奶牛粪污资源化利用技术研究

张元　项勋　熊海谦

摘要 [目的]奶牛标准化、规模化养殖牧场产生大量粪污污染源，对农牧业生态环境污染及奶牛健康问题影响日益严重，因此全面探索经济适用于本地的粪污处理技术，对奶牛养殖业科技创新与养殖业生态环保有重要意义。[方法]探索以种养结合、机械化处理奶牛粪污，从生产实际与科学技术结合进行全面总结分析，提出养殖业粪污处理的有效途径与建议。[结果]奶牛粪污经科学的因地制宜、种养结合及机械化处理实现了“粪污”向“粪肥”转化。[结论]养殖业粪污处理应因地制宜、种养结合多途径多方式解决，创建养殖业以污染治理向资源利用、以种养分离向种养结合转型升级的农业牧场。

关键词 奶牛粪污；机械化处理；综合利用

中图分类号 X713 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）03-0168-03

Abstract The standardization and large-scale farming of dairy cow produce a lot of dung pollution. It is becoming more and more serious because the pollution effect on the ecological environment and cow′s health，so it is very important to explore a comprehensive local dung treatment technology for scientific and technological innovation in dairy farming and ecological environmental protection in aquaculture. Through exploring the combination of planting and breeding，and the mechanized processing of cow′s dung，analyzing the actual production and technology，some effective methods and suggestions of dung treatment were put forward. The dung conversed to ″manure″ when it was treated by the combination of planting，breeding and mechanized processing. Livestock dung treatment should be adapted to local conditions and choose different ways to utilize pollution resource. The separate way of planting and breeding should upgrade to the combination way.

Key words cow dung pollution；mechanization treatment；comprehensive utilization

近年来，我国奶牛养殖业蓬勃发展，奶牛存栏和奶产品产量已居世界前列。2015年1月6日农业部和浙江省政府在北京召开“浙江现代生态循环农业试点省建设”新闻发布会[1]，率先在全国开展现代生态循环农业建设，这也预示现代生态畜牧业的新定位——生态循环功能的确定。黄冈市已成为湖北省最大的奶牛养殖基地，这对于促进本市畜牧业产业升级、优化农村产业结构和增加农民收入起到了积极的推动作用。但是，在奶牛养殖过程中，产生大量的粪尿、污水、有害气体等污染物如不科学处理，则会对大气、水源、土壤造成严重的污染且导致奶牛传染性疾病的流行，奶牛粪污经科学处理后，可转化为价值较好的肥料资源。因此，以科学技术、机械化手段将奶牛粪污变废为宝，将畜牧养殖业与农业种植业相结合，优势互补，促进农牧业生态循环发展。

1 粪污处理的发展现状

1.1 奶牛养殖业现状

目前，黄冈市有标准化、规模化奶牛牧场15个，存栏奶牛逾2万头，经试验测定，一头500～600 kg的成年奶牛，每天排粪量30～50 kg，排尿量15～25 kg，污水15～20 L，全市奶牛全年粪污量为43.80万～69.35万t。全市奶牛牧场均為100头以上规模化牧场，粪污产生较为集中，奶牛业发展到现阶段，主要表现为四大特点：一是规模化、集约化全覆盖。根据国家标准，存栏数在100头以上的奶牛场可以算作集约化、规模化养殖场[2]。二是信息化生产管理应用程度较高，各牧场均使用“牛人管理系统”，但机械化程度参差不齐，科学处理粪污技术不足。三是受经济等因素制约，奶牛粪污处理相关配套工程设施不完善。四是农业种植与牧业养殖脱节，规模化、标准化养殖企业不开展种植或无田可种，造成粪肥排放较为集中，产生区域性相对粪肥过剩，处理成本和难度大。

奶牛场日常生产中主要产生粪尿、污水2个方面，奶牛为大型家畜，饲料采食量与粪尿排泄量较大，饲料能量和蛋白质转化为牛奶能量和蛋白质的效率分别为20%和17%～42%，转化为牛肉能量和蛋白质的效率分别为5.2%～7.8%和8%[3]。黄冈梅家墩牧业有限责任公司为标准化、规模化、集约化千头规模国营牧场，存栏奶牛为300头。

