畜禽养殖业面源污染微生物发酵床控制技术应用与防治建议

李艳苓 耿 兵朱昌雄

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁领域团队，北京100081）

畜禽养殖业面源污染微生物发酵床控制技术应用与防治建议

李艳苓 耿 兵*朱昌雄*

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所农业清洁领域团队，北京100081）

文章阐述了当前我国畜禽养殖业面源污染的状况，总结了目前微生物发酵床养殖技术在控制畜禽养殖业面源污染方面取得的进展，介绍了以微生物发酵技术为核心的畜禽养殖污染控制与治理系统方案。最后，结合实践提出我国畜禽养殖业面源污染防治的建议，包括红线倒逼、种养结合、模式转化、适度规模、技术升级、生态奖补和完善法规等方面。

微生物；原位发酵床；异位发酵床；面源污染

近年来我国畜禽养殖业发展迅速，但是畜禽养殖废弃物无害化处理和综合利用的工作开展不够，畜禽养殖废弃物引起的水环境污染现象时有发生。畜禽养殖业面源污染问题已威胁到农业和社会经济的可持续发展。目前，我国在畜禽养殖业面源污染防治技术研究方面开展了大量工作，取得了一定的进展。其中，微生物发酵床养殖技术以免冲洗、低污染和生态化的特点得到了较为广泛的推广应用。本文阐述了当前我国畜禽养殖业面源污染的现状和微生物发酵床养殖技术在控制畜禽养殖业面源污染方面取得的进展，并提出我国畜禽养殖业面源污染防治的建议。

1 畜禽养殖业面源污染概况

1.1 对水环境的影响

近年来，我国规模化畜禽养殖业发展迅速，随之而来的是养殖废弃物的大量产生和排放，相应的水环境污染问题凸显。相关报道表明，2015年我国畜禽粪便产生量为47.6亿吨，折算成氮、磷和钾纯养分为0.4亿吨，但是畜禽粪便的还田利用率仅有约50%[1]。《第一次全国污染源普查公报》的数据显示畜禽养殖业排放的化学需氧量1 268.26万吨、总氮102.48万吨、总磷16.04万吨，分别占我国污染物总排放量的41.9%、21.7%和37.9%，占农业源排放量的95.8%、37.9%和56.3%[2]。

1.2 对土壤环境的影响

我国规模化畜禽养殖业发展迅速，同时饲料生产中含有重金属元素的预混剂和添加剂被大量使用，从而形成重金属土壤污染的潜在风险[3]。如果将重金属含量不达标的养殖废弃物还田利用，则会造成土壤生态系统的危害[4]，进而危害到人类的食品安全和身体健康。如果土壤中积累过多的重金属元素锌，会阻碍植物生长，甚至导致植物停止生长[5]；如果铜含量过多，会破坏土壤中微生物的蛋白质结构，使其因蛋白质变性而死亡，导致土壤肥力降低，甚至土壤板结[6]。2014年4月公布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，全国土壤总的超标率为16.1%，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染类型以无机型为主、有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8%[7]。

1.3 对大气环境的影响

畜禽养殖业产生的恶臭气体可以引起人的不愉快感觉或者会对人的身体健康造成威胁。相对于畜禽粪尿引起的水体和土壤污染，人对恶臭气体造成的空气污染更为敏感。恶臭气体主要产生于畜禽粪便的腐解过程，诸如粪便产生、储存和处理过程，甚至田间施用过程都会释放一定量的恶臭气体。有研究表明高浓度或者长期暴露于恶臭气体中，会造成人生理机能的障碍和病变[8,9]。畜禽养殖舍内各种气体都有其浓度限值要求，超过一定限值会引起畜禽的健康不适或导致疾病的发生，重者引起中毒，甚至死亡。畜禽养殖业产生的臭气在一定程度上阻碍了其健康发展，因此，开展畜禽养殖业恶臭气体污染控制与治理技术的研究已成为畜禽养殖业可持续发展的重要任务[10]。

2 微生物发酵床养殖技术在畜禽养殖业面源污染控制中的应用

2.1 原位微生物发酵床养殖技术

原位微生物发酵床养殖技术最早起源于日本、韩国，随后在中国大面积推广应用。在国外称为deep-litter-system、in situ decomposition of mature或the microbial fermentation bed[11-15]。其优点是畜禽在发酵床中运动，增加其运动量，提高了生长性能；畜禽口服益生菌，优化肠道微生物的菌群结构，提高了畜禽免疫力及饲料利用率；避免每天对饲养场地清理，减少废水产生，降低臭气浓度，不会对环境造成影响；使用后的垫料含有丰富的营养物质，有机质含量较高，可用于生产有机肥，进而实现废弃物的资源化利用[13,16,17]。

