畜禽粪污资源化处理技术的现状与展望

刘仁鑫，张金强，杨卫平

(江西农业大学，江西 南昌 330045)

随着畜禽养殖业逐渐向规模化、智能化、集约化转型，畜禽养殖业蓬勃发展，畜禽粪污排放量也日益增加。《全国第一次污染源普查公报》显示，畜禽养殖业粪便产生量达2.43亿t，尿液产生量达1.63亿t，占农业源排放总量的96%[1]，成为农业面源污染的主要来源，而这些畜禽粪污大部分被直接排放到环境中，严重污染了大气、水体，危害人体健康[2]。尽管畜禽粪污给我们带来了诸多的困扰，但是畜禽粪污不仅含有氮、磷、钾等多种营养元素，而且还含有大量的蛋白质、维生素等有机物[3]，是一种特殊的农业资源[4]。几种畜禽粪便的主要成分见表1[5]。如果能合理将其资源化利用，不仅能解决畜禽粪污的环境污染问题，而且还能缓解我国资源短缺的压力。国内外学者也普遍认为将畜禽粪污资源化处理是最佳方案，并对资源化处理技术进行了众多研究[6]。畜禽粪污资源化技术研究俨然成为一个新热点，因此本文对畜禽粪污资源化处理技术的现状进行了梳理，总结了现有技术存在的问题，对畜禽粪污资源化处理技术的发展进行了展望，旨在为畜禽粪污资源化处理技术的发展研究提供参考。

表1 几种畜禽粪便主要养分含量

1 畜禽粪污资源化处理技术的现状

畜禽粪污资源化处理是将畜禽粪污“减量化、无害化、资源化”转化为肥料、饲料、基质或能源的过程[7]，按处理结果可将畜禽粪污资源化处理技术分为肥料化技术、饲料化技术、基质化技术和能源化技术等[8]。

1.1 肥料化技术

肥料化技术是将畜禽粪污在微生物的作用下进行好氧发酵，利用发酵反应产生的高温杀灭原料中的病虫卵，同时使纤维素、蛋白质等有机物矿质化、腐殖化，制造腐熟有机肥的过程，堆肥机理如图1所示。经过不断的发展，肥料化技术工艺实现了从传统的堆沤、条垛式向密闭容器式转变，通风方式从自然通风向强制通风转变，堆肥反应环境由不可控向可控发展[9]。目前，按工艺的不同，肥料化技术可分为直接还田、条垛式堆肥、通风静态垛堆肥、槽式堆肥和密闭容器式堆肥[10]。上述几种堆肥系统优缺点的比较见表2。

图1 好氧堆肥机理

表2 几种堆肥系统的特点

1.1.1 直接还田 直接还田是一种传统的畜禽粪污肥料化方式，通过直接将畜禽粪污埋入地底或者进行简单的堆沤再施用到田地来完成。这种方法简单易操作、成本低，但需要有与养殖规模相匹配的土地来消耗其所排放的粪污[11]，适用于周围有土地的大型农场和农村地区的养殖场。

1.1.2 条垛式堆肥 条垛式堆肥是一种简单、发展较成熟的系统，周玮等[12]利用模糊评价方法学研究表明：条垛式堆肥技术是我国中部地区的典型肥料化技术。这种堆肥系统关键点是必须用混泥土或者沥青对场地表面进行处理，防止因渗漏造成对土壤和水源的污染，同时场地还应具有坡度，以便多余水分快速流走，一般建造坡度应该大于1%[13]；其次要注意翻堆的频率，翻堆的频率直接影响堆肥的质量和堆肥过程中温室气体和氨气的排放[14]，一般来说堆肥前期翻堆频率要高于后期[15]。

条垛式堆肥需要的设备简单、投资低，但需要的土地面积大，同时长达1～3个月[16]的堆肥周期更加大了这种堆肥系统对土地的需求量，这使得它只适用于美国、加拿大等土地资源丰富的国家；其次翻堆设备发展不完善、翻堆时间和翻堆频率难以把控、容易产生厌氧反应以及容易受到天气的影响等缺点都使得这种堆肥系统的堆肥效果、堆肥质量不理想，且二次污染严重，难以达到我国对畜禽粪污处理的要求。

1.1.3 通风静态垛堆肥 通风静态垛堆肥技术是在条垛式堆肥的基础上加入通风系统发展起来的[17]。通风系统可分为被动式和主动式2种。被动式是通过在堆肥场地挖通气沟(也可建水泥沟槽代替)，并在堆体垂直方向插入膨松剂，利用烟囱效应对堆体进行自然通风；主动式是在堆体内架设多孔管道，并在管道周围填充膨松剂，利用鼓风机、空气压缩机等鼓风设备通过管道对堆体内部强制通风。

