畜禽粪污资源化利用国内外研究进展

毛同辉 罗 杰 吴光松 罗晓玲

（1 铜仁市畜牧技术推广站，贵州铜仁 554300；2 铜仁职业技术学院，贵州铜仁 554300；3 农业废弃物资源化利用工程技术研究中心，贵州铜仁 554300；4 开阳县畜禽品种改良站，贵州贵阳 550300；5 国家民委中兽药重点开放实验室，贵州铜仁 554300）

1 畜禽粪污成分及危害

畜禽粪污是指畜禽养殖业中产生的畜禽粪便和养殖废水，这些粪污既含有营养成分，也含有残留药物、病原微生物等有害成分。畜禽粪污是养殖场的污染源，一方面，因其含有较多的病原体[1]，处理不及时可能造成疫病传播；另一方面，未经处理的粪便直接排入环境中，会造成环境严重污染，影响土质、危害农作物生长，导致水体富营养化；而且在露天环境下还会释放有害气体，易造成大气污染并影响环境安全。畜禽粪污污染会严重影响畜禽养殖产业发展，因此，畜禽养殖场粪污处理的资源化利用很有必要。

2 畜禽粪污资源化利用技术

2.1 好氧堆肥发酵技术

好氧堆肥法利用需氧微生物的氧化效应，将畜禽粪污中的有机物分解、矿化，并经过腐化转变为腐殖质的生物化学反应过程。好氧堆肥过程中存在局部高温环境，能够杀灭活性种子及病原微生物，将粪污转化为有机肥。常见的好氧堆肥模式有静态垛式、条垛式、反应器式和槽式，其中，反应器式处理周期短、堆肥占地面积小、产能高，是较好的堆肥模式之一。经堆肥后得到的有机肥产品能够作为肥料，改善土质、促进植物生长、促进产能提升，实现种养循环[2]。

传统的好氧堆肥处理技术目前仍存在许多不足，如有害气体排放量大、重金属残留、腐殖化程度较低、抗生素和兽药残留、养分损失过大等[3]。针对这些问题，学者们进行了很多相关参数优化研究。周海宾等[4]研究了筒仓式反应器，可提升堆肥中氮养分含量。李开发[5]研究发现堆肥过程中添加微生物菌剂，能够加快堆肥各个阶段的反应进程，同时改变不同时期菌落的组成结构和数量，进而影响整个堆肥过程。为解决传统的好氧堆肥处理技术中氮素损失及二次污染，功能膜法好氧堆肥技术近年来受到关注。孙晓曦等[6]研究发现功能膜法好氧堆肥技术作为一种改良型的强制通风、静态垛式好氧堆肥模式，解决了传统条垛式、槽式发酵空间不均匀、产排大量臭气等问题，相较传统技术，具有能耗低、有害气体逸散少、发酵程度高和周期短、效率高等优点，成为越来越重要的发展方向。同时，近年还研究出超高温好氧堆肥、分子膜堆肥、智能分子膜覆盖堆肥技术等新型工艺[7]。

2.2 异位发酵床技术

异位发酵床技术相较于传统接触式发酵床养殖技术，在技术上可实现粪污“零排放”。其原理是通过人工构建的高效发酵系统，利用活性微生物复合菌群，长期、持续、稳定地将集中收集的畜禽粪尿在发酵床中完全降解为有机肥和能量，从而达到粪污无害化处理的目的[8]。该方法将畜禽养殖和粪污处理有效分开，在实现养殖粪污持续消纳的同时，可高效转化氮、磷等营养元素为可利用的有机肥，实现粪污的资源化利用[9,10]。

李念等[11]以蜂窝体的概念为基本模型，以木屑、稻壳和秸秆残渣为基质，添加复合微生物菌剂制成微生物反应堆。将适量的粪水喷洒到微生物反应堆中，粪水中所包含的氮和碳大分子有机物都会被微生物菌群循环分解，慢慢转化成一些易被植物吸收的物质，如氨态氮、腐殖酸、硝酸盐氮等，并且在发酵过程中还会释放大量热能。整个反应堆存在大量微生物，将粪水固形物连续分解消纳吸收，同时产生热量，在高温下实现液体蒸发，适时补充垫料和微生物菌剂，从而实现畜禽养殖粪水循环清理。

2.3 厌氧发酵沼气技术

厌氧发酵沼气技术是畜禽粪污资源化利用的主要途径。它是将多种有机物质（如粪污、植物残渣等）经厌氧消化，获得沼气、沼液和沼渣的技术[12]。目前，国内厌氧发酵技术的推广和应用符合我国国情，发展迅速。该技术能实现农作物废物与畜禽粪污的高效、绿色、安全综合利用，成为当前的重点研究与应用技术热点之一。而且，农业和养殖业废弃物等通过发酵形成的副产品，含有大量的营养物质及活性物质，成为了可直接还田的有机肥[13]。

2.4 水热碳化技术

水热碳化是将适当比例的粪污和水置于密闭的反应器中，在一定的温度和压力下生成富碳固体产物的过程[14]。畜禽粪污经水热碳化后，原料中的无机成分主要存在于液相中，具有较高的应用潜力，可应用在土壤改良、生物能源、功能型材料辅料，吸附除杂等方面；但水热碳化技术也存在重金属含量高的缺点，会影响应用前景，要解决这一难题，需要利用微波炉快速加热，使重金属快速反应分解，达到降低重金属含量，提高畜禽粪污资源化利用的目的[15]。

2.5 热解技术

生物质热解是指在缺氧或者低氧状态下，通过高温将生物质分解为焦炭、生物油、可冷凝液体和气体产物的反应过程，具有周期短、效率高、抗病原能力强等特点。王立华等[16]以畜禽粪污为原料，对热解工艺进行了优化研究，提升了热解技术的应用程度。但该技术由于能耗较高，对推广应用造成了一定的限制。

