畜禽养殖业污染物的无害化处理及资源化利用分析

王元芳，古 鹏，刘存庆，囤 越，马海彦，郭新彬，乔光明

(1.潍坊学院 化学化工与环境工程学院，山东 潍坊 261061；2.淄博市环境污染防控中心，山东 淄博 255000)

中国作为一个农业大国，第一产业生产总值一直占据较大的比重，其中畜牧业生产总值的比例持续增长，平均增速为7.2%。为了满足人民日益增长的消费需求，各种畜禽产品的产量不断增长，肉、奶、蛋等已经由1996年的4584.0、735.8、1965.2万t增长到2018年的8624.6、3176.8、3128.3万t；平均年增速分别为3.8%、14.4%、2.6%[1]。人民生活质量的逐步改善却是以环境质量的恶化为代价的，截至2018年，仍有64.2%的城市环境空气质量超标，重度污染达1899天次；6.7%的地表水体为劣五类水质，其中黄河、淮河和松花江流域为轻度污染，海河和辽河流域为中度污染，111个重要湖泊、水库中仍有9个为劣五类水质，主要污染指标为化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、高锰酸盐指数等[2]。

畜禽养殖业的飞速发展在提高农民收入的同时，引发了严重的水环境、大气环境、土壤环境等污染问题[3-6]。畜禽粪便废水中含有较高浓度的N、P、重金属、药物以及大量病原微生物等，如果未经处理直接排入外环境，将导致水体富营养化、重金属超标等，地表水体及湖泊、水库等环境质量急剧恶化[7-10]。传统养殖模式下，多数畜禽粪便直接还田，导致了土壤的严重污染，重金属、抗生素、致病菌等污染物随着生物链的传递，在生物体内不断富集，破坏了生态系统的平衡，影响了各种农作物质量，危害了人类的生命健康[11-12]。畜禽养殖过程中排放的大量温室气体，以及含硫、氮等挥发性恶臭气体，不仅影响了畜禽的生长发育，损害了周围居民的身心健康，而且引发了一系列的气候问题[13-14]。

畜禽养殖粪便的随意排放不仅污染了环境，而且浪费了资源。粪便的无害化处理及资源化利用已成为社会各界广泛关注的环境问题之一。传统的粪便直接还田模式已经造成土壤严重超负荷，新型、高效的处理技术已成为粪便研究的热点，而利用处理后的粪便开展资源化研究，实现变粪便为资源，成为促进畜牧业、农业可持续发展的重要手段之一。本研究以2005～2018年的猪、牛养殖产量为基数，分析了自“十一五”以来畜禽养殖业的发展历程以及污染物的排放，探讨了各种无害化处理技术及资源化利用途径的可行性，从而提出了有利于生态文明建设的畜禽养殖粪便的处理对策及建议。

1 全国畜禽养殖业污染物产生量计算

1.1 数据来源

全国主要畜禽(猪、牛)的养殖数量来源于国家统计局发布的2005～2018年《中国统计年鉴》，猪肉、牛肉产量来源于2005～2018年《国民经济和社会发展统计公报》。我国猪的平均饲养周期取199 d，牛的平均饲养周期取365 d[15]，因此在测算畜禽养殖业污染物的排放量时，猪、牛的测算基数分别为猪的年末出栏数、牛的年末存栏数。自“十一五”以来，全国每年主要畜禽养殖数量变化见图1，猪肉、牛肉产量变化及增长速度见图2。

由图1可以发现，2005～2014年期间，除个别年份外，我国生猪的养殖数量基本保持逐年递增的趋势，由2005年的60357.4万头增加到2014年的74951.5万头，增长率为24.2%。自2014年以后，生猪养殖态势有所减缓，但截至2018年底，仍有69382.4万头存栏量。居高不下的生猪养殖量与我国居民的饮食习惯密切相关，在肉制品市场中居民对猪肉的需求是最高的。受自然生产周期长、养殖风险大等因素影响，奶牛养殖业发展缓慢，因此导致奶牛和牛犊数量逐年下降，自2005年的10990.8万头下降到2018年的8915.3万头，下降幅度达18.9%。

图1 2005～2018年全国主要畜禽养殖数量

由图2可知，全国猪肉产量虽然每年略有波动，但整体呈上升趋势，由2005年的4528万t增长到2018年的5404万t；增长了19.3%。自2005年以来，全国牛肉产量逐年递增，由2005年的549万t增加到2017年的726万t，增幅达32.2%；2018年肉牛的产量略有下降。除猪肉、牛肉以外，我国每年的羊肉、禽蛋等产品亦占有很高的比重，2018年，羊肉产量475万t，禽肉产量1994万t，禽蛋产量3128万t，牛奶产量3075万t。