最初，国内外研究者对原位发酵床养殖技术应用于生猪养殖研究得比较深入，探讨了传统养殖模式和发酵床模式猪只生长性能的差异，发现在幼猪饲养到第22周时，发酵床中的猪只利用更多的时间站立、运动以及在垫料中翻拱；在饲养到第9周时发酵床中猪只的唾液皮质醇浓度较高，但是在第17、22周则与传统模式饲养猪只的唾液皮质醇浓度相同，说明幼猪在饲养初期对发酵床环境产生了一定的应激反应，到第17周就已适应[13]。另有研究则通过试验验证了原位发酵床养猪可以减少猪只取食距离，进而提高猪只的取食量、取食次数以及体重[18]。因此，发酵床提供了更适于猪只运动、生长的环境，同时更方便猪只的喂养和管理。也有研究发现，分别利用水泥地面和原位发酵床技术饲养相同的猪只，来源于猪只的NH3释放量分别为8.82 g/天和2.16 g/天，两种模式在第2个饲养周期NH3的释放量分别比第1个饲养周期提高了4.9倍和1.1倍。在整个试验过程中的平均臭气浓度分别为105.4 OU和67.5 OU。因此原位发酵床对降低养殖过程中氨气和臭气的浓度具有一定作用[15]。原位发酵床养殖技术在鸡、鸭、牛等养殖生产中也有广泛应用，其研究也主要集中在原位发酵床技术养殖与传统养殖模式在饲养管理、畜禽生长性能、废弃物资源化利用、环保等方面的优势对比以及对发酵床垫料配置、床体设计方面的优化[17,19]。同时，相关研究均表明，原位微生物发酵床使用后的垫料含有丰富的氮、磷、钾和有机质等养分，为有机肥制作的良好原料。通过测定我国山东、吉林等地5个养猪场发酵床垫料成分，发现发酵垫料中富含氮、磷、钾、有机质等营养元素，但是盐分含量偏高、肠道寄生虫卵严重超标，具有安全隐患，所以施用前还需要对其做无害化处理[20]。

2.2 异位微生物发酵床养殖技术

关于微生物发酵床技术的研究，已经报道的主要是以原位发酵床技术为主，该技术虽然具有减少环境污染、提高畜禽饲养管理效率以及促进农民增收等方面的优势，但是在实际生产应用中依然存在很多问题。

首先是原料方面的问题。锯末和谷壳是生态发酵床垫料中常用的材料，所以需求量非常大。有研究发现，每平方米的垫料（80 cm厚），谷壳和锯末各需要4包（30～35 kg重）左右。因此对于一个规模化养殖场来说，如果在短期内筹备大面积采用生物发酵床技术所需要的原料，造价成本很高。除此之外，木屑和谷壳可以作为培养食用菌的基质，木屑还可应用于生产建筑材料，例如复合夹板门、刨花板、仿石板材等。其用途的广泛，为锯末和谷壳的收集增加了难度，同时对木材相关行业及谷壳的市场供应也会造成巨大影响。因此，考虑根据不同地区农作物种植情况，因地制宜地采用其他农村植物废弃物来替代单一的垫料原料具有一定的研究价值。其次，在发酵床养殖模式下，只能对养殖屋舍及垫料表面进行消毒。垫料是微生物大量繁殖的培养基，据检测，每克新鲜垫料中各种微生物的含量可超过108CFU。虽然发酵床中接种益生菌剂发酵后，可以达到60℃～70℃的高温，能够消灭不耐受高温的病原微生物，但是在部分发酵不完全的垫料中仍然存留了大量的各类微生物。在饲养畜禽过程中，一些生病的畜禽携带的病原菌可能保留在垫料中，成为病害累积暴发的隐患。最后，发酵床畜禽养殖的基本原理就是利用发酵来消解粪尿。垫料中的中温、嗜温微生物利用一些可溶性有机物质进行繁殖并转化为热能，随着温度的积聚，导致嗜温菌大量繁殖，引起更多有机物降解并释放出更多的热能，发酵床温度可以达到40℃～55℃之间甚至更高，此时的高温极不利于畜禽的正常生长。

