规模化畜牧养殖废弃物处理的环境经济优化研究——基于生态经济模型的分析

马永喜 ，王 颖

近年来，中国规模化畜牧养殖迅速发展，中国已成为世界上最大的畜产品生产国。2011年，全国畜牧业产值25770.7亿元，占农林牧渔业总产值的比重达到31.7%。与此同时，畜牧规模化养殖加快发展，畜牧养殖业正经历由传统散养为主到规模化养殖为主的转变。与传统散养方式相比，这种规模化的畜牧饲养方式在利用规模经济提升生产效益的同时，也使得养殖产生的粪便及污水等废弃物大量集中。由于认识、政策、管理和技术等方面的原因，长期以来我国畜牧业废弃物未得到合理的处理和有效的资源化利用，给周边自然环境带来的污染危害日益严重。2011年全国畜牧粪便总量约有29.43亿t，是同期工业固体废弃物的0.91倍。全国畜牧粪便总量所含总氮1255.33万t、总磷339.25万t，分别相当于同期施用的氮肥和磷肥中总氮和总磷含量的52.7%和94.8%。预计到2020年，我国畜牧粪便产生量将达到41亿t[2]。目前，在我国很多农村地区，畜牧粪便污染已经超过工业和生活的污染水平，成为农村面源污染的主要来源，畜牧业污染已经成为我国农村最为严重的环境污染问题之一。

当前针对畜禽养殖废弃物处理与利用方式及其采用的技术多种多样，既有传统上的处理与利用方法（例如土地处理和沼气发酵等），也有从工业废弃物和生活废弃物处理实践中引进的处理技术（例如好氧曝气处理和厌氧处理等），还有根据畜禽废弃物自身特点而开发的新技术（例如生物堆肥技术等）。但总体看来，目前各国对畜禽废弃物的处理和资源化利用实践上没有最好的解决办法，而需要根据当地社会经济和自然条件选择合适的处理方法和处理技术[3-5]。在畜牧业废弃物处理利用的环境经济研究方面，目前的研究主要是从技术经济或工程经济的角度对畜牧业废弃物资源化利用技术（或工程）的某个流程或对具体工程进行技术经济分析，以评估相关处理技术（或工程）的经济可行性。研究者大多认为实施农牧结合是解决养殖污染的有效途径[6-7]。有学者研究表明，使用粪肥的费用低于使用化肥的费用，农户使用粪肥在经济上是可行的[8]。但规模化的畜牧养殖场往往缺乏足够的耕地来容纳大量且集中的动物粪便[9，10]。同时，也有不少学者认为有机肥施用虽然是一种环境有效的养殖废弃物处理方式，但有机粪肥施用的额外投入成本较大，其养分含量低，从而造成有机肥施用的经济成本大于化肥，很难在经济上获利[11，12]。还有些研究认为在可供选择的污染控制技术中，沼气利用技术在经济与环境角度上是最有效的技术[13，14]。有学者在将环境效益纳入成本收益分析中得出沼气工程具有可行性的结论[15，16]。但另一些学者运用投资成本收益分析方法对沼气工程处理进行技术经济评价，认为养殖场沼气工程的市场化能力很弱，基本不具备商业化推广的条件[17，18]。目前这些研究大多利用成本效益分析的方法，来解决畜牧养殖废弃物处理和利用的技术经济可行性评估问题，但往往忽视了与之伴生的环境影响；同时在分析方法上仅对单项技术进行技术经济评价，而缺乏对整体性技术系统的经济环境效应评价，导致研究结果难以为实践应用提供科学而系统的指导依据。

本文将通过对典型案例的分析，在考察规模化养殖废弃物处理环境影响的基础上，采用国际学术界逐步流行的生态经济模型方法，来模拟分析如何通过处理措施与资源化利用模式的选择和管理方式的优化，来改善规模化养殖场的环境经济效益，并进一步提出解决我国规模化畜牧养殖废弃物污染问题的相关政策建议。

