奶牛粪污资源化利用模式推广

高 雁，曾 军，霍向东，孙 建，李凤鸣，刘建成，陈开旭，林 青

1 新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆特殊环境微生物实验室，新疆乌鲁木齐 830091

2 新疆农业大学动物科学学院，新疆乌鲁木齐 830011

0 引言

奶牛粪污是指奶牛场产生的废水和固体粪便的总称[1]。随着我国奶牛养殖业的规模化、集约化发展，奶牛场所产生的有机固体废弃物、臭气、高浓度有机废水量也在逐渐增加[2]。奶牛粪污与生猪和家禽排泄的粪污相比，排放量远远高于猪和鸡，平均可产生粪污60～95 kg/头·天，是生猪粪污排放量的13.47 倍[3]；以每头奶牛日产尿15 kg、粪33 kg来计算，其每天的污水产量达100 kg[4]，对自然环境造成巨大危害。奶牛粪污中富含粗纤维，合理处理不但可以作为牛床垫料回用，也是一种利用价值较高的资源。另外，在国家“碳减排，碳中和”政策的强劲推动下，各地区农业农村局都在积极引导当地农企业开展一系列的双碳减排措施，探索出一条低碳生态养殖的发展道路。为此，本文对奶牛场粪污资源化利用模式进行归纳总结，为合理利用奶牛粪污，保护环境提供参考。

1 奶牛粪污的危害与利用价值

1.1 对自然环境的污染

1.1.1 对大气的污染

奶牛在养殖过程中，其排泄物在贮存过程中，会排放和散发出许多有害气体。基于恶臭污染排放标准和恶臭物质气味活度值，气相色谱-质谱法分析得出氨气、硫化氢、甲硫醚是其排泄的主要致臭物质[5]，这些物质不仅会降低养殖场及周边环境的空气质量，还会引发臭气污染，促进全球变暖[6]。

1.1.2 对土壤环境的污染

从奶牛粪污的化学成分来分析，粪污中除了含有丰富的有机质外，还含有（40±10）%的木质素、纤维素[7]以及金属离子和细菌、病毒、寄生虫等病原体。若直接倒入田间或土壤内，奶牛粪污会影响土质，破坏土壤环境，进而造成农作物减产，品质降低，而某些病原体可在土壤中存活较长时间，会影响土壤菌群丰度或数量，进而改变土壤正常功能。

1.1.3 对水质环境的污染

奶牛粪污中污水含量较多，若直接排入到地表或地下水内，污水中富含的氮、磷等元素可直接增加水体浓度，造成地下水参数超标，影响地下水质量。若奶牛粪污直接排向河流，会导致其中的悬浮物增多，若水体中的磷含量超过0.2 mg/L则易引发藻类过度繁殖[8]，进而破坏河流内的生态环境。

1.2 奶牛粪污的利用价值

1.2.1 肥料价值

奶牛粪污富含营养物质，是农作物种植所需的天然肥料。饲料中的养分和有机质分别以80%和40%的粪污形式排出；氮、磷、钾分别以75%、80%、85%的粪污形式排出；若饲喂量充足的牛场，其粪污中的营养价值含量更高[9]。若将牛粪和玉米秸秆以2∶3比例混合，堆肥发酵第三天可升温达55 ℃，且该温度能持续23 天，发酵过程中最高温度可达69.7 ℃[10]。持续的高温可杀灭其中的病原体，堆肥发酵制成的有机肥，可以与少量化学肥料配合使用，作为农作物播前整地的基肥。这种有机、无机配施体系可以提高土壤微生物的固氮能力、氮素水平和化肥氮的利用率[11]。而从农作物和植物对营养物质的吸收来讲，奶牛液体粪污的营养成分吸收水平要高于固体粪污，因此奶牛场合理的保存奶牛尿液也是提高肥料利用效率的途径之一。

1.2.2 饲料价值

奶牛粪便中氮元素主要以蛋白和非蛋白形式存在，含量较高；灰分、纤维素含量也较高，还有许多在奶牛消化系统中合成的维生素，因此，奶牛粪便回收和合理加工，可以作为动物饲料，如将牛粪和乳酸菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌混合，在发酵池内密封发酵（夏季3～7 天，冬季10～15 天）并精加工制成的鱼虾和禽鸟等动物饲料[12]，可以降低动物养殖成本，并实现奶牛粪便的循环利用。

