畜禽養殖業面源污染微生物發酵床控制技術應用與防治建議

李艷苓 耿 兵朱昌雄

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所農業清潔領域團隊，北京100081）

畜禽養殖業面源污染微生物發酵床控制技術應用與防治建議

李艷苓 耿 兵*朱昌雄*

（中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所農業清潔領域團隊，北京100081）

文章闡述了當前我國畜禽養殖業面源污染的狀況，總結了目前微生物發酵床養殖技術在控制畜禽養殖業面源污染方面取得的進展，介紹了以微生物發酵技術為核心的畜禽養殖污染控制與治理系統方案。最后，結合實踐提出我國畜禽養殖業面源污染防治的建議，包括紅線倒逼、種養結合、模式轉化、適度規模、技術升級、生態獎補和完善法規等方面。

微生物；原位發酵床；異位發酵床；面源污染

近年來我國畜禽養殖業發展迅速，但是畜禽養殖廢棄物無害化處理和綜合利用的工作開展不夠，畜禽養殖廢棄物引起的水環境污染現象時有發生。畜禽養殖業面源污染問題已威脅到農業和社會經濟的可持續發展。目前，我國在畜禽養殖業面源污染防治技術研究方面開展了大量工作，取得了一定的進展。其中，微生物發酵床養殖技術以免沖洗、低污染和生態化的特點得到了較為廣泛的推廣應用。本文闡述了當前我國畜禽養殖業面源污染的現狀和微生物發酵床養殖技術在控制畜禽養殖業面源污染方面取得的進展，并提出我國畜禽養殖業面源污染防治的建議。

1 畜禽養殖業面源污染概況

1.1 對水環境的影響

近年來，我國規模化畜禽養殖業發展迅速，隨之而來的是養殖廢棄物的大量產生和排放，相應的水環境污染問題凸顯。相關報道表明，2015年我國畜禽糞便產生量為47.6億噸，折算成氮、磷和鉀純養分為0.4億噸，但是畜禽糞便的還田利用率僅有約50%[1]。《第一次全國污染源普查公報》的數據顯示畜禽養殖業排放的化學需氧量1 268.26萬噸、總氮102.48萬噸、總磷16.04萬噸，分別占我國污染物總排放量的41.9%、21.7%和37.9%，占農業源排放量的95.8%、37.9%和56.3%[2]。

1.2 對土壤環境的影響

我國規模化畜禽養殖業發展迅速，同時飼料生產中含有重金屬元素的預混劑和添加劑被大量使用，從而形成重金屬土壤污染的潛在風險[3]。如果將重金屬含量不達標的養殖廢棄物還田利用，則會造成土壤生態系統的危害[4]，進而危害到人類的食品安全和身體健康。如果土壤中積累過多的重金屬元素鋅，會阻礙植物生長，甚至導致植物停止生長[5]；如果銅含量過多，會破壞土壤中微生物的蛋白質結構，使其因蛋白質變性而死亡，導致土壤肥力降低，甚至土壤板結[6]。2014年4月公布的《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，全國土壤總的超標率為16.1%，其中輕微、輕度、中度和重度污染點位比例分別為11.2%、2.3%、1.5%和1.1%。污染類型以無機型為主、有機型次之，復合型污染比重較小，無機污染物超標點位數占全部超標點位的82.8%[7]。

1.3 對大氣環境的影響

畜禽養殖業產生的惡臭氣體可以引起人的不愉快感覺或者會對人的身體健康造成威脅。相對于畜禽糞尿引起的水體和土壤污染，人對惡臭氣體造成的空氣污染更為敏感。惡臭氣體主要產生于畜禽糞便的腐解過程，諸如糞便產生、儲存和處理過程，甚至田間施用過程都會釋放一定量的惡臭氣體。有研究表明高濃度或者長期暴露于惡臭氣體中，會造成人生理機能的障礙和病變[8,9]。畜禽養殖舍內各種氣體都有其濃度限值要求，超過一定限值會引起畜禽的健康不適或導致疾病的發生，重者引起中毒，甚至死亡。畜禽養殖業產生的臭氣在一定程度上阻礙了其健康發展，因此，開展畜禽養殖業惡臭氣體污染控制與治理技術的研究已成為畜禽養殖業可持續發展的重要任務[10]。

