欧洲畜禽粪污处理及农业资源化利用技术

2022-12-01郭常莲李永平朱教宁庞震鹏

现代农业科技 2022年22期

郭常莲李永平汤昀朱教宁庞震鹏

（1山西农业大学，山西太原 030031；2山西农业大学山西有机旱作农业研究院，山西太原 030031）

畜禽粪污传统的利用方式是直接还田。近年来，随着畜禽养殖规模不断扩大，局部畜禽粪污集聚，给管理与利用带来很大压力。特别是在硝酸盐脆弱区和养分过剩地区，粪污处理已成为首先要考虑的问题[1]。

1 畜禽粪污管理策略与技术选择

欧洲选择粪污管理策略与技术主要是从平衡环境与经济因素的角度出发，基于两种情况：一是局部养殖规模适中，养殖场产生的粪污可由本地或邻区农业消纳；二是养殖场产生粪污局部过量，无法被本区域农业消纳。本文主要探讨第一种情况下畜禽粪污处理的策略与技术。

畜禽粪污管理策略与技术选择逻辑见图1[2]。从图1可以看出，在养殖业产生的粪污量与当地农作物生产需求平衡的情况下，其主要的粪污利用与处理技术包括直接应用、酸化、固液分离、堆肥、厌氧消化。直接应用仍然是重要的利用方式，该方式在荷兰占90%左右。

图1 养殖规模适中的粪污处理工艺方案

2 处理技术

2.1 酸化

2.1.1 技术流程与原理。粪污酸化是通过降低pH值减少氨和一氧化二氮损失的过程，它借助NH3/NH4+的简单平衡来实现。通常的操作方案是在靠近畜舍的位置配置一个处理器，将贮存在地板下的粪污抽到酸化处理池中，添加96%H2SO4并轻轻搅拌、混合、曝气，直到pH值达5.5左右且不产生泡沫为止[2]。

2.1.2 技术效果。粪污酸化可以减少在畜禽养殖场、粪肥贮存和农田使用中的氨挥发和氮损失，可以改善动物生存环境，但pH值低的环境不利于氨的剥离。在厌氧处理粪肥时，酸化过程形成的低pH值和高硫环境有利于减少CH4的损失。

2.1.3 对肥料的影响。影响酸化技术发展和使用的主要因素是安全和起泡沫问题。实际上，液体肥料酸化到pH值=5.5时对肥料的许多方面都有影响：畜舍氨排放减少50%～70%，储存设施氨排放减少50%～88%；储存期间CH4的排放减少了17%～90%；酸化过程中有一个短暂的H2S排放增加过程；固液分离后固体部分的营养物质减少；酸化过程产生的硫可促进植物生长；在随后的堆肥过程中减少70%的氨排放；低pH值条件下大部分氨氮可溶解，故在过滤过程中NH4+的保留量较大；由于微生物作用减少，蛋白质中氨氮的生产变慢；系统的能耗低，计算得到控制系统每天人均能耗＜0.001 kW·h（不包括用于抽粪的能源）；低pH值条件下，微生物（包括致病菌）活性受到抑制。该处理方式需要经技术人员的指导才能实施[2]。

2.1.4 未来趋势。酸化工艺减少了后续工艺中氨的排放，抑制了甲烷生成，在贮藏等后续过程中CH4的排放减少，会对温室气体排放产生实质性影响。目前已开展了不少关于该技术的学术研究，并在几个西北欧国家进行了中试，在丹麦已有商业化应用。该技术的应用主要取决于国家对氮排放的控制，因而其他国家未来的增长将取决于国家立法。

2.2 固液分离技术

2.2.1 类型及要素特点。固液分离技术操作简单、费用低，在欧洲畜禽养殖场得到了广泛使用。固液分离可分为沉积、筛选、离心分离、加压过滤等类型[2]。

（1）沉积。悬浮固体通过重力从液体部分中分离出来，是一种最经济的处理方式，常用于季节性粪污贮存。影响沉积效率的因素主要包括：粪污类型，如猪牛粪浆、液体猪牛粪肥；固体含量，当料浆中固体含量处于1%～4%时，随固体含量的增加，分离效率提高，超出此范围则分离效率显著降低；沉淀时间，增加沉淀时间，可以提高分离效率。

