畜禽糞污能源化利用與存在問題

陳明波 汪玉璋

摘 要：近年來，畜禽養殖業規?；⒓s化快速發展，產生越來越多畜禽糞污，造成了不容忽視的環境問題。該文對畜禽糞污沼氣厭氧發酵處理技術及影響因素進行了綜述，分析了畜禽糞污對環境的危害和能源化利用存在的問題，提出了發展措施，以期為畜禽糞污處理提供參考。

關鍵詞：畜禽糞污；厭氧發酵；沼氣

中圖分類號 X713 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0110-03

Abstract：The rapid development of large-scale and intensive livestock and poultry farming has brought serious environmental problems. The paper analyzes the environmental hazards of livestock and poultry manure，summarizes the anaerobic fermentation technology and influencing factors，analyzes the existing problems and puts forward the development measures，in order to provide reference for the use of this technology to treat livestock and poultry manure.

Key words：Livestock and poultry manure；Anaerobic fermentation；Biogas

近年來，在國家標準化規模養殖等扶持政策的推動下，我國畜牧業快速發展，養殖規模、數量持續增長，規?；?、集約化程度不斷提高，極大豐富了消費市場。與此同時畜禽糞污的產生量也在逐年增加，許多畜禽糞污未得到及時處理，造成了不容忽視的環境問題，不僅影響了畜牧業的健康發展，也危及到人民群眾的身體健康。如何快速有效地處理規模龐大的畜禽糞污，避免將資源變成污染源，已成為擺在各級政府面前的迫切課題。2016年12月，中央財經領導小組第十四次會議提出，要加快推進畜禽養殖廢棄物處理和資源化，力爭在“十三五”時期基本解決大規模畜禽養殖場糞污處理和資源化問題。2017年中央一號文件提出，要大力推行高效生態循環的種養模式，加快畜禽糞便集中處理，推動規模化大型沼氣健康發展。沼氣工程作為處理畜禽糞污的一種有效手段，集環保、能源、資源再利用于一體，是規?；B殖場處理畜禽糞污的一種有效方法[1-2]，近年來在工程實踐中取得了較好的效果。

1 我國畜禽糞污治理狀況

根據《中國畜牧業年鑒》提供的有關數據，2017年我國畜禽糞污排放總量約38億t，真正被還田消納利用的不足60%，有近14%的糞污排入水體和土壤，對生態環境造成了嚴重污染[3]。目前畜禽糞便處理的方法主要有飼料化利用、肥料化利用和能源化利用。飼料化利用主要是在畜禽日糧中添加一定比例經處理的糞便作為畜禽的日糧。肥料化利用是畜禽糞便的一種傳統處理方法，可直接施用或做堆肥。堆肥是糞便在微生物的作用下，使有機物礦質化、腐殖化和無害化而變成肥力更好的腐熟肥料的過程。在此過程中，蛋白質的氮、磷被分解成可被植物利用的有效態氮、磷，且產生腐殖質，增加土壤肥力，同時堆肥過程殺滅了畜禽糞便中的病原菌、雜草種子等，進一步提高了肥料品質[4]。能源化利用是將畜禽糞便通過一定的技術方法轉化為可利用的能源，包括燃燒產熱、沼氣厭氧發酵產氣等。沼氣厭氧發酵產氣主要是利用厭氧細菌的分解作用，將有機物經過厭氧消化作用轉化為沼氣和二氧化碳，發酵產物沼液沼渣可作為優良的有機肥料用于農田。

2 畜禽糞污對環境的危害

畜禽糞污由水、蛋白質、脂肪、纖維素、非蛋白含氮物質、礦物質、病原微生物、寄生蟲等組成，這些組成成分決定了其既是資源也是污染物。糞便作為資源可以帶來財富，作為污染物可污染水體、空氣、土壤，直接或間接危害食品質量安全和人類健康[5]。畜禽糞污含有大量的氮、磷及有機質，如不經處理直接排放，可使水體中COD超標，氮磷等營養元素過量，最終導致水體富營養化，危及水生生物生存，破壞水生態環境[6]。畜禽糞便中的有機質在堆放時可分解產生一些諸如甲烷、硫化氫、氨氣、甲硫醇等惡臭氣體，對空氣產生嚴重污染，進而影響人類健康。畜禽糞便是良好的有機肥料，被微生物分解后為土壤提供大量的腐殖質，可有效改良土壤結構和肥力。但是糞便施用過多也會導致土壤鹽分增加，土壤板結，不利于作物生長。飼料中的抗生素以及鋅、銅、鎘等重金屬可隨糞便殘留在土壤中，長期施用后可能造成土壤抗生素超標及重金屬污染。據《第一次全國污染源普查公報》，畜禽養殖污染源化學需氧量、總磷、總氮排放量分別占農業源污染物排放總量的96%、56%和38%，畜禽糞污污染已經成為我國流域性水體污染、土壤污染和空氣污染的主要來源。

