吴志坚，饶 辉，夏宗群，李翔宏，宁 财，林春斌，吴志勇

（江西省农业技术推广中心，江西 南昌 330046）

随着《畜禽规模养殖污染防治条例》的颁布和实施、《国务院办公厅关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》等配套文件的出台，畜禽养殖对环境的影响引起了全社会的高度关注。而畜禽养殖产排污基数作为环境领域重要的基础数据，是污染状况判断、环境决策制定的重要依据，是科学评估和预测污染物排放总量的重要基础，也是落实国务院“减排任务”，实现“减排目标”的重要保障。因此，开展畜禽养殖业源排污基数测算研究，具有重要的现实意义。

美国、日本、丹麦等西方发达国家均对畜禽养殖所产生的污染物进行了研究，并制定了完整的畜禽养殖业产排污系数，如美国农业工程师学会编制了动物粪便产生和特性参数标准[1]、日本在畜禽粪便特性和产排污系数方面构建了大量的基础数据[2]、丹麦制定了粪便产排污系数手册[3]。我国自2008年第一次污染源普查以来，诸多学者对畜禽养殖业污染物产排开展了大量的研究。董红敏等[4]对畜禽产排污系数进行了定义，并提出了一些计算方法。庄犁等[5]对我国畜禽养殖业产排污系数研究进展进行了详细的梳理，总结了畜禽业产排污系数研究一些典型的应用案例和改进方法。王国利等[6-7]对广西地区杂交水牛的产排污系数和小规模生猪场排污系数进行了测定，得到了广西地区的产排污系数。付敏等[8]对四川省丘陵地区肉牛粪尿的产排系数进行了研究。隋超等[9-13]在畜禽养殖业产排污系数方面也开展了不同程度的研究。另外，还有一些学者报道了奶牛产排污系数的测定[14-21]，已有研究很好地填补了各地畜禽养殖业排污基数的空白，但主要集中在生猪和奶牛，而规模肉牛场涉水污染物排放基数的研究报道则甚少。

近年来，随着肉牛规模养殖比重的提高，规模肉牛场粪污产生量占比越来越大，2020年全国肉牛出栏4565.9万头，年末存栏7685.1万头，规模养殖占比为29.6%[22]。随着肉牛规模养殖比重的提高，规模肉牛场粪污产生量占比也越来越大，肉牛养殖对环境的影响也日益凸显，因此，研究规模肉牛场粪污和涉水污染物产生和排放情况十分必要。前述研究只有王国利等[6]测定了肉牛的总氮、总磷、有机质、COD、氨氮等污染物的排放系数，但其研究对象是广西水牛，对规模肉牛场的排污基数参考作用有限，而且目前尚未有关于江西地区规模肉牛场排污基数研究的报道。本研究基于江西地区规模肉牛场肉牛养殖的实际情况，对肉牛排放的涉水污染物进行了测定，得到具有江西地区代表性的规模肉牛场涉水污染物排放基数，可以为构建江西肉牛排污基数、摸清江西乃至南方地区粪污排放量，以及全国制定新形势下畜禽养殖污染源减排相关指标提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验场的概况

选择江西高安市某规模肉牛场，该场饲养品种主要为西门塔尔和本地黄牛杂交后代（西杂牛），固体粪便通过人工干清粪方式收集，运至干粪间自然堆积发酵，发酵后用于种植牧草、蔬菜和果树等；污水通过专用管网进入处理系统，厌氧发酵后的沼液输送至贮存池，用于种植牧草、蔬菜和果树等，无污水外排。

粪便处理利用工艺流程：肉牛养殖→粪便→干清粪→自然堆积发酵→种植牧草、蔬菜、果树等。处理环节为自然堆积发酵。

污水处理利用工艺流程：肉牛养殖→专用管网→收集池→厌氧发酵→沼气池→贮存池→沼液运输车→种植牧草、蔬菜、果树等。处理环节包括厌氧发酵和沼液贮存。

1.2 研究方法

1.2.1 排污基数的定义 排污基数是在产污基数确定的基础上，通过测定分析粪便收集率、污水处理效率、污水利用率、收集粪便利用率等参数计算而得。

粪便收集率是指饲养员人工清粪收集到的固体粪便量占肉牛实际产粪便量的比例，实际产粪量通过产污基数试验测定获得；粪便收集量是在正常的饲养管理条件下，选择与试验牛同样的栏舍且饲养与试验牛相近年龄和体重的牛，称量日常清粪收集到的粪便量而获得；污水利用率通过测定污水产生量和利用量计算而得；污水产生量和利用量测定采取在进水口和排水口安装流量计而获得；污水处理效率则通过测定污水在处理系统进水口和出水口取样分析而获得。

