邹细霞， 陈海旭， 李丽娟， 杜芳娟， 熊康宁， 樊云龙

(1. 贵州工程应用技术学院毕节循环经济研究院， 贵州 毕节 551700; 2. 贵州工程应用技术学院土木建筑工程学院， 贵州 毕节 551700; 3. 贵州工程应用技术学院毕节试验区研究院， 贵州 毕节 551700; 4. 贵州师范大学喀斯特研究院， 贵州 贵阳 550001; 5. 贵州师范学院地理与资源学院， 贵州 贵阳 550018)

畜牧养殖场废弃物较多的是畜牧粪便，研究喀斯特石漠化畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍，不但能防治环境污染，而且分离处理过的固体粪便或尿液可以直接利用，为喀斯特石漠化治理形成的畜牧养殖场粪便资源化利用做好前期准备。目前，国外采用新技术对粪便处理达到固液分离目的，分离彻底，而国内研究起步较晚，主要采用机械分离，操作简单，自动化程度高，轻便移动方便，但粪便没有考虑消毒、杀菌，分离粪便不宜直接利用，而且传统单独粪便固液分离机一般使用电，分离成本较高。水平畜牧养殖场粪便固液分离系统占地面积大，水平输送粪便易造成环境二次污染。本文研究粪便就地固液分离一体化圈舍，考虑了粪便的消毒、杀菌，分离出的粪便可以作为资源出售及多种开发利用，而且是在粪便生产地就地分离，可以利用太阳能、水资源等实现粪便资源化处理，节约经营者成本，该研究为喀斯特石漠化治理生态畜牧养殖场粪便处理技术提供参考。

1 生态畜牧业是喀斯特石漠化治理的重要产业载体

喀斯特石漠化不是一种纯自然过程，而是与人类活动密切相关，具有明显的自然和社会学属性[1]。在喀斯特脆弱生态环境背景下，人为因素破坏森林植被引起水土流失加重，自然灾害频繁，岩石逐渐裸露，最终形成缺水、缺土、缺林的喀斯特石漠化土地。该土地生产力衰退甚至丧失，使该区居民缺粮、缺钱，人地矛盾更加突出，居民更加贫困。因此，石漠化治理核心任务包括3个方面和层次：首要任务是在土地缺水、缺土，居民缺粮、缺钱的条件下进行植被修复与重建；重要任务是如何铲除石漠化地区的“穷根”；目标任务是实现喀斯特石漠化地区生态文明——山绿民富[2]。草地植被群落作为植被生态系统的先锋群落，起到基础性作用，草地资源也是生态畜牧业发展的必备物质基础，是家畜的粮食聚居地，草地放牧能形成草地特有的群落演替顶级，与喀斯特山区生态系统相契合，发展成为独特的山区生态畜牧业。山区生态畜牧业的发展，能召回外出务工农户，缓解就业压力，缓和社会矛盾，加快资金流转速度，延长区域经济辐射范围，缓解与日俱增的肉、奶、蛋的市场需求[3]。生态畜牧业可以逐步完成石漠化治理核心任务的3个方面和层次，是石漠化治理的重要产业载体。

2 喀斯特石漠化地区生态畜牧养殖场建设要求

2.1 喀斯特石漠化环境容量小，养殖场废弃物必须低排放或零排放

在环境容量以内，生态系统具有自净功能，但生态系统遭到了人类活动的巨大冲击与破坏后，生态系统的功能迅速衰退[4]。喀斯特石漠化生态系统是结构和功能都退化了的喀斯特生态系统，生态功能低，环境容量小，甚至生态功能丧失，失去自净能力，养殖场废弃物必须低排放或零排放[5]。喀斯特地区具有自己独特的生态系统，岩石溶解率远远高于其它岩类，地形破碎、山高谷深，具有地上地下双层水文地质系统，水平分布的露天粪便处理系统易造成环境污染，且污染后难以治理。

