我国北方地区规模化奶牛场粪污污染防治模式评价

2020-12-28陈润璐冯晶赵立欣于佳动姚宗路李再兴罗娟

安徽农业科学 2020年23期

陈润璐　冯晶　赵立欣　于佳动　姚宗路　李再兴　罗娟

摘要對我国北方地区规模化奶牛场采用的前分离垫料模式与能源化后分离模式进行技术经济性及种养平衡综合评价，结果表明在能源化后分离模式下投资成本为1 749万元，较前分离垫料模式增加了559.5万元，获得副产品种类更多，年利润比前分离垫料模式提高了104.4万元。前分离垫料模式最终生成的垫料产品中的养分含量为8.74 g/kg，肥水中的养分含量为3.89 g/kg;能源化后分离模式生成的沼渣肥中养分含量为11.36 g/kg，肥水中的养分含量为7.08 g/kg。2种模式相比，能源化后分离模式下养分损失较少。针对4种典型作物，在氮素平衡条件下能源化后分离模式下粪污消纳所需农田面积比前分离垫料模式提高102.7%。通过对2种模式的比较，进一步提出了模式适用性评价指标，旨在为规模化奶牛场粪污污染防治模式的选择提供理论依据。

关键词奶牛养殖场;粪污利用模式;固液分离;经济效益;农田消纳

中图分类号 X 173 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2020）23-0234-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.061

Evaluation on Prevention and Control Models of Manure Pollution in Large-scale Dairy Farms in Northern China

CHEN Run-lu1，2， FENG Jing1， ZHAO Li-xin3 et al

（1. Institute of Rural Energy and Environmental Protection， Academy of Agricultural Planning and Engineering， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Agricultural Waste Energy Utilization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100125; 2.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050000;3.Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081）

Abstract The technical economy and breeding balance of pre-separation model and post-energy separation model used in large-scale dairy farms in northern China were comprehensively evaluated. The results showed that under the post-energy separation model， the investment cost was 17.49 million Yuan， which increased 5.595 million Yuan compared with the pre-separation model， and more by-products were obtained. The annual profit was 1.044 million Yuan higher than that of the post-separation model. The nutrient content in the final product of the pre-separation model was 8.74 g/kg， and that in the fertilizer water was 3.89 g/kg. The nutrient content in the biogas residue manure produced by the energy separation model was 11.36 g/kg and that in the fertilizer water was 7.08 g/kg. Compared with the two models， the nutrient loss in the post-separation model was less. For four kinds of typical crops， the area of farmland needed for waste removal under the post-energy separation model under nitrogen balance was 102.7% higher than that under the pre-separation model. Based on the comparison of the two kinds of models， this paper further put forward the evaluation index of the applicability of the model， so as to provide theoretical basis for the selection of the prevention and control model of fecal pollution in large-scale dairy farms.

Key words Dairy farm;Fecal pollution utilization model;Solid-liquid separation;Economic benefit;Farmland absorption

我国奶牛存栏量已达到1 618万头，产奶量位居世界第三，其中新疆、内蒙古、河北、黑龙江等北方地区奶牛存栏量占全国奶牛存栏量的71%以上，千头牛场占比达20%，奶牛养殖集约化程度不断提高。同时，奶牛粪尿及污水产量高达8.74亿t，40%左右的粪污尚未有效利用，对于奶牛养殖、产奶环境均带来污染隐患，提高粪污污染防治效率、提高粪污区域循环利用效率尤为重要[1]。

规模化奶牛场粪污污染防治分为粪污收集、输送、处理与资源化利用四大环节[2]，每个环节可采用不同技术工艺，如目前常用的粪污收集技术为水冲清粪和干清粪等;粪污运输技术可采用粪沟输送、车辆输送等;粪污处理环节可采用堆肥、厌氧发酵、好氧生物处理、蚯蚓养殖等方式[3-4];粪污处理后的资源化利用多采用沼气发电、肥料化或达标排放等。不同环节不同技术间的组合可形成多种技术模式，如能源化利用模式[5]、肥料化利用模式、粪污循环利用模式等[6]。裴晓冬等[7]针对吉林市的养殖业及粪污处理现状，提出了源头减量、过程控制、末端处理利用3种技术模式。宣梦等[8]研究表明，东北平原地区的粪污治理模式主要以肥料化利用为主;污水利用以农业利用为主，由于受温度的影响，所以采用厌氧发酵方式的比例较低，采用生物发酵床养殖的比例较高。中部地区与东北地区相似，但对污水的处理大多采用厌氧和好氧的方式。张盛南等[9]以天津市3个典型的规模化奶牛场为例，分析了沼气工程、循环利用、纳管排放3种粪污处理技术模式的优缺点及适用范围。但对于上述集成技术模式仍缺少物料衡算及污染物产排特性的定量分析，规模化奶牛养殖场选择适宜的技术模式也缺乏可遵循的依据，导致技术模式的集成缺少科学分析及适用性评价。针对上述问题，笔者选择我国北方地区典型规模化奶牛养殖场粪污污染防治模式，对粪污收集、输送、处理与资源化利用环节进行技术经济性与环境效应评价，以期为规模化奶牛养殖场粪污污染防治提供技术参考与支撑。