图2 2005～2018年全国猪肉、牛肉产量变化

1.2 污染物产生量计算

畜禽养殖业污染物的产生量由畜禽养殖数量及污染物排放强度测算得出，本文采用第一次全国《污染源普查产排污系数手册》中的数据，猪、牛产污系数见表1。根据下列计算公式，得出全国畜禽养殖业污染物的产生量，具体结果见图3。

表1 猪、牛产污系数表 kg/头

畜禽养殖业每年COD产生量计算公式为：

YC=N×E×10-3

(1)

畜禽养殖业每年NH3-N产生量计算公式为：

YN=N×E×10-3

(2)

式中：YC、YN分别为每年COD、NH3-N产生量，单位：万t；N为养殖数量，单位：万头；E为产污系数，单位：kg/头。

畜禽养殖废水主要包括粪便冲洗水及尿液，成分复杂，有机物浓度高，COD可达46800 mg/L，NH3-N可达1780 mg/L，重金属铜的含量可达5.8 mg/L，重金属锌的含量可达9.3 mg/L[16-18]。由图3可知，2011年以前，畜禽养殖业 COD 产生量逐年下降，且降幅较大，由2005年的9998.7万t降到2011年的9094.5万t，年下降速度为9%，主要是由于奶牛养殖数量的下降导致的。进入“十二五”以来，COD产生量每年降幅不大，基本维持在9000万t左右。畜禽养殖业NH3-N的产生量却是持续增长，由2005年的136.7万t上升到2014年的157.6万t，之后NH3-N产生量的增长速度有所减缓，目前维持在150万t左右。2015年《中国环境状况公报》显示，畜禽养殖业的COD和NH3-N排放量分别占全国废水COD和NH3-N排放总量的45.7%、24.0%。畜禽养殖业已成为农业面源污染的主要来源之一，一旦畜禽养殖废水未经处理进入地表水体、湖泊、水库等水生态环境，将不断消耗水体溶解氧，导致水生生物死亡，生态系统失衡。畜禽养殖粪便的长期堆积、废水的下渗均会影响地下水水质及土壤质量，例如硝态氮浓度升高、重金属含量升高、溶解氧浓度下降、土壤板结等。基于上述分析，畜禽养殖业的末端治理仍是消除农业面源污染的重中之重。

图3 2005～2018年全国畜禽养殖业污染物产生量

2 畜禽养殖业污染物的治理技术

畜禽养殖业污染物的治理主要针对粪便的收集处理及废水的污染控制。本文以对污染物的处理结果为依据，将治理技术分为无害化处理及资源化利用两大类。畜禽养殖过程中会产生大量废水，尤其是生猪养殖业，通过对畜禽养殖废水的集中收集处理，可大大降低农业源COD和NH3-N的排放量。目前常用的粪便废水集中处理工艺包括4个工序：预处理、厌氧生物处理、好氧生物处理、深度处理。通过预处理阶段，实现粪便及尿液的分离，并调节污水进水水质。利用厌氧微生物和部分兼性微生物的代谢作用，降解废水中的有机物，去除部分COD，并杀灭某些病原菌。厌氧生物处理阶段对废水中NH3-N的去除效率不高。好氧微生物利用厌氧阶段未完全降解的有机物为底物，进行有氧代谢，实现有机物向无机物的转化，进一步去除废水中的COD和NH3-N。为了实现畜禽养殖废水的无害化处理，消除各种致病菌的存在，深度处理工艺是必需的环节。而且通过深度处理，畜禽养殖废水在满足《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)中的相关规定的同时，又可以达到不同的回用水标准，实现水资源的再利用。畜禽养殖废水全过程处理的具体方法见图4。经过上述4个环节的无害化处理，畜禽养殖废水可实现达标排放。例如，吴衍莉[19]利用厌氧序批式活性污泥法-间歇式活性污泥法(ASBR-SBR)串联工艺处理高浓度养牛场废水，得到了50%的COD去除率和92.8%的NH3-N去除率；崔璨[20]利用纳滤处理后的海水处理养猪场废水，既去除了废水中的NH3-N，又以鸟粪石的形式回收了海水中的镁；靳省飞[21]利用伊犁绢蒿种子的提取液作为絮凝剂处理养猪场粪便污水，COD去除率达到68.3%。

