山西省规模养猪场的产排污系数测算

隋 超 李文刚 焦福林 吴志娟 胡广英 闫益波 岳 磊 任毅菲 淡江华

（山西省农业科学院畜牧兽医研究所， 山西太原 030032）

纵观历史，人类从原始社会开始在土地上种植粮食，圈养牛、羊、猪、鸡等动物。几千年来，一直遵循这样的生产生活方式。土地一直是人类生存发展不可或缺的重要资源。但是土地对各种物质的承载能力是有限的。畜禽养殖技术的进步、养殖规模的逐步扩大，随之而来的就是畜禽养殖过程中所产生的粪污物对土地的污染与影响。

欧美等国家早已开始对畜禽养殖业所产生的粪污物质进行研究，测算确定完整的畜禽养殖业的产排污系数，并制定了相应的法律法规来约束畜禽养殖业的产排污行为。我国于 2008 年前后组织了“第一次污染源普查”，2009 年出版了包括东北、华北、华东、西南、西北、中南六个地区的 《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》[1]。此外，董红敏[2]、王国利[3]、何志平[4]、汪开英[5]、庄犁[6]等学者也在畜禽养殖业产排污系数方面进行了不同程度的研究。已有的产排污系数研究主要分布在江苏、浙江、四川、北京、安徽、河南、广西和黑龙江等地[6]。 《畜禽养殖业污染物排放标准》 及许多学者都认为在估算畜禽养殖业年污染物对土地污染程度时应用猪当量来换算评估是否超出土地的承载能力。但这些研究并不包括山西省。因此，通过试验研究的方法测算山西省的规模猪场的产排污系数是十分必要和合理的，也比较有代表意义。

1 畜禽养殖业的产污系数、排污系数的定义和计算方法

1.1 畜禽养殖业产污系数

畜禽养殖业产污系数是指在正常的生产和管理条件下，一定时间内单个畜禽所产生的原始污染物量，包括粪尿量以及粪尿中含有的各种污染物量。

1.2 畜禽养殖业排污系数

畜禽污染物排放系数是指在正常的生产和管理条件下，单个畜禽每天产生的原始污染物经处理设施消减或利用后，或未经处理利用而直接排放到环境中的污染物量。

畜禽养殖业的排污系数由污水和固体废弃物2部分组成。固体废弃物主要考虑收集粪便在贮存和处理过程中的流失率；污水包括在畜禽舍中未收集的粪便、尿液和冲洗水等混合物，这些是畜禽养殖排污系数的主要来源。畜禽养殖污水主要是通过贮存、固液分离、厌氧沼气发酵、好氧处理、氧化塘及人工湿地等方式进行处理后利用或排放。

2 山西省晋中介休地区某万头猪场的产排污系数测算试验

2.1 试验地点

以山西省晋中介休地区某万头规模猪场作为试验地点。该规模化猪场采取干清粪的方式处理养猪场中的粪便，沼气池厌氧技术处理猪场中的尿液以及其他生活污水。此规模猪场可代表山西省大部分规模养猪场的养殖水平。因此，监测所得的数据总体可以反映山西省规模化养猪场的产排污基本情况。

2.2 试验样品的采集

2.2.1 试验样品采集时间

学者、专家们普遍采用1年为试验周期，分四季分别采集样品，样品采集时间为3～5 d。本试验以一年为试验周期，分别在春季、夏季、秋季、冬季采集样本。每次试验期10 d，7 d预饲，3 d采样，避免饲料对试验数据准确性的影响。

2.2.2 试验动物（猪）的分组原则

每季挑选60日龄的保育猪5头、120日龄的育肥猪5头及750日龄的妊娠母猪5头。保育猪每头饲养在一个中型代谢笼里，育肥猪每头饲养在一个大型代谢笼里，妊娠母猪每头饲养在一个大型代谢笼里。粪便和尿液分开收集。

