华东地区典型畜禽养殖场重金属产污系数研究

钱晓雍，王振旗，沈根祥，赵庆节，徐 昶，付 侃，汤正泽

（上海市环境科学研究院，上海 200233）

近年来，我国畜牧业持续稳定发展，规模化养殖水平显著提高，保障了肉蛋奶供给，但大量养殖废弃物没有得到有效处理利用，成为农村环境治理的一大难题[1]。“十二五”期间，规模化畜禽养殖场首次纳入全国主要水污染物总量减排范围，畜禽粪污资源化农业利用是主要鼓励模式[2]。2017年，国务院办公厅印发《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，要求加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用，促进农业可持续发展，开启了全国范围内全面推进畜禽粪污资源化利用的帷幕[3]。畜禽粪污中丰富的有机质、氮、磷等养分在被作物利用的同时，集约化、规模化畜禽养殖过程中广泛应用于饲料添加剂的重金属元素（如铜、锌、砷等）以及饲料带有的重金属元素（如铅、铬等），大部分未被畜禽利用而随畜禽粪便有机肥进入农田土壤，长期施用会造成农田土壤重金属累积问题[4]。但是，目前畜禽养殖业产排污系数体系主要侧重于化学需氧量（COD）、氨氮、总氮、总磷等常规水污染物，对铜、锌、砷、铬等重金属的污染问题尚未重点关注[5-6]。目前国内已有的畜禽粪污重金属相关研究报道也更多地侧重于铜、锌两种重金属元素的产污系数，且基本采用单个品种进行定位监测的试验方法，未对其他重金属元素进行系统研究，也未系统考虑单个畜禽养殖场总体产污的实际情况[7-12]；国外也有美国、日本、丹麦等国制定了畜禽养殖业相关产排污系数体系，涉及个别重金属的产污系数[13-15]。因此，在当前国内大力推广畜禽粪污资源化农业利用的形势下，有必要对畜禽养殖场粪污重金属总体产生状况进行系统研究，以更好地保护农田土壤生态环境。

本研究以华东地区不同畜禽种类的典型规模化养殖场为研究对象，选择砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰等8种重金属作为监测指标，研究了不同季节畜禽粪污重金属产生规律，探索了典型畜禽养殖场重金属产污系数，为农业污染源调查监测、畜禽粪污资源化安全利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究选择了上海地区生猪、奶牛、蛋鸡3个典型规模化养殖场作为研究对象，其养殖品种比例具有一定的代表性[16-18]。其中，生猪场年出栏肉猪约15 000头，存栏母猪约800头，采用干清粪工艺，固体粪好氧堆肥生产有机肥，污水厌氧发酵后还田利用；奶牛场存栏奶牛约1400头，包含泌乳牛900头、育成牛300头、犊牛200头，采用干清粪工艺，固体粪厌氧发酵后生产有机肥，污水厌氧发酵后还田利用；蛋鸡场存栏蛋鸡约50 000羽，包括育雏育成鸡15 000羽、产蛋鸡35 000羽，采用干清粪工艺，粪便好氧堆肥生产有机肥。此外，上海地区春夏秋冬四季大致时间分别为3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月—次年2月。典型规模化畜禽养殖场基本情况见表1。

1.2 采样方法

考虑到不同季节动物的饲养条件和饲料不同，在春夏秋冬四个季节连续3 d对典型畜禽养殖场粪便和污水的产生量进行计量，并对其重金属含量进行采样监测。固体粪在堆粪场采集5个点位充分混合，用四分法取2.0 kg左右，当日送往检测实验室进行测定；污水在进入污水厌氧池前采集5个样品充分混合，取2.0 L左右，当日送往检测实验室进行测定。

1.3 分析方法

固体粪中砷、汞采用原子荧光法测定，铬、铜、锌采用火焰原子吸收分光光度法测定，镉、铅采用石墨炉原子吸收分光光度法测定，锰采用电感耦合等离子体质谱法测定；污水中砷、铬、镉、铅、铜、锌、锰采用电感耦合等离子体质谱法测定，汞采用原子荧光法测定。

1.4 产污系数计算方法

畜禽养殖业COD、氨氮等污染物的产污系数，是指在典型的正常生产和管理条件下，一定时间内单个畜禽所产生的原始污染物量。考虑到畜禽的产污系数与动物品种、饲养阶段、饲料特性等相关，为了便于计量典型畜禽养殖场重金属产污系数，本文以天为单位，针对在各类饲养阶段畜禽比例、饲料类型、养殖模式、清粪方式等方面都具有代表性的养殖场，分别计算不同动物（生猪、奶牛、蛋鸡）单个畜禽（存栏）的重金属产污系数，而不计算同一个畜禽养殖场中不同饲养阶段的产污系数。具体计算公式如下：