1 规模化奶牛场粪污污染防治主流技术模式

规模化奶牛养殖场粪污处理遵循干湿分离原则，固液分离是粪污处理与利用环节的重要步骤。关正军等[10]研究表明，经固液分离后的牛粪，固形物质可用于压块成型，为高寒地区沼气工程冬季增温保温提供燃料;分离液用于厌氧发酵可以提高甲烷产率，缩短发酵水力停留时间。胡若漪[11]研究表明对牛粪进行发酵前固液分离可以降低物料黏度，有利于微生物的传质，并具有较好的产气效果。按照固液分离环节在粪污处理技术路线的不同位置，可将北方地区规模化奶牛场的粪污资源化利用模式分为前分离垫料模式与能源化后分离模式。前分离垫料模式的主要特点是固液分离装置安装在清粪环节之后，牛舍内粪污经刮粪板清粪后直接进行固液分离，实现粪尿（污水）的分离;能源化后分离模式则是将固液分离装置安装在粪污处理环节后端。通过对牛粪污的固液分离，可根据物料特性灵活选择粪污处理技术，可以缩短粪污处理时间，降低处理规模和成本[12]，同时也增加了资源化利用产品的种类。

1.1 前分离垫料模式

该模式下牛舍内清粪技术采用铲车或刮粪板清粪，粪尿被推送至舍内粪沟，用来自氧化塘的粪水和奶厅废水冲粪进入固液分离系统，粪污不出牛舍即实行固液分离。固液分离后的粪便经专用粪车运至垫料场，利用BRU墊料生产设备生产垫料。此外，旧垫料还可以混合20%牛粪进行好氧堆肥生产有机肥，用于养殖场配套农田使用。固液分离后的液体粪污经雨污分离管道排入粪污暂存池，并按照2次/d的频率向氧化塘排放，在氧化塘停留约7 d。经氧化塘处理后的粪污向设在牛场外田间的梯级沉淀池排放，梯级沉淀池设3级，停留30 d。经过梯级沉淀池处理后的粪水符合农田排放标准后灌溉农田，部分粪水回流至舍内粪沟冲粪。该模式的工艺流程如图1所示。

固液分离后的固体牛粪通过晾晒的方式风干水分并对其进行消毒处理，待水分含量在50%以下即可作为牛床垫料使用。液相需自然存放在储存池2个月后运送到田间作为肥料使用。该模式利用了奶牛粪便纤维素含量高、质地松软的特点，用牛粪代替沙子和土为垫料，节省了购买牛床垫料的费用，降低了粪污后续处理的难度[13]。

1.2 能源化后分离模式

该模式采用舍内刮板干清粪、沼液回冲、管道输送、全混厌氧发酵、固液分离、三沼综合利用的处

理模式。牛舍粪污经刮粪板收集入舍内粪沟，用来自奶厅和

沼液回流的混合污水冲粪，粪污呈流体态经雨污分离管道运送至匀浆池，再经过厌氧发酵生产沼气环节，出料经固液分离环节，固体经晾干、后处理后制成有机肥，用于果蔬种植，液体30%回流冲粪，70%经梯级沉淀池处理灌溉农田。厌氧反应器为气膜式卧室结构，主体为混凝土结构砌成池状，与气膜固定连接，产气时气膜鼓起。匀浆池每日向湿法厌氧发酵反应器输送500 m3粪污，含固率约5%，水利停留时间为20 d，厌氧发酵反应器内无搅拌系统，依靠出料形成的倒吸推流作用，使进料端物料向出料端移动，在移动过程中实现搅拌和降解的作用。该模式的工艺流程如图2所示。最终生成的沼气可供牛场和周围居民使用，沼液沼渣固液分离后生产固态和液态有机肥，有机肥可施用于农田或进行商品化出售，形成了“牛场粪污—沼气或天然气—有机肥—农业生产”的农业废弃物资源化循环利用模式[14]。