通风静态垛堆肥相对于条垛式堆肥，通过加入通风系统有效改善了对堆体温度和通风的控制，使得堆肥周期缩短，间接地减小了对土地的需求量。但易受天气影响、二次污染严重等问题仍没有得到解决，同时通风系统的构建也带来了一些新的问题。例如膨松剂对氧气输送均匀程度和输送范围有很大的影响，但是目前普遍使用的秸秆等多孔物质效果并不理想，通风不均匀、末端输送不到风等情况经常出现，其次还存在通风管道易被腐蚀、通风孔易被物料堵塞以及通风量难以把控等问题。

1.1.4 槽式堆肥 槽式堆肥主要由发酵槽和搅拌机两部分组成，通常建有顶棚遮盖设施。原料预处理之后可以连续或定时向发酵槽内投料，翻堆机将原料由入口逐步向出口移动，同时在发酵槽底部铺有曝气管道进行强制通风，移出出口时就完成了一次发酵过程[18]。

槽式堆肥系统将翻堆和强制通风相结合，有利于物料和氧气的充分接触，使得堆体升温快，缩短反应周期，但是需要注意控制翻堆的次数，隔1～3 d[19]翻堆1次最佳，翻堆的次数过快，不利于保持堆体温度，还可能使物料未腐熟完成就被移出发酵槽。槽式堆肥还具有日处理量比较大、可连续作业以及顶棚有效避免天气对堆肥的影响等优势，但是这种堆肥系统需要大量的土地及设备，投资成本很高。目前国内也在积极研究一种多层一体式槽式堆肥机，通过利用空间来减少对土地的依赖，同时还有利于对臭气的收集和处理。

1.1.5 密闭容器式堆肥 密闭容器式堆肥是目前比较先进的堆肥处理方式，整个反应过程在一个密闭或半密闭的装置中完成，原料预处理之后可以连续或定时向容器内投料，物料通过自身重力作用或者翻堆机的推动下，以自上而下或者至始而终的方式从进料口走向出料口，当物料移出出口时就完成了一次腐熟发酵过程。

密闭容器式堆肥系统根据装置的不同，可分为滚筒式、筒仓式、塔式和隧道式等。这几种工艺的比较见表3[20]。它们都具有高度机械化和自动化的特点，可以对堆肥过程中的水分、温度、pH值和氧气水平进行监控，以保持堆肥反应在最佳环境条件下进行，使堆肥周期缩短，堆肥无害化程度和堆肥质量提高；同时堆肥的整个过程在密闭容器中进行，不易受天气的影响，还有利于臭气的收集和处理。密闭容器式堆肥系统弥补了传统堆肥系统很多的不足，但是它单体处理量小，运行成本高，无法实现大规模处理；另外它在重要的通气技术上也存在问题，主要表现在堆肥过程中旋转的叶片容易将原料压实，叶片上的通气孔又易被压实的块状运料堵塞，致使通气性能不太好，所以目前难以作为主要的畜禽粪污处理方式。

表3 几种密闭容器式堆肥工艺的比较

1.2 能源化技术

1.2.1 直燃产热 通过将畜禽粪污干湿分离，固体粪便经压块处理后直接当燃料使用，可用于取暖、照明和发电。美国萨福克郡的艾伊鸡粪发电站是最早利用焚烧干燥畜禽粪污产热发电的电站，每年可消耗鸡粪12.5万t[21]；国内对这种技术也有应用，福建圣农集团每年燃烧25万t鸡粪和谷壳的混合物，可节省8.8万t煤[4]。但是要注意对焚烧过程中产生的废气进行收集处理，否则极容易造成二次污染。

1.2.2 沼气工程 沼气工程是一种利用畜禽粪污制沼气的粪污处理系统，无氧的环境是产生沼气的首要条件，合适的碳氮比对产气的速度有重要影响，魏碧武等[22]认为碳氮比25∶1时产气系数较高。常见的沼气工艺主要有：地下水压式沼气池、厌氧消化池、上流式厌氧污泥床(UASB)、升流式污泥床反应器(USR)、厌氧滤器(AF)、两段厌氧消化法、厌氧复合床反应器(UBF)、全混合式厌氧反应器(CSTR)等，当前国内主要使用CSTR、USR、地下水压式沼气池，这3种工艺的使用比例达66%[23]。

沼气工程能有效杀死畜禽粪污中的病虫卵，减少污染，产生的沼气在我国主要用于发电并入电网，我国延庆县的德青源发电工程每天可处理400多t鸡粪，日发电量达4万kW·h[24]。同时沼气高值化技术与提纯技术的发展，有望将沼气提纯代替柴油、汽油以及天然气等[25]，能有效解决能源短缺问题。但是因微生物对温度变化很敏感，要使沼气能稳定生产，沼气工程必须配备全自动的温控系统，对资金和技术要求都很高[26]；另外沼液的处理还是个难题，很容易造成二次污染。

1.3 饲料化技术

通过将畜禽粪便中未消化的粗蛋白、粗纤维等营养物质进行处理加工后，掺杂到饲料中，加以循环利用，有利于提高饲料的使用效率，是畜禽粪污资源化利用的重要途径。目前畜禽粪污饲料化的主要方式有以下几种。