2.2 为减轻居民日常支出，养殖场粪便处理成本尽量要低

根据中国·岩溶地区石漠化状况公报显示，截至2016年底，喀斯特地区石漠化土地总面积为1007 万公顷，占喀斯特面积的22.3%。与2011年相比，2015年贫困发生率由21.1%下降到7.7%，但贫困人口数量依然还有1000 万以上[6]。为了巩固喀斯特石漠化治理的成效，应继续推进石漠化综合治理生态畜牧业产业发展。畜牧养殖场粪便处理运营成本由企业或居民日常支出，为了使贫困人口数量不反弹，粪便处理成本尽量要低。虽然，该圈舍建设成本较高，但能减少粪便恶臭、空气污染、病菌传播等，可将养殖场粪便污染的负外部性内部化。在政府强制行政措施的同时，为减轻居民负担，贫困人口数量不反弹，可进行圈舍建设补助，在养殖场按标准建设后，向企业提供养殖场建设补助资金，以此来减轻企业或居民负担。

2.3 喀斯特石漠化地区养殖场粪便需要实现固液分离并资源化利用

养殖场粪便资源化利用不仅能有效防治粪便环境污染，还可以变废为宝，延长产业生态链，促进区域循环经济形成，实现产业生态化发展。好氧堆肥和厌氧发酵的方法是家畜粪便处理比较普遍和行之有效的方法。从畜牧养殖场排出的粪便量较大，总固体含量浓度较低，一般在3%左右，无论是好氧堆肥还是厌氧发酵，都会影响生产效率。因此，在粪便处理过程中应用先进的发酵工艺以开展家畜粪便的综合利用，其重要的前提条件是必须对粪便污水进行固液分离处理，降低污水中总固体含量浓度。

3 喀斯特石漠化治理生态畜牧业发展现状

石漠化综合治理进入了生态经济全面建设阶段，打造生态建设产业化发展，形成了一批典型模式，打造了一批优势产业。2004～2006 年石漠化综合治理项目在贵州省黔西南州、黔南州、贵阳市建立6个草地畜牧业标准化示范基地，建设优质人工饲草料基地0.2万hm2，发展种草养畜专业户1800 户，其中饲养奶牛10 头以上或肉牛20 头以上，山羊200 只以上的养殖大户100 户[7]。随着项目的发展，分别在贵州清镇的站街、流长、暗流3个乡镇创建肉牛养殖示范区，养殖示范农户952 户，人工草地 1.2 万亩，饲养杂交肉牛3237 头[8]。贵州省晴隆县建立了多个养殖示范点，每个示范点均建有种羊繁育基地、优质肉羊育肥基地、人工牧草种植及改良基地，做到示范、生产、推广相结合[9]。广西恭城县成功建立了“恭城模式”，带动了县域经济的发展，还荣获了“全国生态农业示范县”、“全国无公害水果生产示范基地县”等荣誉称号[10]。在广西平果县新安镇，大禹兔业公司投资956.5 万元，在百色市平果县新安镇建立了占地3.6 hm2的标准化肉兔养殖示范场，并配套3 条肉兔深加工生产线，是唯一肉兔养殖和加工示范基地[11]。在广西苹果示范区还建成专门的示范养殖场1 个，并培植养殖示范户163 户，引进优良种畜187 头、种禽37750 只，牛冻精(杂交改良本地牛)配种126头，共繁育良种畜杂交后代13606 头、良种种禽1600 只[12]。在毕节撒拉溪石漠化综合治理养殖基地载畜量牛3465 头，改良种畜693 只。

目前，喀斯特石漠化综合治理实现了生态建设产业化发展，但没有实现产业生态化发展。石漠化治理区畜牧养殖场粪便没有实现固液分离并资源化利用，且造成了一定程度的环境污染。畜牧养殖场圈舍的地面上通常会集聚大量的粪便(见图1和图2)，因而需要人工对圈舍的地面进行定期清理，降低圈舍内畜牧养殖场生病的概率，而人工清理费时费力，且工作环境很差。为了解决这一技术存在的问题，本文研究喀斯特石漠化地区畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍，能够解决圈舍内粪便处理的问题。