2 微生物發酵床養殖技術在畜禽養殖業面源污染控制中的應用

2.1 原位微生物發酵床養殖技術

原位微生物發酵床養殖技術最早起源于日本、韓國，隨后在中國大面積推廣應用。在國外稱為deep-litter-system、in situ decomposition of mature或the microbial fermentation bed[11-15]。其優點是畜禽在發酵床中運動，增加其運動量，提高了生長性能；畜禽口服益生菌，優化腸道微生物的菌群結構，提高了畜禽免疫力及飼料利用率；避免每天對飼養場地清理，減少廢水產生，降低臭氣濃度，不會對環境造成影響；使用后的墊料含有豐富的營養物質，有機質含量較高，可用于生產有機肥，進而實現廢棄物的資源化利用[13,16,17]。

最初，國內外研究者對原位發酵床養殖技術應用于生豬養殖研究得比較深入，探討了傳統養殖模式和發酵床模式豬只生長性能的差異，發現在幼豬飼養到第22周時，發酵床中的豬只利用更多的時間站立、運動以及在墊料中翻拱；在飼養到第9周時發酵床中豬只的唾液皮質醇濃度較高，但是在第17、22周則與傳統模式飼養豬只的唾液皮質醇濃度相同，說明幼豬在飼養初期對發酵床環境產生了一定的應激反應，到第17周就已適應[13]。另有研究則通過試驗驗證了原位發酵床養豬可以減少豬只取食距離，進而提高豬只的取食量、取食次數以及體重[18]。因此，發酵床提供了更適于豬只運動、生長的環境，同時更方便豬只的喂養和管理。也有研究發現，分別利用水泥地面和原位發酵床技術飼養相同的豬只，來源于豬只的NH3釋放量分別為8.82 g/天和2.16 g/天，兩種模式在第2個飼養周期NH3的釋放量分別比第1個飼養周期提高了4.9倍和1.1倍。在整個試驗過程中的平均臭氣濃度分別為105.4 OU和67.5 OU。因此原位發酵床對降低養殖過程中氨氣和臭氣的濃度具有一定作用[15]。原位發酵床養殖技術在雞、鴨、牛等養殖生產中也有廣泛應用，其研究也主要集中在原位發酵床技術養殖與傳統養殖模式在飼養管理、畜禽生長性能、廢棄物資源化利用、環保等方面的優勢對比以及對發酵床墊料配置、床體設計方面的優化[17,19]。同時，相關研究均表明，原位微生物發酵床使用后的墊料含有豐富的氮、磷、鉀和有機質等養分，為有機肥制作的良好原料。通過測定我國山東、吉林等地5個養豬場發酵床墊料成分，發現發酵墊料中富含氮、磷、鉀、有機質等營養元素，但是鹽分含量偏高、腸道寄生蟲卵嚴重超標，具有安全隱患，所以施用前還需要對其做無害化處理[20]。

2.2 異位微生物發酵床養殖技術

關于微生物發酵床技術的研究，已經報道的主要是以原位發酵床技術為主，該技術雖然具有減少環境污染、提高畜禽飼養管理效率以及促進農民增收等方面的優勢，但是在實際生產應用中依然存在很多問題。

首先是原料方面的問題。鋸末和谷殼是生態發酵床墊料中常用的材料，所以需求量非常大。有研究發現，每平方米的墊料（80 cm厚），谷殼和鋸末各需要4包（30～35 kg重）左右。因此對于一個規模化養殖場來說，如果在短期內籌備大面積采用生物發酵床技術所需要的原料，造價成本很高。除此之外，木屑和谷殼可以作為培養食用菌的基質，木屑還可應用于生產建筑材料，例如復合夾板門、刨花板、仿石板材等。其用途的廣泛，為鋸末和谷殼的收集增加了難度，同時對木材相關行業及谷殼的市場供應也會造成巨大影響。因此，考慮根據不同地區農作物種植情況，因地制宜地采用其他農村植物廢棄物來替代單一的墊料原料具有一定的研究價值。其次，在發酵床養殖模式下，只能對養殖屋舍及墊料表面進行消毒。墊料是微生物大量繁殖的培養基，據檢測，每克新鮮墊料中各種微生物的含量可超過108CFU。雖然發酵床中接種益生菌劑發酵后，可以達到60℃～70℃的高溫，能夠消滅不耐受高溫的病原微生物，但是在部分發酵不完全的墊料中仍然存留了大量的各類微生物。在飼養畜禽過程中，一些生病的畜禽攜帶的病原菌可能保留在墊料中，成為病害累積暴發的隱患。最后，發酵床畜禽養殖的基本原理就是利用發酵來消解糞尿。墊料中的中溫、嗜溫微生物利用一些可溶性有機物質進行繁殖并轉化為熱能，隨著溫度的積聚，導致嗜溫菌大量繁殖，引起更多有機物降解并釋放出更多的熱能，發酵床溫度可以達到40℃～55℃之間甚至更高，此時的高溫極不利于畜禽的正常生長。

