)表明：相對于硝態(tài)氮，糞便和沼氣消化物中的銨態(tài)氮更有利于作物生長發(fā)育；硝態(tài)氮很容易滲入地下水，造成地下水污染。