規模化畜牧養殖廢棄物處理的環境經濟優化研究——基于生態經濟模型的分析

馬永喜 ，王 穎

近年來，中國規模化畜牧養殖迅速發展，中國已成為世界上最大的畜產品生產國。2011年，全國畜牧業產值25770.7億元，占農林牧漁業總產值的比重達到31.7%。與此同時，畜牧規模化養殖加快發展，畜牧養殖業正經歷由傳統散養為主到規模化養殖為主的轉變。與傳統散養方式相比，這種規模化的畜牧飼養方式在利用規模經濟提升生產效益的同時，也使得養殖產生的糞便及污水等廢棄物大量集中。由于認識、政策、管理和技術等方面的原因，長期以來我國畜牧業廢棄物未得到合理的處理和有效的資源化利用，給周邊自然環境帶來的污染危害日益嚴重。2011年全國畜牧糞便總量約有29.43億t，是同期工業固體廢棄物的0.91倍。全國畜牧糞便總量所含總氮1255.33萬t、總磷339.25萬t，分別相當于同期施用的氮肥和磷肥中總氮和總磷含量的52.7%和94.8%。預計到2020年，我國畜牧糞便產生量將達到41億t[2]。目前，在我國很多農村地區，畜牧糞便污染已經超過工業和生活的污染水平，成為農村面源污染的主要來源，畜牧業污染已經成為我國農村最為嚴重的環境污染問題之一。

當前針對畜禽養殖廢棄物處理與利用方式及其采用的技術多種多樣，既有傳統上的處理與利用方法（例如土地處理和沼氣發酵等），也有從工業廢棄物和生活廢棄物處理實踐中引進的處理技術（例如好氧曝氣處理和厭氧處理等），還有根據畜禽廢棄物自身特點而開發的新技術（例如生物堆肥技術等）。但總體看來，目前各國對畜禽廢棄物的處理和資源化利用實踐上沒有最好的解決辦法，而需要根據當地社會經濟和自然條件選擇合適的處理方法和處理技術[3-5]。在畜牧業廢棄物處理利用的環境經濟研究方面，目前的研究主要是從技術經濟或工程經濟的角度對畜牧業廢棄物資源化利用技術（或工程）的某個流程或對具體工程進行技術經濟分析，以評估相關處理技術（或工程）的經濟可行性。研究者大多認為實施農牧結合是解決養殖污染的有效途徑[6-7]。有學者研究表明，使用糞肥的費用低于使用化肥的費用，農戶使用糞肥在經濟上是可行的[8]。但規模化的畜牧養殖場往往缺乏足夠的耕地來容納大量且集中的動物糞便[9，10]。同時，也有不少學者認為有機肥施用雖然是一種環境有效的養殖廢棄物處理方式，但有機糞肥施用的額外投入成本較大，其養分含量低，從而造成有機肥施用的經濟成本大于化肥，很難在經濟上獲利[11，12]。還有些研究認為在可供選擇的污染控制技術中，沼氣利用技術在經濟與環境角度上是最有效的技術[13，14]。有學者在將環境效益納入成本收益分析中得出沼氣工程具有可行性的結論[15，16]。但另一些學者運用投資成本收益分析方法對沼氣工程處理進行技術經濟評價，認為養殖場沼氣工程的市場化能力很弱，基本不具備商業化推廣的條件[17，18]。目前這些研究大多利用成本效益分析的方法，來解決畜牧養殖廢棄物處理和利用的技術經濟可行性評估問題，但往往忽視了與之伴生的環境影響；同時在分析方法上僅對單項技術進行技術經濟評價，而缺乏對整體性技術系統的經濟環境效應評價，導致研究結果難以為實踐應用提供科學而系統的指導依據。

本文將通過對典型案例的分析，在考察規模化養殖廢棄物處理環境影響的基礎上，采用國際學術界逐步流行的生態經濟模型方法，來模擬分析如何通過處理措施與資源化利用模式的選擇和管理方式的優化，來改善規模化養殖場的環境經濟效益，并進一步提出解決我國規模化畜牧養殖廢棄物污染問題的相關政策建議。

