王森,焦瑞峰,马艳华,刘永卓,郭彦玲,任秀娟,吴大付

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

我国畜禽粪便综合利用途径研究

王森,焦瑞峰,马艳华,刘永卓,郭彦玲,任秀娟,吴大付

（河南科技学院资源与环境学院,河南新乡453003）

畜禽养殖产业为我国农村经济的重要支柱产业.但随着畜禽养殖的规模化、产业化发展,带来的排泄粪便及污水的污染问题备受世人关注,现在更是成为农业面源污染和农村环境污染的主要污染源.分析了粪便排泄对水源、空气质量、土壤环境等各个方面的影响,针对畜禽粪便污染问题提出了将畜禽粪便资源化的治理建议,并指出了畜禽粪便利用中存在的问题以供参考和借鉴.

畜禽粪便；污染资源化；治理对策

目前,我国的养殖业规模和数量居世界第一位,不仅改善了我国人民的膳食结构,增加人均肉类消费水平,提高人民生活水平,而且增加了玉米等饲料粮的附加值,还提高了麸皮、作物秸秆等农业废弃物的综合利用水平.但是,随着我国化肥工业的发展,以及大量青壮年劳动力向非农产业转移,我国养殖业产生的畜禽粪便、养殖业污水和动物尿液从原来的有机肥变成了废弃物,以至于成为现在农业面源污染和农村环境污染的污染源.解决畜禽粪便和养殖污水成为我国农业面源污染和农村环境治理的重大问题.为此,近年来,我国出台了一系列文件,主要有《土壤污染防治行动计划》[1]、《水污染防治行动计划》[2]、《关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》[3]、《关于加快转变农业发展方式的意见》[4]、《生态文明体制改革总体方案》[5].在这些文件中多次提到防治畜禽养殖污染,实施雨污分流,粪便污水资源化利用,力争到2020年农业面源污染得到有效的治理,畜禽粪便通过多种途径得到综合利用,实现“绿色”发展,促进农业生产、农村生活和生态环境协调发展.

1 我国畜禽粪便中氮、磷、钾养分总量估算

1.1 我国畜禽养殖规模

根据国家统计局统计,2014年我国大牲畜12 022.9万头.其中,牛的数量达到了10 578万头；肉猪出栏73 510.4万头,年底存栏46 582.7万头；羊年底存栏30 314.9万只[6].2009年我国蛋禽养殖量达到了30.23亿只,肉禽养殖达到了579.09亿只,合计609.32亿只[7].据预测,2020年中国畜禽粪便排放总量将达到42.44亿t.

1.2 我国畜禽粪便中氮、磷、钾养分总量估算

根据我国畜禽养殖统计资料,结合畜禽粪便和牲畜尿液中氮磷钾含量[8-9],可以估算出我国畜禽粪便中氮、磷、钾养分总量（见表1）.2014年养殖业产生的粪便氮、磷、钾总量分别达到了1 677.40万t、536.87万t和1 301.87万t,氮磷钾养分总量为3 516.15万t.2014年我国化肥施用总量为5 995.9万t,其中氮、磷和钾用量分别为2 392.9万t、845.3万t和641.9万t,而复合肥用量达2 115.8万t.养殖业废弃物中氮磷钾总量占到2014年化肥用量的58.64%,营养元素钾的总量可以满足我国农业生产的需要.

表1 我国畜禽粪便中氮磷钾养分总量Tab.1 The amount ofnitrogen,phosphor and potassiumoflivestock manure in China

2 我国畜禽粪便带来的污染

本来畜禽粪便对我国农业生产来说是优质的有机肥,但是随着我国农业生产条件的改善,大量青壮年劳动力向非农产业转移,而养殖业向集约化方向发展,我国种植业自20世纪90年代中期后,开始大量施用化肥,忽视有机肥的使用,大量的农家肥,尤其是畜禽粪便被抛弃,畜禽粪便由宝变为废物,成为我国农业和农村环境的污染源.

