山西省規(guī)模養(yǎng)豬場的產(chǎn)排污系數(shù)測算

隋 超 李文剛 焦福林 吳志娟 胡廣英 閆益波 岳 磊 任毅菲 淡江華

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所， 山西太原 030032）

縱觀歷史，人類從原始社會開始在土地上種植糧食，圈養(yǎng)牛、羊、豬、雞等動物。幾千年來，一直遵循這樣的生產(chǎn)生活方式。土地一直是人類生存發(fā)展不可或缺的重要資源。但是土地對各種物質(zhì)的承載能力是有限的。畜禽養(yǎng)殖技術(shù)的進步、養(yǎng)殖規(guī)模的逐步擴大，隨之而來的就是畜禽養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的糞污物對土地的污染與影響。

歐美等國家早已開始對畜禽養(yǎng)殖業(yè)所產(chǎn)生的糞污物質(zhì)進行研究，測算確定完整的畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)排污系數(shù)，并制定了相應(yīng)的法律法規(guī)來約束畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)排污行為。我國于 2008 年前后組織了“第一次污染源普查”，2009 年出版了包括東北、華北、華東、西南、西北、中南六個地區(qū)的 《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》[1]。此外，董紅敏[2]、王國利[3]、何志平[4]、汪開英[5]、莊犁[6]等學(xué)者也在畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)方面進行了不同程度的研究。已有的產(chǎn)排污系數(shù)研究主要分布在江蘇、浙江、四川、北京、安徽、河南、廣西和黑龍江等地[6]。 《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 及許多學(xué)者都認(rèn)為在估算畜禽養(yǎng)殖業(yè)年污染物對土地污染程度時應(yīng)用豬當(dāng)量來換算評估是否超出土地的承載能力。但這些研究并不包括山西省。因此，通過試驗研究的方法測算山西省的規(guī)模豬場的產(chǎn)排污系數(shù)是十分必要和合理的，也比較有代表意義。

1 畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)污系數(shù)、排污系數(shù)的定義和計算方法

1.1 畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)污系數(shù)是指在正常的生產(chǎn)和管理條件下，一定時間內(nèi)單個畜禽所產(chǎn)生的原始污染物量，包括糞尿量以及糞尿中含有的各種污染物量。

1.2 畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)

畜禽污染物排放系數(shù)是指在正常的生產(chǎn)和管理條件下，單個畜禽每天產(chǎn)生的原始污染物經(jīng)處理設(shè)施消減或利用后，或未經(jīng)處理利用而直接排放到環(huán)境中的污染物量。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的排污系數(shù)由污水和固體廢棄物2部分組成。固體廢棄物主要考慮收集糞便在貯存和處理過程中的流失率；污水包括在畜禽舍中未收集的糞便、尿液和沖洗水等混合物，這些是畜禽養(yǎng)殖排污系數(shù)的主要來源。畜禽養(yǎng)殖污水主要是通過貯存、固液分離、厭氧沼氣發(fā)酵、好氧處理、氧化塘及人工濕地等方式進行處理后利用或排放。

2 山西省晉中介休地區(qū)某萬頭豬場的產(chǎn)排污系數(shù)測算試驗

2.1 試驗地點

以山西省晉中介休地區(qū)某萬頭規(guī)模豬場作為試驗地點。該規(guī)模化豬場采取干清糞的方式處理養(yǎng)豬場中的糞便，沼氣池厭氧技術(shù)處理豬場中的尿液以及其他生活污水。此規(guī)模豬場可代表山西省大部分規(guī)模養(yǎng)豬場的養(yǎng)殖水平。因此，監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)總體可以反映山西省規(guī)模化養(yǎng)豬場的產(chǎn)排污基本情況。

2.2 試驗樣品的采集

2.2.1 試驗樣品采集時間

學(xué)者、專家們普遍采用1年為試驗周期，分四季分別采集樣品，樣品采集時間為3～5 d。本試驗以一年為試驗周期，分別在春季、夏季、秋季、冬季采集樣本。每次試驗期10 d，7 d預(yù)飼，3 d采樣，避免飼料對試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。

