規模豬場養分管理工程技術模式分析研究

段 娜，周洪宇，林 聰，李冰峰

(1.中國農業大學 水利與土木工程學院，北京 100083; 2.農業農村部農業生態與資源保護總站，北京 100125)

隨著畜禽養殖業從傳統家庭養殖向集約化、規模化、商品產業化程度不斷提高的方向發展，所引發的環境保護與養分管理問題備受關注。2014年，全國生豬規模養殖比重為42%，預計到2020年生豬規模養殖的比重將達到52%[1-2]。規模畜禽養殖化學需氧量(Chemical oxygen demand, COD)和氨氮排放量分別為1049萬噸和58萬噸，占全國總排放量的45%和25%[3]。規模化養殖快速發展的同時也造成了養殖業的過量營養負載，傳統家庭養殖模式中養殖業和種植業養分的雙向流動模式被打破，造成并強化了養分通過飼料載體從種植業向養殖業的單向流動和養分失衡。而在養殖業糞污使用過程中也往往忽視了其營養物質的遷移及其所造成的環境效應。歐盟的農業政策規定，單位面積總氮負荷量的限量標準為170 kg·ha-1，我國2013年這一數值為157.94 kg·ha-1[4], 而2003年我國單位面積耕地負荷的畜禽糞便純氮養分平均值是107 kg·ha-1 [5]。因此，采取積極有效的養分管理技術來實現畜禽糞污的資源化利用和無害處處理刻不容緩。

發達國家在經歷了畜禽養殖造成環境污染的過程后，正在積極實施并推進綜合養分管理計劃(Comprehensive Nutrient Management Planning，CNMP)，通過“種養平衡一體化”的思想實現養殖場污染物處理、養分循環利用和獲取可持續的綜合效益。本文針對我國畜禽養殖規模化發展帶來的環境保護和養分管理兩大突出問題，以我國規模豬場沼氣技術為主的糞污處理利用模式為例，對照國外養分管理模式，總結分析我國現有規模豬場養分管理工程技術模式及存在問題，提出適合我國的養分管理工程技術模式框架，為我國推進規模畜禽養殖場養分管理進程提供一定的決策參考。

1 國外養分管理模式

1991年歐盟出臺的《硝酸鹽法令》旨在減少和防治農業污染，規定每公頃農田每年的有機肥施用量(以氮計)不得高于170 kg[6]，當水中硝酸鹽含量超過55 mg·L-1時就要禁止使用帶有硝酸鹽成分的農藥和化肥，并限制牲畜的數量[7]。《硝酸鹽法令》的實施有效地減少了化肥的施用量，改善了農田環境和生態環境。有數據顯示，自從相關法令實施以來，歐盟各成員國逐漸控制了農業投入氮、磷的量，氮、磷化肥的用量分別下降了約30%和50%[8]。

2000年12月，美國農業部自然資源保護局發布的綜合養分管理計劃技術指南中指出一個完整的CNMP包括糞便和污水的處理與儲存、制訂田間措施、制訂養分管理計劃、優化畜禽喂飼管理、備選利用處理方式、記錄和監測6個部分[9]。按照美國農業部規定，所有動物飼養均需執行CNMP以減少糞污對水環境的污染。CNMP在美國實施10年后，美國共有257201個養殖場實施了CNMP計劃，其中以舍飼牲畜為主的小農場(16.5%)和豬場(12.8%)為主[10]。經過十多年的發展，CNMP對美國畜禽養殖戰略措施的實施做出了巨大的貢獻。一方面，它是一個動態的養分管理方案，可根據養殖場的實際情況進行調整。養分管理是CNMP中一個重要且復雜的環節[11]，尤其是氮、磷、鉀等養分的有效利用和轉移。美國農業部和環保局在為動物養殖經營制定的統一規范中，規定了可采用土壤測試作物反應法、土壤環境磷臨界值法和磷指數法3種方式確定磷素養分管理措施和推薦施用量[12]。通過專業的分析和評價，及時調整施肥策略實現畜禽養殖生產和環境保護的雙贏目標。另一方面，其具有強大的政府支持、嚴格的實施程序、專業的技術援助和評價體系。美國257201個養殖場的CNMP總投資為195億美元(10%用于CNMP開發和技術援助，90%用于實施CNMP)，而按照10年計算，平均每個養殖場的投資為7.6萬美元，其中糞便和污水的處理及儲存占據了較大的比例[10]，但大多數資金可從政府申請獲得。除此之外，每個養殖場的CNMP都經過嚴格的申請、調研、規劃、許可、培訓、評價等多個環節，兼具共通性和特殊性，確保每一個CNMP都可順利實施。