1 案例分析

本研究所選養殖場位于浙江省金華市郊，主要從事生豬規模化養殖。該養殖場于2006年建成并投入使用，目前已發展成為擁有七百余頭母豬，年銷售一萬余頭育肥豬的大型養殖場。養殖場目前占地3hm2，建筑面積約6000 m2。為對養殖廢棄物進行集中處理和資源化利用，該養殖場建有固液分類、沼氣工程和爆氧塘等工程設施。在廢棄物處理和利用上，養殖場首先對廢棄物進行固液分離，然后部分糞便直接還田，部分糞便和污水則經過混合調節后輸入到污泥床反應器進行厭氧發酵以生產沼氣，接著對生產出來的沼氣進行凈化、收集和利用，同時對沼氣工程處理后的沼液進行好氧（爆氣）處理，最后爆氧處理過的沼液注入荷塘作為蓮藕種植的肥料。目前該養殖場廢棄物處理和利用方式如圖1所示。

圖1 某養豬場現有廢棄物處理和利用模式

經過對養殖廢棄物處理和利用，該養殖場取得了良好的經濟效益和環境效益。在經濟效益上，養殖場年生產沼氣25萬m3，可滿足養殖場及周邊200多戶農戶日常生活用能，沼氣工程處理所產生的沼渣和部分固體糞便作為有機肥料為周邊8 hm2的荷塘和15 hm2的稻田提供養分，節約了化肥施用的花費。在環境效益上，通過廢棄物處理系統的處理，廢水得到凈化處理，糞便得到資源化利用，從而保護了當地的生態環境。同時綜合化的廢棄物處理方式還可有效殺滅病菌、病毒和寄生蟲卵，減少了人畜病害。

該養殖場在對廢棄物處理利用上取得了良好的環境經濟效益的同時，由于多種因素的影響也還存在著一定的問題。通過作者在該養豬場所作的實地調查發現，目前該規模化養殖場仍有少量廢水直接向周邊河道排放，給周邊環境帶來了一定的污染。沼氣生產量也大大超過附近農戶生活用能需要，多余的沼氣直接排放到大氣中，增加了溫室氣體的排放。同時該養殖場對養殖廢棄物的利用主要是用來生產沼氣和種養蓮藕，只有養殖場自身所有的荷塘和附近的部分稻田利用了有機糞肥，養殖場區外不少農民認為豬糞肥效不如化肥而不愿使用豬糞還田，大多田塊仍然使用尿素和復合肥等礦物肥料，增加了不少化肥的花費。

由于目前大多數規模化養殖場采用綜合性處理方式來處理養殖廢棄物，因而本研究將假設該養殖場綜合采用糞肥還田、堆肥處理、厭氧處理、好氧處理、沼氣生活化利用和沼氣發電等多種處理和利用方式，并試圖對其養殖和廢棄物處理方式進行優化，以期達到更好的經濟效益和環境效益。現假設對現有廢棄物處理系統進行改進，改進后的模擬廢棄物處理和利用模式如圖2所示。在改進后的模擬模式中，假設引入堆肥處理方式，對固體糞便和厭氧以及好氧處理后殘留的沼渣進行發酵生產生物有機肥；同時假設對沼氣同時采用生活用能使用和沼氣發電兩種利用方式。

圖2 某養豬場模擬廢棄物處理和利用模式

2 模型方法和數據

近年來，為解決那些社會經濟發展與生態環境之間的矛盾，自然科學與經濟分析的整合分析研究正逐步增多。隨著技術方法的不斷改進，在國際學術界研究者越來越多地運用模擬和數學規劃技術來構建生態經濟模型，并在模型中引入生產的技術特征（或屬性），運用系統性的模型來反映決策目標、技術、經濟和環境之間的復雜關系，來研究經濟、環境和技術之間的互動問題[20，21]。生態經濟模型研究方法即一種將經濟學模型同一個基于工藝流程的生物物理模型連接起來的研究方法，在構建模型時它采用一種或多種“連接”技術，運用模擬或數學規劃等技術來聯立“各種描述人們的資源管理行為”的函數公式與“一定收入（或需求）下可選擇的生產可行性與環境效應關系”的函數公式[21]。因而，本文將基于生態經濟模型的建模方法，構建融合技術選擇模型的整合農業生產和廢棄物處理環境影響的生態經濟模型，來考察評估現有技術的應用效果，并從可選的技術中進行優化選擇，來評估考察技術改進后的效果。

