我國畜禽糞便污染現狀及處理與資源化利用分析

吳浩瑋，孫小淇，梁博文，陳家斌，2，周雪飛，2*

（1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092）

我國是農業大國，畜牧業作為我國第一產業的重要組成部分，為經濟發展提供了重要支撐。過去50 a，我國畜牧業養殖方式從家庭散養向規模養殖加速轉變，且畜牧業總產值占比提高了13.3%[1]；但部分地區出現了養殖密度過高、土地畜禽廢棄物超負荷等問題，導致環境污染風險驟增。如畜禽廢棄物經雨水沖刷流入水體，會導致水體富營養化；未經處理的畜禽糞污直接灌溉農田，易造成土壤板結，且有害污染物在土壤中的大量沉積會嚴重影響農作物生長[2-4]。據原農業部統計，我國每年畜禽糞污產生量高達38億t，但綜合利用率卻不足60%。在這種情況下，如何全面推進畜禽養殖廢棄物的處理及資源化利用成為亟待解決的問題。本文著重從畜禽糞便污染現狀及處理與資源化利用等方面進行系統分析。

1 畜禽養殖現狀及污染分析

1.1 畜禽養殖分布狀況

隨著我國經濟迅速發展以及民眾生活水平的提高，人們對肉蛋奶的需求不斷增加。自改革開放以來，我國畜禽業發展取得的成就有目共睹。隨著強農惠農政策的實施，我國畜禽業發展逐步加快，呈現穩步、健康發展的態勢[5-6]。依據中國畜牧獸醫年鑒，全國2015—2017年畜禽出欄量與存欄量匯總見表1。3 a中我國大型牲畜（豬、牛、羊）飼養量相對穩定，家禽飼養量有所上升。由于各地區耕地分布和人口密度的不同，導致我國畜禽養殖種類和疏密度出現了不平衡[7]。2017年全國各地區主要畜禽養殖數量（以豬當量核算）分布情況見圖1。從圖1看出，我國畜禽養殖主要集中在山東、湖南、河南及四川等省份，以內蒙古新巴虎左右旗交界處到海南省東方市西海岸為界線，西側為我國畜禽養殖的稀疏地區，而東側則為畜禽養殖的密集地區。統計數據分析表明：我國西南地區依據草原優勢發展以牛羊為主的食草型畜牧業；生豬產業集中在四川、河南、山東等省；禽蛋產業集中于河北、山東、江蘇等地。

1.2 畜禽養殖污染現狀及評估

伴隨畜牧業的飛速發展，畜禽養殖廢棄物的產生量也在逐年增加，對生態環境造成了極大威脅，其主要體現在水體、土壤和大氣污染三方面。

1.2.1 畜禽養殖污染種類

（1）水體污染

畜禽養殖產生的水體污染物主要包括有機物、氮、磷等物質，而這些污染物進入水體后會導致藻類迅速生長、水中溶解氧含量持續降低，導致水生生物大量死亡；同時，死亡的水生生物尸體腐敗后會導致厭氧細菌大量生長，使水體細菌指數超標，繼而散發惡臭，甚至可使河流生態功能喪失[8]。另外，滲入地下的污水會大幅增加地下水中硝態氮或亞硝態氮的濃度，降低地下水溶解氧含量，致使地下水水質嚴重下降。

（2）土壤污染

集約化、規模化養殖模式導致畜禽糞便排放量大，遠超土壤承載能力，難以被及時消納。畜禽糞便的大量堆積會導致土壤結構失衡及有害物質的不斷累積，如農田土壤中糞便施用過量會使土壤中氮、磷、鉀含量超標，嚴重抑制農作物生長[9]；此外，由于部分飼料中含有添加劑、抗生素等物質，將帶有此類有害物質的畜禽糞便施入農田土壤后可導致大量有害組分被農作物吸收，進而嚴重威脅食品安全。

表1 全國2015—2017年主要畜禽出欄量與存欄量匯總Table 1 Summary of China′s main livestock and poultry output and stock in 2015—2017

圖1 2017年各地區主要畜禽養殖數量（以豬當量核算）分布情況Figure 1 Distribution of main livestock and poultry raising in different regions in 2017（calculated by pig equivalent）