4 国内外畜牧业养殖场粪便固液分离研究现状

用固液分离技术处理畜牧粪便，是目前利用畜牧粪便中的有机成分，变废为宝，消除环境污染，改善农村生态环境，实现农业可持续发展的重要途径[13]。国外对畜牧粪便分离技术，主要有生物干燥处理技术、流化床焚烧技术、超声波脱水技术等，生物干燥处理技术其原理是利用堆肥化处理过程中微生物分解有机质产生的能量，增加粪便中水分的散发，起到干燥粪便降低粪便水分的作用，该项技术已在美国等西方国家使用多年；流化床焚烧技术广泛用于污泥，在日本、德国、瑞士、英国等过已成为处理污泥和液状废弃物的主要手段；超生波脱水技术已在西方发达国家广泛应用，通过超声波的作用，能改变构成疏未膜物质的物理和化学性质，破坏菌胶团结构，提高污泥的脱水性能[14-15]。

图1 喀斯特石漠化治理养牛圈舍

图2 喀斯特石漠化治理养羊圈舍

我国常用的固液分离方法一是沉降(由固体重力决定)；二是机械分离，为现在应用最广泛的技术；三是蒸发池，这种方法在干旱地区效果较好，蒸发出来的水可以用于灌溉，其分离效率受限于池的规模、配套的设备和环境的变化影响，而且会有一定的环境污染；四是絮凝分离，是一种新型的固液分离技术，应用化学试剂使微小的悬浮固体迅速地聚集成较大的固体颗粒，进而沉淀分离的方法；五是脱水分离，即用加热来除去污水中水分，由于具有高成本、高维修费用和高耗能等缺点，并没有广泛被采用。上述分离方法中，分离效果最好的是机械分离。机械分离设备可分为筛分、离心分离和压滤3种类型。对不同类型固液分离机的分离效率进行试验，其分离性能差距很大，粪水的固体物质去除率约在 3%～67%之间[16]。

目前，在畜牧养殖场粪便脱水设备方面，主要有螺旋挤压脱水机、筛板式脱水机、厢式板框挤压机、网带式挤压等方式(见表1)[17-18]。生产效率高、自动化程度高、机械化水平高、能耗低、操作劳动强度低、不产生二次污染的脱水设备是以后畜牧养殖场粪便脱水设备发展方向。随着绿色农业的发展，我国养殖综合利用和污染治理将逐渐的实现规模化、商品化、高效化、规范化和洁净化生产。大批的、高效的畜牧养殖场粪便脱水设备，将向大型化、机械化、自动化、标准化和环保节能方向发展，并且将会成为必然趋势[19-20]。

表1 畜牧养殖场粪便固液分离单独的机械脱水设备及其主要缺点

目前，粪便固液分离循环利用系统，属于水平分布系统。系统包括固液分离系统、污水循环利用系统。固液分离系统包括集污池、晾晒大棚，集污池与牛舍的粪沟的一端相连，集污池设有潜水切割泵、潜水搅拌机、液位计，晾晒大棚设有固液分离机，潜水切割泵的出口与固液分离机的进料口相连污水循环利用系统包括污水池，污水池设有回冲泵、液位计，回冲泵的出口通过回冲管与牛舍的粪沟的另一端相连，回冲管设有气动闸阀固液分离机设有出水口和溢流口，出水口与污水池相连，溢流口与集污池相连。该系统设备先进、自动化程度高、处理后粪便可循环利用可将牛场产生的粪便自动收集并进行固液分离处理固液分离后固体和液体均可循环使用[21]。但该系统占地面积大，粪便水平输送易造成环境二次污染。本文涉及的粪便就地固液分离一体化圈舍，考虑了粪便的消毒、杀菌，分离出的粪便可以作为资源出售及多种开发利用，而且是在粪便生产地就地分离，可以利用太阳能、水资源等实现粪便资源化处理，节约经营者成本，该研究为喀斯特石漠化治理生态畜牧养殖场粪便处理技术提供参考。