基于生態經濟模型的一般結構[22]，以規模化生豬飼養生產特征為出發點，同時結合案例中生豬養殖和廢棄物處理和利用的實際情況，本文構建了“規模化生豬養殖及廢棄物處理的農業生態經濟模型”（以下簡稱PEEM模型）。該生態經濟模型融和基于生產者理性選擇的經濟學模型、基于廢棄物處理流程的生物物理模型和基于土壤養分平衡的生態模型于一體，包含“主計算模塊”、“生豬飼養模塊”和“廢棄物處理利用模塊”。基于PEEM模型，本文模擬分析養殖場如何通過廢棄物處理與利用方式和管理方式的優化選擇和優化調整，來保證一定環境效益的同時達到最大化的經濟利益。

在PEEM模型中，“主計算模塊”由4部分組成：（1）目標函數（Max Z），以生豬養殖收益及廢棄物處理收益之和最大化為目標。（2）目標變量，包含母豬存欄數等養殖變量和還田糞便量、生產沼氣糞便量和生產有機肥糞便量等廢棄物處理變量。（3）約束條件，包括大田種植面積和資金投入等資源約束、厭氧消化器容積等技術約束、氮磷剩余約束、排水水質標準約束等環境約束和沼氣需求等社會經濟約束。（4）外生變量，包括飼料、勞動力和原材料等各種要素價格和生豬、有機肥和沼氣等產品價格。

其中，Z表示總利潤；i表示生豬飼養和廢棄物處理各個階段；Zi表示i階段利潤；

還田約束：Sftf≤Sblztd

其中，Sftf表示糞便還田面積；Sblztd表示作物種植面積；由于糞便運輸成本很大，距離其他村莊較遠，運送到其他村莊進行還田在經濟上是不劃算的，因而本文中只考慮糞便在本村土地范圍內進行還田；

技術設計約束：Vuv≥F（Vflud×αuhrt,Vbgd）

其中，Vuv表示厭氧消化器容積；Vflud表示日處理污水量；αuhrt表示處理時間；Vbgd表示日產沼氣量；該式表示厭氧消化器容積是日處理污水總量、污水在消化器內停留時間和日產沼氣量的函數。

環境約束：Wtfj≤Wmaxtfj

其中，Wtfj表示折合氮和磷可還田糞便量；Wmaxtfj表示折合氮或磷可還田糞便最大值；i表示氮或磷；該式表示還田的糞便和污水中的氮磷含量不能夠超過土壤的承載量。

“生豬飼養模塊”利用生長函數、成本收益函數及相關技術設計函數來刻畫生豬生產系統，以反映繁育節律、物質循環和收支等情況。其中函數表達式主要有：

其中，PFyz表示養殖利潤；k表示生豬種類（出售的育肥豬或仔豬）；Rk表示銷售收入；l表示成本項目；Cl表示養豬成本。

其中，Exik表示氮或磷排泄量；j表示飼料種類；Qk表示存欄數；TFWjk表示飼料采食量；feij表示飼料氮或磷含量；eeik表示氮磷排泄量占采食量的比例。本公式根據物質守恒定律跟蹤氮磷在生豬養殖和廢棄物處理中的流向。

“廢棄物處理利用模塊”描述不同廢棄物處理方式下各階段的技術經濟特征，并細分為固液分離、還田、集水池、調節池、厭氧處理、凈化脫硫、貯氣柜、好氧處理和堆肥等9個子模塊。其中函數表達式主要有：

其中，INFil表示進入土壤的氮或磷數量；l表示大田中氮或磷循環路徑；OUFil表示土壤氮或磷流失量；KFil表示土壤氮或磷變化量。根據氮（N）和磷（P）在種植系統中的生態循環路徑，運用物質平衡理論，來決定其最佳施用量。