1 案例分析

本研究所选养殖场位于浙江省金华市郊，主要从事生猪规模化养殖。该养殖场于2006年建成并投入使用，目前已发展成为拥有七百余头母猪，年销售一万余头育肥猪的大型养殖场。养殖场目前占地3hm2，建筑面积约6000 m2。为对养殖废弃物进行集中处理和资源化利用，该养殖场建有固液分类、沼气工程和爆氧塘等工程设施。在废弃物处理和利用上，养殖场首先对废弃物进行固液分离，然后部分粪便直接还田，部分粪便和污水则经过混合调节后输入到污泥床反应器进行厌氧发酵以生产沼气，接着对生产出来的沼气进行净化、收集和利用，同时对沼气工程处理后的沼液进行好氧（爆气）处理，最后爆氧处理过的沼液注入荷塘作为莲藕种植的肥料。目前该养殖场废弃物处理和利用方式如图1所示。

图1 某养猪场现有废弃物处理和利用模式

经过对养殖废弃物处理和利用，该养殖场取得了良好的经济效益和环境效益。在经济效益上，养殖场年生产沼气25万m3，可满足养殖场及周边200多户农户日常生活用能，沼气工程处理所产生的沼渣和部分固体粪便作为有机肥料为周边8 hm2的荷塘和15 hm2的稻田提供养分，节约了化肥施用的花费。在环境效益上，通过废弃物处理系统的处理，废水得到净化处理，粪便得到资源化利用，从而保护了当地的生态环境。同时综合化的废弃物处理方式还可有效杀灭病菌、病毒和寄生虫卵，减少了人畜病害。

该养殖场在对废弃物处理利用上取得了良好的环境经济效益的同时，由于多种因素的影响也还存在着一定的问题。通过作者在该养猪场所作的实地调查发现，目前该规模化养殖场仍有少量废水直接向周边河道排放，给周边环境带来了一定的污染。沼气生产量也大大超过附近农户生活用能需要，多余的沼气直接排放到大气中，增加了温室气体的排放。同时该养殖场对养殖废弃物的利用主要是用来生产沼气和种养莲藕，只有养殖场自身所有的荷塘和附近的部分稻田利用了有机粪肥，养殖场区外不少农民认为猪粪肥效不如化肥而不愿使用猪粪还田，大多田块仍然使用尿素和复合肥等矿物肥料，增加了不少化肥的花费。

由于目前大多数规模化养殖场采用综合性处理方式来处理养殖废弃物，因而本研究将假设该养殖场综合采用粪肥还田、堆肥处理、厌氧处理、好氧处理、沼气生活化利用和沼气发电等多种处理和利用方式，并试图对其养殖和废弃物处理方式进行优化，以期达到更好的经济效益和环境效益。现假设对现有废弃物处理系统进行改进，改进后的模拟废弃物处理和利用模式如图2所示。在改进后的模拟模式中，假设引入堆肥处理方式，对固体粪便和厌氧以及好氧处理后残留的沼渣进行发酵生产生物有机肥；同时假设对沼气同时采用生活用能使用和沼气发电两种利用方式。

图2 某养猪场模拟废弃物处理和利用模式

2 模型方法和数据

近年来，为解决那些社会经济发展与生态环境之间的矛盾，自然科学与经济分析的整合分析研究正逐步增多。随着技术方法的不断改进，在国际学术界研究者越来越多地运用模拟和数学规划技术来构建生态经济模型，并在模型中引入生产的技术特征（或属性），运用系统性的模型来反映决策目标、技术、经济和环境之间的复杂关系，来研究经济、环境和技术之间的互动问题[20，21]。生态经济模型研究方法即一种将经济学模型同一个基于工艺流程的生物物理模型连接起来的研究方法，在构建模型时它采用一种或多种“连接”技术，运用模拟或数学规划等技术来联立“各种描述人们的资源管理行为”的函数公式与“一定收入（或需求）下可选择的生产可行性与环境效应关系”的函数公式[21]。因而，本文将基于生态经济模型的建模方法，构建融合技术选择模型的整合农业生产和废弃物处理环境影响的生态经济模型，来考察评估现有技术的应用效果，并从可选的技术中进行优化选择，来评估考察技术改进后的效果。

