畜禽养殖废弃物资源化利用技术及推广模式研究进展

曾 锦，徐 锐，梁高飞，王艳飞，Sengkham BOUNMAXANON，衡圆圆，贺 俊

（云南师范大学能源与环境科学学院，云南 昆明 650500）

随着我国经济迅速而稳定的发展，人民的物质基础得到了很大的改善，对美好生活的需求也在不断增长。在这种情况下，我国的农业产业结构也作了相应调整，较快地促进了畜禽养殖业的发展。2006—2016年，我国大牲畜、猪、羊年底存栏量由8.25亿头增加到8.55亿头，肉类产量由7 089.0万t增至8 537.8万t，奶类产量由3 302.5万t增至3 712.1万t［1］。 由此可以看出，我国畜禽养殖业发展迅猛、增长速度快，但在该过程中也产生了大量的畜禽养殖废弃物。畜禽养殖废弃物是由饲养畜禽过程中产生的畜禽粪便、养殖污水、废弃饲料、病死畜禽尸体、动物皮毛等养殖副产物构成的［2］。其中，畜禽粪污的数量占畜禽养殖废弃物总量的比例很大。畜禽养殖废弃物自身含有一些可以再利用的物质，例如畜禽粪便中含有植物生长所需的营养元素N、P、K等。在牛粪的干物质中含13.74%的粗蛋白、1.65%的粗脂肪和43.60%的粗纤维等可利用的有机物质［3］，因此，从广义上来说，畜禽粪便也属于一种可开发和利用的资源。但是，畜禽粪便中也含有较多的致病菌、抗生素及重金属污染物质［4］，这就导致处理畜禽粪便的难度因此而增加，同时也大大提高了对畜禽粪便无害化处理技术和资源化利用方式的要求。

据2016年农业部统计，我国每年产生的畜禽粪污量已达38亿t，然而综合利用率不到60%［5］。这既是对资源的一种浪费，也加重了我国的环境污染程度。据相关数据显示，目前国内畜禽养殖的氨氮排放量和化学需氧量（COD）分别占农业源排放总量的44%和96%左右，畜禽养殖废弃物污染已经成为农业源污染的主要来源［6-7］，因此，如何有效解决畜禽养殖废弃物污染的问题、实现资源化利用已经成为我国关注的重点。姜海等［8］指出，当前我国畜禽养殖废弃物资源化利用主要采用政府监督、养殖场（户）处理的模式。而该模式缺少其他社会主体参与，长期的应用实践表明，充分实现畜禽养殖废弃物的资源化利用，仍需种植企业、有机肥企业等企业实体积极、广泛的参与。首先，国内畜禽养殖业的发展长期受技术落后、加工比重小、高耗低效等问题的制约；其次，在集约化、规模化畜禽养殖业的转型发展趋势下，畜禽粪便的处理仍存在着量大、成本高和效率低等问题，同时畜禽粪便里含有的多种抗生素和重金属等有害物质也未能得到有效的解决，多方面因素从不同层面限制了我国畜禽养殖废弃物资源化利用的发展，更是对我国生态文明建设提出了严峻的挑战。

在现阶段，畜禽养殖废弃物污染已成为国内畜禽养殖业在转型升级过程不得不面对且亟待解决的问题，而畜禽养殖废弃物资源化利用的现代生态养殖模式也成为解决该问题的有效探索。该研究对我国畜禽养殖废弃物资源化利用的主要技术及推广模式进行了综述，以期进一步指导和优化畜禽养殖废弃物的无害化处理方式，加快我国畜禽养殖废弃物资源化利用进程，同时也为畜禽养殖废弃物资源化利用的前进方向提供思考和借鉴。

1 畜禽养殖废弃物的污染现状

2012年全国畜禽养殖业污染物COD、N、P排放量占所有污染物COD、N和P排放量的比例分别是45%、22%和38%［2］。大量的畜禽养殖废弃物如未得到有效处理，必将对土壤、水体、大气等生态环境造成严重的影响。畜禽粪便中含有大量的病原菌微生物、氮磷化合物和重金属等，如果直接还田使用、施用过量或堆放处理方式不当，都可能会破坏土壤结构，影响土壤的生产价值。畜禽粪便对水体的污染主要为病原菌污染、有毒有害物污染、有机物污染［9］，养殖废水若不经过处理直接排放，将通过地表径流或地下水侵蚀并污染地表［10］，周边水体富营养化可能会因此而形成。畜禽养殖废弃物对空气的污染物主要以硫醇类、氨、硫化氢、粪臭素为主［11-12］，其中，对空气质量影响最大的是氨气。