2.2.3 样品采集的原则

试验期间，每天下午15时30分称重记录每头试验猪的采食量和体重，采集重量在0.1 kg和0.25 kg的新鲜粪便样品2个（每100 g加4.5 mol/L硫酸溶液5 mL），0.5 L的尿液样品一个（滴3滴甲苯固定，每100 mL加4.5 mol/L硫酸溶液2 mL）。排污系数的测算要求在产污系数的基础上考虑污染物处理效率。因此，每天下午15时30分在污水处理设备的进水口和出入口采集样品，污水样品0.5 L，滴3滴甲苯固定，加4.5 mol/L硫酸溶液调节pH值，使其小于2。

2.3 测定指标与测定单位

2.3.1 检测指标

粪便的主要检测指标为含水率、有机质、总氮、总磷；污水和尿液的主要检测指标包括COD、总磷、总氮、氨氮。饲料成分包括粗蛋白、磷、含水率。

2.3.2 检测单位

所有采集的粪便送山西省农业科学院农业环境与资源研究所检测。尿液、污水样品、饲料样品送山西省太原市京诚科技公司检测。

3 粪便、尿液、污水中各物质成分检测

保育猪粪便中含水率浓度由高到低依次是春季＞冬季＞秋季＞夏季，全氮浓度从高到低分别是冬季＞夏季＞春季＞秋季，全磷浓度由高到低分别是冬季＞春季＞夏季＞秋季，有机质浓度从高到低依次是冬季＞秋季＞夏季＞春季，粪便产生量从高到低分别是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD浓度、氨氮浓度和总氮浓度从高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，总磷浓度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，尿液产生量由高到低分别是夏季＞春季＞冬季＞秋季。

育肥猪粪便中含水率浓度由高到低分别是秋季＞冬季＞春季＞夏季，全氮浓度从高到低依次是冬季＞春季＞秋季＞夏季，全磷浓度、有机质浓度和粪便产生量由高到低分别是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD浓度由高到低依次是秋、春、冬、夏，氨氮浓度和总氮浓度从高到低分别是春季＞冬季＞秋季＞夏季，总磷浓度由高到低分别是夏季＞春季＞秋季＞冬季，尿液产生量由高到低依次是秋季＞夏季＞冬季＞春季。

妊娠母猪粪便中含水率由高到低分别是秋季＞夏季＞冬季＞春季，全氮从高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季，全磷从高到低分别是春季＞秋季＞夏季＞冬季，有机质浓度从高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，粪便产生量由高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季。尿液中COD浓度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，氨氮浓度从高到低依次是春季＞冬季＞夏秋，总氮浓度和总磷浓度从高到低分别是秋季＞夏季＞春季＞冬季，尿液产生量由高到低分别是冬季＞春季＞秋季＞夏季。

表1 粪便、尿液、污水中各种物质成分

污水中COD浓度和氨氮浓度由高到低依次是夏季＞秋季＞春季＞冬季，总氮浓度从高到低依次是春季＞秋季＞冬季＞夏季，总磷浓度由高到低分别是春季＞冬季＞秋季＞夏季。

4 产污系数的计算公式与结果

4.1 试验猪场生猪不同生长阶段日产污系数计算公式

在计算畜禽养殖业的产污系数时董红敏[2]、庄犁[6]等都以天为单位，分别计算不同动物（生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡、山羊、绵羊）、单个（头、只）动物在不同饲养阶段的产污系数。采用的公式如下：

式⑴中，i、j、k分别为动物种类、生产阶段、污染物种类；Fi,j,k为单位动物产污系数，mg/d；Qi,j为单位动物粪产量，kg/d；Ci,j,k为粪便中污染物浓度，mg/kg；Pi,j为单位动物尿液产量，L/d；Ui,j,k为尿液中污染物浓度，mg/L。

4.2 试验猪场生猪不同生长阶段产污系数计算结果

通过公式⑴计算得出试验猪场生猪不同生长阶段产污系数，见表2。

表2 生猪不同生长阶段产污系数

产污系数：保育猪产粪量为0.689333 kg/d、产尿量1.126667 L/d、氮产生量30.71844 g/d、磷产生量9.311602 g/d、氨氮产生量1.079056 g/d、COD产生量13.80784 g/d；育肥猪产粪量 1.2995 kg/d、产尿量2.573167 L/d、氮产生量 55.04271 g/d、磷产生量19.09751 g/d、氨氮产生量2.795423 g/d、COD产生量39.70804 g/d；妊娠母猪产粪量1.0875 kg/d、产尿量3.4665 L/d、氮产生量 50.51397 g/d、磷产生量26.79187 g/d、氨氮产生量4.10173 g/d、COD产生量39.2535 g/d。