1.2 奶牛规模化养殖污染源及对环境的危害

1.2.1 大气污染。奶牛排泄物暴露在空气中时所产生，散发到空气中引起大气环境污染，主要废气污染物为氨气、硫化氢、甲基硫醇和三甲基胺等[4]有毒有害气体，对地区空气质量、气候变暖有一定影响，随着规模化畜禽养殖业的发展，养殖场的有毒有害气体威胁到饲养人员及周边居民身体健康，并影响畜禽的正常生长。

1.2.2 土壤污染。奶牛粪污所含有机物、重金属离子、微生物等[5]，粪污未经无害化处理直接倾倒，对土壤造成破坏性污染，降低了土壤的正常功能，导致农作物减产和质量超标，农作物从土壤中吸收污染源而影响身体健康。

1.2.3 水质污染。畜禽养殖生产过程中产生的粪尿、冲洗水、雨水冲刷牛舍地面等，主要指标有BOD5、COD、TP、TN与微生物等[6]，直接排放导致水中悬浮物增多而缺氧，影响河流的自我净化能力，破坏水生物的生态环境，使水产养殖业减产，严重威胁饮水、农业灌溉用水安全。

1.3 常见粪污处理与利用工艺

1.3.1 自然发酵。自然发酵堆肥较为传统，利用自然环境中的微生物将粪污进行发酵的过程是无氧条件下借助厌氧微生物将有机质分解，其成本相对较低但发酵时间较长，气味较重，含杂菌，有害元素含量较高，种植使用时范围有限制。

1.3.2 有机肥生产。畜禽养殖业的高速发展产生了大量的粪污，粪污中有害元素严重超标，难以用传统的还田方式处理。使用机械化处理将粪污采用好氧发酵处理生产有机肥[7]，在好氧微生物作用下使粪污中有机物质稳定化，具有较强好氧性发酵分解能力，发酵时间较短，粪肥发酵较彻底，气味较轻，使用方便。

1.3.3 沼气工程。利用厌氧菌的分解转化作用[8]，以粪污经过厌氧消化以获取沼气能源和治理环境污染，目前国内研发引用的沼气工艺主要有3种，分别为CSTR、USR、UASB工艺[9]。沼气利用使畜禽养殖粪污得到充分利用，较大降低面源污染，同时产生清洁能源，其管理较为简单、使用方便，但其前期投入较大。

1.4 国家对粪污处理相关政策的要求

畜禽养殖污染已经成为较大的污染物总量组成部分之一，全国污染源普查公报显示[10]，农业污染源化学需氧量、总氮、总磷排放量分别占全国排放总量的47%、57%、67%；我国农业污染排放主要来源于畜禽养殖业，其COD、TN、TP排放量分别占农业源污染物排放总量的96%、56%、38%。国家相继出台2014年1月1日起施行《畜禽规模养殖污染防治条例》[11]、2015年4月13日《关于打好农业面污染防治攻守、坚站的实施意见》[12]“一控两减三基本”的目标，基于此背景下，畜牧业粪污处理转型升级是必然趋势。

2 奶牛粪污处理工艺

黄冈梅家墩牧业有限责任公司粪污处理主要方法为机械化自动清粪、固液分离、沼气工程、污水处理、干粪污发酵及雨污分流等，实现粪污进行无害化、生态化处理，进而资源化利用，从而达到“粪污”向“粪肥”的转化。黄冈梅家墩牧业有限责任公司粪污处理工艺流程见图1。

2.1 轨道式自动清粪便器

由电机减速器带动8#热镀锌槽钢制作的轨道来驱动刮粪板清扫牛粪、配电柜配有相关检测及智能控制元件，轨道推力为2.5 t，刮粪板运行速度为4.5 m/min，刮粪板往返1次工作时间为30 min，黄冈梅家墩牧业有限责任公司存栏奶牛包括泌乳牛、干奶牛、青年牛及牛犊共计300头，粪污日产量合计为15 t，其中固体部分为4 t，液体部分为11 t，年产粪污量合计为5 475 t，粪污处理全自动程序控制，无需人工现场控制。