3 畜禽糞污能源化利用技術

當前畜禽糞污能源化利用技術主要包括燃燒產熱和沼氣厭氧發酵產氣，由于燃燒產熱利用很少，目前畜禽糞污能源化利用主要是指沼氣厭氧發酵產氣。沼氣厭氧發酵技術利用厭氧細菌的分解作用生產沼氣和有機肥，是一種有效處理農業廢棄物的途徑。其關鍵技術是厭氧發酵，主要包括水解、酸化、乙酸化和產甲烷4個階段，發酵過程受原料成分、溫度、pH值等多種因素影響。

3.1 原料成分 微生物的生長繁殖需要一定數量的養分，原料成分主要包括脂類、蛋白質及纖維素。脂類物質能為厭氧發酵提供大量的碳和氫，利于甲烷生成，但含量不宜過高，否則抑制甲烷的生成[4]。蛋白質等有機氮經厭氧發酵后大部分轉化為氨，并以NH3和NH4+兩種形態存在，其中NH4+是微生物的營養物質也是新陳代謝的酶所必需的，但是當原料中蛋白質含量過高時，氮含量過高會導致過多的游離氨生成，對厭氧發酵產生氨抑制，不利于發酵過程進行[7]。纖維素主要是通過影響原料的碳氮比而影響微生物的生長活動。在碳氮比上，含碳量高的原料發酵慢，含氮量高的原料發酵快，應合理搭配[8]。碳氮比過低，pH值過高，發生氨抑制，不利于甲烷菌的生存；碳氮比過高，pH值過低，會發生脂肪酸的積累，不利于甲烷的產生[9]。畜禽糞便如雞糞等是富氮原料，其碳氮比為2.5∶1[10]，碳氮比比較低，實際應用中需加入農作物秸稈等纖維素含量高的原料，以調節碳氮比，一般認為發酵原料的碳氮比以（20～30）∶1效果較好。

3.2 溫度 沼氣厭氧發酵與溫度密切相關，溫度主要影響微生物的生長速率和基質的代謝速率，是影響沼氣日產氣量和沼氣厭氧發酵產氣率高低的重要因子。適宜溫度條件下微生物活力強、繁殖旺盛，發酵原料分解和甲烷生成的速度快，產氣多。根據微生物對溫度的適應性，沼氣發酵區分為常溫發酵區10～26℃、中溫發酵區28～38℃、高溫發酵區46～60℃。秦文弟等研究認為不同發酵原料對厭氧發酵日產氣量和日產氣率受溫度的影響較大。氣溫、發酵裝置內溫度與日產氣量和日產氣率均呈正相關，產氣高峰期氣溫越高，日產氣量和日產氣率也越高[11]。

3.3 pH值 pH值是沼氣厭氧發酵的一個重要影響因素，會影響產氣效率、消化程度等處理效果。不同的微生物對pH值的耐受范圍不同，沼氣發酵適宜的pH值為6.5～7.5，pH值過高或過低均對發酵產生抑制作用，影響沼氣發酵。導致pH值變化的因素主要有發酵原料的pH值、發酵料液的濃度、甲烷菌的數量和發酵罐負荷等。畜禽養殖場沼氣發酵原料為畜禽糞污，一般情況下發酵過程中pH值有一個自然平衡過程，不需要進行調節。只有在原料配置不當或缺乏正常操作管理的情況下才會出現揮發性酸大量積累、pH值過低的現象，需要及時采取調節措施使之恢復正常發酵。工程實踐中常用的調節方法主要有停止進料、加濃度2%左右的石灰水澄清液、加草木灰和適量濃度5%左右的氨水等。

4 畜禽糞污能源化利用存在的問題

4.1 沼液、沼渣的安全使用問題 為加快豬的生長速度、提高飼料利用率和預防疾病，飼料生產廠家常在飼料中添加大量含有銅、鋅、鐵、砷等微量元素的添加劑，同時一些養殖場養殖過程中過量使用抗生素，導致以畜禽糞污作為發酵原料的沼氣工程排出的沼液沼渣中時常存在重金屬、抗生素超標問題[12-14]。沼液沼渣中重金屬、抗生素的存在勢必影響沼肥的質量，農田長期大量施用后，會導致土壤耕層中有害物質累積，存在污染農產品和生態環境的潛在風險。

4.2 種養失衡，沼液、沼渣無法就近還田利用 在國家政策的支持下，近年來規?；B殖取得了快速發展，而種植業的規模化程度并沒有同步提高，導致種植業規模與養殖規模不相適應。許多養殖場附近沒有規模化的種植業農場來消納產生的大量沼肥。分散經營的農戶意見不一，部分農戶由于用肥習慣等原因不愿意施用沼肥，一部分農戶愿意使用沼肥但由于用量較小、難以產生規模效應導致施用成本較高，最終致使規模養殖場沼肥很難實現農田完全消納。加之部分養殖場規劃不合理，周圍缺乏配套的農田，更增加了沼肥還田的難度。