2 畜禽养殖废弃物资源化利用技术

从目前国内外畜禽养殖废弃物利用的现状来看，其主要处理方式有土地还原法、干燥法、沼气发酵法、腐熟堆肥法、饲料青贮法和生物分解法等。其中，沼气发酵和堆肥发酵技术相对比较成熟，应用较多，正逐步成为畜禽粪便污染物资源化利用技术的主要方式。

2.1 粪便沼气发酵技术

沼气发酵技术需要在适宜的温度、一定的酸碱度和厌氧等条件下，利用微生物菌群净化动物、植物生产过程中引起的环境污染［13-14］。畜禽养殖废弃物中所包含的有机物被微生物分解，主要的有机污染物在降解过程中被去除，最终形成CH4、CO2等可燃性混合气体。其中，CH4的含量一般为60%左右，CO2为 35%左右，还有少量的 CO、O2、N2和S［15］。有机污染物经过沼气发酵之后，能够去除其中大部分的化学需氧量 （COD）和生化需氧量（BOD），但是沼渣、沼液当中仍有相当量的有机物残留。畜禽粪便经过沼气发酵之后，其中的N、P等营养物质基本没被去除，氨氮还稍微增加［16］。实践证明，畜禽粪便是优质的沼气发酵原料。对于沼气的利用可以有多种多样的形式，既可作为燃料直接燃烧，也可利用沼气进行并网发电［17］。沼气灯、沼气孵化、沼气保鲜等都是沼气多元化利用的体现。与此同时，沼气发酵的副产物——沼液、沼渣还能通过综合利用技术实现废物的循环利用，大大提高畜禽养殖的经济效益［18］。近年来，由沼气净化、提纯成甲烷含量在95%以上的生物天然气技术逐渐趋于成熟，相关生物天然气产业也开始兴起。将沼气提纯制成天然气，通过管道或气罐运输，可用作车用燃料或者生活燃料［19］。畜禽养殖废弃物资源化利用能够依靠沼气发酵技术来实现，它是一种环境友好、生态循环以及效益显著的综合性资源化利用技术，在未来将得到更多、更大规模、更完善的应用。

2.2 有机肥加工利用技术

我国主要几种畜禽粪便的总氮、总磷、总钾产生量分别为 1 118.87 万、312.58 万和 106 万 t［20］，相当于我国每年施用氮肥、磷肥、钾肥的33%、24%和15%。因此，将畜禽粪便加工成生态有机肥具有很好的发展利用空间，有机肥施用于农田，不仅减少了畜禽养殖废弃物对环境的污染，而且实现了废物的再利用，同时也减少了施用化肥的量，符合农业可持续发展原则。有机肥施入土壤后，能够改善土壤的诸多性能，明显提高了土壤的肥力，同时也能使农作物增产增收。据相关研究表明，有机肥能给土壤增加胶体，使之形成水稳定团粒结构，提高土壤保水、保肥和通透性及调节土壤温度的能力［21-23］。

2.2.1 堆肥发酵：畜禽养殖粪污通过固液分离后，固体通过筛选的细菌、放线菌等微生物的发酵作用进行堆肥发酵，废弃物中含有的有机质被其降解，而有机物由最先不稳定的状态转变为最终稳定的腐殖质状态。该过程中产生的高温会杀死其中的病原菌、杂草种子和虫卵等，能够达到去除粪便中有害物质的目的［24］。堆肥发酵根据发酵的基本原理进行分类，可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥是在拥有相对充足的氧气条件下，有机物被好氧微生物菌群通过好氧发酵降解；而厌氧堆肥是在氧气不足或无氧的条件下，有机物被厌氧微生物菌群通过厌氧发酵进行降解。堆肥发酵也可以根据堆肥的原料组成以及不同地区的实况采用低温、中温、高温等不同的发酵条件。白林等［25］指出，高温好氧堆肥是无害化处理畜禽养殖废弃物最经济有效的措施。高温好氧堆肥在一定程度上已经逐渐成为我国畜禽养殖废弃物资源化利用的主要途径，而其他方法与其相互配合使用，可起到一定的辅助作用。宋淑珍等［26］将堆肥发酵分为传统堆肥发酵和现代堆肥发酵2种，其中，现代堆肥发酵是指按一定比例均匀混合固体畜禽粪便与农作物秸秆等有机废弃物，然后进行堆肥发酵，该过程需要调节适宜的 C/N（30∶1）和含水率（50%～60%），以此提高粪便的腐熟程度。该技术需要较大的发酵场地，生态效益较差但是经济效益较好。中国科学院沈阳生态研究所改良并提出了塑料大棚高温堆肥发酵成套技术，其核心技术依靠利用太阳能供热的塑料大棚成套发酵设备和具有自动翻料功能的发酵槽。为了缩短发酵周期，使腐熟更加充分，在该发酵过程中加入了腐熟剂来提高发酵温度。EM和Rw微生物菌剂应用技术主要用于畜禽粪便的快速发酵、除臭和蘑菇栽培等方面。通过微生物菌剂的应用，高温堆肥发酵的时间缩短到 14～20 d［27］。