沼氣生產：Wgbd=[Wsbd×(1-βswp)+Wfbd×(1-βfwp)]×βbe

其中Wgbd表示日沼氣產量；Wsbd表示日厭氧處理固體豬糞量；βswp表示豬糞含水率；Wfbd表示日厭氧處理尿液量；βfwp表示尿液含水率；βbe表示沼化效率。

PEEM模型建模所需數據主要來源于作者在該村的實地調查和測量。除特別說明外，本文所有價格數據均采用2012年當地當年平均市場價格。豬群繁殖生長和欄位設計根據當地實際情況獲得相應數據。對飼料營養成分、肥料養分和作物吸收等技術參數，作者參閱了《飼料手冊》[23]、《肥料實用手冊》[24]和《農業技術經濟手冊》[25]中的相關數據。

3 模擬結果分析

根據PEEM模型結構和數據，采用GAMS計算程序，估計了該養殖場養殖規模、廢棄物處理與利用方式和收益的優化結果，如表1所示。為反映優化后的結果與目前實際情況的差異，表中也列出了2012年的實際值和模型優化結果與2012年實際值之間的差值。

與2012年實際情況相比，模型優化結果顯示可以對養殖規模、廢棄物處理利用方式做出一定的優化調整，從而改善養殖場的經濟效益和環境效益。

3.1 養殖規模

模型優化結果顯示母豬飼養頭數為817頭，比2012年增加67頭；生豬出欄總量達到11928頭，比2012年實際增加978頭，增長8.93%。由于廢棄物處理能力及其相應收益的擴大，可以使養豬場有更充足的資金，使養殖規模適量的擴大。

3.2 廢棄物處理方式

在糞肥還田施用上，現有處理方式將沼液直接施用于8 hm2的荷塘中，同時將1556.50t的糞便施用于15hm2的稻田中。而模型優化后，除將沼氣工程處理后的沼液直接施用荷塘外，還可施用少量（57.69t）固體糞肥。模型優化結果還顯示，可以在周邊52.50hm2的農田（稻田）中施用1966.28t的糞肥，并適當減少在單位稻田中的糞肥施用量。這表明當前糞肥還田施用的農地面積過小，可以通過適當擴大還田面積的方式將更多的養殖糞便用于種植業。

除用于還田外，當前固體糞便全部用于生產沼氣，模型優化后的結果同樣如此。而模型優化結果顯示，用于生產沼氣的糞肥量需要減少14.53%，以適當減少沼氣生產。這主要是由于糞便直接還田成本較低，優化后需要更多的糞便用于還田，從而減少了用于沼氣生產的糞便量。與目前實際情況下生活用能沼氣量相比，優化后用于生活用能的總量保持不變。優化前，生產過多的7萬m3沼氣直接排放，而優化后超出農戶生活用能使用量的3.5萬m3沼氣則被用于發電。這說明由于養殖場及農戶對于沼氣用于生活用能的需求有一定的總量限制，而將生產出的多余沼氣用于發電可以擴大廢棄物處理和利用規模。同時模擬結果顯示，目前還不需要采用堆肥方式進行有機肥的生產，這主要是由于目前通過糞肥還田和生產沼氣的方式足以處理當前規模下的養殖廢棄物，并且這兩種處理方式有較好的經濟效益。

表1 基于PEEM模型的優化結果

3.3 經濟效益

模型優化結果顯示，優化廢棄物處理模式后養豬場總收益較2012年實際收益提高32.79萬元，增長11.38%；其中生豬出售收益提高25.43萬元，糞便處理收益提高7.36萬元。在糞便處理收益中，優化后糞便直接還田收益提高7.75萬元，沼氣利用由于增加了沼氣發電利用方式而增加收益2.30萬元，而由于增加糞便處理能力和污水處理量而增加處理成本2.69萬元。這表明通過調整優化廢棄物處理與利用方式，可提高廢棄物處理能力，進而可適當擴大養殖規模，并能最終提高養殖場總收益。同時從分析結果也可看出，養殖場廢棄物處理和利用的成本較大，除去還田收益后養殖場廢棄物處理的收益為負值，這將可能會導致養殖場缺乏足夠的經濟激勵去開展綜合化的廢棄物資源化利用。