（3）大氣污染

畜禽養殖產生的空氣污染物以硫醇類、氨、硫化氫及糞臭素為主。在規模化養殖場中，由于養殖數量大且養殖區域集中，堆積的畜禽糞便經腐敗分解后會產生諸如硫化氫等大量有毒有害氣體，致使畜禽對疾病的抵抗力減弱，極易感染一些傳染病[10]；此外，據統計，畜牧業是全球排名第二的溫室氣體來源產業，在我國，畜牧業也是農業領域第一大甲烷排放源，若畜禽糞尿處理不當，將會對人們的生活環境和健康產生嚴重威脅[11]。

1.2.2 畜禽養殖污染量化評估

本文只對我國畜禽養殖污染情況做粗略評估。因此，本研究在計算畜禽糞便排泄量時，只考慮豬、牛、羊及家禽這4類畜禽。據《畜禽養殖業污染治理工程技術規范》（HJ 497—2009）和國內相關文獻[12]，飼養量估算如下：豬的飼養周期為199 d，因此豬1 a的飼養量按照當年的出欄數計算；牛按用途分類主要有肉牛、役牛、奶牛和種牛（種牛數量相對很少，本文做近似估算，不考慮），其中役牛和奶牛一般當年不出欄，采用年末存欄量作為當年飼養量。肉牛未出欄時通常算在役牛的年末存欄量里，肉牛的當年飼養量按當年的出欄量計；羊的飼養周期長于1 a，采用年末存欄量作為當年飼養量；由于無法收集各省家禽中肉雞、蛋雞、鴨及鵝的數據，故將家禽的年末存欄量近似認為是當年一個相對穩定的飼養量。依據我國生態環境部標準與國內相關文獻[12]，對畜禽糞、尿排泄系數（表2）和畜禽糞、尿污染物平均含量（表3）進行了確定。

基于此，可采用公式（1）對畜禽糞便年產生量進行估算：

式中：Q為年度畜禽糞便產生量；N為畜禽飼養量；T為飼養周期，其中豬的飼養周期為199 d，肉牛、役牛、奶牛、羊為365 d；P為畜禽糞便排泄系數。

在此基礎上，采用公式（2）進一步求得畜禽糞便中各類污染物含量：

式中：A為畜禽糞便中某類污染物含量；C為單位質量畜禽糞便中該類污染物含量。

表2 畜禽糞、尿排泄系數（kg·d）Table 2 Excretion coefficient of livestock and poultry manure（kg·d-1）

表3 畜禽糞、尿污染物平均含量（kg·t-1）Table 3 Average contents of pollutants of livestock and poultry manure（kg·t-1）

本研究由于無法收集各省家禽中肉雞、蛋雞、鴨、鵝的數據，故對家禽的糞便產生量做如下處理：將家禽的年末存欄量近似認為是當年一個相對穩定的飼養量；家禽糞便污染物含量則為雞糞與鴨、鵝糞污染物含量的平均值。采用公式（3）對家禽糞便產量進行估算：

本文以2017年畜禽養殖數據為基礎，依據上述公式對我國各地區主要畜禽（大型牲畜豬、牛、羊和家禽）糞尿中COD、氮、磷分布及負荷占比進行了計算，結果如圖2所示。

從各地區COD分布圖來看（圖2a），內蒙古、西藏、甘肅、青海、寧夏以及新疆牛糞便COD比例較高，均占其總排放量的70%以上，雖然這些地區羊養殖量顯著多于豬和牛，但由于牛糞COD遠超羊糞COD，因此牛糞反而成為了這些地區COD的最大來源；此外，黑龍江、貴州、云南及吉林牛糞便COD占其COD總量的60%左右，而其余地區豬為畜禽產業的主要養殖對象，因此豬糞COD占比較大。

圖2 各地區主要畜禽糞便中COD、氮、磷分布及負荷占比Figure 2 Distribution and load proportion of COD，TNand TPin manure of main livestock and poultry in different regions

從各地區畜禽糞便總氮、總磷分布圖來看（圖2b），四川、山東、河南、內蒙古、云南排名靠前，與排放量基本一致。由總氮負荷占比分布圖（圖2c）可看出，絕大多數省份產出的四類畜禽糞便中，牛糞便氮含量占比最高，豬糞便次之；而內蒙古、西藏、甘肅、青海、寧夏以及新疆等地區由于豬的養殖量較低，因此牛糞便的總氮比例較高，同時，這些地區羊養殖數量龐大，因此羊糞便的總氮比例顯著高于其他地區。從總磷負荷占比分布圖（圖2d）中可發現，西藏、青海、寧夏等地畜禽糞便中牛糞便含磷量均超過了50%，內蒙古與新疆兩地區羊糞便中磷占比最高，均超過46%，而豬糞便與家禽糞含磷量在其他地區占有較高比例。由此可見，各地區養殖結構的不同直接導致畜禽糞便中各類污染物占比呈現顯著差異。