2.2.2 試驗動物（豬）的分組原則

每季挑選60日齡的保育豬5頭、120日齡的育肥豬5頭及750日齡的妊娠母豬5頭。保育豬每頭飼養(yǎng)在一個中型代謝籠里，育肥豬每頭飼養(yǎng)在一個大型代謝籠里，妊娠母豬每頭飼養(yǎng)在一個大型代謝籠里。糞便和尿液分開收集。

2.2.3 樣品采集的原則

試驗期間，每天下午15時30分稱重記錄每頭試驗豬的采食量和體重，采集重量在0.1 kg和0.25 kg的新鮮糞便樣品2個（每100 g加4.5 mol/L硫酸溶液5 mL），0.5 L的尿液樣品一個（滴3滴甲苯固定，每100 mL加4.5 mol/L硫酸溶液2 mL）。排污系數(shù)的測算要求在產(chǎn)污系數(shù)的基礎(chǔ)上考慮污染物處理效率。因此，每天下午15時30分在污水處理設(shè)備的進水口和出入口采集樣品，污水樣品0.5 L，滴3滴甲苯固定，加4.5 mol/L硫酸溶液調(diào)節(jié)pH值，使其小于2。

2.3 測定指標(biāo)與測定單位

2.3.1 檢測指標(biāo)

糞便的主要檢測指標(biāo)為含水率、有機質(zhì)、總氮、總磷；污水和尿液的主要檢測指標(biāo)包括COD、總磷、總氮、氨氮。飼料成分包括粗蛋白、磷、含水率。

2.3.2 檢測單位

所有采集的糞便送山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所檢測。尿液、污水樣品、飼料樣品送山西省太原市京誠科技公司檢測。

3 糞便、尿液、污水中各物質(zhì)成分檢測

保育豬糞便中含水率濃度由高到低依次是春季＞冬季＞秋季＞夏季，全氮濃度從高到低分別是冬季＞夏季＞春季＞秋季，全磷濃度由高到低分別是冬季＞春季＞夏季＞秋季，有機質(zhì)濃度從高到低依次是冬季＞秋季＞夏季＞春季，糞便產(chǎn)生量從高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD濃度、氨氮濃度和總氮濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，總磷濃度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，尿液產(chǎn)生量由高到低分別是夏季＞春季＞冬季＞秋季。

育肥豬糞便中含水率濃度由高到低分別是秋季＞冬季＞春季＞夏季，全氮濃度從高到低依次是冬季＞春季＞秋季＞夏季，全磷濃度、有機質(zhì)濃度和糞便產(chǎn)生量由高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。尿液中COD濃度由高到低依次是秋、春、冬、夏，氨氮濃度和總氮濃度從高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季，總磷濃度由高到低分別是夏季＞春季＞秋季＞冬季，尿液產(chǎn)生量由高到低依次是秋季＞夏季＞冬季＞春季。

妊娠母豬糞便中含水率由高到低分別是秋季＞夏季＞冬季＞春季，全氮從高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季，全磷從高到低分別是春季＞秋季＞夏季＞冬季，有機質(zhì)濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏季＞秋季，糞便產(chǎn)生量由高到低依次是冬季＞春季＞夏季＞秋季。尿液中COD濃度由高到低依次是夏季＞冬季＞春季＞秋季，氨氮濃度從高到低依次是春季＞冬季＞夏秋，總氮濃度和總磷濃度從高到低分別是秋季＞夏季＞春季＞冬季，尿液產(chǎn)生量由高到低分別是冬季＞春季＞秋季＞夏季。

表1 糞便、尿液、污水中各種物質(zhì)成分

污水中COD濃度和氨氮濃度由高到低依次是夏季＞秋季＞春季＞冬季，總氮濃度從高到低依次是春季＞秋季＞冬季＞夏季，總磷濃度由高到低分別是春季＞冬季＞秋季＞夏季。

4 產(chǎn)污系數(shù)的計算公式與結(jié)果

4.1 試驗豬場生豬不同生長階段日產(chǎn)污系數(shù)計算公式

在計算畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)污系數(shù)時董紅敏[2]、莊犁[6]等都以天為單位，分別計算不同動物（生豬、奶牛、肉牛、蛋雞、肉雞、山羊、綿羊）、單個（頭、只）動物在不同飼養(yǎng)階段的產(chǎn)污系數(shù)。采用的公式如下：