2.2.2 沼肥利用：大量的沼液、沼渣是利用沼气发酵技术对畜禽养殖废弃物进行无害化处理后的必然产物，沼液、沼渣的消纳问题如果得不到有效解决，既会对环境造成二次污染，还浪费了可利用的资源，进而影响整个能源利用系统的经济效益。而沼液、沼渣富含N、P、K元素以及维生素、氨基酸等活性成分［28］，可作为有机肥使用。李元高等［29］对畜禽养殖废水沼气发酵产生的沼液及沼渣成分进行了研究，初步分析认为沼液、沼渣施用于农田是安全可行的。该研究可以减少广大农民对沼液、沼渣还田利用的顾虑，也为后续验证沼肥对农作物的施用效果提供了一定的理论基础。贺密密等［30］对化肥、菌肥、沼肥对作物生长的影响进行经济对比分析得出，沼肥优于菌肥、化肥。所以，通过实际应用研究发现沼肥具有 “促生增产、提高果实品质、改良土壤、杀虫”等特性，同时具有较高的经济效益。但是，国际上尚未拥有关于沼液、沼渣利用的标准化研究［31］。因此，在今后的一个阶段，通过制定标准化检测手段对沼液、沼渣的性能作定性、定量分析，可能会使沼液、沼渣的发展利用有一个质的飞跃。魏泉源［32］系统考察了运用沼液作为有机营养液、沼渣作为有机肥和人工基质在农业生产应用中的效果。一方面，通过沼肥还田利用可以有效地解决沼液、沼渣的消纳问题；另一方面，沼肥利用可以提高沼液、沼渣的附加利用价值。因此，大面积、规模化使用沼肥是未来发展的一个趋势，也是当前促进畜禽养殖废弃物资源化利用的重要举措。

2.3 饲料化技术

畜禽粪便中含有未被消化的多种营养物质，可通过加工处理制成饲料再次使用，既能达到杀菌、除臭和消毒的环保目的，还可提高蛋白质的代谢能和消化率，饲料的适口性也可得到改善。当前，畜禽粪便的饲料化利用技术主要有青贮法、直接喂养法、热喷法、干燥法等［21-23］。许多国家对畜禽粪便的饲料化利用技术展开了大量的研究，并做出了相应的推广示范。美国、日本、德国等国家大力推行利用鸡粪生产饲料的方法已有了比较成熟的加工工艺，应用相对比较广泛。肖和良等［33］利用发酵的畜禽养殖废弃物饲养蚯蚓，然后用蚯蚓养殖鱼。因蚯蚓本身富含高蛋白质，也有将蚯蚓直接用来喂养畜禽或通过再加工成粉状饲料，同时蚯蚓粪是上好的有机肥料，可收集再次还田利用，实现了整个系统的零污染排放。随着畜禽粪便饲料化利用技术的发展，不仅能从源头上解决环保问题，而且能够弥补市场上蛋白质饲料短缺的现状，在一定层面上大幅度提高了产品的附加值，让“变废为宝”成为现实，具有较好的社会、生态和经济效益。

3 畜禽养殖废弃物资源化利用主要推广模式

由国家发改委和农业部共同制定的 《全国畜禽粪污资源化利用整县推进项目工作方案（2018—2020年）》，为今后我国畜禽粪污资源化利用指明了方向。该方案总结归纳出畜禽粪污资源化利用的主要推广模式［34］见图1。

图1 畜禽养殖废弃物资源化利用模式

3.1 种养结合

3.1.1 粪污全量还田模式：将集中收集的养殖场产生的粪、尿和污水全部进入氧化塘贮存，氧化塘分为覆膜式和敞开式两类，通过氧化塘贮存粪污对其进行无害化处理然后在作物施肥期进行还田利用。该模式设施建造成本、处理利用费用相对较低，养分利用率高，但土地面积需求大、耗时长、长距离运输费用高。