3.4 環境效益

根據養殖場當地種植方式、土壤條件以及作物的營養需求，優化后大田中的單位面積糞肥施用量為38.55t/hm2，這基本不會給當地土壤和地下水帶來環境威脅。而2012年實際的每公頃糞肥施用量高達103.77t，大大超過大田土壤承載能力，這將會造成氮磷的累積過量而給土壤和地下水造成環境危害。該養殖場每年在大田中過量施用糞肥達978.24t，優化后通過擴大還田面積，降低單位面積施用量的方式，則可以避免糞便過量還田對環境帶來的威脅，同時也增加糞便還田利用的經濟效益。同時模擬結果顯示，優化后的廢棄物利用和處理模式可以使得養殖場污水處理能力大幅度提高，減少730m3污水排放，實現污水“零排放”，從而避免了污水對周邊地表徑流和土壤的環境危害。另外通過引入沼氣發電的沼氣利用方式，將多余沼氣轉化為清潔高效的電能加以資源化利用，在帶來一定經濟收益的同時，也減少了7萬m3溫室氣體的排放。

4 結論和政策建議

4.1 結論

本文采用生態經濟模型方法，揭示了規模化畜牧養殖場廢棄物處理和利用中技術選擇、管理方式、經濟效益和環境效益之間的內在聯系，并通過模擬分析得出以下幾點研究結論：（1）養殖場在農田中過分使用畜牧養殖糞肥，將會超過土壤承載能力，給農田生態環境帶來危害，同時也會造成養殖廢棄物資源化利用的經濟效益不高。規模化養殖場要通過擴大還田面積，同時減少單位面積糞肥還田量的方式，增加糞肥的還田收益，同時減小環境污染的威脅，提高環境效益。（2）畜牧業養殖規模化集約化程度的提高，使得單純依靠農牧結合已經不能全面有效地解決大量而集中的養殖廢棄物所帶來的環境威脅，有必要綜合利用多種廢棄物處理和資源化利用方式來達到更好的經濟和環境效益。養殖場可以根據自身的養殖規模合理選擇糞肥直接還田、沼氣化利用和堆肥化等多種廢棄物處理與利用方式，來對畜牧養殖廢棄物進行綜合性的處理和利用，使得污水達到零排放，畜牧糞便在更廣闊空間范圍內得以利用。（3）規模化畜牧養殖生產方式帶來的環境污染危害和廢棄物處理難度均已超過傳統養殖方式，其廢棄物處理和利用需要較大的投入成本和運行費用，而廢棄物處理利用的經濟利潤又相對較低，導致很多畜牧養殖場缺乏足夠的經濟激勵進行廢棄物處理及其資源化利用

4.2 政策建議

基于以上研究結果，可以得出如下可供農業管理部門和環境管理部門管理者參考的政策建議。

4.2.1 推進農牧結合，適度還田利用 今后在新建養殖場審批中要對糞便還田做出相應的規定和要求，養殖場的建立盡量要保證有一定的配套耕地，優先考慮廢棄物能否得到周邊土地的利用和消納。養殖戶也要根據當地土地情況合理選址，與周邊土地所有權人事先達成糞便土地利用的協議或契約，以保證畜牧糞便得到經濟合理的處理和利用。同時，有必要對農民進行科學的宣傳和指導，根據作物需求和土壤承載力確定合理的施用量，將動物糞便適度還田，使得種植業和畜牧業相互促進、協調發展。

4.2.2 開展綜合利用，優化處理方式 在實踐上，由于廢棄物處理和利用方式多樣，需要對多種廢棄物處理技術和管理方式進行優化選擇和調整，來提高資源利用效率，降低處理利用成本，提高了養殖收益和廢棄物處理與利用的收益。同時要根據當地自然條件和社會經濟發展，結合當地肥料和能源需求，因地制宜地引入沼氣生產、沼氣發電和堆肥生產等技術，使得養殖場經濟效益和環境效益均得到優化提高。

4.2.3 加強環境管理，予以政策扶持 當前，有關政府部門在加強對規模化畜牧養殖進行環境管理的同時，還需要對采用廢棄物處理和資源化利用技術措施、并達到當地排放標準和環保要求的養殖場給予一定資金補貼或獎勵，以經濟手段促使畜牧養殖場積極開展廢棄物的處理和利用，推動畜牧養殖生產的可持續性和環境友好型發展。這樣不僅可解決規模化養殖對農村環境帶來的污染問題，而且也可帶來良好的社會經濟效益。

[1]農業部.中國畜牧業年鑒2012[M].北京:中國農業出版社,2012:1-27.