式⑴中，i、j、k分別為動物種類、生產(chǎn)階段、污染物種類；Fi,j,k為單位動物產(chǎn)污系數(shù)，mg/d；Qi,j為單位動物糞產(chǎn)量，kg/d；Ci,j,k為糞便中污染物濃度，mg/kg；Pi,j為單位動物尿液產(chǎn)量，L/d；Ui,j,k為尿液中污染物濃度，mg/L。

4.2 試驗豬場生豬不同生長階段產(chǎn)污系數(shù)計算結(jié)果

通過公式⑴計算得出試驗豬場生豬不同生長階段產(chǎn)污系數(shù)，見表2。

表2 生豬不同生長階段產(chǎn)污系數(shù)

產(chǎn)污系數(shù)：保育豬產(chǎn)糞量為0.689333 kg/d、產(chǎn)尿量1.126667 L/d、氮產(chǎn)生量30.71844 g/d、磷產(chǎn)生量9.311602 g/d、氨氮產(chǎn)生量1.079056 g/d、COD產(chǎn)生量13.80784 g/d；育肥豬產(chǎn)糞量 1.2995 kg/d、產(chǎn)尿量2.573167 L/d、氮產(chǎn)生量 55.04271 g/d、磷產(chǎn)生量19.09751 g/d、氨氮產(chǎn)生量2.795423 g/d、COD產(chǎn)生量39.70804 g/d；妊娠母豬產(chǎn)糞量1.0875 kg/d、產(chǎn)尿量3.4665 L/d、氮產(chǎn)生量 50.51397 g/d、磷產(chǎn)生量26.79187 g/d、氨氮產(chǎn)生量4.10173 g/d、COD產(chǎn)生量39.2535 g/d。

4.3 試驗豬場產(chǎn)污系數(shù)與華北地區(qū)生豬產(chǎn)污系數(shù)的比較

由圖1可知，試驗場保育豬糞便、尿液、氮產(chǎn)生量、磷產(chǎn)生量及COD分別是華北地區(qū)保育豬排放量的66.28%、1.05倍、1.5倍、267.57%、5.83%；試驗場育肥豬糞便、尿液、氮產(chǎn)生量、磷產(chǎn)生量及COD是華北地區(qū)育肥豬排放量的62.25%、1.2倍、1.67倍、3.15倍、9.46%；試驗場妊娠母豬糞便、尿液、氮產(chǎn)生量、磷產(chǎn)生量及COD是華北地區(qū)妊娠母豬排放量的53.31%、96.83%、1.16倍、2.7倍、8.14%。《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》中未提及氨氮產(chǎn)生量。

試驗得出的保育豬、育肥豬、妊娠母豬的氮磷產(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》中調(diào)查的華北地區(qū)的排污結(jié)果，但是試驗得出的COD的產(chǎn)生量卻不到《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》統(tǒng)計結(jié)果的10%。這或許與試驗采用的豬的品種、飼料中氮磷含量、飼養(yǎng)條件等有關(guān)。

5 排污系數(shù)的計算公式與結(jié)果

5.1 試驗豬場生豬不同生長階段排污系數(shù)計算公式

排污系數(shù)的測算要求在產(chǎn)污系數(shù)的基礎(chǔ)上考慮污水的處理效率[6]。不同學(xué)者對排污系數(shù)的計算采用的公式不同。本文參考董紅敏[2]計算畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)的公式。具體公式如下：

式⑵中，Di,j,k為單位動物排污系數(shù)，mg/d；ηU為糞便利用率，%；ηT,k為第k種污染物處理效率，%。ηF為糞便收集率，%；WU為污水利用量，m3/d；WP為污水產(chǎn)生量，m3/d。