3.1.2 粪便堆肥利用模式：该模式发酵原料主要以猪、牛和羊等规模化畜禽养殖场的固体粪便为主，而堆肥发酵床主要有槽式、筒仓式、条垛式、异位发酵床、高（低）架发酵床这几种类型。畜禽粪便经好氧堆肥发酵后，将其就地就近用于农田或再加工生产有机肥。该模式发酵周期短，无害化处理彻底。但大量臭气会很容易在好氧堆肥过程中产生，控制难度大、要求高［35］。

3.1.3 粪水肥料化利用模式：利用氧化塘将养殖场产生的粪水进行无害化处理后储存或使用。在农田灌溉、施肥期间，可将按照一定比例混合处理后的粪水与灌溉用水施用于农田。该模式能够缓解粪水处理压力，为农田提供充足的有机肥水资源，但要有相当容量的贮存设施，周边配套一定的农田；需配套搭建粪水输送管网或购买粪水运输车。

3.1.4 粪污能源化利用模式：以建设大中型沼气工程为纽带，通过搭建片区的形式将周边养殖场粪污统一收集并进行集中的沼气发酵，发酵生成的沼气可连接电网进行并网发电，也可提纯成生物天然气，剩下的沼渣可用于加工生产高效的有机肥进行售卖或直接再还田使用，沼液可加工生产有机营养液或进行深度处理然后达标排放。该模式集中统一处理养殖场的粪污，可以减少小规模养殖场对粪污处理的成本，尤其是处理设施的投资，提高了整个系统的能源利用率。但是，该模式一次性投资高、投资回收期长［36］，且沼液产生量大而集中，难以消化，处理成本较高，需配套后续处理利用工艺。

3.2 清洁回用

3.2.1 粪便基质化利用模式：采用堆肥发酵技术，以畜禽粪污、菌渣、农作物秸秆等原料，将生产的基质土和基质盘应用于栽培花卉、果蔬等方面。该模式实现了农业生产链的生态循环，系统上提高了资源的综合利用率。但其生产链较长，基质化处理过程复杂，受多种因素的影响（温度、pH值、碳氮比等）［37-38］，技术要求精细化程度高。该模式的工艺流程见图2。

3.2.2 粪便垫料化利用模式：首先将奶牛粪污进行固液分离，固体粪污用作堆肥发酵的原料，在进行无害化处理后可回用作为牛床垫料，污水可结合肥料化利用还田。该模式使粪便后续处理难度降低，但无害化处理程度可能难以达到相关标准，对奶牛等被饲养的畜禽有一定安全风险。目前，比较完善的规模化奶牛场粪污处理工艺流程如图3所示。

图2 粪便基质化利用工艺流程

图3 规模化奶牛场粪污处理工艺流程

图4 粪便饲料化利用工艺流程

3.2.3 粪便饲料化利用模式：按一定比例混合经过微生物处理的固体畜禽粪便和蝇蛆、蚯蚓、黑水虻等动物，然后进行堆肥发酵。粪便中的有机物被蝇蛆等低等动物分解，被分解后的粪便可用于生产有机肥，而发酵后的蝇蛆等动物因体内含有丰富的蛋白质可制成高蛋白饲料。该模式通过集约化管理，实现低成本、高资源化效率，同时无二次排放及污染。为了防止其他鸟类等天敌的偷食对饲养动物蛋白质造成的生物威胁，该模式需要较高精细化程度的饲养环境。该模式工艺流程如图4所示。

3.2.4 粪便燃料化利用模式（生物干化、生物质压块燃料）：将搅拌后的畜禽粪便脱水加工，进行挤压成形造粒，生产生物质燃料。该模式制成的生物质环保燃料可作为燃煤的替代品，且其成本较低，同时还减少了CO2和SO2的排放量，但粪便脱水干燥能耗较高。

3.3 达标排放

主要是粪水达标排放模式，即通过厌氧消化+好氧处理等组合工艺对养殖场产生的粪水进行深度处理。粪水达到《畜禽养殖业污染物排放标准》或地方标准后直接排放［34］。畜禽粪便的固体进行堆肥发酵，粪水用于就近就地施肥还田或委托其他处理公司进行集中处理。该模式使粪水经过脱氮除磷、除臭抑菌等深度处理后，实现达标排放；不需要建造大型粪水贮存池，这可减少粪污储存设施的土地使用面积以及建设成本。但粪水的高处理成本对于绝大多数养殖场在经济上是难以承受的，粪污的后续处理反而成为一大部分养殖户的后顾之忧。