針對以上問題，研究者考慮改變原位發酵床的畜禽養殖模式，將畜禽養殖與發酵床分離，即建立異位發酵床養殖模式。利用發酵床中的墊料對糞污進行分解轉化，同時處理養殖糞便和廢水，解決了養殖場廢水直排對周圍水體的環境污染問題。將農作物秸稈（油菜、水和玉米秸稈）應用于異位發酵床填料，實現養殖污染和秸稈焚燒污染的同步解決。該技術可以在一定程度上解決畜禽通過墊料攜帶病原菌發生病害的隱患，同時也避免了由于床體溫度過高不利于畜禽的生長。將養殖場中的畜禽糞便進行固液分離后集中收集，固糞可采用高溫堆肥的方式處理，液體可統一在異位發酵床中進行噴灑，分解處理。此技術的研究應用對于解決原位發酵床存在的問題具有實際意義。研究表明異位微生物發酵床填料溫度高于55℃保持3天以上，可以有效消滅填料中有害微生物，提高填料的衛生安全系數。每單位填料廢水吸納能力的系數為2.40，且全過程pH值平均浮動于8左右，適宜好氧發酵。發酵后填料中的有機質、碳氮比均下降，總氮（TN）、總磷（TP）、總鉀（TK）均上升，填料的總養分含量為6.19%，有機質的質量分數為56.11%，均達到我國有機肥料關于總養分含量及有機質質量分數的標準，滿足其作為再利用的有機肥料的基本要求，提高了農業生產的資源利用率和經濟效益[21]。

2.3 以微生物發酵技術為核心的畜禽養殖污染控制與治理系統方案

圖1 基于微生物發酵的畜禽養殖污染控制與廢棄物全循環利用技術

國家水體污染控制與治理科技重大專項針對畜禽養殖業污染負荷大的問題，以養殖業廢棄物源頭減排和資源化利用為思路，突破了多項關鍵技術，為流域畜禽養殖業面源污染治理提供有力保障。以微生物發酵技術為核心的畜禽養殖污染控制與治理系統方案作為畜禽養殖業面源污染控制的關鍵技術之一主要通過微生物發酵模式控制養殖廢棄物外排，以源頭控制為理念，采用微生物發酵床生態養殖、飼料微生物添加、養殖廢棄物和廢棄墊料高值轉化等多種途徑將養殖場廢棄物全部收集并進行資源化利用。該項技術在安徽省合肥市桂和奶牛養殖場（存欄奶牛1 000頭）和旺盛養豬場（年出欄1萬頭）的應用效果表明，工程實施后污染物COD、TN、TP削減入河率大于95%、98%和97%，工程出水水質的COD＜100 mg/L、NH4+-N＜25 mg/L、TN＜40 mg/L、TP＜3 mg/L。大通欄原位發酵床養豬技術和異位發酵床技術已經推廣到福建、山東、浙江等省，近5年來推廣應用1 300多萬頭豬；原位發酵床養殖技術已擴大推廣到了填鴨養殖上，在北京金星鴨業已完成32棟鴨舍的發酵床改造，推廣應用了300多萬羽；異位發酵床技術控制養殖污染已推廣到養雞業，這幾年在四川成都青神縣及周邊縣推廣了300多萬羽。以微生物發酵床技術為主制定了《畜禽養殖污染發酵床治理工程技術指南》，已由環境保護部于2015年頒布實施，主要用于指導良好湖泊的農業面源污染治理。對資源化產品進行了21 500畝的技術示范和推廣，進行養分流失規律研究，通過生物肥料和優化施肥技術結合，在化肥使用降低20%的情況下，能保證農作物產量不減產。有機肥施肥量400～500 kg/畝，控制農田養分流失20%～30%；生物有機肥施肥量200kg/畝，控制農田養分流失25%～35%。

3 我國畜禽養殖業面源污染防治建議

3.1 建立畜禽養殖業污染分區管理和污染預警體系 （紅線倒逼）

依據我國不同區域土壤類型、氣候條件、資源稟賦、養殖類型以及種植業生產等特點確定環境承載力，初步建成全國各縣市養殖業污染預警體系，并結合經濟發展和社會水平科學布局，實現養殖業環境分區管理。養殖業環境政策得到進一步落實；養殖業新建項目環評率進一步提升，東部地區各縣（市）超過90%，西部地區各縣（市）超過80%，禁、限養區劃定完成，且實現禁、限養區內不符合條件養殖場的轉移、關閉；規模以上養殖戶對環保法、畜禽規模養殖污染防治條例等法規政策有更加深入的了解。