試驗豬場采取“干清糞＋沼氣池厭氧”處理生豬排出的糞便、尿液及其他污水。糞便收集后堆漚成有機肥后再還田，故糞便利用率ηU為0，污水經(jīng)厭氧處理后直接排放至貯存池儲存，定期排放，故WU污水利用量為0，m3/d。

5.2 試驗豬場生豬不同生長階段排污系數(shù)計算結(jié)果

排污系數(shù)：保育豬的氮產(chǎn)生量為1.474438 g/d、磷產(chǎn)生量為9.329156 g/d、氨氮產(chǎn)生量為9.329156 g/d、COD產(chǎn)生量為14.87408 g/d；育肥豬氮產(chǎn)生量為62.31923 g/d、磷產(chǎn)生量為18.75259 g/d、氨氮產(chǎn)生量為2.63437 g/d、COD產(chǎn)生量為43.10466 g/d；妊娠母豬氮產(chǎn)生量為60.61763 g/d、磷產(chǎn)生量為26.16499 g/d、氨氮產(chǎn)生量為 4.564842 g/d、COD產(chǎn)生量為43.51085 g/d。

5.3 試驗豬場排污系數(shù)與華北地區(qū)生豬排污系數(shù)的比較

由圖2可以看出，試驗組保育豬、育肥豬（試驗）、妊娠母豬的氮產(chǎn)生量分別是華北地區(qū)保育豬、育肥豬、妊娠母豬氮產(chǎn)生量的45.79%、11.67倍、7.19倍；試驗組保育豬、育肥豬、妊娠母豬的磷產(chǎn)生量分別是華北地區(qū)保育豬、育肥豬、妊娠母豬磷產(chǎn)生量的24倍、43倍、100倍。試驗組保育豬COD產(chǎn)生量僅占華北地區(qū)保育豬的55.33%，試驗組育肥豬、妊娠母豬的COD產(chǎn)生量分別是華北地區(qū)育肥豬、妊娠母豬的1.4倍和2.23倍。《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》未涉及氨氮產(chǎn)生量的內(nèi)容。

這與董紅敏[2]所得出的北京市某豬場不同階段生豬的排污系數(shù)氮的產(chǎn)生量、磷的產(chǎn)生量、COD的產(chǎn)生量高于《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》中氮的產(chǎn)生量、磷的產(chǎn)生量、COD產(chǎn)生量的結(jié)論相符合[6]。《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》對于污水處理的方式?jīng)]有涉及，這也是試驗得出的排污系數(shù)與《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》結(jié)果相差較大的原因。

6 試驗豬場生豬不同階段的產(chǎn)污系數(shù)與排污系數(shù)的比較分析

由圖3可知，保育豬的氮排放量占氮產(chǎn)生總量的4.8%，但是保育豬的氨氮排放量卻是氨氮產(chǎn)生總量的8.65倍。保育豬的磷、COD及其他階段的各種污染物的排放量與產(chǎn)生量的數(shù)值在94.24%～120%之間。豬場干清糞效率在90%的情況下，除保育豬的氮、氨氮外，保育豬的磷、COD及其他階段的各種污染物的排放量與產(chǎn)生量的數(shù)值在94.24%～120%之間，說明該豬場的沼氣厭氧池處理污水的效率極低，不能很好地降低各種污染物的濃度。

7 山西省生豬養(yǎng)殖業(yè)的排泄系數(shù)

周天墨[14]、林源[15]等都對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的日產(chǎn)污系數(shù)進行了整合，以便在估算畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污產(chǎn)生量時有精確的排泄系數(shù)。

本文采用林源[15]的日產(chǎn)污系數(shù)整合公式，經(jīng)過計算得出，一頭生豬的排泄系數(shù)：產(chǎn)糞量為1.06482 kg/d、產(chǎn)尿量為2.016821 L/d、氮的產(chǎn)生量為45.68722 g/d、磷的產(chǎn)生量為15.3337 g/d、氨氮產(chǎn)生量為2.135282 g/d、COD產(chǎn)生量為29.74642 g/d。母豬的排泄系數(shù)：產(chǎn)糞量為2.920821 kg/d、產(chǎn)尿量為7.550412 L/d、氮的產(chǎn)生量為133.5327 g/d、磷的產(chǎn)生量為59.34817 g/d、氨氮產(chǎn)生量為 8.516361 g/d、COD產(chǎn)生量為87.22412 g/d。