2 我國規模豬場以沼氣技術為主的養分管理模式分析

以沼氣技術為主的養分管理模式是以沼氣工程為核心，形成的“飼料—養殖—糞污水—沼氣工程—養分循環利用”養分管理模式，在處理糞污水的同時，可生產清潔能源沼氣和生物肥料沼渣沼液。根據清糞工藝、肥料利用及沼渣沼液后處理情況不同可分為幾種主要的養分管理模式，如圖1所示。

圖1 以沼氣技術為主的養分管理模式圖

2.1 沼氣工程-還田模式

沼氣工程-還田模式是一種典型的種養結合模式，適合于年出欄小于2萬頭的規模豬場[13]。清糞工藝決定了可收集糞污的質量和數量，而糞污處理方式決定了還田的方式和養分利用的時間與效率。大部分養殖場將糞便進行固液分離，固體直接用于還田或堆肥后還田，分離后的糞尿沖洗水通過封閉管道進入沼氣工程，沼渣沼液用于還田。還有一部分采用水沖糞或水泡糞工藝的豬場，將混合糞污水直接用于厭氧消化，產生的沼渣沼液進行還田處理。高增月[14]等對比分析了鮮豬糞和沼渣的養分含量和病菌量，結果表明與鮮豬糞相比，沼渣營養元素沒有損失，可作為充分腐熟的優質有機肥施用，而沼渣中的蛔蟲卵死亡率達到99%，未檢出大腸桿菌，比鮮豬糞直接還田更具安全性。沈其林[15]等通過試驗發現，豬糞發酵沼液中含有豐富的氮、磷、鉀3大肥料元素和鈣、鎂、硫、鐵等微量元素，以及17種氨基酸、腐殖酸、玉米素等生物活性物質，這些成分的存在使得豬糞發酵液成為一種優質的有機液體肥料，用于追肥和液面噴施肥使用。另外，固體肥料和液體肥料的肥料成分不同，需要與測土施肥和田間管理計劃相結合，不同種類的肥料還田施用可彌補了土壤的氮磷缺失和各類養分的補充，通過養分的科學管理可實現種養平衡和肥料的安全使用。范旻[16]等對上海市崇明縣東部20個養豬場正常運行的沼氣工程沼渣和沼液進行肥效、養分分布研究表明：沼渣和沼液中養分分布不均勻，沼渣中有機質、磷和微量元素含量較高，沼液中水溶性氮和鉀的含量較高，其因地區、原料、發酵工藝和運行管理方面存在差異性和不穩定性，要進行科學管理與施用。

一般來說，每5頭豬(出欄)需要配套1畝地進行消納。實施種養結合循環利用模式能夠消除元素間的拮抗作用，更有利于作物的生長和土壤管理[17]。我國已經形成了典型的“豬—沼—果”模式，并逐步擴展形成更多具有地域特色的農林牧漁生態農業體系，如“豬—沼—草/林/菜/茶”等模式。這些模式均凸顯了種養平衡并體現了養分管理所需要的農業生產結構。

為考慮用肥季節的肥料需要，配合田間管理的各類儲存裝置和施肥設備已經得到了糞污處理工程建設者的共識，包括田間儲肥池、田間液肥灌溉系統，肥料噴撒機械等的配套逐步解決了種植施肥控肥的的需求，利用科學的測土施肥以及工程的綜合手段，解決了土地承載力的不足和過剩，養分的管理實現了化肥的有效替代以及農業生產的環保、生態與可持續性。但規模化的沼氣工程-還田模式所生產的沼液和沼渣除自己使用外，大部分需要其他企業或農戶來使用，因此，需要政府的引導、有效的組織管理形式和利益分配機制[18]。