[2]孫振鈞,孫永明.我國農業廢棄物資源化與農村生物質能源利用的現狀與發展[J].中國農業科技導報,2006,8(1):6-13.

[3]Osei E,Gassman P W,Hauck L M,et al.Economic costs and environmental benefits of manure incorporation on dairy waste application fields[J].Journal of Environmental Management,2003,68(1):1-11.

[4]Osei E,Gassman PW,Saleh A.Livestock and theenvironment:lessons from a National Pilot Project[R].Report No.PR0801.Stephenville,Texas:Texas Institute for Applied Environmental Research,Tarleton State University,2008.

[5]Martinez J,Dabert P,Barrington S,et al.Livestock waste treatment systems for environmental quality,food safety,and sustainability[J].Bioresource Technology,2009,100（22）:5527-5536.

[6]Saleem M A M.Nutrient balance patterns in African livestock systems[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,1998,71(1-3):241-254.

[7]Torkamani J.Using a whole-farm modelling approach to assess prospective technologies under uncertainty[J].Agricultural Systems,2005,85(2):138-154.

[8]曾 悅,洪華生,曹文志,等.畜禽養殖廢棄物資源化的經濟可行性分析[J].廈門大學學報(自然科學版),2004,43(S1):195-200.

[9]王凱軍,金冬霞,趙淑霞,等.畜禽養殖污染防治技術與政策[M].北京：化學工業出版社,2004.

[10]于瀟萌,劉愛民.促使畜牧業養殖方式變化的因素分析[J].中國畜牧雜志,2007,43(10):51-55.

[11]Smith E,Card G,Young D L.Effect of market and regulatory changes on livestock manure management in Southern Alberta[J].Canadian Journal of Agriculture Economic,2006,54(2):199-213.

[12]劉洪濤,陳同斌,鄭國砥,等.有機肥與化肥的生產能耗、投入成本和環境效益比較分析——以污泥堆肥生產有機肥為例[J].生態環境學報,2010,19(4):1000-1003.

[13]Chinh N Q.Dairy cattle development:environmental consequences and pollution control options in Hanoi Province,North Vietnam[R].Economy and Environment Program for Southeast Asia(EEPSEA)Research Report,http://www.idrc.ca,2005.

[14]馬榮華,丁一凡,南國良,等.基于CDM的規模豬場大型沼氣工程經濟評價[J].中國畜牧雜志,2008,44(7):50-52.

[15]張美華.畜禽養殖污染的環境經濟學分析——以密云縣為例[D].碩士學位論文,首都師范大學,2006.

[16]王宇欣,蘇星,唐艷芬,等.京郊農村大中型沼氣工程發展現狀分析與對策研究[J].農業工程學報,2008（10）:291-295.

[17]華永新,朱劍平.大中型畜禽養殖場沼氣工程模式及投資效益分析[J].能源工程,2004（2）:11-15.

[18]王曉霞,王韓民,徐德徽.大中型沼氣工程商業化融資的前景及對策[J].管理世界,2004（7）:78-85.

[19]馬永喜.規模化畜禽養殖廢棄物處理的技術經濟優化研究[D],浙江大學博士學位論文,2011.

[20]Vatn A,Bakken L,Bleken M A,et al.A methodology for integrated economic and environmental analysisof pollution fromagriculture[J].Agricultural Systems,2006,88(2-3):270-293.

[21]Janssen S,van Ittersum M K.Assessing farm innovations and responses to policies:a review of bio-economic farm models[J].Agricultural Systems,2007,94(3):622-636.

[22]Pacini C,Wossink A,Giesen G.Ecological-economic modelling to support multi-objective policy making:a farming systems approach implemented for Tuscany[J].Agriculture,Ecosystemsand Environment,2004,102(3):49-364.

[23]周國安.飼料手冊[M].北京:中國農業出版社,2002:109-711.

[24]高祥照.肥料實用手冊[M].北京:中國農業出版社,2002:231-387.

[25]劉天福.農業技術經濟手冊[M].北京:農業出版社,1983:687-1114.