2 技术经济性分析

技术经济性分析包括对奶牛粪污污染防治过程中设施设备投资、人工及折旧成本等以及产生具有利用价值的副产物收益进行综合分析，评判模式效益。根据规模化奶牛养殖场建设需要，以存栏4 000头规模化奶牛场为例，对前分离垫料模式与能源化后分离模式从投资成本、收益以及利润3个方面进行分析。

2.1 投资成本分析

前分离垫料模式中的设施建设主要包括牛舍、奶厅、粪沟、固液分离、垫料生产、污水处理以及肥料配套设施的建设，而能源化后分离模式中的设施建设还包括厌氧发酵设施的建设。因此，能源化后分离模式的设施建设投资要高于前分离垫料模式，相应的设备投资也高于前分离垫料模式。能源化后分离技术模式中场内用电由沼气发电提供，沼气工程保温增温所需热量由热电联产余热回用供应，工程运行能耗成本比前分离垫料模式降低了42.3%，但人工成本和折旧费用比前分离垫料模式提高了35.6%。2种技术模式的投资和成本对比如表1所示。

2.2 收益分析

前分离垫料模式中粪污资源化利用的产物可用于垫料、肥水和固体肥的生产，获得收益297.75万元。与前分离垫料模式相比，能源化后分离模式经过厌氧发酵生成沼气，沼气发电带来的收益为283万元。2种技术模式的收益对比如表2所示，能源化后分离模式产生的收益比前分离垫料模式增加1.38倍。

2.3 利润分析

经投资成本及收益核算，2种技术模式的总投资、年成本、年收益及年利润对比如表3所示。由表3可知，能源化后分离模式下投资成本显著高于前分离垫料模式，但可获得沼气、沼渣、沼液等产品进一步补充生产有机肥及肥水，年利润提高87.6%。但是，沼气工程的控制运行是难点，特别在北方寒冷地区运行，产气率得不到有效保障，产气率降低30%～90%，应结合规模化奶牛场周边生态环境组成特点科学选用技术模式。

3 种养平衡分析

3.1 粪污养分含量

分别对2种典型技术模式中粪污资源化利用主要环节的粪污样品进行养分测试，结果分别如表4和表5所示。由表4可知，前分离垫料模式中粪污内总养分含量为10.43 g/kg，粪污经过粪沟运输至匀浆池内，粪污内养分含量大幅降低，尤其是氮含量减少12.7%，这主要是由于在粪污露天输送过程中粪污内氨氮挥发较多所致[15]。此后，粪污经过固液分离，其养分在固体粪便与液体粪污之间重新分配，其中N与P2O5在固体粪便内的含量较高，分别比其在液体粪污内的含量高60%和40%。利用固体粪便进行垫料生产，产生的垫料中养分含量进一步降低，垫料成品中总养分含量降至8.74 g/kg。在此过程中，P2O5与钾含量略有增加，而氮含量大幅度降低，垫料成品比固体粪便中氮含量减少46.4%。这主要是因为与垫料生产属于好氧发酵，粪便中的氮经过发酵生成NH3、NOx等挥发性气体散失至空气中。固液分离后液体粪污经过氧化塘处理后生成的肥水过程中，由于固体物质沉降、养分挥发以及微生物发酵等原因，总养分含量降至3.89 g/kg。

与前分离垫料模式相似，能源化后分离模式在粪污资源化利用过程中粪污内总养分含量也有大幅损失。舍内牛粪与奶厅污水混合后经过粪沟进入调节池内，此时粪污内总养分含量为10.69 g/kg。经过厌氧发酵后，发酵剩余物内总养分含量升高，达到13.22 g/kg，此后随着厌氧发酵、固液分离等操作，粪污内总养分含量持续降低。沼渣经过好氧发酵、陈化后形成沼渣肥，沼渣肥的总养分含量达到11.36 g/kg。

值得说明的是，2种技术模式经过固液分离后形成的沼液内总养分含量相差不大，分别为7.29和7.08 g/kg。然而，前分离垫料模式中肥水经过氧化塘处理与肥水储存池稳定处理后，其养分含量降低60%;能源化后分离模式中沼液内总养分含量随着储存变化不大。前分离垫料模式形成的液体粪污内含有大量易降解有机质，在氧化塘与稳定塘处理后，随着有机质的降解，氮可转化为NH3、NOx等挥发性气体，而磷则形成难溶性固体。粪污经过厌氧发酵生成的沼液营养物质丰富，并且沼液亲水性更强，整体呈浆状，较难通过沉降进行固液分离，其养分含量需要进一步有效利用。