针对以上问题，研究者考虑改变原位发酵床的畜禽养殖模式，将畜禽养殖与发酵床分离，即建立异位发酵床养殖模式。利用发酵床中的垫料对粪污进行分解转化，同时处理养殖粪便和废水，解决了养殖场废水直排对周围水体的环境污染问题。将农作物秸秆（油菜、水和玉米秸秆）应用于异位发酵床填料，实现养殖污染和秸秆焚烧污染的同步解决。该技术可以在一定程度上解决畜禽通过垫料携带病原菌发生病害的隐患，同时也避免了由于床体温度过高不利于畜禽的生长。将养殖场中的畜禽粪便进行固液分离后集中收集，固粪可采用高温堆肥的方式处理，液体可统一在异位发酵床中进行喷洒，分解处理。此技术的研究应用对于解决原位发酵床存在的问题具有实际意义。研究表明异位微生物发酵床填料温度高于55℃保持3天以上，可以有效消灭填料中有害微生物，提高填料的卫生安全系数。每单位填料废水吸纳能力的系数为2.40，且全过程pH值平均浮动于8左右，适宜好氧发酵。发酵后填料中的有机质、碳氮比均下降，总氮（TN）、总磷（TP）、总钾（TK）均上升，填料的总养分含量为6.19%，有机质的质量分数为56.11%，均达到我国有机肥料关于总养分含量及有机质质量分数的标准，满足其作为再利用的有机肥料的基本要求，提高了农业生产的资源利用率和经济效益[21]。

2.3 以微生物发酵技术为核心的畜禽养殖污染控制与治理系统方案

图1 基于微生物发酵的畜禽养殖污染控制与废弃物全循环利用技术

国家水体污染控制与治理科技重大专项针对畜禽养殖业污染负荷大的问题，以养殖业废弃物源头减排和资源化利用为思路，突破了多项关键技术，为流域畜禽养殖业面源污染治理提供有力保障。以微生物发酵技术为核心的畜禽养殖污染控制与治理系统方案作为畜禽养殖业面源污染控制的关键技术之一主要通过微生物发酵模式控制养殖废弃物外排，以源头控制为理念，采用微生物发酵床生态养殖、饲料微生物添加、养殖废弃物和废弃垫料高值转化等多种途径将养殖场废弃物全部收集并进行资源化利用。该项技术在安徽省合肥市桂和奶牛养殖场（存栏奶牛1 000头）和旺盛养猪场（年出栏1万头）的应用效果表明，工程实施后污染物COD、TN、TP削减入河率大于95%、98%和97%，工程出水水质的COD＜100 mg/L、NH4+-N＜25 mg/L、TN＜40 mg/L、TP＜3 mg/L。大通栏原位发酵床养猪技术和异位发酵床技术已经推广到福建、山东、浙江等省，近5年来推广应用1 300多万头猪；原位发酵床养殖技术已扩大推广到了填鸭养殖上，在北京金星鸭业已完成32栋鸭舍的发酵床改造，推广应用了300多万羽；异位发酵床技术控制养殖污染已推广到养鸡业，这几年在四川成都青神县及周边县推广了300多万羽。以微生物发酵床技术为主制定了《畜禽养殖污染发酵床治理工程技术指南》，已由环境保护部于2015年颁布实施，主要用于指导良好湖泊的农业面源污染治理。对资源化产品进行了21 500亩的技术示范和推广，进行养分流失规律研究，通过生物肥料和优化施肥技术结合，在化肥使用降低20%的情况下，能保证农作物产量不减产。有机肥施肥量400～500 kg/亩，控制农田养分流失20%～30%；生物有机肥施肥量200kg/亩，控制农田养分流失25%～35%。

3 我国畜禽养殖业面源污染防治建议

3.1 建立畜禽养殖业污染分区管理和污染预警体系 （红线倒逼）

依据我国不同区域土壤类型、气候条件、资源禀赋、养殖类型以及种植业生产等特点确定环境承载力，初步建成全国各县市养殖业污染预警体系，并结合经济发展和社会水平科学布局，实现养殖业环境分区管理。养殖业环境政策得到进一步落实；养殖业新建项目环评率进一步提升，东部地区各县（市）超过90%，西部地区各县（市）超过80%，禁、限养区划定完成，且实现禁、限养区内不符合条件养殖场的转移、关闭；规模以上养殖户对环保法、畜禽规模养殖污染防治条例等法规政策有更加深入的了解。