1.2.2 特性参数的测定 考虑到季节和稳定运行的影响，本研究按照春、夏、秋、冬4个季节，每个季节连续采样3 d，采用周年监测的方法，对规模肉牛场涉水污染物排放特性参数进行测定。

1.3 采样与检测

1.3.1 粪便 对干粪间当天收集的粪便和自然堆积发酵后的粪便分别按照梅花形采样法，各采集粪便5 kg，混合后采用四分法取样，搅拌均匀后分成3个样品，单个样品重量为500 g。其中，1份样品不进行预处理，用作含水率的测定；对另外2份样品按照每100 g添加4.5 mol/L硫酸10 mL进行预处理，1份用于检测，1份留样，将样品编号标注预处理等信息后，用保温样品箱加冰袋保存并及时送专门检测机构进行检测。

1.3.2 污水 分别在污水处理区的收集池、沼液池和贮存池按照对角线采样法，各采取3个点位的污水，混匀后取出500 mL污水用50%硫酸将pH值调至2以下，将编号标注预处理等信息后一同送检。

1.3.3 检测指标与方法 测定的污染物参数及其测定方法见表1和表2。

表1 粪样的检测指标、检测方法和方法标准

表2 污水样的检测指标、检测方法和方法标准

1.4 统计分析和排污基数的计算

1.4.1 数据分析 运用WPS软件进行数据整理，采用 SPSS 19.0软件求总平均值和总标准差，数据用平均值±标准差表示。

1.4.2 处理效率 粪便或污水的处理效率则通过测定在处理系统处理前和处理后分别取样分析获得，计算公式如下：

式（1）中：Rt，j为该养殖场第t种处理工艺对j种污染物处理效率（%）；Ct1，j为粪便或污水第t种处理工艺处理前第j种污染物的浓度（%或mg/L）；Ct2，j为粪便或污水第t种处理工艺处理后第j种污染物的浓度（%或mg/L）。

1.4.3 排污基数的计算 排污基数除受粪尿产生量及其污染物浓度的影响外，还应考虑粪便收集率、利用率、尿液与未收集粪便共同形成的污水及污水的利用率和处理效率的影响[7]。本文采用董红敏等[4]的畜禽养殖业排污系数计算公式：

式（2）中：FDj，k为每头第j阶段的肉牛第k种污染物的日排污基数（mg/d）；QFj为第j阶段的肉牛粪便产生量（kg/d）；CFj，k为第j阶段的肉牛粪便中第k种污染物的浓度（mg/kg）；ηF为粪便收集率（%）；QUj为第j阶段的肉牛尿液产生量（L/d）；CUj，k为第j阶段的肉牛尿液中第k种污染物的浓度（mg/L）；ηTk为第k种污染物处理效率（%）；ηW为污水利用率（%）；ηU为粪便利用率（%）。

2 结果与分析

2.1 粪便收集率

肉牛不同饲养阶段、不同季节的粪便收集率见表3。犊牛、育肥牛、母牛粪便收集率的年均值分别为 94.6%、97.1%、97.4%，少量粪便因在收集过程中受试验牛、收集器具及人为等因素的影响而造成了损失。

表3 肉牛不同养殖阶段粪便收集率 %

2.2 粪便处理效率

粪便主要通过自然堆积发酵对污染物进行处理，从测试结果看，因季节和污染物种类的不同，其处理效率也不相同，含水率、TN、TP、NH4+-N、有机质在不同季节的处理效率见表4。各污染物的处理效率受季节的影响较大，由于自然堆积发酵工艺不翻堆、不曝气，对含水率处理效果不明显；TN、TP和有机质的处理效率均是夏季最高，铵态氮的处理效率则冬季最高；含水率、TN、TP、NH4+-N、有机质的全年平均处理效率分别为 1.71%、9.26%、21.63%、31.43%、9.55%。

表4 粪便自然堆积发酵前后各指标值变化情况及处理效率

2.3 污水处理效率

污水主要通过常温厌氧发酵和沼液贮存2个工艺对污染物进行处理，从测试的结果分析，因季节、污染物种类的不同，其处理效率也不相同，COD、TN、NH4+-N、TP不同季节的处理效率见表5。各污染物的处理效率季节性影响较大，COD 的处理效率以夏季最高，冬季最低；TN和NH4+-N的处理效率以冬季最高，秋季最低；TP的处理效率以春季最高，夏季最低；COD、TN、NH4+-N、TP全年平均处理效率分别为 76.35%、73.19%、75.41%、55.69%。

表5 污水处理前后各指标值变化情况及处理效率

2.4 排污基数

粪污排出养殖场区边界即认定为排放，本试验牛场的污水在经过厌氧处理后，贮存在沼液池中用于种植牧草、蔬菜和果树等，污水没有排放；固体粪便经过自然堆积发酵后，用于种植牧草和蔬菜和果树，固体粪便流失率为0，此种管理模式下测算得到排污基数为0。