表1 典型规模化畜禽养殖场养殖量基本情况Table 1 Basic information of typical livestock and poultry farms

式中：Pi为每头（羽）畜禽的重金属i产污系数，mg·d-1；QS为每头（羽）固体粪产生量，kg·d-1；CSi为固体粪中重金属i的含量，mg·kg-1；QL为每头（羽）污水产生量，L·d-1；CLi为污水中重金属i的含量，mg·L-1。

1.5 数据分析方法

采用Excel 2016和SPSS20.0软件包进行数据统计与方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节典型畜禽养殖场固体粪产生量及重金属含量

各类典型畜禽养殖场不同季节固体粪产生量及重金属含量测定结果如表2所示。生猪场固体粪四季平均产生量为1.82 kg·d-1·头-1，砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均含量分别为2.10、0.010、49.8、0.21、5.75、508、857、584 mg·kg-1；奶牛场固体粪四季平均产生量为 21.1 kg·d-1·头-1，砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均含量分别为10.5、0.079、12.6、0.18、2.82、34.3、206、147 mg·kg-1；蛋鸡场固体粪四季平均产生量为0.162 kg·d-1·羽-1，砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均含量分别为1.18、0.017、29.6、0.41、4.58、55.5、444、588 mg·kg-1。

从不同季节固体粪重金属含量分析，生猪场固体粪砷、汞、铬、锌含量冬季最高、夏季最低，镉含量秋季最高、夏季最低，铅、锰含量冬季最高、春季最低，铜含量冬季最高、秋季最低；奶牛场固体粪砷、镉含量冬季最高、夏季最低，汞含量春季最高、夏季最低，铬、铅、锌含量秋季最高、夏季最低，铜含量秋季最高、冬季最低，锰含量秋季最高、春季最低；蛋鸡场固体粪砷、镉含量冬季最高、秋季最低，汞含量春季最高、冬季最低，铬含量秋季最高、夏季最低，铅含量冬季最高、夏季最低，铜、锌、锰含量秋季最高、春季最低。

从不同畜禽固体粪重金属含量分析，固体粪砷含量奶牛场显著高于生猪场（P＜0.05），生猪场又显著高于蛋鸡场（P＜0.05）；固体粪镉含量蛋鸡场显著高于生猪场（P＜0.05），生猪场又显著高于奶牛场（P＜0.05）；固体粪铜含量生猪场显著高于奶牛场和蛋鸡场（P＜0.05）；固体粪锌含量生猪场显著高于蛋鸡场（P＜0.05），蛋鸡场又显著高于奶牛场（P＜0.05）；固体粪中其余重金属含量无显著差异（P＞0.05）。

2.2 不同季节典型畜禽养殖场污水产生量及重金属含量

各类典型畜禽养殖场不同季节污水产生量及重金属含量测定结果如表3所示（蛋鸡场基本无污水产生，不计量）。生猪场污水四季平均产生量为4.78 L·d-1·头-1，砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均含量分别为49.3、ND、36.2、ND、3.50、23.2、164、26.8 µg·L-1；奶牛场污水四季平均产生量为25.9 L·d-1·头-1，砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均含量分别为67.8、ND、25.4、ND、4.80、14.2、56.7、39.8 µg·L-1。

表2 不同季节典型畜禽养殖场固体粪产生量及重金属含量Table 2 Production amount and heavy metal content of animal solid manure from typical livestock and poultry farms in different seasons

从不同季节污水中重金属含量分析，生猪场污水砷、铅、铜含量冬季最高、夏季最低，铬含量冬季最高、秋季最低，锌、锰含量四季基本稳定；奶牛场污水砷含量冬季最高、秋季最低，铬、铜含量春季最高、夏季最低，铅含量春季最高、冬季最低，锌含量春季最高、秋季最低，锰含量春季最高、冬季最低。