8 結(jié)論與討論

通過試驗采樣、實驗室樣本成分分析，運用公式⑴和公式⑵得出試驗豬場的產(chǎn)排污系數(shù)。試驗得出的山西省的產(chǎn)排污系數(shù)與《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》的結(jié)果相比，各階段生豬的糞尿產(chǎn)生量差異不大，但氮磷產(chǎn)生量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》的結(jié)果。試驗得出的COD產(chǎn)生量不到《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》結(jié)果的10%。試驗發(fā)現(xiàn)不同階段生豬的排污系數(shù)氮產(chǎn)生量、磷產(chǎn)生量、COD產(chǎn)生量高于《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》中的氮產(chǎn)生量、磷產(chǎn)生量、COD產(chǎn)生量。《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》中污染普查與本次試驗所選擇的豬品種、采樣時間、采樣時處理措施、豬場采用的清糞方式、尿液污水處理技術(shù)等不同。此外，豬場所用飼料的氮磷含量也影響糞尿中各污染物的排泄。因此兩者的產(chǎn)排污系數(shù)存在極大的差異。

保育豬的氮排放量占氮產(chǎn)生總量的4.8%，但保育豬的氨氮排放量卻是氨氮產(chǎn)生總量的8.65倍。保育豬、育肥豬及妊娠母豬的磷、氮、氨氮、COD等的排放量與產(chǎn)生量的數(shù)值在94.24%～120%。說明厭氧處理污水效率極低。莊犁等[6]通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)生豬養(yǎng)殖小區(qū)采用干清的清糞方式、厭氧＋好氧的污水處理方式得到的排污系數(shù)遠(yuǎn)低于同地區(qū)其他養(yǎng)殖規(guī)模的排污系數(shù)。說明“厭氧＋好氧”的污水處理方式效率要優(yōu)于厭氧處理。

未來山西省的規(guī)模豬場應(yīng)采取以下措施來控制豬場的糞污排放量。①提高規(guī)模豬場糞便的收集率；②定時維護與優(yōu)化沼氣池的處理工藝，提高沼氣池處理尿液及其他生活污水的效率；③通過添加植酸酶和氨基酸來降低飼糧中蛋白質(zhì)和磷含量，這樣可以降低豬糞尿中的氮磷含量[28-30]。

此外，根據(jù)試驗得出的產(chǎn)污系數(shù)，代入公式⑷和公式⑸得出山西省養(yǎng)豬業(yè)的排泄系數(shù)：一頭生豬產(chǎn)糞量為1.06482 kg/d、產(chǎn)尿量為2.016821 L/d、氮的產(chǎn)生量為45.68722 g/d、磷的產(chǎn)生量為15.3337 g/d、氨氮產(chǎn)生量為2.135282 g/d、COD產(chǎn)生量為29.74642 g/d。妊娠母豬產(chǎn)糞量為2.920821 kg/d、產(chǎn)尿量為7.550412 L/d、氮的產(chǎn)生量為133.5327 g/d、磷的產(chǎn)生量為59.34817 g/d、氨氮產(chǎn)生量為 8.516361 g/d、COD產(chǎn)生量為87.22412 g/d。利用具體的山西省養(yǎng)豬業(yè)的排泄系數(shù)可以準(zhǔn)確估算山西省的糞污年產(chǎn)生量。

綜上所述，生豬的不同生長階段的產(chǎn)排污系數(shù)與《第一次全國污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)及排污系數(shù)手冊》存在極大的差異。本次試驗測算得出的生豬不同生長階段的產(chǎn)排污系數(shù)是在第一次污染普查的基礎(chǔ)上對山西省畜禽養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)排污系數(shù)的修正，更符合山西省畜禽養(yǎng)殖的污染特點，實用性更強。精確的排泄系數(shù)為估算山西省的糞污年產(chǎn)生量提供了較為準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。