基于生态经济模型的一般结构[22]，以规模化生猪饲养生产特征为出发点，同时结合案例中生猪养殖和废弃物处理和利用的实际情况，本文构建了“规模化生猪养殖及废弃物处理的农业生态经济模型”（以下简称PEEM模型）。该生态经济模型融和基于生产者理性选择的经济学模型、基于废弃物处理流程的生物物理模型和基于土壤养分平衡的生态模型于一体，包含“主计算模块”、“生猪饲养模块”和“废弃物处理利用模块”。基于PEEM模型，本文模拟分析养殖场如何通过废弃物处理与利用方式和管理方式的优化选择和优化调整，来保证一定环境效益的同时达到最大化的经济利益。

在PEEM模型中，“主计算模块”由4部分组成：（1）目标函数（Max Z），以生猪养殖收益及废弃物处理收益之和最大化为目标。（2）目标变量，包含母猪存栏数等养殖变量和还田粪便量、生产沼气粪便量和生产有机肥粪便量等废弃物处理变量。（3）约束条件，包括大田种植面积和资金投入等资源约束、厌氧消化器容积等技术约束、氮磷剩余约束、排水水质标准约束等环境约束和沼气需求等社会经济约束。（4）外生变量，包括饲料、劳动力和原材料等各种要素价格和生猪、有机肥和沼气等产品价格。

其中，Z表示总利润；i表示生猪饲养和废弃物处理各个阶段；Zi表示i阶段利润；

还田约束：Sftf≤Sblztd

其中，Sftf表示粪便还田面积；Sblztd表示作物种植面积；由于粪便运输成本很大，距离其他村庄较远，运送到其他村庄进行还田在经济上是不划算的，因而本文中只考虑粪便在本村土地范围内进行还田；

技术设计约束：Vuv≥F（Vflud×αuhrt,Vbgd）

其中，Vuv表示厌氧消化器容积；Vflud表示日处理污水量；αuhrt表示处理时间；Vbgd表示日产沼气量；该式表示厌氧消化器容积是日处理污水总量、污水在消化器内停留时间和日产沼气量的函数。

环境约束：Wtfj≤Wmaxtfj

其中，Wtfj表示折合氮和磷可还田粪便量；Wmaxtfj表示折合氮或磷可还田粪便最大值；i表示氮或磷；该式表示还田的粪便和污水中的氮磷含量不能够超过土壤的承载量。

“生猪饲养模块”利用生长函数、成本收益函数及相关技术设计函数来刻画生猪生产系统，以反映繁育节律、物质循环和收支等情况。其中函数表达式主要有：

其中，PFyz表示养殖利润；k表示生猪种类（出售的育肥猪或仔猪）；Rk表示销售收入；l表示成本项目；Cl表示养猪成本。

其中，Exik表示氮或磷排泄量；j表示饲料种类；Qk表示存栏数；TFWjk表示饲料采食量；feij表示饲料氮或磷含量；eeik表示氮磷排泄量占采食量的比例。本公式根据物质守恒定律跟踪氮磷在生猪养殖和废弃物处理中的流向。

“废弃物处理利用模块”描述不同废弃物处理方式下各阶段的技术经济特征，并细分为固液分离、还田、集水池、调节池、厌氧处理、净化脱硫、贮气柜、好氧处理和堆肥等9个子模块。其中函数表达式主要有：

其中，INFil表示进入土壤的氮或磷数量；l表示大田中氮或磷循环路径；OUFil表示土壤氮或磷流失量；KFil表示土壤氮或磷变化量。根据氮（N）和磷（P）在种植系统中的生态循环路径，运用物质平衡理论，来决定其最佳施用量。

