畜禽糞污資源化利用研究進展

羅俊丞，羅婭君，陳楊武，朱榮霞，譚周亮*

(1.綿陽師范學院 資源環境工程學院，四川 綿陽 621006； 2.中國科學院環境與應用微生物重點實驗室，四川 成都 610041； 3.宜賓學院，四川 宜賓 644000)

隨著我國畜禽養殖業快速發展，每年產生的畜禽糞污也大量增加，2016年我國畜禽糞污產量達42.38億t[1-2]。畜禽糞污若不經處理隨意排放，會污染環境，破壞生態平衡，從而威脅到人類健康[3-4]。目前，我國處理畜禽糞污大致有兩種思路，一種是達標排放，即把畜禽糞污經過物理、化學和生物方法處理后達標排放[5-6]。另外一種是資源化利用，即把畜禽糞污作為資源通過一定的技術手段加以利用，主要包括肥料化、飼料化、能源化和種養結合。達標排放方式由于畜禽糞污具有高濃度的COD、TP、TN等污染物特點，導致畜禽糞污達標排放難度大，運行成本高，在中小規模畜禽養殖企業難以實現[7-8]。而且，畜禽污染物排放標準與工業污染物排放標準不同，處理達標后的畜禽糞污沒有相應的受納水體，隨意排放容易造成二次污染，畜禽糞污處理達標后肥用價值較低，不適合農業灌溉，這限制了畜禽糞污達標處理的發展；資源化方式利用畜禽糞污不但可以避免環境污染，還可以生產沼氣和有機肥，帶來經濟價值，推動農業綠色、健康和可持續發展。畜禽糞污資源化利用可有效緩解當今的能源短缺和環境污染問題，是實現我國鄉村振興和美麗中國建設的重要途徑。為我國畜禽糞污資源化的應用和推廣提供參考，綜述畜禽糞污資源化利用模式，分析我國糞污資源化利用存在的問題，并提出相應建議。

1 我國糞污資源化利用方式

資源化利用方式處理畜禽糞污可分為養殖源頭減量、養殖過程減排和養殖末端綜合利用3個環節[9]。養殖源頭減量主要是通過提高畜禽飼料利用率和轉化率，減少糞污產量，如使用微生物飼料，向飼料中添加復合酶、植酸酶，提高飼料轉化率；也可采用節水節料技術，從源頭減少畜禽糞污排放量[9]。畜禽糞污在養殖過程中減排目的是提高畜禽糞污處理效率和避免二次污染，主要包括糞污干濕分離、雨污分流和糞污氨減排。其中，氨減排包括改進運輸車輛、修建糞污儲存池、糞漿酸化處理技術、糞污冷卻技術等[10-12]。養殖末端綜合利用是通過一系列的技術手段對畜禽糞污進行處理和利用，不但可以解決畜禽糞污污染問題，還能產生經濟價值，其處理方式主要包括飼料化、肥料化、能源化和種養結合[13-14]。3個環節中以養殖末端綜合利用處理糞污量最多，是解決環境污染和實現畜禽糞污資源化利用的核心內容。因此，重點介紹養殖末端糞污綜合利用處理方式。

1.1 肥料化利用

畜禽糞污中含有豐富的有機物、氮、磷、鉀等營養元素，能為作物提供生長所需的營養，增加土地有機質含量，是優質的有機肥來源[4,15]。施用糞肥可以有效增加土壤養分、有機碳(SOC)儲存量和pH值，從而提高作物產量[16-17]。2016年，我國畜禽糞污能提供氮肥1.2×107t，磷肥1.9×106t，施用糞肥能減少化肥用量，降低農業成本，促進種植業和養殖業可持續發展[2]。

畜禽糞污肥料化利用有好氧發酵堆肥和厭氧發酵2種方式。其中，好氧發酵可分為傳統自然發酵和人工好氧發酵2種，均是利用微生物分解糞污中的蛋白質、纖維素及脂類等有機物，將其轉化為菌體蛋白、氨基酸、腐植酸和其他對作物生長有益的成分，減少糞便中揮發性惡臭氣體，同時微生物發酵產生的高溫能殺滅糞便中的病原微生物和蟲卵，改善發酵糞污的物理性狀，實現糞污資源肥料化[18-19]；糞污厭氧發酵最終產物是沼氣和沼肥，是糞污肥料化和能源化的綜合技術[20]。目前，好氧發酵堆肥技術主要有條垛式主動供氧堆肥技術、槽式堆肥技術、轉筒式堆肥技術等[21]。WANG等[22]研究麥飯石(MS)對豬糞(PM)堆肥過程的影響發現，MS的加入能明顯促進PM中有機碳和木質素降解，與對照相比，添加MS組半纖維素和纖維素的分解率分別提高9.64%～27.08%和2.11%～12.07%。王延宏等[23]設計了1種可用于中小型養殖場的好氧發酵堆肥設備，該設備具有粉碎、混合、加熱、保溫、通風、攪拌等功能，采用自動控制的方式為好氧發酵提供適應的環境，可提高發酵速率，將發酵周期縮短至8～12 d。雖然堆肥技術研究已較多，也較為成熟，但畜禽糞污肥料化還存在堆肥時間長，占地面積大，堆肥過程中存在養分損失和臭氣等缺點。根據我國農業和環境現狀，需要加強堆肥技術的研發和推廣，如快速堆肥技術、堆肥自動化技術、糞污除臭技術等。