1.2.3 能源价值

奶牛粪污的能源利用应用较早，如牛粪发酵过程中可产生甲烷用于家庭取暖。由于奶牛粪污发酵过程产生的甲烷气体是一种“绿色天然气”，合理利用不仅满足家庭天然气的使用，还能作为再生资源为热电厂提供丰富的电能、热能。如现代牧业集团利用牛粪尿进行沼气发电，年产沼气发电量达4 300 万度，占全年总用电量35%以上。

2 奶牛场粪污资源化利用模式

2.1 粪污全量收集还田利用模式

2.1.1 模式介绍

粪污全量收集还田利用模式是一种主要针对农田利用的粪污处理方式，即将奶牛场养殖过程中所产生的尿液、粪便和生产中的污水进行全部统一收集，然后通过管道流入到氧化塘内，这些粪污在氧化塘经过贮存和处理，可以将其中的液体粪肥作为农田水肥一体化的肥料，还可以通过粪肥撒播机进行高效还田[13]。奶牛粪污的氧化塘有两种类型，分别为敞开式和覆膜式，处理后的粪污可与吸纳环节进行下一步对接。

2.1.2 模式优点

一是成本低。奶牛粪污的收集、处理操作便利，奶牛场只需要配备自动刮粪回冲工艺即可完成粪便的收集。同时氧化塘的建造成本较低，奶牛通过自然氧化所耗费的费用更低。二是养分利用含量高。粪污全量收集还田利用模式是将奶牛养殖中的所有粪尿和污水进行全量收集，所有养分均在氧化塘内，因此可利用的养分含量高。

2.1.3 模式缺点

一是周期长，占地面积大。该模式下粪污的贮存时间至少为6 个月，因此氧化塘的面积要足够大才能保障奶牛粪污的收集，这就需要奶牛场建址和布局时保留足够的土地面积用于建设氧化塘。二是需要专业设备。该模式需要配备专业的搅拌机、农田管网、粪肥播洒机及配套机械设备，且农田距离氧化塘的距离不能太远，以防增加额外的肥料运输费用。

2.1.4 适用范围

奶牛场粪污的总固体含量低于15%，奶牛场的粪污处理装置为自动刮粪回冲工艺，奶牛场周边具有足够面积的农田。

2.2 粪污专业化能源利用模式

2.2.1 模式介绍

粪污专业化能源利用模式是一种能源可再生的处理方式，即规模化奶牛场或小区借助专门的粪污处理厂或企业，对奶牛粪污进行统一收集，利用粪污处理厂的沼气生产设备对粪污进行厌氧发酵，产生沼气、沼渣、沼液分别进行专业化利用[14]。其中沼气可以作为发电、生物天然气原料；沼渣可用于生产有机肥；沼液可制成水溶肥或就近还田利用，未利用的沼液通过深度处理后达标排放。

2.2.2 模式优点

一是运行效率高。由于该模式借助专业的粪污处理企业进行粪污的统一收集、集中处理，其专业化程度高，中小规模奶牛场可不再配套专业的粪污处理设施。二是能源化利用率高。可以实现发电机并网发电，如果年发电量高，可获得较为可观的收入。

2.2.3 模式缺点

粪污专业化能源利用模式的前期投资和后期处理成本较高。前期需要粪污处理企业具备或投资建设大型的沼气工程；后期由于沼液产量丰富，需要安装专业且数量足够的沼气发电机组，以保障实现后期的上网发电。

2.2.4 适用范围

大型规模奶牛场且具备沼气发电上网或生物天然气进入管网条件的粪污处理企业。同时由于该模式一次性投资较高，需要政府给予资金支持。

2.3 粪便垫料回用模式

2.3.1 模式介绍

由于奶牛粪便富含粗纤维，奶牛场通过自动刮粪板清理粪便，由地下粪污输送沟将奶牛粪污统一收集到粪污贮存池或氧化塘内，通过固液分离系统将固体粪便进行好氧发酵，其可以作为奶牛养殖中的牛床垫料，而固液分离系统处理后的污水则在氧化塘内进行贮存，作为农田作物灌溉施加水肥。