沼气生产：Wgbd=[Wsbd×(1-βswp)+Wfbd×(1-βfwp)]×βbe

其中Wgbd表示日沼气产量；Wsbd表示日厌氧处理固体猪粪量；βswp表示猪粪含水率；Wfbd表示日厌氧处理尿液量；βfwp表示尿液含水率；βbe表示沼化效率。

PEEM模型建模所需数据主要来源于作者在该村的实地调查和测量。除特别说明外，本文所有价格数据均采用2012年当地当年平均市场价格。猪群繁殖生长和栏位设计根据当地实际情况获得相应数据。对饲料营养成分、肥料养分和作物吸收等技术参数，作者参阅了《饲料手册》[23]、《肥料实用手册》[24]和《农业技术经济手册》[25]中的相关数据。

3 模拟结果分析

根据PEEM模型结构和数据，采用GAMS计算程序，估计了该养殖场养殖规模、废弃物处理与利用方式和收益的优化结果，如表1所示。为反映优化后的结果与目前实际情况的差异，表中也列出了2012年的实际值和模型优化结果与2012年实际值之间的差值。

与2012年实际情况相比，模型优化结果显示可以对养殖规模、废弃物处理利用方式做出一定的优化调整，从而改善养殖场的经济效益和环境效益。

3.1 养殖规模

模型优化结果显示母猪饲养头数为817头，比2012年增加67头；生猪出栏总量达到11928头，比2012年实际增加978头，增长8.93%。由于废弃物处理能力及其相应收益的扩大，可以使养猪场有更充足的资金，使养殖规模适量的扩大。

3.2 废弃物处理方式

在粪肥还田施用上，现有处理方式将沼液直接施用于8 hm2的荷塘中，同时将1556.50t的粪便施用于15hm2的稻田中。而模型优化后，除将沼气工程处理后的沼液直接施用荷塘外，还可施用少量（57.69t）固体粪肥。模型优化结果还显示，可以在周边52.50hm2的农田（稻田）中施用1966.28t的粪肥，并适当减少在单位稻田中的粪肥施用量。这表明当前粪肥还田施用的农地面积过小，可以通过适当扩大还田面积的方式将更多的养殖粪便用于种植业。

除用于还田外，当前固体粪便全部用于生产沼气，模型优化后的结果同样如此。而模型优化结果显示，用于生产沼气的粪肥量需要减少14.53%，以适当减少沼气生产。这主要是由于粪便直接还田成本较低，优化后需要更多的粪便用于还田，从而减少了用于沼气生产的粪便量。与目前实际情况下生活用能沼气量相比，优化后用于生活用能的总量保持不变。优化前，生产过多的7万m3沼气直接排放，而优化后超出农户生活用能使用量的3.5万m3沼气则被用于发电。这说明由于养殖场及农户对于沼气用于生活用能的需求有一定的总量限制，而将生产出的多余沼气用于发电可以扩大废弃物处理和利用规模。同时模拟结果显示，目前还不需要采用堆肥方式进行有机肥的生产，这主要是由于目前通过粪肥还田和生产沼气的方式足以处理当前规模下的养殖废弃物，并且这两种处理方式有较好的经济效益。

表1 基于PEEM模型的优化结果

3.3 经济效益

模型优化结果显示，优化废弃物处理模式后养猪场总收益较2012年实际收益提高32.79万元，增长11.38%；其中生猪出售收益提高25.43万元，粪便处理收益提高7.36万元。在粪便处理收益中，优化后粪便直接还田收益提高7.75万元，沼气利用由于增加了沼气发电利用方式而增加收益2.30万元，而由于增加粪便处理能力和污水处理量而增加处理成本2.69万元。这表明通过调整优化废弃物处理与利用方式，可提高废弃物处理能力，进而可适当扩大养殖规模，并能最终提高养殖场总收益。同时从分析结果也可看出，养殖场废弃物处理和利用的成本较大，除去还田收益后养殖场废弃物处理的收益为负值，这将可能会导致养殖场缺乏足够的经济激励去开展综合化的废弃物资源化利用。

