畜禽粪污污染物无害化处理技术研究进展

季彬 彭轶楠 叶泽 杜津昊 祁宏山 席鹏 王治业*

（1，甘肃省科学院生物研究所 730030；2，甘肃省微生物资源开发利用重点实验室 730030）

有效的无害化处理畜禽粪污污染物可以提高资源有效利用率，不仅可以减少对再生资源的浪费，还可以降低畜禽粪污污染物对生态环境的破坏，有助于我国畜禽养殖业的可持续发展[1]。

1 我国畜禽养殖现状及粪污污染物危害

1.1 我国畜禽养殖现状

根据国家统计局公布的公开数据显示，2010～2019 年我国畜禽养殖业总体呈上升趋势，其中牛奶总产量增加5.34%达3201.24 万t，禽蛋总产量增加19.16%达3308.98 万t（图1）。虽肉类总产量呈下降趋势，其原因主要是2018 年我国首次爆发了非洲猪瘟疫情，引起了生猪大批死亡，导致猪肉总产量显著下降，而包括牛、羊及禽类在内的其他肉产量仍呈稳步上升趋势，且随着多种非洲猪瘟疫苗的研发并进入临床试验，我国生猪养殖业将有望很快恢复到疫情前的水平（图2）。且随着我国畜禽养殖规模的大幅度增长，畜禽粪污污染物的排放量也逐年增加，2009 年我国畜禽粪污污染物的产量为32.64×104万t[2]，2020 年畜禽粪污污染物排放量预估可达到42.44×104万t[3]。对比《第一次全国污染源普查公报》 和《第二次全国污染源普查公报》，随着我国相关政策的完善和养殖企业意识的提高，我国畜禽粪污污染物的排放量有一定程度的下降，但仍然不可放松警惕。

图1 我国畜产品总产量

图2 我国各类肉类总产量

1.2 粪污污染物危害

由于畜禽粪污污染物中含有硫化氢、甲胺等有机物，在厌氧条件下可以分解产生甲烷、二氧化碳及氮氧化物等气体，进而导致全球气候变暖及大气污染[4]；同时这些有机物及N、P等营养元素随着废水排入到水体及土壤中，可以导致水体富营养化及土壤板结等污染问题[5]。除了会造成环境污染外，由于畜禽饲养过程中滥用抗生素[6]，造成粪污中过量抗生素残留[7]；同时由于饲料中加入过量重金属添加剂，致使粪污污染物已成为造成重金属污染的重要因素之一[8]；粪污污染物中还含有包括病原菌和寄生虫在内的多种病原微生物，对人类和动物健康具有严重的危害[9]。

2 我国畜禽粪污污染物处理存在的问题

我国对于畜禽粪污污染物的无害化处理起步较晚，与国外有明显的差距，且由于相关政策制定不够完善、养殖企业相关意识不强、无害化处理成本高及盲目借鉴国外的无害化处理经验等弊端，导致我国畜禽粪污污染物的排放量虽有下降，但距离有效控制仍有一定的距离。

2.1 政策支持不平衡

根据农业农村部发布的《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017～2020 年）》 显示，我国畜禽废弃物资源化利用政策更偏向于猪牛等畜牧业企业，而对禽类养殖企业的重视程度不够；且由于畜禽废弃物资源化利用以企业投入为主，政府扶持力度不足，导致企业负担过重，积极性不高；同时政策规定与现实需求存在一定差距，政策出台相对滞缓，均增加了企业有效利用畜禽废弃物的难度，一定程度上阻碍了畜禽废弃物的资源化利用[10]。

2.2 企业积极性不高

由于我国畜禽粪污污染物无害化处理起步较晚，相关养殖户和养殖企业的经验不足，缺少合理利用畜禽粪便污染物中可利用成分的科学认识；同时由于畜禽行业风险大、利润低，畜禽粪便无害化处理的成本高，而有关部门的扶持力度不高，导致很多养殖企业投入和维护成本过高，积极性不足[11]。

2.3 缺乏相关技术

畜禽粪污污染物的无害化处理除了需要国家有关部门和企业的参与，还需要相关技术人员的指导与帮助。由于我国整体技术与国外发达国家还有很大差距，且我国具体生态和经济环境与国外也有明显不同，虽部分企业引进了国外的粪便污染物无害化处理的技术和设备，但效果并不理想，甚至进一步增大了处理成本。