5 喀斯特石漠化地区畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍结构设计

5.1 圈舍的房顶

圈舍的顶部为等腰三角形，三角屋顶斜面1/3以上铺设有太阳能电池板，为圈舍提供电能，包括圈舍照明和清理粪便的推板所连电机的电源。房顶底部设有集水池搜集雨水，用于清理圈舍或导入蓄水池净化后家畜饮水。在圈舍墙壁安置喷淋装置，功能有两方面，一是当圈舍温度超过养殖场最适温度时，利用房顶集水洒水降温；二是冲洗地板粪便。当水多于集水区时，将多余雨水导入雨水池，一方面以备稀释尿液用于灌溉，另一方面经过净化处理达到家畜饮水标准，用作家畜饮用水。

5.2 圈舍的上层

圈舍内分为上下两层，其中上层与下层之间通过地板分割，上层分为储物区和家畜区，家畜区的地板为漏粪地板，储物区的地板为平板。漏粪地板上开设有排粪槽，漏粪地板的材料应根据饲养家畜的种类选定。储物区内墙半封闭，且与家畜区的墙共用，储物区外墙带有较大窗户，大窗下面是挡风墙，大窗和内墙上部分形成空气对流，保证家畜良好的通风和采光。储物区的宽度就是房顶集水池底部的宽度，也是畜牧养殖场粪便发酵柜的宽度。储物区主要存放家畜饲料，堆放高度不能超过挡风墙的高度。

5.3 圈舍的下层

圈舍内分为上下两层，上层与下层之间通过地板分割，下层设有粪便分离及发酵系统，具有粪便处理功能。 粪便发酵系统包括粪便发酵柜和沉降池，沉降池位于粪便发酵柜的下方。漏粪地板与粪便发酵柜之间通过第1导板连接，漏粪地板与沉降池之间通过第2导板连接。第1导板位于第2导板的上方，第1导板和第2导板均倾斜设置。漏粪地板在水平面上的投影位于第1导板在水平面上的投影内，第1导板在水平面上的投影与第2导板在水平面上的投影重合。第1导板为板状钢丝网，板上设置有推板，推板与第1导板的上表面滑动配合，推板的长度与第1导板的宽度相等，且推板的一端通过电机带动，在第1导板上振动式推刮，以便将第1导板上残留的粪便推到粪便发酵柜内。粪便发酵柜在本研究中所起到的作用，主要是能够将发酵柜内的粪便进行发酵从而有效进行废物利用。粪便发酵柜包括上箱体和下箱体，上箱体和下箱体之间通过分隔板进行上下分割，分隔板通过抽插的方式安装在粪便发酵柜内，下箱体内插设有发酵箱，位于沉降池的正上方。粪便发酵系统的沉降池划分为上沉降空间和下沉降空间，上沉降空间内并排设置有多个发酵箱。

整个圈舍的粪便分离系统数量为2个，2个粪便分离系统的2个第一导板的上端连接在一处，而漏粪地板则位于2个分离系统第一导板的正上方，这样两个粪便分离系统就构成人字形，使得粪便分别导向两侧的粪便发酵柜中以及沉降池内。水泥隔板以下，低于沉降池的所有空间都是尿液储存杀毒池，根据存量需要设置尿液储存杀毒池大小。消毒池与圈舍内部的沉降池连通，这样沉降池内多余的尿液便会导流进入到消毒池内，而消毒池的外侧开设有排放口，可从该排放口排出尿液，便于后期稀释后农田灌溉。圈舍的外侧设置有通道，与上层连通，该通道方便车辆直接开到上层，方便饲料的堆放，以及家禽的运输(见图3和图4)[22-23]。

