我國畜禽養殖廢棄物資源化利用技術及模式研究

孟繁華，賈璇，吳雅楠，郭美欣，王月，曹金鐘，柴西龍

（1.中國環境科學研究院環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京100012；2.北京工商大學食品學院，中國輕工業清潔生產和資源綜合利用重點實驗室，北京100048；3.環境保護部環境工程評估中心，北京100012；4.河南綠色九州環保科技股份有限公司，河南鄭州450000）

隨著我國經濟快速發展和居民生活水平的提高，人們對肉蛋奶類產品的需求日益增長，將畜禽養殖業帶上了國家高速發展的列車。據統計，2015年畜禽養殖廢棄物排放實物量達到4.1×109t，占農業源排放總量的96%，折合4.21×108t標準煤，其中豬、牛、羊和家禽分別占43.6%，41.0%，6.6%和6.8%，是造成農業面源污染的重要原因[1]。耿維等[2]以畜禽產排污系數為基礎，研究了畜禽養殖廢棄物資源總量、能源潛力，結果表明，22.35億t的糞便量沼氣潛力達1 072.75億m3，能源潛力占天然氣消費量的60%，資源化潛力巨大。因此，研發適合我國廣大農村的畜禽養殖廢棄物資源化利用技術，建立可推廣的資源化綜合利用模式，是當前研究熱點。通過解析我國畜禽養殖廢棄物資源化的相關政策，分析畜禽養殖廢棄物的資源化潛力，從集中式和分散式處理兩個層面，因地制宜地提出適合我國畜禽養殖廢棄物資源化的綜合處理模式，并對畜禽養殖廢棄物資源化利用的發展機遇和面臨問題進行展望，以期為畜禽養殖廢棄物的高效資源化提供科技支撐。

1 畜禽養殖廢棄物資源化政策解析

當前，農村生態環境已成為全面建成小康社會的突出短板，要提升生態文明，建設美麗鄉村，堅決打好生態環境保護攻堅戰，農業面源污染治理是關鍵。2017年5月31日，農業部發布的《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》（以下簡稱《意見》）的主要目標，到2020年，建立科學規范、權責清晰、約束有力的畜禽養殖廢棄物資源化利用制度，構建種養循環發展機制，全國畜禽糞污綜合利用率達到75%以上，規模養殖場糞污處理設施裝備配套率達到95%以上，大型規模養殖場糞污處理設施裝備配套率提前一年達到100%。《意見》是我國畜牧業發展史上第一個專門針對畜禽養殖廢棄物處理和資源化利用的指導性文件，明確指出了建立企業投入為主、政府適當支持、社會資本積極參與的運營機制，為畜禽養殖廢棄物的處理和資源化利用提供了全面可行的指導。2018年2月4日，國務院公布了2018年中央一號文件《中共中央國務院關于實施鄉村振興戰略的意見》，提出實施質量興農戰略，優化養殖業空間布局，大力發展綠色生態健康養殖。加強農業面源污染防治，開展農業綠色發展行動，實現投入減量化、生產清潔化、廢棄物資源化、產業模式生態化。推進有機肥替代化肥、畜禽糞污處理、農作物秸稈綜合利用、廢棄農膜回收、病蟲害綠色防控。一號文件明確了實施鄉村振興戰略的重要舉措，提出要健全保障制度，開通融資渠道，強化投入保障，為畜禽養殖廢棄物處理提供了政策保障。