3.2 優化產業布局和結構，實施源頭控制 （種養結合）

根據我國現有的土地、水資源、環境保護和市場需求等實際情況，以環保部發布的全國生態功能區劃和農業部發布的優勢農產品區域布局為基礎，以農牧結合和區域養分綜合管理為中心，結合各地的環境容量和生態承載量以及農田分布、種植制度等，科學制訂畜禽養殖業發展規劃，在規模化畜禽養殖場選址時要保證附近農田能夠消納和有效利用所有畜禽糞便，降低畜禽糞便排放造成環境污染的風險。

3.3 轉變生產模式，構建畜禽養殖業循環經濟體系 （模式轉化）

結合我國的實際情況在發展養殖產業過程中應充分結合人、畜和環境等綜合因素，實行“適度規模化飼養”，全面考慮影響養殖環境和配套資源，形成一套適應當地情況、與生態環境和諧共存、可持續發展的養殖體系與標準，積極提升養殖場管理水平，將過去盲目追求增加養殖產品數量的粗放型養殖方式轉變為以提升質量為目的的現代化科學養殖方式。與此同時，積極發展循環農業經濟模式，通過就近農田消納養殖廢棄物的方式實現廢棄物的資源化利用。積極推廣微生物發酵床養殖技術、干濕清糞技術。鼓勵和引導養殖戶將沼渣沼液還田處理，降低二次污染風險。

3.4 推廣健康養殖模式 （技術升級）

為了解決養殖飼喂源頭污染問題，減輕畜產品公害和畜禽糞便對環境的污染，積極推廣和應用畜禽生態飼料。在飼料原料的選購、配方設計、加工飼喂等過程，進行嚴格質量控制和實施動物營養系統調控，以改變、控制可能發生的畜（水）產品公害和環境污染，使飼料達到低成本、高效益、低污染的效果。加強對養殖防疫工作的監管，杜絕違規使用激素和抗生素現象。

針對發酵床養殖技術完善相關推廣政策和標準體系，建立資金扶持渠道，加大推廣工作力度，加強相關科技研發和教育宣傳力度。解決養殖污染物污染嚴重的問題，從整個區域出發，結合產業結構調整規劃，以“污染負荷削減—資源化利用—產業化運行—環境與食品安全”為主線，實現種植業、養殖業、加工業和農村生活污染物質的循環和能量流動。以有機定位要求生產農業產品的目標，采用政府扶持、市場推進的戰略，實現養殖污染物的污染處理與資源化利用。

3.5 完善生態獎補，推進以獎促制 （生態獎補）

使畜禽養殖業主要污染物排放量占全國總污染物排放比例顯著下降。COD排放量比例控制在40%以內，氨氮排放量比例控制在20%以內，其他污染物排放量逐年遞減；單位產量養殖產品的污染物排放量逐年減少。積極推進生態補償制度，繼續實行以獎促制的環保政策，通過經濟手段激勵生產者采用環保的養殖技模式，解決現有的養殖業污染防控技術和政策難與生產者對接的矛盾。

3.6 加快推進畜禽規模養殖污染防治條例、環境保護法以及水十條等相關法律法規的落實，出臺實施細則，制定相關配套政策 （完善法規）

農業、畜牧、環保、財政等部門要聯合出臺政策，建立支持養殖污染防治的資金支持機制；發改委、電力等部門要聯合出臺政策，允許沼氣發電并入電網，以解決畜禽養殖糞便處理的后顧之憂；農業、畜牧等部門要出臺政策，支持發展生態農業，鼓勵畜禽糞便、沼渣、沼液還田綜合利用，以降低治污成本。

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X713

1673-4645(2017)07-0025-05

2017-07-20

國家水體污染控制與治理科技重大專項課題（2015ZX07103-007，2014ZX07510-001）；國家自然科學基金項目（41471399，41101474）

李艷苓（1991-)，女，內蒙古奈曼旗人，碩士研究生，從事農業農村有機廢棄物污染控制與資源化循環利用研究，E-mail：1278212013@qq.com

*通訊作者：耿兵（1979-），副研究員，從事農業農村有機廢棄物污染控制與資源化循環利用研究，E-mail：gengbing2000@126.com；朱昌雄（1963-），研究員，國家水體污染控制與治理科技重大專項流域面源污染治理與水體生態修復成套技術標志性成果責任專家，E-mail：zhucx120@163.com