2.1 畜禽粪便对周边水体环境的影响

农业源的化学需氧量主要来源于畜禽养殖业、水产业和种植业,其中畜禽养殖业是农业源污染最大的来源.一头牛产生的污水量超过22个人产生的生活废水总量,一头猪产生的废水量相当于7个人产生的生活废水总量.养殖场的粪尿和污水中含有大量的污染物,据估算,一个年产万头生猪的猪场每天排放的粪污可达100～150 t,生物需氧量为30.3 t/年,化学需氧量则高达40.7 t/年,如果将这些污染物直接排放到河流中,相当于具有一定规模的工业企业的污染物排放量.环保部门的测试分析结果表明,大型养殖场粪便和污水的化学需氧量超标50～60倍.畜禽粪尿排放量与动物种类、品种、生长期和饲料等因素有关,但一般波动不会太大.根据我国《第一次全国污染源普查公报》,我国畜禽养殖业主要水污染排放量为：化学需氧量1 268.26万t,总氮102.48万t,总磷16.04万t,铜2 397.23 t,锌4 756.94 t[10].

氨氮是水体中的主要植物营养元素之一,是造成水体富营养化的重要条件之一,也是富营养化水体中的主要耗氧污染物,能够毒害鱼类及一些水生生物.氨氮主要来源于人和动物的排泄物.有资料表明,每头生猪每年产生氨氮2.2 kg,每头牛每年产生氨氮2.5～2.7 kg[11].我国养殖规模巨大,养猪和养牛每年产生的氨氮量十分可观.水体中的氨氮能够在一定条件下转化成亚硝酸盐,若长期饮用,水中的亚硝酸盐能够与蛋白质结合形成强致癌物亚硝胺,给人体健康带来一定的影响.

2.2 畜禽粪便对周边空气的影响

如果畜禽粪便没有处理而随意露天堆放,由于粪便中含有氨、甲基硫醇、硫化氢、二甲硫等大量恶臭物质,养殖场周围空气中常常散发出让人难以接受的气味,每年从春季到秋季滋生大量的蚊蝇.在汛期,畜禽粪便随雨水四处横流,养猪场更是如此,给生产环境带来极大的影响,给养殖场地下水环境造成硝酸盐污染.

2.3 畜禽粪便对周边土壤生态系统的影响

畜禽粪便如果直接排入河流、沟渠或土壤生态系统中,一旦粪便排放量超过土壤生态系统的自净能力,就会产生降解不彻底和厌氧降解等现象,导致恶臭物质、亚硝酸盐等有毒有害物质的产生,就会改变土壤生态系统的结构,土壤生态系统的功能随着结构的变化而改变,甚至能够造成农业减产.

2.4 畜禽粪便对周边农村环境的影响

畜禽粪便直接排放会使得畜禽病原微生物四处传播,加大对集约化养殖小区疾病防控的难度,在一定程度上就会加速家畜家禽传染病的发生和蔓延,既给养殖业的安全带来隐患,又给周边人民群众的生活带来诸多问题,甚至对人民群众的健康造成严重威胁.据WHO、FAO等国际组织有关资料报道,猪粪便中携带有大量病原微生物或寄生虫,如大肠杆菌、沙门氏菌、葡萄球菌、吸虫及蛔虫等.目前,由生猪传染的人畜共患传染病约25种,主要传播载体就是生猪排泄物[12].进入土壤的病原体生存时间较长,如痢疾杆菌在土壤中能够生存22～142 d,结核杆菌能够生存1 a左右,而蛔虫卵能够生存315～420 d.

2.5 养殖业增加了温室气体的排放

有资料表明,2004年农业排放温室气体的量占温室气体总排放量的14%,农业是甲烷的最大排放源,占全球甲烷排放量的一半,N2O占到全球排放量的3/5[13-14].2006年11月29日,FAO发布的报告《牲畜的巨大阴影：环境问题与选择》指出养殖业是造成气候变暖的头号因素,饲养牲畜是造成气候变化的最大元凶,约占整体的80%[13].