（2）筛选。需要特定孔径的筛网，液体流经筛网后排出，筛分器有静态的、动态的和旋转的。其中：静态筛分器结构最简单；动态筛分器处理时，筛网快速振动，可以减少堵塞风险。

影响筛选效率的因素主要包括：粪污类型，如猪、牛粪浆；固体含量，当料浆中固体含量＞6%时不宜使用此方式；筛孔大小，对猪粪使用低于0.5 mm的筛孔会导致连续操作问题，对于奶牛粪最常用的筛孔规格为1.5～1.7 mm。

（3）离心分离。通过离心力使固体从液体中分离出来，有立式和卧式（卧螺离心机）等。影响分离效率的因素主要包括：粪污类型，如猪与牛粪浆、沼液；固体含量，分离效率随着浆料干物质含量的增加而增加，当料浆中固体含量＞10%时不宜使用此方式；速度，增加卧螺离心机的速度会增加固体组分中干物质含量，但对氮、磷、钾的分离没有影响；保留时间，减慢进料增加停留时间可提高分离效率。

（4）加压过滤。最典型的加压过滤是螺旋压力机过滤；料浆被输送至0.5～1.0 mm的圆筒筛中，液体通过筛网后被收集至一个围绕筛网的容器，固体部分被压成干物质含量较高的滤饼。用这种方式分离出的干物质含量是重力筛方式分离的2倍。影响筛选效率的因素主要包括：粪污类型，如猪、牛粪浆；固体含量，当料浆中固体含量＜2%时不宜使用此方式；压力，增加压力会增加固体组分中的干物质含量。

（5）混凝。可通过加入多价阳离子（主要是氯化铝、氯化铁、硫酸铝、硫酸铁以及钙和镁的氧化物）以促进聚合，形成团聚体，使固体更容易被分离，从而提高机械固液分离效率，降低液体馏分中的磷浓度，增加固体馏分中的干物质含量。

2.2.2 技术效果。分离指数是固体组分中某一组分（干物质或营养素）的总质量回收率与原浆中该组分质量的比值（表1）。分离指数越大，表明固相组分中给定组分的含量越大。

混凝-絮凝结合机械固液分离可提高分离效率，但会使该工艺的总成本增加，其取决于所处理粪肥的固体含量、流量和使用的化学品类型。对每天过滤的量进行比较，上述4种机械分离技术排序从大到小依次为离心过滤、加压过滤、筛选、沉积。

表1 各分离技术分离指数单位：%

固液分离过程不能去除多余的铵态氮，不能解决恶臭气味问题，不能减少粪污中可被生物降解的有机物、病原体，甚至还可能导致固体部分中Cu和Zn等重金属浓度的增加，从而造成环境污染[3-4]。因此，分离后的固体和液体两部分均需要妥善处理。

2.2.3 对环境的影响。固液分离过程减少了粪肥体积，增加了养分浓度，从而降低了运输成本及其对气候变化的相关影响。4种分离方式中，沉积无噪声、无气味，其余3种均有噪声且气味达3级。因此，选用何种分离技术应以养分利用为目标，未来应致力于优化固液分离技术的性能，以降低成本，同时提高分离固体组分的营养物质浓度。

2.3 厌氧消化

厌氧消化是将有机物转化为沼气的微生物过程。沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，其中甲烷含量为55%～75%。该工艺可用于处理污水污泥、动物粪便、有机工业废弃物、城市固体废物的有机组分、能源作物以及高强度有机废水。该过程产生的沼气可用于能源生产。在生产技术升级后，甲烷作为汽车燃料或天然气替代品使用也引起了全世界的关注。瑞典在沼气作为生物燃料使用方面走在世界前列。

2.3.1 工艺与原理。在沼气生产过程中，所有的有机化合物被转化成不同的挥发性脂肪酸，pH值降低到较低水平，微生物生长受到抑制，从而影响了铵与氨之间的平衡。沼气处理系统产生的水分、灰尘和硫化氢会对能源生产单元产生负面影响，因而沼气在进入能源化利用之前需要净化处理。