2.2 固液分离系统

干湿分离机日最大加工粪量为28 t，固液分离系统主要包括搅拌机、切割泵、固液分离机、冲洗泵、空压机、分离机滤网、液位控制及管路等设备，使用轨道式自动清粪便器将粪污刮送到奶牛舍集粪污池后，使用吸粪污车输送至固液分离机，粪污收集后进入调节池，调节池内安装有切割泵和搅拌机，可对所有的粪污持续进行混合、搅拌，混合均匀后，由潜水切割泵输送至固液分离机，经过分离的固体进入下方固体料堆糟中，最后输送至粪污发酵场；液体排放至储液池沉淀，储液沉淀池上清部分用以冲洗粪污管道及牛舍集粪污池，储液池下部分回收至调节池。所有设备可由液位控制实现自动化处理。本牧场经固液分离系统，经处理后日分离干粪量为4 t，年分离干粪量1 460 t，其中530 t干牛粪经晾晒、消毒处理后直接作为填充奶牛睡床垫料。

2.3 沼气工程

依据国家沼气建设政策，申报沼气投资补助项目，按照“减量化、资源化、无害化”的原则设计[13]。主要建成设施有1 000 m3厌氧反应器、二次发酵罐、沼气贮气柜及沼液、沼气利用设施、有机肥生产设施。处理工艺采用“CSTR+二次发酵罐工艺”，沼气用于本牧场及周边发电、燃用，沼液用于附近水产养殖营养及农业灌溉施肥，沼渣制作有机肥料，避免对环境产生污染。通过沼气工程处理的粪污，年产沼气10万m3、发电量15万kW·h、有机肥220 t、沼液4 015 t。

2.4 污水处理站

污水处理通过污水沟汇集于集水池中，一部分进入调节池与牛粪混合降解发酵；一部分进入厌氧消化池水解酸化，以厌氧性微生物将复杂有机物降解为简单有机物，同时沉淀固态悬浮物；经厌氧处理后的污水再由泵进入接触氧化池分解；接触氧化池出水自流进入沉淀池沉淀；沉淀池中出水经明渠过流紫外消毒后排入氧化塘；氧化塘处理污水后全部灌溉牧草种植基地，不对外排放。其中调节池、厌氧池、沉淀池产生的污泥部分进入污泥井浓缩脱水后，进入沼气工程的调粪池。黄冈梅家墩牧业有限责任公司实行雨污分流处理，雨水进入集水池，污水使用处理站处理后达到农田灌溉水标准循环利用，建设污水处理站日处理量60 m3/d。

2.5 粪污发酵场

奶牛粪污中主要成分为粗纤维、粗脂肪、粗蛋白、无氮浸出物等有机成分。建立粪污发酵场处理糞污具有实用、处理量大、成本低及处理技术和设施简单易行等特点。其含的有机物质与农业种植生产中遗弃的稻草、麦秆进行混合、堆积，将湿度控制为50%～70%，堆放宽、高为2.0 m×1.5 m，长度无限制，发酵温度达65 ℃时翻动，当发酵堆呈黑褐色，温度降至常温，发酵完成，周期为7 d左右[14]，本牧场粪污发酵场地充足，除去作为牛床垫料部分，年产有机粪肥1 230 t。

2.6 雨污分流

雨水采用明渠排放，污水采用暗沟输送，雨污分流是“减量化”减少污染，也是节约资源，雨水经过分流后，可直接集中到集水池，经过自然沉淀，可作为天然的冲洗用水，雨水经过净化、缓冲回流使用，可以提高地表水的使用效益，同时也极大降低粪污排水量，减少奶牛粪污水处理成本，提高粪污水处理效率。

3 奶牛粪污的综合利用效益

黄冈本土养殖密度高，粪污不能得到有效处理和消纳，带来养殖业区域性环境污染。黄冈梅家墩牧业有限责任公司将粪污经过科学处理后，将300头奶牛产生的粪污全部回收利用，通过粪污固液分离平台、机械化设备处理扩大延长了消纳区域，是实现粪污全利用和零排放的重要举措，同时也是养殖业粪污总量减排的重要环节。经处理的干粪污大部分经发酵制作粪肥直接还田作为有机种植栽培基质使用，对改良土壤、增加土地肥力是最便捷、易行、经济的方式，另一部分干粪经晾晒、消毒后是一种好的牛床垫料，同时节约养殖成本；液体粪污进入沼气工程处理后，沼气用于牧场发电照明、锅炉燃料及生活服务，沼液用于牧草、水果、蔬菜、苗木等种植肥料；通过雨污分流，极大减少了粪污量，通过回收利用，增加了水资源使用效益。