2.6 养殖业对生物多样性的影响

随着养殖业的发展,我国饲料工业得到快速发展,而饲料工业的主要原料是玉米、豆饼等农产品,牧草种植面积得到了扩展,在一定程度上增加了种植业用地面积.这些增加的耕地面积,可能是毁林、毁草原开垦成地.种植面积的增加,一方面增加了淡水的消耗,另一方面也破坏了生物栖息地.有资料表明,迄今为止,养殖业是人为影响土地使用方式改变的的最大驱动力.目前世界草地面积达32亿hm2,占陆地总面积的20%,比耕地面积约大一倍.而用于饲料作物种植的面积占耕地总面积的33%.总之,畜禽生产占用了总农业用地的70%,地球陆地面积的30%.牲畜饮水和饲料种植用水是导致水资源紧张的主要原因之一.生产1 kg肉大约需要消耗水25 056 L.全球养殖业耗水量占到淡水消耗量的8%[15].世界自然基金会认定的825个陆地生态地区中的306个——范围涉及所有的生物群系和所有的生物地理领域,都报告说畜禽养殖是现有威胁之一.国际认定的35个全球生物多样性的热点,皆以非凡的植物特有分布等级和严重的栖息地丧失等级为特点,其中23个报告说受到畜禽养殖的影响.国际自然保护联盟濒危物种红皮书一份官方分析表明,大多数世界濒危物种都受到栖息地丧失威胁,其中畜禽养殖是因素之一.

3 畜禽粪便资源化

畜禽粪便资源化主要有肥料化、饲料化、能源化、畜禽粪便的栽培食用菌利用、热解等利用途径.

3.1肥料化利用途径

畜禽粪便肥料化是我国传统农业技术的精华,种养结合,使得我国地力常新.因畜禽粪便中含有充足的有机物以及大量的氮、磷、钾等矿质营养元素,是农业可持续发展的物质基础之一.畜禽粪便经过技术加工做成优质有机肥料,在种植业中大量施用,能够改善土壤结构,提高土壤有机质含量,增加作物单产,改进农产品品质.根据我国养殖业规模初步估算,年产畜禽粪便19亿t,相当于近1亿t优质有机肥料.目前畜禽粪便肥料化采用的技术主要是好氧堆肥技术.微生物活性在发酵过程中起关键作用,高温好氧发酵可以加快有机物降解,缩短堆肥化时间.因此,一般情况下除控制好好氧堆肥所需条件,如原料中碳氮比、含水率、温度、通气量等外,还可加入一些辅助材料以促进优势微生物的扩繁,或加入高效微生物制剂以提高堆肥化效率.可探索通过萃取等技术,把畜禽粪便中的大量营养元素提取出来,作为高浓度的有机肥,减少体积,降低运输成本和农民大田施用成本.但是长期单一大量使用某种畜禽粪便,可能会造成土壤污染,因此,需要对畜禽粪便年使用量阈值做出限制.

3.2 饲料化利用途径

畜禽粪便含有丰富的粗蛋白、粗脂肪,尤其是鸡粪.其饲料化方法主要有干燥法、热喷法、青贮法、生物法等.可以利用猪粪和牛粪等养殖蚯蚓、蝇蛆,生产动物蛋白,加入到动物饲料中.研究与生产实践表明,猪粪利用的经济效益最佳方式是饲料化,其次是有机肥,再次是沼气.利用猪粪养鱼是我国水产养殖的方式之一,若使用合理将明显提高畜牧生产和渔业生产的生产效率、经济效益和环境质量[16].但是要注意饲料化带来的安全问题,禁止使用家畜家禽治疗期的粪便,在畜禽宰杀前减少粪便的使用量或停用,完全能够避免畜禽粪便饲料化利用的安全隐患.

3.3 能源化利用途径

3.3.1 沼气化利用途径畜禽粪便生产沼气是利用受控制的厌氧细菌分解作用,将粪便中的有机物转化为简单的有机酸,然后再将简单的有机酸转化为甲烷和二氧化碳.沼气厌氧发酵可分为湿发酵和干发酵,目前我国主要采用湿发酵技术.产生的沼气可以燃烧或发电,沼渣和沼液能够作为肥料或饲料.一般来说,沼渣中含有机质36%～49%、腐殖酸10%～24%、全氮0.78%～1.60%、全磷0.40%～0.60%、全钾0.6%～1.3%,还含有多种粗蛋白、矿质元素和氨基酸等；沼液中的营养元素基本上是以速效养分形式存在的,包括氮（0.03%～0.08%）、磷（0.02%～0.07%）、钾（0.05%～1.40%）,还有大量营养元素和微量元素,以及多种氨基酸和活性酶[17].但是,如何提高沼气出产率是制约其发展的关键问题.沼气产气率的主要影响因素有原料预处理、原料碳氮比、发酵温度、接种物、料液浓度与pH值等.在夏季高温季节,生产沼气量大,还可用于发电. 3.3.2乙醇化利用途径含有丰富纤维素资源的畜禽粪便,尤其是牛粪,能够作为乙醇生产的原料,这为增加生物质燃料提供了一条新途径.畜禽粪便的乙醇化利用可替代粮食生产乙醇,这样不但能够减少玉米等粮食作物的种植面积,还可以减少畜禽粪便带来的农业面源污染,且能创造出巨大的经济效益.