2.3.2 技术效果。粪污的沼气产量相对较低，如猪粪和牛粪分别为 10～15 m3/t和 22～27 m3/t；而一些有机工业废弃物的沼气产量较高，如浓缩乳清为100～130 m3/t。根据实际需要，可将某些工业有机废弃物与粪污混合使用，使沼气生产更经济[2]。

沼气转化为可用能源可以通过直接燃烧产生热量，或在CHP（热电联产）装置中燃烧产生电能和热能。1 m3沼气可产生 1.8～2.0 kW·h电能和 2～3 kW·h热能，这取决于热电联产装置的功率。为使用沼气作为生物燃料或用于天然气电网注入，甲烷含量需要进一步提纯至95%～98%[2]。

2.3.3 对气候的影响。厌氧消化有助于减少CO2排放。据调查，沼气替代化石燃料，其相应的CO2排放量可减少90%左右。如果对粪污进行厌氧消化处理，对于减少二氧化碳排放的效果更好。因为厌氧消化和随后沼气能源使用减少了粪便储存和管理过程中CH4向大气的自然排放[5]。

未来的研究重点是通过适当的预处理增加粪便的沼气产量，以减少对其他有机废物作为辅助基质的依赖；将厌氧消化技术整合到养分回收和管理的过程中，以建立可持续的粪便处理策略。

2.4 堆肥

堆肥是在有氧环境中，通过细菌、真菌和其他微生物（包括微节肢动物）将有机物分解成稳定、可用的有机基质。堆肥有助于回收常量和微量营养元素、有机质等，同时可降解有毒物质，降低病原体转移和杂草种子萌发的风险，还易于造粒和运输。堆肥过程不需要外部能量，技术简单、直接、经济，是畜禽粪污处理的重要手段之一。

2.4.1 堆肥技术流程与原理。堆肥过程要经历3个阶段：初始的中温阶段，持续1～3 d，中温细菌和真菌降解简单化合物（糖、氨基酸、蛋白质等），并迅速提高温度；嗜热阶段，嗜热微生物降解脂肪、纤维素、半纤维素和一些木质素，伴随着病原体的破坏；冷却阶段，可降解的有机物耗竭，微生物活性降低，堆垛温度降低。

2.4.2 堆肥要素分析。有效的堆肥需要控制几个因素，其决定了微生物发育和有机物（OM）降解的最佳环境条件：堆肥混合物的配方，包括C/N、pH值、粒度、孔隙率和水分；过程处理因素，包括O2浓度、温度和水含量。

堆肥适宜的碳氮比为25～35。高碳氮比使底物过量、微生物降解过程缓慢；低碳氮比使无机氮过多，并以氨氮形式挥发或蒸发掉。pH值为6.7～9.0时微生物活性良好，最佳值为5.5～8.0，pH值大于7.5时，氨挥发量可能特别大[2]。

粒度、孔隙度对于平衡微生物生长的表面积和保持足够的气孔率至关重要：粒径越大，表面积与质量比越低，微生物难以进入大颗粒内部，无法使其充分分解；过小的颗粒会压实质量，减少孔隙率。对于强制曝气，50 mm粒径足够。孔隙率大于50%，堆肥保持在低温状态，能量损失过大；孔隙度过低，又会导致厌氧环境的产生。堆垛充气孔隙率应该为35%～50%[2]。

曝气是堆肥的关键因素，适当进行曝气可控制温度、去除多余的水分和CO2，并为生物过程提供O2（最适宜的O2浓度为15%～20%）。曝气不足会导致厌氧条件的产生，使厌氧微生物和恶臭气味增加；过度曝气会加快冷却，减少微生物代谢活动。堆肥的最佳含水量一般为50%～60%，超过60%时使堆垛趋于厌氧环境[2]。

堆肥过程中，微生物结构组成随温度变化而变化：细菌在堆肥早期占主导地位（中温阶段）；真菌在整个过程中都存在，在含水率低于35%时占主导地位，在温度＞60℃时不活跃；放线菌在稳定和固化过程中占主导地位，与真菌共同降解抗性聚合物，温度超过60℃时病原体和寄生虫被抑制（堆肥最佳温度为 40～65 ℃[2]）。