1.2 飼料化利用

畜禽養殖過程中，喂養畜禽的飼料未被動物完全消化吸收，從而隨著畜禽糞便排出體外，糞便中還含有維生素、蛋白質、粗脂肪、礦物質等營養物質，因此，畜禽糞便可經過處理后作為動物飼料加以利用，即飼料化[24]。畜禽糞便的飼料化方法包括干燥法、熱噴法、青貯法和分解法。干燥法是通過自然或人工方式對糞污進行干燥處理，從而達到滅菌、消毒、除臭的效果，去除其中雜質，添加一定比例的營養物質配合飼料可用于喂養畜禽[20]。熱噴法利用熱蒸和噴放對畜禽糞污進行處理，從而改變糞便結構和某些化學成分，經滅菌、消毒、除臭后作飼料[20]。青貯法指將畜禽糞便與農業產生的秸稈、谷物、蔬菜等廢棄物一起青貯發酵作為飼料，青貯法有利于改善飼料的適口性和提高蛋白質的轉化效率[25]。分解法主要是利用蠅蛆和蚯蚓等低等動物將畜禽糞便分解，使糞污轉化為蠅蛆和蚯蚓從而獲得蛋白飼料[26]。糞便飼料化利用不僅可以防治糞污導致的環境污染 ,還可以減少養殖成本，增加經濟效益，有利于我國養殖業可持續發展，對我國實現鄉村振興具有重大意義。

目前，考慮到食品安全和消費者接受程度，研究較多的飼料化方法是利用低等動物分解糞便使其轉化為動物蛋白的分解法。在眾多畜禽糞便中雞糞飼料化的價值最高，主要原因是雞飼料營養成分較全，而且雞的消化道短，沒有唇齒、其嗉囊分泌液沒有消化能力，飼料在腸道停留時間短，雞對飼料的消化吸收率低，所食飼料中70%左右的營養物質隨著糞便排出體外[18,24]。雞糞再生為飼料可用于飼喂牛、羊、豬、雞等畜禽，也可用于養殖魚類、黃粉蟲、蠅蛆、蚯蚓等[18]。潘百明等[27]利用雞糞配制飼料喂養雛雞，通過對比試驗發現，喂養雞糞飼料的雛雞肉料比為1∶2.096，雛雞每增重1 kg，雞糞飼料成本為7.57元，市場全價飼料成本為9.98元，表明雞糞飼料化具有很大的成本優勢。XIAO等[28]利用黑水虻(Hermetiaillucens)和功能性細菌對雞糞進行共轉化生產蛋白質飼料和有機肥，其轉化工藝可優化雞糞的處理時間和黑水虻轉化率，該工藝對雞糞進行好氧發酵僅需要24 d，與對照相比，黑水虻轉化率增加12.7%。當然，雞糞和其他糞便混合處理也能顯著提高飼料化效率。REHMAN等[29]在實驗室溫度27℃，濕度在60%～70%情況下，利用黑水虻處理牛糞和雞糞，生產黑水虻幼蟲作為蛋白飼料，產生的殘渣作為生物肥料，發現40%的牛糞與60%的雞糞共同處理組比其他糞污混合組有更好的處理效果，其纖維素消耗率為61.19%，半纖維素消耗率為53.22%，木質素消耗率為42.23%。

1.3 能源化利用

畜禽糞污可經過一定的技術手段“變廢為寶”，可節約不可再生資源的消耗，帶來一定的經濟價值，減少養殖成本，即能源化。畜禽糞污能源化主要包括作為燃料燃燒和發酵生產沼氣，作為燃料燃燒是將纖維素含量高的畜禽糞便通過干燥處理后作為燃料燃燒。而大規模養殖場產生糞便量多，水分含量高，不容易干燥，需轉化后才能用作燃料，糞便作燃料主要適用于草原動物糞便[18]。沼氣是一種可再生能源，微生物在厭氧條件下分解有機物可產生沼氣，其成分主要是甲烷和二氧化碳[30]。糞污厭氧發酵產生的沼氣可用于供熱和發電，產生的沼液和沼渣經過處理能作為有機肥還田。MEYER等[31]通過分析歐盟種養廢棄物產量估算產沼氣潛力認為，到2030年，歐盟28國年產沼氣潛力在1 200～2 300 PJ。李培培等[32]根據青島市豬業發展的實際情況，估算2016年該地區可生產沼氣量為6.4×107m3。