2 畜禽養殖廢棄物資源化潛力分析

畜禽養殖廢棄物資源化利用的主要途徑包括：能源化、肥料化、基質化和飼料化。

2.1 畜禽養殖廢棄物能源化

畜禽養殖廢棄物能源化是通過厭氧發酵技術，將有機廢棄物轉化為甲烷、氫氣等清潔能源的過程。厭氧發酵產生的沼氣經提純后可并網發電或作為車載天然氣，沼渣營養成分較高，可作為肥料或通過好氧發酵生產高品質有機肥，為農村地區提供低運行成本、易維護管理的智能化能源體系[3]。韓婭新等[4]研究了不同秸稈和畜禽糞便的基本特性及發酵情況，研究表明畜禽糞便的理論產氫潛力優于木質纖維素原料，且畜禽糞便中雞糞的降解速率最快，累積產氣量最高,可達到867.28 mL/g。Sfez等[5]基于印度農村的研究表明，秸稈與畜禽養殖廢棄物混合厭氧發酵產生的沼氣可替代46%的薪柴。目前，厭氧發酵技術已在國內外多地應用，但該法處理畜禽養殖廢棄物的一次性投資較大，對操作技術要求高，且受畜禽養殖規模的制約，主要適用于大規模養殖或散養密集區畜禽養殖廢棄物的集中式處理處置。

2.2 畜禽養殖廢棄物肥料化

畜禽養殖廢棄物肥料化是通過在通氣條件好，氧氣充足的條件下，通過專性和兼性好氧微生物作用，將有機廢棄物腐殖化和穩定化，轉化成腐熟基質的生化過程。據估算[6]，一個擁有上萬頭生豬的養殖場一年排放的糞尿所攜帶的養分至少可以滿足1 300～4 000 hm2農田的用肥需要，如果能將這些資源肥料化利用，將大幅減少農田化肥用量。朱菜紅等[7]研究發現，化肥配施雞糞堆肥、豬糞堆肥和酒糟堆肥,化肥15N利用率均超過60%,而單施化肥利用率僅為39%，可見配施有機肥能提高化肥氮的利用率。然而，肥料化應用存在兩方面問題，一是堆肥初期由于有機質迅速降解產生過高的有機酸，引起堆料酸化，抑制微生物活性；二是氮以氨氣、氧化亞氮（N2O）形式排放造成物料氮損失，導致堆肥品質下降[8]。此外，畜禽養殖廢棄物堆肥過程伴隨著溫室氣體N2O的排放，會導致臭氧層的損耗。因此，需要通過抑制酸化和有效控制氮損失等技術手段，提高畜禽養殖廢棄物肥料化的資源化效率，減少二次污染排放。

2.3 畜禽養殖廢棄物基質化

畜禽養殖廢棄物基質化是采用畜禽養殖廢棄物經發酵或高溫處理后，按一定比例混合，形成相對穩定并具有緩沖作用的全營養栽培基質原料。畜禽養殖廢棄物在發酵過程中迅速升溫，在50℃以上維持5～10 d，可有效殺死畜禽養殖廢棄物中的病原微生物、害蟲等，有利于菌類生長。基質化技術將畜禽養殖廢棄物生物轉化為菌類的基質，具有污染小、成本低、肥效長、土壤改良等優點，可實現有機廢棄物的無害化、減量化和資源化[9]。然而畜禽養殖廢棄物基質化存在缺乏基質栽培標準化參數、重復利用率低等問題，基質生產技術的優化升級是重點[10]。

2.4 畜禽養殖廢棄物飼料化

畜禽養殖廢棄物中因含有大量未消化的粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、B族維生素、礦物質及一些促進動物生長的因子，經加工處理可制成非常規飼料資源[11]。

王磊等[12]研究表明，蛋雞糞的營養價值與苜蓿粉相同，蛋雞糞與秸稈和糖蜜混合后制成顆粒飼料喂牛效果較好，每增重0.45 kg，其成本比苜蓿粉降低7.6%，且美國的雞糞飼料“托普蘭”，將蛋雞糞與燕麥、玉米混合制作飼料，其營養價值與普通配合飼料相當，而成本可降低30%左右。但由于畜禽養殖廢棄物含有病原微生物、殘留的抗生素、化學添加劑，作為飼料可能有害物質超標，導致動物中毒，且適口性差，因此畜禽養殖廢棄物飼料化必須做好防疫，避免病原菌的傳染。