3.2 粪污养分循环

以奶牛存栏为4 000头的典型规模化奶牛场为例，对2种典型技术模式中粪污资源化利用的主要环节进行物料平衡计算，结果见表6。从表6可以看出，通过前分离垫料模式对粪污进行资源化利用处理的量多于能源化后分离模式，最终生成的垫料产量也较多。能源化后分离模式最终生成垫料和沼渣肥2种产品，产品种类多，与前分离垫料模式相比粪污资源化利用率更高。

以玉米、小麦、蔬菜（番茄）、水果（苹果）4种典型农作物，结合养殖场内粪污养分含量测定结果，按照作物经济产量与养分平衡原则，对不同模式下粪污消纳所需农田面积进行了测算，结果见表7。由表7可知，2种模式相比，能源化后分離模式下4种作物的粪污消纳所需农田面积比前分离垫料模式增加了102.7%。以玉米种植为例，能源化后分离模式下，以N消纳为准消纳面积需要1 129.7 hm2，而前分离垫料模式下消纳面积需857.8 hm2;以P2O5消纳为准，能源化后分离模式消纳面积需要2 752.0 hm2，前分离垫料模式消纳面积需要796.9 hm2。

从主要消纳限制因子来看，在前分离垫料模式下，除苹果外的3种作物均表现为作物氮素需求的有机肥消纳所需农田面积最多，这表明在此模式下N是农田消纳的主要限制因子。在能源化后分离模式下，除番茄外的3种作物均表现为作物磷素需求的消纳所需农田面积最多，即此模式下P2O5是农田消纳的主要限制因子。

从不同作物类型来看，在前分离垫料模式下，以苹果种植消纳所需面积最大，为1 223.9 hm2（P2O5为主要限制因子），其中有机肥消纳面积429.7 hm2，肥水所需消纳面积为794.2 hm2。在能源化后分离模式下，同样以苹果种植消纳所需面积最大，为4 226.3 hm2（P2O5为主要限制因子），其中有机肥消纳面积238.1 hm2，肥水所需消纳面积3 988.2 hm2。对于华北平原地区主流的奶牛养殖-玉米种植循环模式下，2种模式下所需的消纳面积分别为857.8 hm2（N为主要限制因子）与2 752.0 hm2（P2O5为主要限制因子）。

从固体肥与肥水消纳所需面积来看，2种模式下均表现为肥水或沼液消纳所需面积远高于固体肥消纳所需面积，在固体肥与液体肥中养分分配上均表现为液体肥中含有更多养分，其中能源化后分离模式中，沼液中的养分含量比前分离垫料模式的肥水增加30.1%。

对上述2种模式种养平衡综合分析表明，粪污污染防治模式的选取应结合作物所需养分种类、种植面积、土壤质量、气候条件等综合选取。西北干旱地区，土地面积广、土壤养分贫瘠，华北地区气候温度适宜，地下水超采严重，适合推广能源化后分离模式，沼液排放基本不受限制，是对作物养分、改良土壤质量的有效补充;东北高寒地区，土壤有机质含量丰富，水源地相对集中，适合采用前分离垫料模式，肥水经氧化处理后还田，达到无害化处理的目的，促进污染防治效率的提高。

4 结论

（1）以4 000头存栏规模化奶牛场为例，经投资成本及收益核算分析得到，能源化后分离模式总投资成本比前分离垫料模式总投资成本增加了559.5万元，但同时其获得的产品种类更多，且年利润也比前分离垫料模式增加了104.4万元，经济效益较好。

（2）在奶牛养殖场内粪污资源化利用过程中，由于氮、磷、钾元素的损失，使得2种模式下的粪污内养分都存在较大程度的散失，对后续资源化利用有较大影响。其中，前分离垫料模式最终生成的垫料产品中的养分含量为8.74 g/kg，肥水中的养分含量为3.89 g/kg;能源化后分离模式最终生成的沼渣肥中的养分含量为11.36 g/kg，肥水中养分含量为7.08 g/kg，能源化后分离模式下的养分散失相对较少。经测算，针对玉米、小麦、蔬菜（番茄）、水果（苹果）4种典型农作物，能源化后分离模式下粪污消纳所需农田面积要显著高于前分离垫料模式。基于以上分析，在养殖场周边有足够消纳耕地时，选用能源化后分离模式可获得更高收益，在周边耕地不足时，选用前分离垫料模式可以显著降低所需耕地规模。

（3）该研究结果也表明，在粪污资源化利用过程中粪污中氮素与磷素经过转化后排放至周圍环境中，在粪污好氧或厌氧发酵过程中均有大量的CO2、CH4等温室气体产生，也往往伴随臭气产生，在下一步研究中应开发综合评价体系，将粪污资源化利用过程的环境效应一并纳入评价范围。

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