从不同畜禽污水中重金属含量分析，污水铜、锌含量生猪场显著高于奶牛场（P＜0.05）；其余重金属含量无显著差异（P＞0.05）。

2.3 不同季节典型畜禽养殖场重金属产污系数

通过4个季节的测定，按照产污系数计算公式，获得的平均结果如表4所示。从表中可以看出，生猪场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均产污系数分别为 1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·头-1；奶牛场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均产污系数分别为 40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·头-1；蛋鸡场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰8种重金属平均产污系数分别为0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。从结果分析，生猪场、奶牛场重金属产污系数总体为秋冬季相对较高、春夏季相对较低；蛋鸡场重金属产污系数为冬春季相对较高、夏秋季相对较低。

3 讨论

本文通过对华东地区生猪、奶牛、蛋鸡典型规模化养殖场粪污重金属产生情况的测算，提出基于生猪、奶牛、蛋鸡养殖过程中不同阶段畜禽品种常规性比例以及粪污收集和处理利用代表性工艺的典型畜禽养殖场重金属产污系数。生猪场铜、锌产污系数总体略高于董红敏等[7]、汪开英等[8]、何志平等[9]按照华北、华东、西南地区生猪原始粪便和尿液测算的产污系数，可能与不同区域生猪养殖方式和摄入饲料种类差异有关，也可能与生猪养殖过程中消毒、清洗等其他投入品使用有关；奶牛场铜、锌产污系数总体与栾冬梅等[10]按照东北地区奶牛原始粪便和尿液测算的产污系数相当，略低于张振伟等[11-12]按照西北地区育成牛和泌乳牛原始粪便和尿液测算的产污系数，可能与不同区域奶牛养殖方式和摄入饲料种类差异有关。国内缺乏砷、汞、镉、铬、铅、锰产污系数相关系统研究资料，但与采用美国农业生物工程师学会（ASABE）动物粪便产生和特性参数标准[13]进行测算的结果相比，生猪、奶牛和蛋鸡镉、铅产污系数低于ASABE的系数，生猪铜、锌、锰产污系数高于ASABE的系数，奶牛、蛋鸡铜、锌、锰产污系数总体与ASABE系数相当。

表3 不同季节典型畜禽养殖场污水产生量及重金属含量Table 3 Production amount and heavy metal content of animal liquid manure fromtypical livestock and poultry farms in different seasons

表4 典型畜禽养殖场单位畜禽重金属产污系数Table 4 Pollutant generation coefficient of heavy metals of typical livestock and poultry farms

本文以生猪、奶牛、蛋鸡的单个畜禽养殖场为整体进行考虑，虽然无法获得畜禽养殖场内不同阶段畜禽品种的重金属产污系数，但通过对整个畜禽养殖场粪污重金属产生状况的系统研究，囊括了畜禽养殖生产和废弃物处理过程中非来源于畜禽粪污的重金属带入情况以及粪污收集状况，在此基础上，结合不同阶段畜禽品种重金属产生情况的相关研究，可以更加系统、完整地掌握不同类型畜禽养殖场重金属的产生情况，为畜禽养殖业投入品的综合管控和畜禽粪污资源化利用的风险防控提供基础依据。

但是，由于本文研究过程是基于畜禽养殖过程中不同阶段畜禽品种常规性比例以及粪污收集和处理代表性工艺，而各类畜禽养殖场实际养殖比例、粪污收集和处理利用工艺千差万别，同时本文仅采集了4个季度中个别天数的畜禽粪污进行监测，尚未针对畜禽生长过程中不同时期含重金属饲料摄入情况进行针对性采样监测，后续应考虑对不同养殖比例、不同粪污收集和处理工艺、不同饲料投入方式的畜禽养殖场开展重金属产污系数研究，从而更好地完善畜禽养殖业重金属产污系数体系。

4 结论

（1）通过对华东地区生猪、奶牛、蛋鸡典型养殖场四季粪污产生量及其重金属含量的测定，获得了典型畜禽养殖场的重金属产污系数：生猪场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰产污系数分别为1.28、0.005、23.8、0.11、2.74、243、416、277 mg·d-1·头-1；奶牛场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰产污系数分别为40.6、0.28、51.6、0.63、10.62、127、786、735 mg·d-1·头-1；蛋鸡场砷、汞、铬、镉、铅、铜、锌、锰产污系数分别为 0.046、0.000 6、1.11、0.016、0.18、2.00、16.1、21.0 mg·d-1·羽-1。

（2）研究采用的产污系数主要针对各类畜禽养殖过程中不同阶段畜禽品种常规性比例以及粪污收集和处理利用代表性工艺，可以为畜禽粪污资源化利用中重金属污染风险管控提供基础数据，后续可通过进一步研究继续完善畜禽养殖业重金属产污系数体系。