4.3 试验猪场产污系数与华北地区生猪产污系数的比较

由图1可知，试验场保育猪粪便、尿液、氮产生量、磷产生量及COD分别是华北地区保育猪排放量的66.28%、1.05倍、1.5倍、267.57%、5.83%；试验场育肥猪粪便、尿液、氮产生量、磷产生量及COD是华北地区育肥猪排放量的62.25%、1.2倍、1.67倍、3.15倍、9.46%；试验场妊娠母猪粪便、尿液、氮产生量、磷产生量及COD是华北地区妊娠母猪排放量的53.31%、96.83%、1.16倍、2.7倍、8.14%。《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》中未提及氨氮产生量。

试验得出的保育猪、育肥猪、妊娠母猪的氮磷产生量远远高于《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》中调查的华北地区的排污结果，但是试验得出的COD的产生量却不到《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》统计结果的10%。这或许与试验采用的猪的品种、饲料中氮磷含量、饲养条件等有关。

5 排污系数的计算公式与结果

5.1 试验猪场生猪不同生长阶段排污系数计算公式

排污系数的测算要求在产污系数的基础上考虑污水的处理效率[6]。不同学者对排污系数的计算采用的公式不同。本文参考董红敏[2]计算畜禽养殖业排污系数的公式。具体公式如下：

式⑵中，Di,j,k为单位动物排污系数，mg/d；ηU为粪便利用率，%；ηT,k为第k种污染物处理效率，%。ηF为粪便收集率，%；WU为污水利用量，m3/d；WP为污水产生量，m3/d。

试验猪场采取“干清粪＋沼气池厌氧”处理生猪排出的粪便、尿液及其他污水。粪便收集后堆沤成有机肥后再还田，故粪便利用率ηU为0，污水经厌氧处理后直接排放至贮存池储存，定期排放，故WU污水利用量为0，m3/d。

5.2 试验猪场生猪不同生长阶段排污系数计算结果

排污系数：保育猪的氮产生量为1.474438 g/d、磷产生量为9.329156 g/d、氨氮产生量为9.329156 g/d、COD产生量为14.87408 g/d；育肥猪氮产生量为62.31923 g/d、磷产生量为18.75259 g/d、氨氮产生量为2.63437 g/d、COD产生量为43.10466 g/d；妊娠母猪氮产生量为60.61763 g/d、磷产生量为26.16499 g/d、氨氮产生量为 4.564842 g/d、COD产生量为43.51085 g/d。

5.3 试验猪场排污系数与华北地区生猪排污系数的比较

由图2可以看出，试验组保育猪、育肥猪（试验）、妊娠母猪的氮产生量分别是华北地区保育猪、育肥猪、妊娠母猪氮产生量的45.79%、11.67倍、7.19倍；试验组保育猪、育肥猪、妊娠母猪的磷产生量分别是华北地区保育猪、育肥猪、妊娠母猪磷产生量的24倍、43倍、100倍。试验组保育猪COD产生量仅占华北地区保育猪的55.33%，试验组育肥猪、妊娠母猪的COD产生量分别是华北地区育肥猪、妊娠母猪的1.4倍和2.23倍。《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》未涉及氨氮产生量的内容。

这与董红敏[2]所得出的北京市某猪场不同阶段生猪的排污系数氮的产生量、磷的产生量、COD的产生量高于《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》中氮的产生量、磷的产生量、COD产生量的结论相符合[6]。《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》对于污水处理的方式没有涉及，这也是试验得出的排污系数与《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》结果相差较大的原因。