为获得江西地区有普遍参考意义的排污基数，本文分“污水厌氧发酵后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”（模式1）和“污水厌氧发酵和沼液贮存后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”（模式2）2种模式，根据测定数据并引用产污基数的相关数据[23]，用排污基数计算公式计算，得到肉牛不同生长阶段的排污基数，结果见表6。

表6 肉牛不同饲养阶段不同管理模式排污基数 mg/（头·d）

由表6和图1可以看出，模式2相比模式1仅增加沼液贮存工艺，但对减少污染物排放的效果十分显著，模式2中3个饲养阶段的COD、TN、NH4

图1 2种模式排放基数平均值对比

+-N、TP的排放基数平均值占模式1的比例分别为57.21%、50.53%、50.23%、84.10%。

2.5 排污基数与产污基数的对比分析

通过排污基数与产污基数比较分析，COD、TN、NH4+-N、TP的排放量占产生量的比例如图2所示。由图2可知，采用模式1，即“污水厌氧发酵后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基数占产生基数百分比分别为51.48%、23.65%、38.98%、3.82%；采用模式2，即“污水厌氧发酵和沼液贮存后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基数占产生基数的比例分别为29.57%、11.94%、19.57%、3.20%。模式1、2 TP的排放基数占产生基数的比例只有3.82%和3.20%，这是由于TP主要来自干粪，而干粪95%左右都被收集利用了。

图2 2种模式排放基数与产生基数比例

3 结论与讨论

排污基数是在产污基数的基础上得来的，排污基数与粪污的处理工艺（如清粪方式、粪便处理工艺、污水处理工艺和粪便污水利用情况等）有直接的关系，各养殖场的养殖模式千差万别，很难套用统一的排放基数。本研究提出了肉牛规模养殖场常用的粪便自然堆积发酵工艺、污水厌氧发酵工艺和沼液贮存工艺的处理效率计算方法，测算了2种不同模式的排污基数，该方法针对肉牛粪便和尿液是可利用资源这一特点，有利于准确地分析各种粪便、污水处理工艺对降低污染物排放的贡献，为管理部门和肉牛养殖者选用或者改进粪污处理利用工艺模式提供参考和借鉴。

本研究结合规模肉牛场的实际，测算得到2种不同粪污处理模式的排污基数：“污水厌氧发酵后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”模式的犊牛、育肥牛和母牛3个阶段的COD排污基数分别为37.81、74.79、47.42 g/（头·d），TN排污基数分别为10.54、27.05、19.43 g/（头·d），NH4+-N排污基数分别为7.42、20.69、16.74 g/（头·d），TP排污基数分别为1.17、1.71、0.80 g/（头·d）。“污水厌氧发酵和沼液贮存后排放+干粪自然堆积发酵后全部利用”模式的犊牛、育肥牛和母牛3个阶段的 COD 排污基数分别为22.12、42.32、27.10 g/（头·d），TN排污基数分别为5.16、13.57、10.08 g/（头·d），NH4+-N排污基数分别为3.67、10.34、8.52 g/（头·d），TP排污基数分别为0.98、1.46、0.66 g/（头·d）。

目前，肉牛排污基数的相关研究较少，表7为不同地区的几种育成育肥牛排污基数，由此可知，不同地区不同粪污处理工艺条件下测得的排污基数相差较大。王国利等[6]研究得到的广西成年水牛系数COD、TN、NH4+-N、TP分别为93.29、21.97、1.56、0.45 g/（头·d），《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》的华东区肉牛排污系数[24]COD、TN、TP分别为157.27、52.37、3.26 g/（头·d），栾冬梅等[15]报道的育成奶牛排污数 据COD、TN、TP分 别 为540.39、34.34、13.29 g/（头·d）。本研究得到的模式1育肥牛的COD、TN排污基数与广西地区水牛的较接近，但TP则差异较大，这可能是由于家畜的差异，以及本研究将干粪中的铵态氮进入污水部分计算在内的计算方法不同有关。2种模式下育肥牛的排污基数COD、TN、TP均较第一次全国污染源普查排污系数低很多，其中模式1的排污基数约为第一次全国污染源普查排污系数的50%，可能与清粪方式、粪便污水处理利用工艺、样本数量和计算方式不同有关。

表7 排污基数对比 g/（头·d）

由于排污基数受粪污处理工艺、天气、温度等诸多因素的影响，本研究受各种客观条件的限制，未对肉牛养殖粪污的所有处理工艺的效果进行测定，也未考虑天气、温度等影响因素，因此，测定结果存在一定的局限性。同时，排放基数测定的指标还不够全面，未将Cu、Zn等重金属，以及抗生素等纳入研究范围。随着国家对碳达峰碳中和的日益重视，建议适时开展畜禽养殖业的CH4、N2O等温室气体产排基数的测定和研究。