根据曝气系统的不同，堆肥技术可分为翻转桩、强制曝气、被动曝气、空气流过桩等方式。技术难度从小到大依次为静桩加被动曝气、绞车带、强制曝气静桩、堆肥反应堆。

2.4.3 对气候的影响。堆肥过程中，温室气体CH4、N2O和酸化气体NH3都可能产生和排放。氨氮排放受总氨氮、温度和pH值的影响。堆肥开始后，由于有机酸的降解，温度较高，pH值升高，使平衡态NH4+-NH3向NH3方向变化。热空气被输送到堆肥材料的表面并产生对流，将释放的氨氮输送到堆垛表面和大气中，堆肥过程中NH3的排放潜力增加，且主要在堆肥高温阶段释放。数周后，由于NH3耗损，NH4+转化为有机氮或硝化氮，排放量下降到较低值。

在堆肥过程开始时即可能产生甲烷，但排放往往会延迟，因为在堆中心产生的CH4在运输到堆垛表面的过程中会转化为CO2。甲烷产量与温度成指数关系：在嗜热阶段，甲烷排放量可能很高；在中温阶段，由于温度较低和易分解有机质的消耗，CH4的排放速率降低。使用填充剂可以减少N2O和CH4的排放，可能增加NH3的排放；与静态堆相比，主动翻转粪污堆中的NH3损失更大，而静态堆中的N2O排放量高于使用增强空气的主动翻转堆。

不同国家的堆肥质量标准因成熟度、农艺标准（有机质、养分、pH值和EC值）、卫生条件以及杂质（塑料、金属、玻璃或石头）和杂草种子的存在情况而不同。各个国家根据不同元素的毒性特征以及植物对微量营养素的需求，确定了重金属浓度限制[6]。

3 农业应用

农业应用技术实际上是粪肥的一种管理方式，不仅适用于原粪，也适用于来自不同处理系统的可用作有机肥料的产品。

3.1 影响因素

农业应用的基础是粪肥的数量和组成、作物的营养需求和预期产量以及适用于该地区的立法，还要考虑肥料利用率。影响施肥后氨挥发的因素很多，如气候条件、施肥类型、作物生长阶段和施肥设备等；减少氨排放的有效方法包括粪污酸化、浆液注射入土、固体颗粒掺入土壤等。可使用多种设备和技术将粪浆和固体粪污撒播到土地上，如荷兰、丹麦、比利时、佛兰德斯等国家和地区使用带式撒播机和喷射器喷洒粪浆以减少氨排放；一些国家的法律要求固体粪污在被切碎成小块后撒播并掺入土壤。因此，施用设备因粪肥、施用技术、土地利用情况和土壤结构而不尽相同。

从养分平衡、废气排放、能耗和经济平衡的角度，粪污应用应考虑4个方面的因素：一是国家气候、经济等领域法律对氮、磷、钾和金属、病原体等的要求[1]；二是原料肥料类型或其他养分有效因子的组成及数量[2]；三是作物种类、产量、面积、主要养分营养限制等[6]；四是用于施肥的车辆类型[7]。

3.2 营养平衡和损失

因为浸出和径流造成的养分损失会影响粪肥中氮、磷、钾的含量，所以粪肥产品的营养物质含量水平与其数量和类型、撒播系统、掺入土壤与否、作物类型、施用季节和土壤质量有关。

当气温、风速、太阳辐射和浆液干物质含量降低时，氨排放量通常会随之下降。氨排放量占总氨氮量的百分比通常随氨氮总量浓度和应用率的增加而减少，不同粪污类型的排放量有所不同。此外，氨排放量还取决于土壤条件，如排水良好、质地粗糙、干燥的土壤可以更快渗透，与渗透率较低的潮湿、紧凑土壤相比，其氨排放量更低。高黏度浆液会增加NH3排放量，厌氧消化后的浆液比生粪更容易迅速渗透到土壤中[8]。