為促進糞污產沼氣效率，許多學者對此展開了研究，DONG等[33]利用大規模活塞流反應器(PFR)生產沼氣發現，溫度在37～40℃，TS在7%～10%，HRT為25 d的條件下可以長時間連續穩定生產沼氣，且甲烷產量達到0.22 m3/kg VS，底物去除率為59%。彭翔等[34]研究玉米秸稈與豬糞混合進行預處理對厭氧消化性能的影響發現，最優預處理條件為溫度35℃，總含固率10%，過濾篩網孔經4 mm，處理時間3 d，與對照組相比，其產甲烷的峰值提高65.01%，單位TS甲烷產量達192.45 mL/g，比對照高22.89%。NING等[35]通過研究豬糞和玉米秸稈厭氧共消化生產沼氣，發現C/N為25時，沼氣產量最高，而C/N為35時，沼液性能最佳。HAO等[36]研究碳基納米材料對綿羊糞便厭氧消化產沼氣的影響發現，500 mg/kg碳基納米材料能明顯提高系統中甲烷的日產量和累積量，分別提高46.8%和33.6%，高劑量的碳基納米材料能在屬水平上改變細菌和古細菌的組成，顯著提高甲烷菌的相對豐度。目前，有關學者對糞污發酵產沼氣進行了一系列研究，但還存在產沼氣效率低、發酵時間長等問題，而且發酵過程會產生大量沼渣沼液，往往超過當地的土地消納量，處理不當會導致二次污染。面對環境污染和能源短缺問題，糞污能源化應當從提高產氣效率，做好沼渣沼液安全利用方面出發，進行糞污處理新技術、新工藝的開發研究。

1.4 種養結合利用

種養結合是指在一定土地管理區域內，養殖業產生的廢棄物經過處理生產有機肥用于種植業，種植業產生的產品及廢物為養殖業提供飼料，實現農業生產過程中物質和能量在動植物之間高效流動和科學轉換，從而提高農業廢棄物利用效率，遏制或減小農業活動對環境造成的污染，促進農業可持續發展的生態農業循環模式[37]。目前種養結合模式主要有養殖-貯存-農田模式、養殖-沼氣-農田模式和養殖-堆肥+沼氣-農田模式[38-39]。養殖-貯存-農田模式是將養殖業產生的糞便和污水貯存起來作為有機肥直接還田利用。養殖-沼氣-農田模式以產沼氣技術為核心，將糞便污水作為生產沼氣的原料，通過厭氧發酵生產沼氣，將產生的沼氣用于燃燒或發電，生產的沼渣和沼液作為有機肥還田。養殖-堆肥+沼氣-農田模式的糞污處理由預處理系統、好氧處理系統、厭氧處理系統、后處理系統組成，包括固液分離、沼氣凈化、沼氣貯存與利用、沼渣沼液還田利用等。

1.5 企業糞污資源化利用

我國畜禽養殖規模從散戶養殖向規模化、集約化的方向發展，導致我國養殖情況十分復雜[40]。不同規模養殖企業產生的畜禽糞污量存在差異，所以對于不同規模的養殖企業，應選擇不同運行模式處理畜禽糞污(表1)[9,41]。山西玉衡同創公司設計承建的糞污資源化利用項目包括糞污預處理區、厭氧發酵區、副產品綜合利用區、人工濕地生態凈化區等，每天的糞污處理量可達10 000 m3，公司將產生的沼氣用于發電、供熱，發酵產生的副產物用于有機液肥和固肥生產[42]。黑龍江省哈爾濱市雙城區引入北京丹青諾和牧業科技有限公司的第3方商業化服務，在該地區建設100個公共糞肥存儲池，購買相關機械設備，2016年公司向養殖場收取服務費20萬元，向種植戶收取農田有機肥施用費112萬元，合計年收入132萬元，而且隨著服務客戶的增加，收益會逐步增加[43]。畜禽糞污資源化利用需要投入大量資金和專業技術，對于我國農業廢棄物資源化技術和資金都相對缺乏的國情，應考慮加強政府監管，引入社會資金，發展專業的第3方服務處理畜禽糞污，緊密種植業和養殖業的聯系，促進農業可持續發展[38-39]。