3 畜禽粪污污染物无害化处理先进技术

随着交叉学科的大力发展，包括物理加工、化学处理和生物处理在内的多种方法被广泛应用到畜禽粪污污染物的无害化处理中，并将粪便中的资源转化为沼气等生物能源或有机肥料等产品。

3.1 酶促反应

由于高效、温和、环保且特异性强等特点，酶促反应被认为是一种很有发展前景的无害化处理畜禽粪便的生物学方法。畜禽养殖产生的各类废水中含有大量动物油脂，这些油脂会限制传统的生物处理方法。而采用吸附、过滤或凝结等物理或化学方法并不能有效地去除废水中的胶状物或乳化的颗粒，且成本较高，进一步加重畜禽养殖企业的生产负担。酶促反应尤其是脂肪酶可以将复杂的甘油三酯降解成为简单的游离脂肪酸，进而提高后续生物处理的有效性。

当对畜禽粪便进行厌氧处理制备沼气时，由于粪便中含有不同比例的木质纤维素，尤其是牛粪中木质纤维素含量较高，会严重限制沼气转化的效率。与其他机械加工、化学处理或微生物降解等方法相比，酶促反应因受底物影响较小、可以保持较高活性，且具有更小的体积、更高的溶解性和流动性，更适合于对粪便中的木质纤维素进行预处理。但酶促反应的活性会受到酶的比例、添加方式及环境条件等多种因素的影响，因此。根据具体情况建立一个更高效的处理粪便的酶促反应体系十分必要。

3.2 生物炭

堆肥处理法是无害化处理畜禽粪污污染物的常用方法之一，该方法不仅可以将粪便中的资源回收利用制成有机肥料或土壤改良剂，还可以通过高温杀灭粪便中携带的病原微生物或寄生虫，降低重金属或抗生素的残留，减少粪便对环境和健康的影响。但堆肥处理法存在占地面积大、较难控制臭气排放及技术要求高等问题，一定程度上限制了堆肥处理法的广泛使用。研究人员发现，在堆肥处理过程中添加5%～10%的生物炭作为添加剂，可以有效提高堆肥处理效率，减少臭气的产生。生物炭可以为堆肥所需的相关微生物提供栖息环境，并减少外界环境对微生物的影响，并通过生物炭中的微孔结构促进堆肥过程中的通气活动，以改善微生物的生长环境。同时，由于生物炭具有较强保水能力和较高的孔隙率，较大的表面积及对溶解的有机碳的高吸附性等特征促进了生物炭的定殖。但目前对畜禽粪便堆肥处理过程中作为改良剂的生物炭的生产尚未有标准方法，且生物炭的原料及热解条件会显著影响其活性，所以需要该领域的研究人员加快对生物炭生产标准方法的开发。

3.3 其他技术

虽然到目前粪便无害化处理仍然以加工成肥料、土壤改良剂或厌氧发酵制备沼气为主，但由于土壤的承载能力有限，长期重复使用畜禽粪便作为肥料增强土壤肥力会导致地表水磷酸盐和硝酸盐污染及微量元素的大量富集，当使用该地表水对农作物进行灌溉是会产生植物毒性作用。因此也需要研发出更多新的无害化处理畜禽粪便技术与方法，有研究人员发现，畜禽粪便也可以作为蘑菇生长的基质，该方法不仅可以有效利用粪便中的营养物质，还可以减少对土壤和水源的影响。而且畜禽粪便本身也可以转化为一种有效的生物炭，提高堆肥法处理效率。此外，BHLS 公司也开发了一种新的技术，该技术将家禽粪便用作燃料燃烧以满足禽舍正常的热量和电力需求，而燃烧剩余的灰分及无机盐作为营养物回收利用。该方法不仅降低了粪便的运输成本，且高温可以有效杀灭粪便中的病原微生物和寄生虫卵，有较高的生物安全性。

4 总结

我国畜禽粪便无害化处理相关工作起步较晚，但由于政策的指导与帮助加上企业的自主意识，畜禽粪便乱排乱放的现象得到明显遏制，畜禽粪污污染物排放量明显下降，但距离发达国家还有明显的差距。且同时存在政策滞后性、扶持力度不足、企业负担过重及技术不完善等问题，因此，为有效解决我国畜禽粪便无害化处理的问题，需要政府、企业与专业技术人员三方的参与才能最终做到我国畜禽污染物的趋零排放，保障我国畜禽养殖业的可持续发展。