4.3 沼氣工程裝備、沼氣提純凈化等配套技術尚需完善 在過去很長一段時間內，我國對沼氣工程的研究重點都圍繞在沼氣發酵技術上，忽略了對沼氣工程裝備技術的研究和開發。目前市場上的沼氣工程裝備自動化程度低，裝備沒有統一的規格，距離形成產業化還有較大差距[15]。另外目前我國沼氣的提純、凈化，沼液沼渣的深度處理、合理使用等技術還需進一步完善[16]。

5 發展措施

沼氣工程技術通過沼氣厭氧消化過程產生沼氣和有機肥，集環保、能源、資源再利用于一體，是規?；B殖場處理畜禽糞污的優選方式之一。針對存在的問題，在整體思路上應遵循因地制宜、農牧結合、種養平衡的原則，堅持生態循環的理念，采用發達國家普遍采用種養結合的模式[17-18]，以種定養，科學布局和合理規劃養殖業，鼓勵通過土地流轉等方式擴大種植業規模，為沼肥大規模利用提供經濟可行的種植業基礎。結合沼氣工程產業發展需求，在工程裝備方面進一步提高原料預處理、沼氣發酵、氣體凈化、產品利用等環節裝備設計標準化、成套化水平，進一步提高沼氣工程裝備自動化水平，降低運行成本。在“三沼”綜合利用方面進一步加強沼渣沼液中有害物質監測、去除等方面研究，制定沼渣沼液農田施用規范。從畜禽養殖源頭控制攝入品，堅持科學飼養，控制抗生素使用，嚴控飼料中重金屬上限，降低畜禽糞污經處理還田后對土壤污染的風險。

參考文獻

[1]吳佳軍，張少鵬，韓瑞萍，等.江蘇省沼氣工程調研及工藝分析[J].中國沼氣，2017，35（2）：104-109.

[2]聶新軍，金娟，王強，等.浙江農村規模化沼氣工程沼渣養分分析[J].浙江農業科學，2017，58（12）：2111-2114.

[3]范建華，金波，顧華兵，等.我國部分地區畜禽糞污資源化利用現狀調查[J].中國家禽，2018，40（14）：69-72.

[4]張家才，胡榮桂，雷明剛，等.畜禽糞便無害化處理技術研究進展[J].家禽生態學報，2017，38（1）：85-90.

[5]侯世忠，戰翔，韓雯.畜禽糞污資源化利用及畜禽養殖污染防治技術[J].當代畜牧，2018（6）：49-52.

[6]張東，徐甦，陳斌，等.畜禽糞便沼氣工程處理技術[J].浙江農業科學，2012（2）：223-227.

[7]于蕾，江皓，錢名宇，等.沼氣工程厭氧發酵過程的監測與控制[J].中國沼氣，2014，32（6）：59-64.

[8]吳小武，劉榮厚.農業廢棄物厭氧發酵制取沼氣技術的研究進展[J].中國農學通報，2011，27（26）：227-231.

[9]付尹宣，桂雙林，廖夢垠，等.混合厭氧發酵產沼氣研究進展[J].能源研究與管理，2016（1）：11-14.

[10]陳斯，熊承.再談秸稈沼氣發酵的碳氮比[J].中國沼氣，2009，27（2）：38-39.

[11]秦文弟，黃凌志，蔣湖波，等.不同牲畜糞便厭氧發酵產沼氣性能研究[J].中國沼氣，34（4）：37-40.

[12]馮靈芝.沼液資源化利用及存在問題[J].農技服務，2017，34（18）：123-126.

[13]葛振，魏源送，劉建偉，等.沼渣特性及其資源化利用探究[J].中國沼氣，2014，32（3）：74-82.

[14]辛格，高亞茹，陳國松，等.沼液成分與重金屬含量分析[J].化工時刊，2018，32（1）：9-16.

[15]孫振鋒.沼氣工程裝備研究應用現狀與展望[J].中國沼氣，2018，36（4）：66-69.

[16]李偉，吳樹彪，Hamidou Bah，等.沼氣工程高效穩定運行技術現狀及展望[J].農業機械學報，2015，46（7）：187-196.

[17]張蕙杰，張熠，陳天金，等.丹麥農業廢棄物資源化利用的調研報告[J].中國乳業，2018（7）：11-14.

[18]徐慧，韓智勇，吳進，等.中德沼氣工程發展過程比較分析[J].中國沼氣，2018，36（4）：101-108.

（責編：徐世紅）