表1 不同規模畜禽糞污資源化利用模式

2 糞污資源化利用面臨的問題

2.1 種養分離

我國很多養殖場空間布局不合理，周圍沒有足夠的土地消納畜禽糞污，導致“種養分離”[37,44]。而糞污資源化還田的前提是糞污施用量不得超過土地承載負荷[45]。為此歐盟規定一般作物耕地總氮施用量限值為170 kg/hm2，丹麥政府規定農用土地總氮施用量限值為140 kg/hm2[46]。我國計算畜禽糞污土地承載力引入豬當量的概念，1個豬當量相當于氮排泄11 kg或磷排泄1.65 kg。基于氮和磷的承載力，2016年我國畜禽養殖環境容量分別為2.67×109頭豬當量(N)和2.55×109頭豬當量(P)，環境風險指數分別為0.43(N)和0.45(P)，養殖業仍處于農田的承載能力之內，具有一定發展潛力[2]。但與發達國家相比，我國各地區種養業情況存在差異，農業廢棄物存在總量不清，收儲體系有待進一步完善，在廢棄物還田過程中養分管理相關的法規和技術相對缺乏，還田效果還受季節變化、作物生長周期、施用方式等因素影響，導致“種養分離”，不利于農業可持續發展[39]。

2.2 還田糞污中的重金屬和抗生素含量超標

影響糞污安全還田的主要原因是畜禽糞污中含有大量的重金屬和抗生素，養殖企業為促進動物生長發育，降低其患病率，通常會向飼料中添加過量重金屬和抗生素，但動物對重金屬和抗生素吸收不完全，導致大部份重金屬和抗生素隨著糞便排到體外[47]。當糞便作為有機肥還田后，由于重金屬具有難降解、易遷移、易富集、危害大等特點，會通過生物富集危害人類健康，而抗生素在生態環境中遷移會使一些微生物產生抗性基因，導致某些致病菌產生抗藥性[48-49]。

為了解畜禽糞污重金屬和抗生素污染情況，任玉琴等[50]對浙江省豬糞便進行重金屬含量測定，結果表明，豬糞便中殘留的重金屬為Zn、Cu、Mn和As，濃度分別為2 405 mg/kg、1 288 mg/kg、528 mg/kg和28.2 mg/kg，均超過標準。WANG等[51]采用固相萃取-高效液相色譜法檢測浙江省不同地區大型養豬場豬糞抗生素分布，發現豬糞中主要的抗生素是磺胺嘧啶、磺胺甲嘧啶、磺胺二甲嘧啶、四環素和金霉素，其中殘留的金霉素最大濃度達57.95 mg/kg。QIAN等[52]利用高通量qPCR技術檢測了12個大型農場中牛、雞、豬3種動物糞便抗生素抗性基因(ARG)情況，發現雞糞和豬糞中ARG的多樣性和豐度明顯高于牛糞。目前，去除糞污中的重金屬和抗生素主要通過厭氧消化、好氧堆肥、物理處理等末端治理方式實現[47]。為保障畜禽糞污安全還田，除了末端治理外，還應考慮從源頭控制。因為糞污中重金屬和抗生素超標的主要原因是飼料中過量添加了重金屬和抗生素，所以政府部門需要完善法律法規，同時加強監管力度，保障飼料中重金屬和抗生素不過量添加。通過開發新技術、優化飼料配方、使用微生物飼料、尋找重金屬和抗生素的替代物質等方式，促進動物對飼料的消化和吸收，盡可能在飼料中不添加或少添加重金屬和抗生素，實現糞污安全還田。促進種養結合，滿足消費者對有機、綠色、安全農產品的需求。

3 糞污資源化利用建議

畜禽糞污資源化利用，不僅能避免環境污染，改善農村生態環境，還可產生經濟效益，降低農業成本，促進農業可持續發展，對實現鄉村振興和美麗中國具有重大意義。為促進養殖業畜禽糞污資源化利用，實現農業可持續發展，提出如下建議。

3.1 加強政策引導，實行科學管理

政府通過合理規劃，開展種養結合示范工程，制定農業廢棄物資源化利用補貼政策，強化農業廢棄物利用規范化和標準化管理，提高有機肥準入門檻和質量標準，增加有機肥市場競爭力。引進社會資金，發展專業的第3方機構處理農業廢棄物。通過“種養結合”發展其他產業，種養結合有利于改善生態環境，形成優美的自然農業風景，可發展觀光休閑農業，增加農業收益。

3.2 加大科技投入，鼓勵集成創新

與發達國家相比，我國在畜禽糞污資源化技術方面還存在差距，我國應引進、學習國外農業廢棄物資源化先進技術，加大我國自主研發，自主創新的投入，攻克農業廢棄物資源化技術難點。注重畜禽飼料新技術的研發，通過優化飼料配方、使用微生物飼料等方式，實現糞污資源無害化。

3.3 加強宣傳，提高環保意識

政府加強農業廢棄物資源化利用知識的宣傳和教育工作，提高農戶、相關企業和各級領導的環保意識。完善農業廢棄物收儲體系，通過養分管理，指導糞污科學還田，緊密種植業和養殖業的聯系，促進我國農業廢棄物資源化利用。