3 畜禽養殖廢棄物綜合處理模式

畜禽養殖廢棄物綜合處理模式按養殖規模和分布情況分為集中式和分散式。

3.1 畜禽養殖廢棄物集中式處理模式

畜禽養殖廢棄物集中式處理模式適用于大中型養殖和散養密集區[13]，大中型養殖場以生豬養殖為例，指存欄在3 000頭以上的生豬養殖場；一些存欄在100～2 000頭的養殖規模較多的散養密集區，大多不具備獨立處理本場（戶）糞尿能力，因此也采取集中處理模式。對于其他畜禽種類的養殖量,可以根據GB 18596—2001中提到的換算標準進行換算。

3.1.1 固液分離－清潔提質回用模式

固液分離－清潔提質回用模式，首先采用篩分技術、壓濾技術和沉淀離心技術相結合的方法，對畜禽養殖廢棄物進行固液分離[14]。該模式以戶聚、村收、片處理為特征，以種豬養殖為例，通常以5～6戶養豬戶作為一片處理單元，沼氣點設在接近中心的位置。養殖戶將豬糞分為干（豬糞）、濕（豬尿及污水）兩類，運送至集料池進行資源化處理。干糞經好氧堆肥制成有機肥，濕糞經厭氧發酵生產沼氣，沼渣沼液經沉淀和人工濕地深度處理后，排入周邊農田或果園，還可回用沖洗圈舍[15]。以杭州天元農業開發有限公司為例，該公司豬舍面積29萬m2，存欄母豬1萬頭，年出豬將近20萬頭，畜禽養殖廢棄物采用固液分離-清潔提質回用模式，制成的有機肥在市場上銷售，綜合糞污處理費用及有機肥銷售收入，收支基本平衡[15]。

3.1.2 厭氧產沼-好氧制肥模式

厭氧產沼-好氧制肥模式適合在畜禽養殖糞污、作物秸稈充足的地區推廣。模式依托已建成的厭氧裝置和有機肥生產車間，將收集的糞污、秸稈、尾菜等廢棄物進行厭氧發酵，產生的沼氣作為能源供養殖場設備用氣及周邊居民生活用氣或并網發電[16]，產生的沼液沼渣加工生產顆粒有機肥和微生物液態有機肥。山東省肥城某項目處理規模為畜禽糞便180 t/d（含水率80%）、玉米秸稈20 t/d，采用厭氧產沼-好氧制肥一體化處理模式，物料通過進料設備投放到厭氧反應器進行厭氧發酵，產生的沼氣經凈化提純輸送到廠房或附近居民家使用，沼渣、沼液經固液分離機分離后，沼渣經好氧發酵制成有機肥，日產生物天然氣5 000 m3，有機肥14 t，實現了廢棄物資源利用的最大化。

3.1.3 菌菇基料-肥料循環利用模式

菌菇基料-肥料循環利用模式主要針對菌菇養殖工廠周圍的農業廢棄物。收集工廠周圍的畜禽養殖廢棄物和農業廢棄物，運送至蘑菇生產基地進行好氧發酵，制成適于菌菇生長的培養料，將畜禽養殖廢棄物中的營養成分轉化為可供人們食用的菌菇產品，栽培菌菇后的菌渣可作為加工有機肥的優質原材料，實現循環農業生產[17]。上海聯中食用菌專業合作社[17]的“稻麥草—蘑菇—有機肥”的農業循環生產模式即為此模式，它以雞糞、秸稈為原材料種植雙孢蘑菇，每年在農忙收割季節，合作社出價組織農民收割秸稈，將秸稈打成包運至蘑菇生產基地，既有效解決當地農作物秸稈焚燒問題，又增加農民收入。在生產基地通過全封閉式發酵自身產生的熱量來完成滅菌消毒，蘑菇生產結束后的下腳料又能直接還田，作為有機肥投入到農業生產中。

3.2 畜禽養殖廢棄物分散式處理模式

畜禽養殖廢棄物分散式處理模式適用于小型分散式的畜禽養殖。針對分散式處理存在收運成本高、養殖戶知識匱乏、管理維護困難等問題，提出了發酵床、蚯蚓糞和種養結合等簡單高效的處理模式。