3.2 优化产业布局和结构，实施源头控制 （种养结合）

根据我国现有的土地、水资源、环境保护和市场需求等实际情况，以环保部发布的全国生态功能区划和农业部发布的优势农产品区域布局为基础，以农牧结合和区域养分综合管理为中心，结合各地的环境容量和生态承载量以及农田分布、种植制度等，科学制订畜禽养殖业发展规划，在规模化畜禽养殖场选址时要保证附近农田能够消纳和有效利用所有畜禽粪便，降低畜禽粪便排放造成环境污染的风险。

3.3 转变生产模式，构建畜禽养殖业循环经济体系 （模式转化）

结合我国的实际情况在发展养殖产业过程中应充分结合人、畜和环境等综合因素，实行“适度规模化饲养”，全面考虑影响养殖环境和配套资源，形成一套适应当地情况、与生态环境和谐共存、可持续发展的养殖体系与标准，积极提升养殖场管理水平，将过去盲目追求增加养殖产品数量的粗放型养殖方式转变为以提升质量为目的的现代化科学养殖方式。与此同时，积极发展循环农业经济模式，通过就近农田消纳养殖废弃物的方式实现废弃物的资源化利用。积极推广微生物发酵床养殖技术、干湿清粪技术。鼓励和引导养殖户将沼渣沼液还田处理，降低二次污染风险。

3.4 推广健康养殖模式 （技术升级）

为了解决养殖饲喂源头污染问题，减轻畜产品公害和畜禽粪便对环境的污染，积极推广和应用畜禽生态饲料。在饲料原料的选购、配方设计、加工饲喂等过程，进行严格质量控制和实施动物营养系统调控，以改变、控制可能发生的畜（水）产品公害和环境污染，使饲料达到低成本、高效益、低污染的效果。加强对养殖防疫工作的监管，杜绝违规使用激素和抗生素现象。

针对发酵床养殖技术完善相关推广政策和标准体系，建立资金扶持渠道，加大推广工作力度，加强相关科技研发和教育宣传力度。解决养殖污染物污染严重的问题，从整个区域出发，结合产业结构调整规划，以“污染负荷削减—资源化利用—产业化运行—环境与食品安全”为主线，实现种植业、养殖业、加工业和农村生活污染物质的循环和能量流动。以有机定位要求生产农业产品的目标，采用政府扶持、市场推进的战略，实现养殖污染物的污染处理与资源化利用。

3.5 完善生态奖补，推进以奖促制 （生态奖补）

使畜禽养殖业主要污染物排放量占全国总污染物排放比例显著下降。COD排放量比例控制在40%以内，氨氮排放量比例控制在20%以内，其他污染物排放量逐年递减；单位产量养殖产品的污染物排放量逐年减少。积极推进生态补偿制度，继续实行以奖促制的环保政策，通过经济手段激励生产者采用环保的养殖技模式，解决现有的养殖业污染防控技术和政策难与生产者对接的矛盾。

3.6 加快推进畜禽规模养殖污染防治条例、环境保护法以及水十条等相关法律法规的落实，出台实施细则，制定相关配套政策 （完善法规）

农业、畜牧、环保、财政等部门要联合出台政策，建立支持养殖污染防治的资金支持机制；发改委、电力等部门要联合出台政策，允许沼气发电并入电网，以解决畜禽养殖粪便处理的后顾之忧；农业、畜牧等部门要出台政策，支持发展生态农业，鼓励畜禽粪便、沼渣、沼液还田综合利用，以降低治污成本。

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X713

1673-4645(2017)07-0025-05

2017-07-20

国家水体污染控制与治理科技重大专项课题（2015ZX07103-007，2014ZX07510-001）；国家自然科学基金项目（41471399，41101474）

李艳苓（1991-)，女，内蒙古奈曼旗人，硕士研究生，从事农业农村有机废弃物污染控制与资源化循环利用研究，E-mail：1278212013@qq.com

*通讯作者：耿兵（1979-），副研究员，从事农业农村有机废弃物污染控制与资源化循环利用研究，E-mail：gengbing2000@126.com；朱昌雄（1963-），研究员，国家水体污染控制与治理科技重大专项流域面源污染治理与水体生态修复成套技术标志性成果责任专家，E-mail：zhucx120@163.com