3.4 食用菌栽培

畜禽粪便含有丰富的有机质和大量矿质营养元素以及微量元素,添加含碳量丰富的作物秸秆以此调节碳氮比,配以适当的无机肥料、石膏等,堆制后作为培养基栽培食用菌,能够提高出菇率,增加种植户收益.种植后的菇渣也可以用于生产饲料、有机肥或沼气的原料.不过粪便中杂菌繁多,在用作基料栽培食用菌时,需要采用暴晒等方式灭菌.种植食用菌的菇渣可以用作制沼气的原料,也可以用于饲喂蚯蚓、蝇蛆等,制作优质动物蛋白.这样可以延长生产链条,提高畜禽粪便的利用率,又能够增加产值,达到物质多级利用.

3.5 热解利用途径

畜禽粪便在缺氧或无氧条件下进行热降解,生成木炭、生物油等.畜禽粪便的低温慢速热裂解,能够制取活性炭；中温快速裂解产物以生物油为主.目前关于畜禽粪便的中温热解处理技术大多处于实验室研究阶段,要步入工业化应用还需进一步研究.而畜禽粪便的高温闪速热裂解是在高温、高压状态下使反应物达到超临界状态液化得到高热值的生物油,目前该技术面临诸多问题,国外相关技术还处于试验阶段,国内未见报道.

3.6 循环利用

国内对于畜禽粪便的利用多数采用堆肥化技术或沼气化技术.根据畜禽粪便本身运输成本高的特点,对其就地取材加以利用是更为实际的途径.在河南省粮食核心区建设、土地流转及城镇化建设的背景下,可以利用政策导向,促进农业生产园区的建设,发展养殖—沼气—种植“三位一体”的生态农业模式.在一个区域内,选择一个合适位置作为集中养殖区域,然后根据养殖规模,通过土地流转获得一定面积的土地,种植绿色蔬菜、水果等.再修建一定体积的沼气池,沼渣和沼液为种植业提供肥料,就地利用.在政府政策鼓励以及完善严格的管理下,通过养殖—沼气—种植的循环模式,走循环农业之路.

4 畜禽粪便利用中存在的问题

4.1 现行的畜禽粪便处理模式存在不足

能源—环保粪便污水处理模式的特点是在获取能源的基础上要求达标排放,需要较为复杂的机械设备和构筑物,占地大,投资大,机械设备多,技术含量高.该模式要求畜禽粪便达标排放,处理比较彻底,但处理成本高,若畜禽粪便中含氮比较多,处理费用可达5万元/t左右.如果通过生态工程处理畜禽粪便就能够实现“零排放”,走养殖—沼气—种植“三位一体”的生态农业之路.

4.2 不同养殖规模存在的问题不同

小型养殖场的粪便污水处理费用高.在粪污水的土地利用过程中存在着非农灌季节的存储问题以及土地污水承载力问题,易对环境造成二次污染.在大中型养殖场粪便污水治理工程中,处理后产生的沼肥、堆肥后的有机肥料销路不好制约了猪场进行粪污治理的积极性.一般来说沼气工程运行成本较高.初期投资大,万头猪场投资就超过百万元.因养殖业本身利薄,大多数企业难以承担沼气工程所需要的投资.还因沼气工程环境效益巨大,而企业实际经济收益相对偏小,因此养殖业对于沼气工程建设缺少积极性[18].但是现在人们环境保护意识不断增强,已逐渐接受大气、水和土壤污染三位一体的农业立体污染治理进入的新常态；同时,也有助于提高养殖业效益,使其逐渐步入循环经济之路.

为此,要具备完备的清洁生产管理和服务体系.发达国家有一整套完整的清洁生产管理体系和工具,主要包括清洁生产审核、产品生命周期评价、环境管理体系、产业生态学等.我国目前还处于清洁生产发展的初级阶段,更侧重于生猪养殖过程中的污染预防或污染源的消减上.而畜禽养殖的规划设计、产品生命周期评价、污染产品系统的再设计是更能推动畜禽养殖业清洁生产发展的手段,为畜禽粪便资源化拓宽渠道.