4 畜禽养殖废弃物资源化利用推广过程中存在的主要问题分析

首先，绝大多数人对畜禽养殖废弃物的价值还缺乏明确的认知，并没有从一个全面的角度去考虑其在整个生态循环系统中的作用，因而更不能清晰地理解畜禽养殖废弃物资源化利用在农业生产和环境保护方面的重要意义，从而导致在我国农村地区推进畜禽养殖废弃物资源化利用仍存在诸多问题［39-41］。经在云南部分地区的调研发现，即使在拥有先天优势的畜牧养殖大县开展整县推进畜禽粪污资源化利用项目也是困难重重，最主要的原因可能是顶层设计还缺乏专业的全局观，整县推进畜禽粪污资源化利用对于项目实施县来说既是一种良好的时代机遇也是一种严峻的挑战。李文哲等［20］研究表明，“总量估计不清，缺乏科学统一的计算标准；政策支持力度不够，完全依赖于市场机制；机械化技术相对滞后，缺乏资源化利用手段”，导致我国畜禽养殖废弃物无法实现真正意义上的资源化利用。刘媛媛［42］分析了我国农业废弃物资源化利用中面临的主要问题，即集中体现在缺乏系统性普惠性政策、关键技术和装备研发滞后、农户参与的积极性不高和收储运体系不健全。白璐等［43］从行业发展因素、用地布局情况、规划管理因素等方面进行了全面分析。耕地减少，畜牧用地相矛盾；种养关系“脱节”；从业人员素质低等问题依旧比较突出。综上所述，“思想、政策、规划、体系、技术”5个方面成为影响我国畜禽养殖废弃物资源化利用的发展、推广和应用的关键因素。

5 解决对策和发展建议

在经济新常态下，解决农业环境治理难题，实现畜禽养殖废弃物资源化利用已经成为未来发展的趋势。要想加快推进我国畜禽养殖废弃物资源化利用，就必须“对症下药”，通过不断改进、完善，逐步解决相应的问题。

①新时代，新思想。抓实宣传，积极从思想上加强广大农业生产者对畜禽养殖废弃物的认知，例如全国各级能源站、畜牧站可定期举办畜禽养殖废弃物资源化利用培训班、交流会等，再通过以点带面的形式普及到农村的每一个角落，可适当推进互联网+农业教育。

②新理念，新政策。政府转变管理职能，创新政府治理理念，结合实际国情，针对不同的区域环境，出台相关的、适宜的普惠性政策，抓紧政策的落实工作，考察政策的有效性，务必使政策发挥积极、广泛的作用，从而达到多方共赢的良好结果。

③定规划，立体系。在畜禽养殖废弃物资源化利用的总体规划上，需以农牧结合、种养一体化为原则，积极推进以县为单位的沼气区域化示范。种养用地规划首先要站在科学的角度进行，其次要抓紧构建种植业与养殖业之间的经济物质关系。最终形成关于畜禽养殖废弃物综合治理的长效运行机制、管理机制［42］，从而为搭建畜禽养殖废弃物资源化利用规范体系奠定基础。相关部门可结合实际的工程案例、项目运行状况，邀请业内专家、学者共同制定畜禽养殖废弃物资源化利用行业标准，包括资源化利用技术标准、推广模式可行性分析、收储运体系建设等多个方面。

④钻技术，谋发展。技术是资源化利用的前提也是最为关键的一部分，我国畜禽养殖废弃物资源化利用技术方式各种各样，各有优缺点。在因地制宜的情况下，可加强对重点关键技术的攻克，不断总结分析消化，争取拥有更大的科研突破。同时也可加强引进国外的先进技术，吸收先进的工艺和装置，并在该基础上不断钻研、精益求精，力求最大化实现技术的效益性。

最后，鉴于畜禽养殖废弃物资源化利用在节能减排方面的重要作用，可加大其相关工程CDM（清洁发展机制）项目的支持力度，通过碳汇金融增加畜禽养殖废弃物资源化利用的可持续发展能力。同时，也可积极探索畜禽养殖废弃物资源化利用与能源区块链的结合发展。

6 结语

畜禽养殖废弃物如果能够得到妥善、有效的处理，充分发挥其内在价值，必将从真正意义上实现“变废为宝”，在一定程度上能够缓解当前的能源危机。随着时代的前进，畜禽养殖废弃物的资源化利用对人类社会的发展必将起着至关重要的作用，因此，国内外对畜禽养殖废弃物资源化利用愈加重视，我国更是对畜禽养殖废弃物的资源化利用做出了长远规划，并围绕它颁布了多项政策。未来畜禽养殖废弃物资源化利用技术、模式必将得到更好的改良、完善，并结合我国的实际国情应用到更多的生产生活当中，从而为人类做出新的、更大的贡献。