3.1 经济效益

3.1.1 清洁能源。沼气年收益：产沼气10万m3，净收益为1元/m3，则沼气利用年净收益为10万元。沼液年收益：产沼液4 015 t，净收益为50元/t，则沼液年净收益为20.075万元。沼渣收益：年产沼渣220 t，净收益为400元/t，则沼渣年净收益为8.8万元。雨水收集利用：年收集雨水1 860 t，净收益为2.2元/t，则雨水年净收益为4 092元。

3.1.2 有机粪肥。年产有机粪肥1 760 t，净收益为380元/t，则有机粪肥年净收益为66.88万元。

3.1.3 牛床垫料。干牛粪经晾晒、消毒处理后，作为奶牛床垫料使用，年循环利用530 t。经试验晾晒、消毒，干牛粪体积约2 m3/t，干牛粪垫料净收益40元/m3，则干牛粪垫料年净收益为4.24万元。

3.2 生态效益和社会效益

奶牛养殖在向规模化、标准化及专业化的发展同时，因为带来了牧场污染的相对集中，严重影响到生态环境及奶牛健康。黄冈梅家墩牧业有限责任公司牧场通过机械化自动清粪、固液分离平台、沼气工程、污水处理站、雨污分流及粪污发酵制作有机肥料等方法科学处理，有效推动了牧场环保的发展，又取得了较好的经济效益，促进了奶牛养殖、有机种植相结合跨越发展，粪污的处理带来经济效益，在当地形成了较好的示范效应；奶牛粪污得到充分利用开发，降低牧场面源污源，有效降低奶牛疾病发生与传播，牧场卫生环境得到全面优化；解决了牧场清洁能源的问题，节约能源成本，提高了牧场利润；将“粪污”转化为“粪肥”用于种植业，加强了对土壤改良与保护，极大降低了化肥等使用量，较好提高了作物产量与质量，建立了可循环发展的有机产业链，对促进农牧业生态环境良性循环和可持续发展起到了重大作用。

4 畜禽养殖业粪污处理建议

4.1 以“绿色、协调、可持续”理念为导向，发展生态农牧业

农业生产过程中，养殖业粪污、种植业化肥等成为污染的主要来源，按照“绿色、协调、可持续”理念，把污染治理与资源循环利用有机结合，促进“污染物”向“资源化”转化，形成经济、科学、多层次、多功能的良性循环。

4.2 因地制宜，种养结合，促进种植业与养殖业互动共生

科学规划养殖场所，大力倡导“种养结合”模式，推进养殖牧场与周边种植业配套建设，养殖业生产的粪污通过科学处理生产的粪肥就地就近还田，因地制宜选择养殖场规模，遵循自然规律完善配套可消纳养殖业产生“粪肥”的种植土地保有量，土地保有量不足的牧场，完善设施设备，机械化、工艺化处理，如沼气工程、干湿分离、养殖蚯蚓、种植蘑菇等方式，充分利用粪肥种植开发牧草资源，既解决畜禽“吃”的饲料问题，又解决“排”的粪污问题。

4.3 完善养殖业粪污处理政策法规，建议纳入公益环保事业管理

粪污处理要根据实际情况出发，粪污处理设施设备成本高，投入大，要充分考虑成本和投入产出比。畜牧业规模已发展为农业的半壁江山，养殖业的发展直接关系到民生保障，呼吁建立由政府主导、市场运作、共同参与的处理模式，将养殖业粪污处理纳入政府公益环保事业管理，上升到环保高度统一规划分类、分批、分区域进行管理。

4.4 粪污处理应多方式、多途径相结合

粪污处理过程中，各地气候环境、地利条件、设施设备有较大差异，应充分发挥自身优势，使用多种方式、多种途径相结合模式“降成本，补短板”，进一步优化畜禽养殖结构，实现可持续发展。

5 参考文献

[1] 陈小平.“全国唯一试点”为什么落户浙江：浙江生态循环农业发展纪实[J].今日浙江，2015（3）：34-35.

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