3.4 环境效益

根据养殖场当地种植方式、土壤条件以及作物的营养需求，优化后大田中的单位面积粪肥施用量为38.55t/hm2，这基本不会给当地土壤和地下水带来环境威胁。而2012年实际的每公顷粪肥施用量高达103.77t，大大超过大田土壤承载能力，这将会造成氮磷的累积过量而给土壤和地下水造成环境危害。该养殖场每年在大田中过量施用粪肥达978.24t，优化后通过扩大还田面积，降低单位面积施用量的方式，则可以避免粪便过量还田对环境带来的威胁，同时也增加粪便还田利用的经济效益。同时模拟结果显示，优化后的废弃物利用和处理模式可以使得养殖场污水处理能力大幅度提高，减少730m3污水排放，实现污水“零排放”，从而避免了污水对周边地表径流和土壤的环境危害。另外通过引入沼气发电的沼气利用方式，将多余沼气转化为清洁高效的电能加以资源化利用，在带来一定经济收益的同时，也减少了7万m3温室气体的排放。

4 结论和政策建议

4.1 结论

本文采用生态经济模型方法，揭示了规模化畜牧养殖场废弃物处理和利用中技术选择、管理方式、经济效益和环境效益之间的内在联系，并通过模拟分析得出以下几点研究结论：（1）养殖场在农田中过分使用畜牧养殖粪肥，将会超过土壤承载能力，给农田生态环境带来危害，同时也会造成养殖废弃物资源化利用的经济效益不高。规模化养殖场要通过扩大还田面积，同时减少单位面积粪肥还田量的方式，增加粪肥的还田收益，同时减小环境污染的威胁，提高环境效益。（2）畜牧业养殖规模化集约化程度的提高，使得单纯依靠农牧结合已经不能全面有效地解决大量而集中的养殖废弃物所带来的环境威胁，有必要综合利用多种废弃物处理和资源化利用方式来达到更好的经济和环境效益。养殖场可以根据自身的养殖规模合理选择粪肥直接还田、沼气化利用和堆肥化等多种废弃物处理与利用方式，来对畜牧养殖废弃物进行综合性的处理和利用，使得污水达到零排放，畜牧粪便在更广阔空间范围内得以利用。（3）规模化畜牧养殖生产方式带来的环境污染危害和废弃物处理难度均已超过传统养殖方式，其废弃物处理和利用需要较大的投入成本和运行费用，而废弃物处理利用的经济利润又相对较低，导致很多畜牧养殖场缺乏足够的经济激励进行废弃物处理及其资源化利用

4.2 政策建议

基于以上研究结果，可以得出如下可供农业管理部门和环境管理部门管理者参考的政策建议。

4.2.1 推进农牧结合，适度还田利用 今后在新建养殖场审批中要对粪便还田做出相应的规定和要求，养殖场的建立尽量要保证有一定的配套耕地，优先考虑废弃物能否得到周边土地的利用和消纳。养殖户也要根据当地土地情况合理选址，与周边土地所有权人事先达成粪便土地利用的协议或契约，以保证畜牧粪便得到经济合理的处理和利用。同时，有必要对农民进行科学的宣传和指导，根据作物需求和土壤承载力确定合理的施用量，将动物粪便适度还田，使得种植业和畜牧业相互促进、协调发展。

4.2.2 开展综合利用，优化处理方式 在实践上，由于废弃物处理和利用方式多样，需要对多种废弃物处理技术和管理方式进行优化选择和调整，来提高资源利用效率，降低处理利用成本，提高了养殖收益和废弃物处理与利用的收益。同时要根据当地自然条件和社会经济发展，结合当地肥料和能源需求，因地制宜地引入沼气生产、沼气发电和堆肥生产等技术，使得养殖场经济效益和环境效益均得到优化提高。

4.2.3 加强环境管理，予以政策扶持 当前，有关政府部门在加强对规模化畜牧养殖进行环境管理的同时，还需要对采用废弃物处理和资源化利用技术措施、并达到当地排放标准和环保要求的养殖场给予一定资金补贴或奖励，以经济手段促使畜牧养殖场积极开展废弃物的处理和利用，推动畜牧养殖生产的可持续性和环境友好型发展。这样不仅可解决规模化养殖对农村环境带来的污染问题，而且也可带来良好的社会经济效益。

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