[1]国务院.关于印发土壤污染防治行动计划的通知：国发[2016]31号[A/OL].（2016-05-31）[2016-09-20].http：//www.gov. cn/zhengce/content/2016-05/31/content_5078377.htm.

[2]国务院.关于印发水污染防治行动计划的通知：国发[2015]17号[A/OL].（2015-04-16）[2016-09-20].http：//www.gov. cn/zhengce/content/2015-04/16/content_9613.htm.

[3]农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见[A/OL].（2015-04-14）[2016-09-20].http：//www.moa.gov.cn/sjzz/kjs/tong zhi/201504/t20150414_4525628.htm.

[4]国务院办公厅.关于加快转变农业发展方式的意见：国办发[2015]59号[A/OL].（2015-08-07）[2016-09-20].http：//www.gov. cn/zhengce/content/2015-08/07/content_10057.htm.

[5]中共中央,国务院.生态文明体制改革总体方案[A/OL].[2016-09-20].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2015/content_ 2941157.htm.

[6]中华人民共和国统计局.2014年农业统计数据[DB/OL].[2016-09-20].http：//data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.

[7]袁正东.中国家禽养殖业现状与发展趋势[J].中国家禽,2011,33（3）：1-3.

[8]鲁如坤.土壤-植物营养学原理和施肥[M].北京：化学工业出版社,1998.

[9]朱兆良,文启孝.中国土壤氮素[M].南京：江苏科学技术出版社,1992.

[10]中华人民共和国环境保护部,中华人民共和国国家统计局,中华人民共和国农业部.第一次全国污染源普查公报[EB/OL].（2010-02-11）[2016-09-20].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/tjgb/qttjgb/qgqttjgb/201002/t20100211_30641.html.

[11]卞有生.生态农业中废弃物的处理与再生利用[M].北京：化学工业出版社,2000.

[12]李文刚,焦福林,吴志娟,等.对有效解决猪场污染和增加效益的途径的探讨[J].中国沼气,2011,29（6）：35-37.

[13]邹晓霞,李玉娥,高清竹,等.中国农业领域温室气体主要减排措施研究分析[J].生态环境学报,2011,22（8/9）：1348-1358.

[14]於江坤,蔡丽媛,张骥,等.养殖业温室气体排放的影响因素及减排措施[J].家畜生态学报,2015,36（10）：80-85.

[15]HENNINGS,PIERRE G,TOMW,et al.Livestock's LongShadow：Environmental Issues and Options[M].FAO,2006.

[16]郜庆均,张金枝.猪—鱼结合型生态牧业[J].家畜生态,1996,17（1）：29-33.

[17]邱凌,强虹,王飞.沼肥综合利用技术手册[M].北京：中国农业出版社,2015.

[18]钱靖华,田宁宁,任远.规模化猪场粪污治理存在的问题及对策[J].肉类工业,2006（9）：1-4.

（责任编辑：邓天福）

The comprehensive utilization of livestock and poultry manure in China

WANG Sen,JIAO Ruifeng,MA Yanhua,LIU Yongzhuo,GUO Yanling,REN Xiujuan,WU Dafu
（College ofResource and Environment Science,Henan Insititute ofScience and Technology,Xinxiang 453003,China）

At present,livestock and poultry breeding industry has become an important pillar industry of our country's rural economy.But with the development of livestock farming scale,industrialization,bring the excretion of feces and sewage pollution,widely attention,now has become the agricultural non-point source pollution and the main pollution sources of rural environmental pollution.Analysis discharge pollution of excrement and urine embodied in it influences water pollution,air quality,soil environment and so on,all aspects.Articles put forward suggestion for pollution of livestock and poultry manure：resource utilization of livestock and poultry manure,and gives the problems exist in the use of livestock and poultry manure for reference and reference.

livestock and poultry manure；pollution resource；pollution control

X713

A

1008-7516（2017）01-0020-05

10.3969/j.issn.1008-7516.2017.01.005

2016-10-28

中国科学院曙光工程（CXJQ120112）；2014年河南科技学院攀登计划（208010714002）

王森（1992—）男,河南陕县人,硕士研究生.

吴大付（1965―）,男,河南确山人,博士,教授.主要从事农业环境保护与可持续发展研究.