6 试验猪场生猪不同阶段的产污系数与排污系数的比较分析

由图3可知，保育猪的氮排放量占氮产生总量的4.8%，但是保育猪的氨氮排放量却是氨氮产生总量的8.65倍。保育猪的磷、COD及其他阶段的各种污染物的排放量与产生量的数值在94.24%～120%之间。猪场干清粪效率在90%的情况下，除保育猪的氮、氨氮外，保育猪的磷、COD及其他阶段的各种污染物的排放量与产生量的数值在94.24%～120%之间，说明该猪场的沼气厌氧池处理污水的效率极低，不能很好地降低各种污染物的浓度。

7 山西省生猪养殖业的排泄系数

周天墨[14]、林源[15]等都对畜禽养殖业的日产污系数进行了整合，以便在估算畜禽养殖业粪污产生量时有精确的排泄系数。

本文采用林源[15]的日产污系数整合公式，经过计算得出，一头生猪的排泄系数：产粪量为1.06482 kg/d、产尿量为2.016821 L/d、氮的产生量为45.68722 g/d、磷的产生量为15.3337 g/d、氨氮产生量为2.135282 g/d、COD产生量为29.74642 g/d。母猪的排泄系数：产粪量为2.920821 kg/d、产尿量为7.550412 L/d、氮的产生量为133.5327 g/d、磷的产生量为59.34817 g/d、氨氮产生量为 8.516361 g/d、COD产生量为87.22412 g/d。

8 结论与讨论

通过试验采样、实验室样本成分分析，运用公式⑴和公式⑵得出试验猪场的产排污系数。试验得出的山西省的产排污系数与《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》的结果相比，各阶段生猪的粪尿产生量差异不大，但氮磷产生量远远高于《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》的结果。试验得出的COD产生量不到《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》结果的10%。试验发现不同阶段生猪的排污系数氮产生量、磷产生量、COD产生量高于《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》中的氮产生量、磷产生量、COD产生量。《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》中污染普查与本次试验所选择的猪品种、采样时间、采样时处理措施、猪场采用的清粪方式、尿液污水处理技术等不同。此外，猪场所用饲料的氮磷含量也影响粪尿中各污染物的排泄。因此两者的产排污系数存在极大的差异。

保育猪的氮排放量占氮产生总量的4.8%，但保育猪的氨氮排放量却是氨氮产生总量的8.65倍。保育猪、育肥猪及妊娠母猪的磷、氮、氨氮、COD等的排放量与产生量的数值在94.24%～120%。说明厌氧处理污水效率极低。庄犁等[6]通过数据统计分析，发现西南地区生猪养殖小区采用干清的清粪方式、厌氧＋好氧的污水处理方式得到的排污系数远低于同地区其他养殖规模的排污系数。说明“厌氧＋好氧”的污水处理方式效率要优于厌氧处理。

未来山西省的规模猪场应采取以下措施来控制猪场的粪污排放量。①提高规模猪场粪便的收集率；②定时维护与优化沼气池的处理工艺，提高沼气池处理尿液及其他生活污水的效率；③通过添加植酸酶和氨基酸来降低饲粮中蛋白质和磷含量，这样可以降低猪粪尿中的氮磷含量[28-30]。

此外，根据试验得出的产污系数，代入公式⑷和公式⑸得出山西省养猪业的排泄系数：一头生猪产粪量为1.06482 kg/d、产尿量为2.016821 L/d、氮的产生量为45.68722 g/d、磷的产生量为15.3337 g/d、氨氮产生量为2.135282 g/d、COD产生量为29.74642 g/d。妊娠母猪产粪量为2.920821 kg/d、产尿量为7.550412 L/d、氮的产生量为133.5327 g/d、磷的产生量为59.34817 g/d、氨氮产生量为 8.516361 g/d、COD产生量为87.22412 g/d。利用具体的山西省养猪业的排泄系数可以准确估算山西省的粪污年产生量。

综上所述，生猪的不同生长阶段的产排污系数与《第一次全国污染源普查畜禽养殖业产排污系数及排污系数手册》存在极大的差异。本次试验测算得出的生猪不同生长阶段的产排污系数是在第一次污染普查的基础上对山西省畜禽养殖业的产排污系数的修正，更符合山西省畜禽养殖的污染特点，实用性更强。精确的排泄系数为估算山西省的粪污年产生量提供了较为准确的参考数据。