图4 畜禽养殖废水无害化处理途径

畜禽养殖场废水的排放量及污染物浓度很大程度上取决于养殖场的清粪方式。清粪方式主要包括水冲粪、水泡粪、人工干清粪、机械干清粪。传统的散养模式及部分养殖专业户采取水冲粪、水泡粪的方式进行粪便处理，大大增加了废水排放量，且粪便中的有机物转移至废水中，导致废水污染物浓度升高，加大了处理成本及难度。该种清粪方式在北方地区已被陆续淘汰，例如山东省已经禁止规模化养殖场(小区)对猪舍、牛圈等采取水冲粪、水泡粪处理方式。为进一步实现粪便污水的减量化，政府应大力提倡传统的散养模式、养殖专业户向规模化养殖场(小区)转移，提高了我国畜禽养殖业的集约化程度，从源头上控制了废水排放量及污染物浓度。通过人工或机械干清粪，可以实现废水的减量化，同时降低废水污染物浓度。集中收集的粪便可以用于生产饲料、生产有机肥、农业利用、能源利用等，实现粪便的资源化，具体的资源化利用途径见图5。根据畜禽养殖场的养殖规模、养殖种类、饲养管理方式、自然环境条件等，可以采用多种技术的优化组合模式。

图5 畜禽养殖粪便资源化利用途径

3 影响粪便处理工艺的因素

无论是采用自然生态处理法、物理化学处理法，还是采用生物处理法，在畜禽养殖废水及粪便的处理过程中，很多因素会影响处理的最终效果。好氧堆肥是粪便资源化处理的有效手段之一，不仅可以杀灭粪便中的病原菌，还具有占地少、投资少、操作简单可靠等优点[22-23]。厌氧发酵可以产生新能源，而且产泥量少[24]。本文以好氧堆肥及厌氧发酵为例介绍具体的影响粪便处理工艺的因素。

(1)碳氮比(C/N)

畜禽粪便的碳氮比反映了粪便堆肥的平衡状态，而且影响厌氧发酵的沼气产率及发酵液的氨氮浓度。由于微生物的C/N约为20，因此一般C/N取15～30之间，有利于好氧堆肥的快速腐熟、厌氧发酵的进行。

(2)温度

堆体温度反映了好氧堆肥及厌氧发酵系统中微生物的活动状态，是影响微生物生长代谢的重要因素。温度过高，微生物的代谢作用受到抑制，影响了有机物的降解。一般微生物活性最佳的温度范围为35～50 ℃，调节环境温度处于该范围有利于堆肥反应的发生。而微小的温度波动对厌氧微生物会造成较大的冲击，因此，在厌氧发酵工艺中应尽可能避免任何剧烈的温度变化。

(3)pH值

堆肥过程中pH值过高或过低会影响微生物的生物活性。一般微生物适宜的pH值是中性或弱碱性。在整个堆肥过程中，堆体pH值具有一定的缓冲能力，可以在一定程度上维持稳定。通常厌氧微生物对环境pH值的变化适应较慢。

(4)水分

堆体水分含量的高低影响了好氧堆肥反应速度的快慢，甚至决定了整个好氧堆肥体系的稳定运行。如果堆体水分低于10%～15%，好氧微生物的代谢作用缓慢甚至停滞；如果堆体水分含量过高，微生物进入厌氧发酵状态，有机物降解速度降低，堆肥时间延长。

(5)操作方式

堆肥过程中的通风方式、次数会一定程度上影响粪便氮素的损失，通常翻堆次数过多会导致氮素损失较多。

4 结论及建议

(1)严格污染源头控制。畜禽养殖业污染物排放是农业面源污染的主要来源之一，其排放源的分散性、时空不确定性不利于统筹管理，增大了污染治理难度。从源头管控污染物的排放量及排放强度，能够有效地解决过程监控的盲区，促进末端治理效率的提升，实现畜禽养殖废水及粪便的无害化处理及资源化利用。坚持“预防为主、防治结合”的治理原则，严格遵循《畜禽养殖禁养区划定技术指南》划定禁养区，大力推广机械干清粪，从源头上预防污染物的产生。

(2)因地制宜、采取适宜的末端治理技术。选择适合地区发展的粪便处理技术是粪便末端治理首先要考虑的问题。结合当地经济发展，选择切合实际的处理工艺及资源化途径，构建畜禽养殖业、农业、种植业、林业、渔业等市场经济链。一方面，企业通过自主拓宽市场、打造产品交易网络；另一方面，政府应采取政策引导、技术扶持、资金奖励等措施建立起更加完善的污染物管理体系，加强执法力度，促进畜禽养殖业的生态健康发展。