2 畜禽糞便處理與資源化利用技術

通過對畜禽糞便進行有效處理，可在消除畜禽糞便污染的同時，使之變廢為寶，從而進行資源化利用。

2.1 畜禽糞便處理技術

2.1.1 除臭處理

針對畜禽養殖過程中產生的諸如氨氣和硫化氫等臭氣，主要從以下兩方面進行除臭處理：一是在飼料中添加除臭劑，強化飼料中蛋白質的消化吸收進而減少臭氣排放[13]；二是采用物理法（水洗法、空氣稀釋法）、化學法（燃燒法、投加藥劑法）和生物法（微生物菌劑、生物濾床法）等手段控制動物排泄后糞便的臭味，主要除臭手段的適用性及優缺點見表4。

2.1.2 固液分離處理

據推算，我國每年由畜禽養殖場排放污水的化學耗氧量（COD）總量已接近工業廢水的COD排放總量，而排放的總固體含量（TS）是工業固體廢棄物的4倍，達19億t[3]。鑒于畜禽養殖廢水和固廢混合物的復雜性，目前國內外普遍采用固液分離技術將畜禽廢物進行干濕分離，以便于后續處置（如厭氧發酵）。通過固液分離可以分離出高COD固相，有利于厭氧效果的提升；同時，液相COD的降低縮小了厭氧處理裝置的容積和占地面積，可有效節約成本。目前，廣泛應用的固液分離技術包括重力沉降技術、蒸發技術、絮凝分離技術、篩分技術、壓濾技術及沉淀離心技術，其應用優缺點如表5所示。

2.2 畜禽糞便資源化處理技術

2.2.1 厭氧發酵處理

畜禽糞便中有機質含量為30%～70%，是具有巨大應用潛力的碳源，可通過厭氧發酵轉化為甲烷、氫氣等清潔能源；同時，消化產物沼液和沼渣富含多種有益微生物及氮、磷等營養元素，可用作土壤有機肥[20]。因此，畜禽糞便的厭氧發酵處理是一種可同時實現畜禽廢棄物減量化、資源化和能源化的高效資源化技術。典型的畜禽糞便厭氧處理流程如圖3所示。

表4 各種除臭方法的比較[14-16]Table 4 Comparison of various deodorization methods[14-16]

表5 幾種固液分離技術的優缺點[17-19]Table 5 Advantages and disadvantages of several solid-liquid separation technologies[17-19]

目前，養殖場中常見的畜禽糞便厭氧發酵方式包括家庭式小型厭氧發酵罐、小型沼氣池及工程化升流式/臥式厭氧反應器。前兩種簡易厭氧發酵技術成本低、處理能力小，主要應用于個體養殖戶；而工程化升流式/臥式厭氧反應器主要應用于規模化養殖小區糞污集中處理。

2.2.2 堆肥化利用

畜禽糞便肥料化利用模式主要包括糞污全量還田、糞水肥料化利用、糞水達標排放、異位發酵床及糞污堆肥利用等5種[22]。相較而言，堆肥手段具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經濟效益好等優點，是目前應用較廣的畜禽糞便處理模式[23]。畜禽糞便堆肥是利用堆料中的微生物發酵降解糞中有機物質并產生高溫，促進糞便腐熟并殺滅其中的病原微生物及雜草種子等，最后形成有利于植物利用的化合物及腐殖質的一種生物化學過程[24-25]。典型的畜禽糞便堆肥工藝流程如圖4所示。

目前主要使用的堆肥技術包括條垛式堆肥、靜態堆垛堆肥、槽式堆肥和反應器堆肥4類，其實際應用范圍及優缺點如表6所示。

3 畜禽糞便的資源化利用潛能評估

對畜禽糞便進行資源化利用不僅能減少畜禽糞便的丟棄浪費，提高利用效率，且對畜禽養殖行業的可持續發展具有重要意義。按目前技術發展水平，畜禽糞便資源化利用方式主要為能源化利用和肥料化利用。本文以畜禽糞便產生量為基礎對畜禽糞便的能源化利用和肥料化利用潛能進行評估，旨在為畜禽養殖污染控制及能源布局提供數據支持。