1.3.1 新鲜粪便直接做饲料 这种方法主要适用于鸡粪，例如鸡粪直接用来喂鱼或者猪[27]。它简单易操作，但是粪便未经处理，其中含有大量的微生物、有毒物质和寄生虫，达不到饲料卫生标准，容易造成食品安全问题，限制了其推广使用。

1.3.2 青贮 青贮法是将畜禽粪污和青饲料等按一定比例混合(例如鸡粪65%、青饲料25%、麸皮10%)[28]进行青贮，可以杀死粪污中的微生物病菌，提高粗蛋白水平，同时成品还有一定的口感，但是其中的抗生素和重金属还是无法得到有效处理。

1.3.3 干燥 畜禽粪污干燥后可制成高蛋白饲料，水分通常低于10%，病虫卵被有效杀死。干燥的方法有自然干燥、烘干以及高温快速干燥等[29]。自然干燥的方法是将畜禽粪便直接摊开在地面上，利用阳光、风或者人工翻动来降低水分[30]，这使得它很容易受天气条件的影响；烘干是通过设备将粪便加热，通常干燥过程的温度在70 ℃左右，干燥完成约需12 h，提高加热温度也可缩短加热时间；高温快速干燥的加热温度一般高于500 ℃，干燥速度快，能有效杀死微生物病菌，但是设备耗能大，使得成本很高，同时臭气难处理。

1.4 基质化技术

畜禽粪污基质化主要有2种模式：一是将畜禽粪污直接作为基质原料，这种模式操作简单，但是基质养分利用困难，理化性质也难达标；二是作为辅助物质加入到基质原料中提高基质品质。汪开英等[31]发现加入30%猪粪作为辅助物质时，基质的理化性质最好，适合工产化生产；范如芹把这种模式的流程归纳为料预处理、复配以及性状调控三步，技术流程图如图2所示[32]。畜禽粪污基质化后是无土栽培的重要原料，能固定、支持植株，同时为植物提供营养及通气持水条件等，有助于植物的生长[33]。王宇等[34]发现用加入畜禽粪污作为辅助物质的基质，能使首茬出菇量提高24.4%。但目前畜禽粪污中的重金属含量普遍超标，难以用来栽培食用性植物，且在生产过程中，缺乏生产工艺标准，造成产品质量参差不齐。

图2 基质化生产技术流程示意图

2 畜禽粪污处理技术存在的问题

2.1 投入不足，技术落后

目前的畜禽粪污处理技术都缺乏效益性，但是建一个标准的粪污处理系统投资费用很高，而国家的财政支持力度远远不够，使得业主难以承担治污费用，对畜禽粪污处理的投入极其不足[35]。这导致直接还田、条垛式及槽式堆肥等技术含量低、效果差的处理系统仍然是我国畜禽粪污的主要处理方式[36]，这些技术都不同程度地存在着二次污染、综合效益不高等缺陷[37]，技术严重滞后。其次先进实用的配套技术及设备的缺乏，进一步导致畜禽粪污资源化综合利用程度较低，如清粪技术、储存技术以及运输技术等[13]。

2.2 缺乏先进完善的技术标准体系

国际标准和世界主要发达国家标准的标龄一般为3～5年，但我国现行的关于畜禽粪污处理技术的国家标准已经超过5年[38]，难以适用于当下形势。同时我国地域广阔，气候环境复杂，畜禽养殖场规模大小不一，单一技术标准无法适应所有粪污处理的需要，针对不同情况下的新技术、新材料的标准和规范急亟建立，产品检测、生产的技术规范亟需完善，技术标准的可操作性亟需加强。

2.3 处理技术与实际脱离

现在畜禽粪污资源化技术的研究主要集中在纯技术上的研究和探讨[39]，着重于粪便处理的技术工艺措施的分析和总结[40]，在技术领域内的研究比较多，但是大部分没有考虑到农村缺乏劳动力、资金，而规模化养殖场缺乏配套土地以及种植户对有机肥的需求情况等因素，未将技术、经济和环境结合起来进行整合研究，导致大部分技术与种养业脱节[41]，不能满足实际需求。

3 畜禽粪污处理技术的展望

肥料化是主要技术途径。由于气候、湿度、地理等因素，畜禽粪污能源化、基质化和饲料化在我国应用推广存在难度[7]。相对而言，畜禽粪污肥料化技术的工艺、设备发展较成熟，具有经济可行性和操作性，还可以解决化肥使用过量导致的土壤结块、水体污染等环境问题，所以畜禽粪污堆肥化将是解决畜禽粪污问题的主要技术途径[39]。

产品功能化、多样化。根据种植作物的种类以及附近农地面积、土壤成分及农作物所需养分含量，整合多种方式方法、应用多种科学技术制定适应当地生态系统的处理模式，对畜禽粪污进行针对性处理，制得当地需要的成品，使得产品多样化、功能化。

完善畜禽粪污利用管理系统。可根据畜禽粪污的成分、含水量及重金属含量等，结合现有设备、当地的气候、当地的法律法规、现有的劳动力、可投入的资金、市场等各种因素，选择符合当地实际的畜禽粪污管理模式。