2.3.2 模式优点

一是减少粪污后续处理难度。该模式生产的牛床垫料主要原料为牛粪，替代了先前的沙子、土块等，减少了后续输送的管道堵塞，也不易在贮液池底部沉积，减少了后期管道清理次数。二是节省牛床垫料费用。固液分离系统处理后的牛粪一般经过20 h左右的好氧发酵即可出料制成牛床垫料，生产速度快，垫料费用低。三是垫料舒适度高。牛粪制成的垫料质地柔软，比橡胶垫料的舒适性高。牛粪卧床垫料厚度为15～20 cm，一般每周增加1 次，以保障牛粪垫料的厚度增加舒适度；若垫料上的粪污较多则需要及时更换[15]。

2.3.3 模式缺点

虽然发酵过程中的高温处理可以杀灭牛粪中的多数病原微生物，但若不彻底，奶牛在接触过程也可能会出现病菌感染症状。

2.3.4 适用范围

具有一定规模的奶牛场；奶牛场粪污处理系统为固液分离系统。

2.4 异位发酵床模式

2.4.1 模式介绍

异位发酵床模式是指在奶牛场栏舍外建立的发酵床，铺入垫料和微生物菌种，通过粪污输送系统将粪污抽送到该发酵床内，通过微生物菌种实现奶牛粪污的发酵分解和无害化处理，其发酵后的产物即为有机肥，可以用于农作物种植。奶牛养殖中产生的尿液和污水量较多，造成奶牛粪污相对稀薄，需要将牛粪污、垫料和微生物菌种按一定比例进行调制，以保障发酵床正常的发酵能力[16]。

2.4.2 模式优点

一是促进奶牛健康。与传统的发酵床相比，异位发酵床模式是一种舍外（场外）发酵床，奶牛饲养与其粪污降解进行分开处理，可以减少因粪污造成的地面潮湿、病原菌滋生和长时间卧床等问题，降低奶牛肢蹄病、乳房炎和寄生虫病感染几率。二是减少污染排放量。将奶牛粪污中的有机物分解成水、二氧化碳，减少氨气、硫化氢等有害气体的排放量。

2.4.3 模式缺点

一是发酵功能不易控制。由于奶牛粪污的含水量高，若含水量超过70%容易影响发酵床内微生物生长，当水分过多还会有粪污溢出，产生恶臭。另一方面，异位发酵床的发酵分解时间较长，适宜温度在（55±10）℃，而我国北方冬季低温低，会降低微生物的活性，影响发酵功能[17]。二是成本较高。异位发酵床模式需要足够面积和厚度的垫料，该费用成本较高。

2.4.4 适用范围

南方规模化奶牛场；奶牛场粪污处理系统为刮粪板干清粪工艺。

2.5 污水肥料化利用模式

2.5.1 模式介绍

奶牛场将奶牛粪污经过干清粪工艺分离成污水和固体牛粪。污水在厌氧发酵下可生产沼气、沼液，也可在氧化塘贮存，借助压力系统进行农田水肥一体化灌溉；固体通过就地发酵（制作腐熟农家肥）或其他途径利用。

2.5.2 模式优点

在污水肥料化利用模式下，污水经过厌氧发酵可以生产沼气，若配套相应消纳面积的果园或农田，不仅能减少粪污直接排放对土壤环境的污染，解决污水处理难度，还降低了农作物化学肥料的使用，实现农作物的无公害生产。

2.5.3 模式缺点

在污水肥料化利用模式下，北方适宜使用氧化塘贮存奶牛粪污，南方适宜厌氧发酵，但是都需要配套贮存设施；为实现水肥一体化还需要配置输送管网。

2.5.4 适用范围

奶牛场周边具有足够面积的农田；奶牛场粪污处理系统为刮粪板干清粪工艺。

3 小结

随着我国奶牛业标准化和规模化的发展，粪污资源化利用是减少粪污环境污染和实现变废为宝的主要途径。奶牛场粪污处理需要做好“源头减量”“过程控制”“末端处理””三个环节的把控，降低奶牛场粪污的排放量，减少粪污对大气、土壤和水质环境的破坏。奶牛场粪污资源化利用模式种类较多，不同模式的技术优点和缺点不同，奶牛场需要根据不同区域的奶牛业发展特点、饲养工艺和地区环境承载力选择适宜的奶牛粪污资源化利用模式，对于奶牛规模化水平较高的地区可通过“粪便垫料回用”模式节约成本，而奶牛规模化水平较低可以通过“污水肥料化利用”模式实现肥水一体化施用，进而实现奶牛养殖经济效益和生态效益的双赢。