3.1 能源化利用潛能評估

畜禽糞便能源化利用是基于厭氧發酵技術處理糞便的同時，將有機廢棄物轉化為甲烷、氫氣等清潔能源的過程。由于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，因而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資源化處置。進行畜禽糞便能源潛力（產沼氣量）評估時，以糞便的干物質含量或COD含量為基準進行計算，不同畜禽糞便的產氣率見表7[12，28]。

圖3 典型畜禽糞便厭氧處理系統[21]Figure 3 Typical anaerobic treatment systemof livestock manure[21]

圖4 堆肥工藝流程Figure 4 Process flow of the composting

表6 4種堆肥技術的優缺點Table 6 Advantagesand disadvantages of four composting techniques[26-27]

本文以干物質含量計，公式如下：

式中：Y為畜禽糞便產沼氣預估量，m3；n為畜禽種類數量；Mi為第i種畜禽糞、尿產量，kg；Di為第i種畜禽糞便干物質含量；βi為第i種畜尿糞便產氣率，m3·kg-1。

以公式（1）中的畜禽糞、尿年產生量（Q）作為Mi，以表7提供的干物質含量與產氣率數據為基礎，采用公式（4）對我國2017年各地區大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便可產沼氣量進行了估算，結果如圖5所示。

表7 畜禽糞便的干物質含量及產氣率Table 7 Dry matter content and biogas production rate of livestock and poultry manure

由圖可知，我國主要畜禽糞便能源潛力非常可觀，2017年我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便產沼氣總潛能為1 983.00億m3，通過折算后相當于產出1.42億t標準煤（以1 m3沼氣折合標準煤系數為0.714 kg ce進行計算）。我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便產沼氣潛力均值為63.97億m3，其中，產沼氣潛力較高的省份包括山東（161.78億m3）、內蒙古（156.85億 m3）、河南（143.18億 m3）、四川（137.80億 m3）和新疆（113.48億m3）；而產沼氣潛力相對較低的省份主要包括浙江（14.55億 m3）、海南（12.03億 m3）、天津（6.31億 m3）、北京（3.86億 m3）和上海（1.99億 m3）。以市場價標準煤450～550元·t-1為基準，可推算出我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便所產生的能源效益至少為637.14億元，各地區所產生的平均能源效益為20.55億元。

3.2 肥料化利用潛能評估

通常畜禽糞便污染物的流失率為25%～30%[29]，如按30%計，則2017年我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便氮、磷損失量分別為622.38萬t和171.26萬t。畜禽糞便養分主要包括氮和磷，經堆肥處理過的畜禽糞便中重金屬活性顯著降低，且養分更有利于植物吸收利用。

圖5 各地區主要畜禽糞便的產沼氣潛力Figure 5 Potential biogas of main livestock and poultry manure of different regions

由中國統計年鑒數據可知，2017年我國施用氮肥、磷肥分別為2 221.82萬t和797.59萬t。由此可知，我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便氮、磷養分含量分別達到氮肥、磷肥施用量的93.4%和71.6%。綜上，我國畜禽糞便肥料化潛力可以在較高程度上填補氮肥、磷肥的需求量，因此應增加畜禽糞便還田比例以減少化肥的施用，在降低農業生產成本的同時，解決畜禽廢棄物的污染問題并減少化學肥料對農田土壤的危害。

4 結論

（1）我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽養殖主要集中在山東、湖南、河南及四川等省份，畜牧業的發展帶來的水體、土壤和大氣污染不容忽視。各地區養殖結構的不同直接導致畜禽糞便中各類污染物（COD、總氮、總磷）占比呈現顯著差異。

（2）目前對畜禽糞便主要采用厭氧發酵、堆肥等資源化利用技術。由于堆肥具有對糞污無害化處理比較徹底、糞便附加值高、經濟效益好等優點，已成為我國畜禽糞便資源化利用的主流技術。

（3）我國大型牲畜豬、牛、羊和家禽糞便年產沼氣潛力為1 983.00億m3，折合1.42億t標準煤；在肥料化潛力方面，糞便總氮、總磷養分含量分別達到氮肥、磷肥施用量的93.4%和71.6%，可以在較高程度上填補氮、磷肥的需求量，減少化肥過量施用對農田土壤的危害。