6 喀斯特石漠化地区畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍工作原理

6.1 粪便固液分离

漏粪地板上开设有排粪槽,粪便和尿液会从漏粪地板上的排粪槽向下滑落掉落到第1导板上，由于第1导板为倾斜设置，粪便会沿着第1导板滑入到粪便发酵柜内进行发酵，而第1导板板状的钢丝网，因而尿液会从网孔内渗出从而掉落到下侧的第2导板上，并沿着第2导板滑入沉降池内，从而实现了粪便和尿液的分离。

图3 家畜粪便固液分离一体化圈舍

图4 圈舍的粪污固液分离系统

6.2 粪便发酵

粪便滑落到粪便发酵柜内时，只是进入到上箱体内，而后人工拔出分隔板，上箱体内的粪便会掉落到下箱体内的发酵箱内，然后再将分隔板插上，因而粪便可在发酵箱内进行发酵；另外，发酵箱采用插设的方式，因而在发酵箱内的粪便发酵完毕后，由于单个发酵箱的尺寸可相对较小，人工直接打开固粪出口将发酵箱从粪便发酵柜内取下，准备好卡车装车运走。 粪便发酵过程中，发酵箱内的粪便必然会残留一定的尿液，而发酵箱下侧为栅板,可保证粪便内的尿液从发酵箱的下侧渗出滴入到下方的沉降池。发酵箱拉手除了在升降和在沉降池中时置于箱内，其它时间可以直立或置于箱外(见图5)。

1.发酵箱的底； 2.发酵箱的壁； 3.发酵箱出粪口； 4.发酵箱的滚轮； 5.可转向拉手； 6.连接条； 7.弧形插条图5 发酵柜的发酵箱

圈舍的沉降池上下划分为上沉降空间和下沉降空间，上沉降空间内并排设置有多个发酵箱。流入到沉降池内的尿液内含有一定的粪便，而所有的尿液需先经过沉降池上部的发酵箱，发酵箱可将粪便与尿液分离。圈舍发酵系统的粪便发酵柜整体是安装在支架上，包含下侧的升降池内的发酵箱也相对固定在该支架上。后期可将沉降空间内的发酵箱移入到粪便发酵柜内进行发酵。

6.3 粪便清理

粪便在第1导板上滑动时，由于第1导板是钢丝网，因而，在一定的程度上会阻碍粪便在其上部的滑动，长时间积累，可能会导致第1导板上的粪便阻塞，因而在第1导板上设置有推板，推板与第1导板的上表面滑动配合，以便将第1导板上残留的粪便推到粪便发酵柜内，推板的长度与第1导板的宽度相等，推板的一端通过电机带动在第1导板上震动式推刮，从而将第1导板上残留的粪便全部推到粪便发酵柜内，防止粪便阻塞第1导板。

7 喀斯特石漠化地区畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍的价值分析

7.1 该圈舍可将粪便污染产生的经济负外部性内部化

根据经济学原理，有效的资源配置，社会成本和私人成本相重合。一个经济主体行为直接影响到另一个相应的经济主体，却没有给予相应支付或得到相应补偿，就出现了外部性。这种影响对另一主体有利的就是正外部性，有害的就是负外部性。如果养殖企业不对家畜粪污不进行处理，那么，家畜粪污便产生恶臭、污染空气、传播病菌等，养殖业就产生了经济负外部性。假设养殖业的负外部性全由粪便污染环境造成，由于养殖企业没有承担环境成本SE，这时，社会成S1本高于养殖企业私人成份本S2，家畜市场供需均衡点为E2，对应的市场产量Q2过量。如果企业构建了粪便固液分离一体化圈舍，除了必须承担的私人成本外，企业自己承担了环境成本，即S2′= S2+SE(S2'为养殖企业全构建粪便固液分离一体化圈舍后养殖产生的生产成本，S2为存在经济负外部性企业私人成本，SE为环境成本)，使养殖业产生的经济负外部性内部化。这时，私人成本与社会成本相重合，S1=S2′，家畜市场供需均衡点为E1，家畜产量到达资源有效配置最优产量Q1(见图6)。