2.6 氧化塘技术

氧化塘技术是利用水中的微生物、藻类对畜禽污水进行生物处理，以实现污水净化。此方法具有使用成本低、投资价格少及副产物种类少等优点，具有良好的经济效益。畜禽污水经过此方法处理后，可用于水肥一体化施用，可实现粪污全量还田，还可利用处理后的废水养鱼、养鸭等，具有广阔的应用前景。近年来，随着科学技术的迅速发展，通过氧化塘技术改进，调整氮磷添加量、光照时长和强度、氧化池结构、曝气设备、搅拌方式、增加水体微生物活性等方法，氧化塘处理粪污技术也得到了较大的发展，粪污处理效率也得到了较大提升，在实践中的应用得到较大发展，养殖主体的接受程度也越来越高。近年来，针对不同的粪污，已有4 种氧化塘类型，分别为好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气池[17]；根据不同技术处理，氧化塘可分为高效藻类塘、超深厌氧塘、移动式曝气塘、水生植物塘等[18]，其中属高效藻类塘发展优势最大，高效藻类塘是利用好氧细菌将池塘中的有机物进行降解，产生二氧化碳，进而促进池塘中藻类进行光合作用吸收养分，实现能量转化的过程。反应过程中，配合紫外线照射，菌藻介导的pH 值环境与氧气浓度可高效杀灭病原体，产生藻类生物，提升净水效果[19]。其具有占地面积少、净水效果好、运行费用低等优势，同时还能对藻类进行二次利用，深受广大养殖主体青睐。但氧化塘技术也存在一些问题，如塘内微藻、微生物、植物等受环境影响较大，易造成水分丢失、微生物流失等问题。

2.7 生态处理技术

昆虫可高效转化畜禽粪便，同时消减温室气体排放，并产生优质的虫体蛋白、脂肪和虫沙，实现养分流动循环和畜禽粪便资源化利用。以黑水虻为代表的昆虫生物转化畜禽粪便具有低耗能、低排放，保护社会生态环境、提高经济效益的优势，是治理畜禽粪便污染最有潜力的策略之一。黑水虻营腐生生活，幼虫阶段可利用粪污中的有机物，实现对畜禽粪污快速无害化处理，转化为蛋白、脂肪等营养物质，黑水虻的幼虫可作为动物饲料原料，有效提升了粪污的资源化利用效率[20]。已有较多的研究显示了其价值，王小波等[21]发现黑水虻在将猪粪转化为虫粪的过程中，畜禽粪污中重金属含量显著降低。Beskin 等[22]研究发现，黑水虻减少畜禽粪污中挥发性废弃物产量达87%以上。由于黑水虻的繁殖对光照和温度要求较高，目前对其生长繁殖技术掌握不全[23]，此外，黑水虻蛹中含较多不饱和脂肪酸、几丁质，降低了其营养价值，因此，对黑水虻的养殖和利用技术有待完善[24]。

2.8 厌氧氨氧化技术

厌氧氨氧化技术是在厌氧条件下，以氨为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化为氮气的一个化学反应过程，具有高效低耗的特点，比硝化（氨氧化为硝酸盐）处理粪污节省60%以上的供氧量，还可节省生物脱氮工艺中所需的碳源，对环境体系中碳氮循环尤为重要[25]。影响厌氧氨氧化工艺处理效果的因素有很多，例如污水的pH 值、厌氧反应容器体积、氧含量、温度、基质浓度等。对处理养殖粪水而言，粪水中的氮浓度、氧含量对厌氧氨氧菌活性影响最大。Pekyavas 等[26]运用厌氧氨氧化技术对鸡场污水进行处理时发现，碳氮比对微生物组成影响较大。Miao 等[27]发现污水碳氮比从1.1 调高到1.5 时，厌氧氨氧化细菌脱氮能力增强，而碳氮比高于2.5 时，会抑制厌氧氨氧化细菌，促进反硝化细菌的生长。Meng 等[28]发现水温在15℃以上，脱氮效果较好。Deng 等[29]用厌氧氨氧化菌与新型复合式厌氧—好氧折流板反应器（HAOBR）处理猪场废水，发现可以有效去除其中的氨氮、总氮，实现对污水的净化。

2.9 饲料化利用技术

饲料化利用技术是指将畜禽粪便和饲料按照一定比例混匀后，使用青贮发酵的一种技术，该技术将粪便中的病原微生物杀死，能够改善饲料的适口性和提高饲料的粗蛋白水平。此技术在禽类粪便处理中被广泛使用，尤其是在鸡粪处理中尤为常见，将鸡粪经过处理后，制作成颗粒饲料，能够显著降低饲料成本。佟艳妍[30]研究表明，以鸡粪、豆秸、酒糟、花生秧等为原料，发酵处理后可作为精饲料饲喂肉牛。祁成年等[31]用发酵鸡粪饲料代替部分精料饲喂肉羊，发现可提高料肉比。

3 结论

目前，畜禽粪污资源化利用技术相关研究逐渐增多，但多数处于研究阶段，未投入应用。持续推进畜禽粪污治理，是我国畜牧业健康发展的必然要求，也是保障农产品供给的必然选择，是我国由农业大国迈向农业强国的必由之路。新时代引领新方向，需要优化好氧堆肥发酵技术、沼气工程等主流技术，关注氧化塘、生态处理技术、水热碳化技术等应用前景较好的技术，因地制宜选择畜禽粪污治理路径，科学推进畜禽粪污资源化利用，使有限的资源得到充分的利用。