3.2.1 發酵床模式

發酵床模式是利用鋸末、稻殼、秸稈等農業副產品下腳料制作成墊料，鋪設在特殊設計的發酵床上，借助有益菌的作用分解發酵畜禽養殖廢棄物中的有機物質，消除畜禽養殖廢棄物中氨氣和硫化氫等惡臭氣體，改善養殖舍環境的一種生態養殖模式。發酵床模式又分為原位和異位發酵床，其中原位發酵床指在養殖舍內直接鋪設發酵墊料制成發酵床，養殖動物直接在發酵床上生活；異位發酵床指在養殖舍外建設發酵槽，在槽中鋪設墊料，將養殖廢棄物直接或間接連續加到帶菌墊料上，采用機械攪拌和好氧發酵進行資源化處理。以溧陽市德潤畜禽養殖有限公司為例[18]，該公司以豬的排泄物為原料，養豬舍利用墊料和有益微生物建造發酵床，經原位發酵降解和轉化畜禽養殖廢棄物。發酵床模式具有無排放、無臭氣、節省飼料、廢棄墊料可資源化、處理方式靈活等優點，但存在墊料下降快、建設成本高、細菌和病原菌控制難度大等應用難點，需要通過優化墊料、抑制有害菌等手段進行優化[19，20]。

3.2.2 蚯蚓糞模式

利用蚯蚓的腐生性，在蚯蚓消化系統蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶和淀粉酶的作用下，將畜禽養殖廢棄物分解轉化為易于生物利用的營養物質，經蚯蚓排泄后成為蚯蚓糞[21]。廣西容縣奇昌種豬養殖有限責任公司應用蚯蚓糞模式，該公司將草料與豬糞交替鋪放，堆置發酵后用來飼養蚯蚓。收集的蚯蚓糞自然風干后直接施加到蔬菜田地或者塑封包裝貯存備用。利用蚯蚓糞技術處理的畜禽養殖廢棄物具有無害化、肥效高、營養豐富、抑制植物病害的優點，但由于畜禽養殖廢棄物中可溶性鹽含量較高，可能影響植物生長，加速土壤鹽堿化，因此需要進一步優化畜禽養殖廢棄物種類、配比，提高農用安全性[22]。

3.2.3 種養結合模式

種養結合模式適用于周圍有大量農田、果園的小型分散式養殖戶。農戶按擁有的農田活果園的面積確定養殖規模，養殖棚舍建設實施干濕分離，干糞經好氧堆肥后作為農肥施用到農田，尿液和污水經沉淀池沉淀后作為肥水還田，實現畜禽養殖廢棄物的綠色生態循環[23]。以寧夏青銅峽市青銅峽鎮的陽光牧業公司為例，該公司以養牛為主，配有200 hm2葡萄園消納牛糞污。牛糞污經干濕分離后，干糞好氧發酵生產有機肥自用和銷售，尿液和沖洗廢水作為肥料排入葡萄園，種養結合模式得到良好的應用。

4 展望

《第一次全國污染普查公報》顯示，畜禽養殖業的污染排放已經成為我國最重要的農業面源污染源之一。畜禽養殖業排放的化學需氧量高達1 268.26萬t，占全國所有污染物排放的化學需氧量的41.9%；氮和磷污染的排放量分別為102.48萬t和16.04萬t，分別占全國所有污染物氮和磷排放總量的21.7%和37.9%。由于我國畜禽養殖業的發展和畜禽養殖結構變化，農業勞動力成本提高，畜禽養殖方式正逐步從分散式小型化養殖向集中式規模化養殖轉變。受畜禽產品需求的區域差異、運輸和銷售成本等因素影響，畜禽養殖逐漸向東部發達地區和城郊區域集中，超過70%的畜禽養殖分布在東部地區及大城市的城郊，加劇了畜禽養殖廢棄物的環境威脅[24]。因此，因地制宜地研發適合我國畜禽養殖廢棄物資源化利用技術，加強集中式處理模式的優化升級和推廣應用，鼓勵政策引導和政府補貼力度，從而優化養殖業空間布局，是建立科學規范、權責清晰、約束有力的畜禽養殖廢棄物資源化利用制度，實現農業綠色發展的鄉村振興戰略的重要內容，也是農業供給側結構性改革的關鍵任務。