7.2 喀斯特石漠化地区畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍生态经济效益分析

该圈舍不仅是粪便就地固液分离系统，还自带粪便发酵系统和粪便清理功能，从源头防止粪污环境污染，并可将发酵后的粪便直接资源化利用，生态经济效益双高。理论上，该圈舍适合大中小畜牧养殖场，在实际建造过程中，具体利用什么材料，什么承重结构，需要根据养殖类型及规模来计算其粪便的重量来确定。小型畜牧养殖场粪便固液分离一体化圈舍在圈舍两侧各设一个分离系统，如果养殖场规模较大，粪便量大的养殖场，可以将圈舍两侧的粪便分离系统拆分成几个小的分离系统，就是多一些支架和电动机，圈舍结构不变，工作原理不变。

图6 畜牧养殖企业经济负外部性内部化

喀斯特石漠化综合治理进入了生态经济全面建设阶段，打造生态建设产业化发展，形成了一批典型模式，打造了一批优势产业，出现不少养殖大户，在毕节撒拉溪石漠化综合治理养殖基地载畜量牛就有3465 头[7-12]。据测算，1头100公斤左右的商品猪日排粪量可达2.5公斤，日排尿量约3公斤[24]。有关学者通过查阅国内1994 ～ 2004 年间公开发表或出版的文章和著作, 收集其中的畜禽粪尿排泄相关参数 ,计算出十几种畜禽新鲜粪尿的排泄系数[25]。参照畜禽新鲜粪尿的排泄系数及养殖规模，可计算出家畜每日、每月的粪便重量，并根据粪便重量来选择圈舍承重材料及固液分离系统的个数。

8 结论与讨论

(1)该圈舍实际是两个清洁能源型粪便就地固液分离系统，与目前已有的粪便分离系统相比，该就地分离系统有如下几方面优点，首先已有的粪便分离系统是水平分布的，占地较多，而就地分离系统是主要是纵向分布的，占地面积小，节约资源；其次已有的粪便分离系统，要通过露天沟渠输送粪污或露天集粪池固液分离，易蒸发有害物质或产生恶臭污染环境，而该就地分离系统中的粪便分离几乎在密封设备中进行，不会产生类似水平分离系统污染环境的情况。

(2)该圈舍能实现家畜粪便固液分离及其发酵，并自动清理粪便实现畜牧养殖场清洁生产，避免养殖场粪便堆积或转移过程中污染环境。该圈舍粪便处理运营成本低，虽然建设成本高，但如有政府补贴、强制性环保要求或由某专项构建该系统，推广应用迅速，且节能环保，养殖业生态化程度较高。可以在生态脆弱、经济贫困区，以生态扶贫方式试建并逐步推广该系统，实现该区畜牧业生态化发展，巩固和提升生态治理成果。贵州喀斯特地面出露面积为109085.09 km2，占全省总面积的61.92%，石漠化总面积已达到32480 km2，占贵州省出露喀斯特总面积的21.51%。在全省85个县市中，已有73个县市发生了不同程度的石漠化。石漠化综合治理也成了构建长江和珠江上游生态屏障的重要保证，更是贵州和西南喀斯特山区生存环境与社会经济可持续发展的客观需要。如果贵州73个县市全面展开石漠化综合治理，以及全国生态脆弱、经济贫困地区，进行生态建设产业化及产业生态化发展，成果转化并推广该系统，市场前景可观。

(3)喀斯特石漠化治理植被修复与重建为喀斯特石漠化地区家畜提供食物，畜牧业则为铲除石漠化地区“穷根”提供资金，喀斯特石漠化地区合理发展生态畜牧业能实现该区山绿民富。生态畜牧业可以逐步完成石漠化治理核心任务的3个方面和层次，是石漠化治理的重要产业载体。该圈舍在几乎密闭空间中进行粪便的固液分离、发酵、清理及消毒杀菌，不对外界产生环境污染，能满足喀斯特石漠化地区生态畜牧养殖场建设要求，促进喀斯特石漠化治理畜牧业生态化发展。