2.2 沼氣工程-污水好氧處理模式

沼氣工程厭氧處理可實現COD、生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand, BOD)、懸浮物(Suspended solids, SS) 的去除，污水好氧處理作為沼氣工程的互補處理技術，可實現規模豬場糞污水的達標排放。好氧處理方法較多，工藝成熟可靠，包括活性污泥法、接觸氧化法、生物轉盤、氧化溝膜生物法等。不同的工藝對氮和磷的去除效果存在顯著差異，可根據需求酌情選擇。劉建國[19]等研究了T型氧化溝對豬場糞污水厭氧出水的處理效果，結果表明其出水的COD，BOD，氨氮和SS均能達到《畜禽養殖業污染物排放標準》，但對磷的平均去除率僅為43.9%，效果不理想，無法達標排放。方炳南[20]等采用序批式活性污泥法處理豬場沼液，出水水質基本能達到國家排放標準。高增月[14]等采用延時曝氣活性污泥法處理沼液，出水可達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)的二級標準。經好氧處理后的出水可實現達標排放，也可用于豬場沖洗水進行回用。

該模式根據選擇工藝的不同，可有效地調節氮和磷在水中的含量，避免養殖廢水排放對水體的污染，污水的回用實現了節水，經過了好氧處理后水中的硝酸鹽成分大大減少，灌溉農田時更有利于養分的調節和管理，如果合理地進行田間種植和輪耕輪作，結合水肥一體化，可實現農業生產高效與精準。但該模式的處理方法因投資大、運行能耗高而不易推廣。因此，在工藝選擇時需結合豬場的經濟條件、當地氣候特點、污水規模及出水標準和用途進行選擇。

2.3 沼氣工程-自然生態處理模式

沼氣工程-自然生態處理模式是一種合理利用生物鏈關系，實現污水多層次利用的以沼氣技術為主的養分管理模式。自然生態處理可作為沼氣工程的后處理技術，利用土地處理系統的生物、化學、物理固定與降解作用，以及人工濕地的植物、微生物作用對糞污水進行凈化，包括土地處理系統、氧化塘以及人工濕地等。根據污水性質、當地氣候條件和地理位置選擇合適的水生植物(如水葫蘆、浮萍、蘆葦等)吸收氮、磷等營養物質，同時凈化水質。

自然生態處理系統的面積、深度和級數需根據污水水質、地理氣候條件及利用方式等確定。溫泉[21]等研究表明氧化塘氨氮、COD和總磷的去除率可達90%,50%和40%。靳紅梅[22]等研究表明單級氧化塘對SS、COD、總氮、氨氮和總磷的削減率分別為63.4%,40.9%,31.9%,27.7%和89.1%，出水可用于豬舍沖洗水，三級處理后削減率顯著提高，可直接種植蓮藕或養魚后外排。

美國、澳大利亞、東南亞一些國家以及我國的部分南方地區大多采用這種模式[23]。該模式適用于飼養規模不能太大且距離城市較遠，經濟欠發達，氣溫較高，土地寬廣且價低的區域。該模式運行簡單，能耗低，但處理效果無法保障，尤其是冬季，而荒地、林地、低洼地可直接作為自然生態處理系統。在該模式中，由于沼液和糞污水中的養分通過氧化塘技術被消耗去除，因此，其對農田的作用和貢獻將受到影響。

2.4 沼氣工程-組合模式

在實際應用中，可因地制宜選擇一種或幾種組合模式。表1對3種以沼氣技術為主的養分管理模式進行了對比分析。在有充足自有土地的條件下，應優先采用沼氣工程-還田模式，最大限度地實現養分的資源化利用，也可配套結合沼氣工程-自然生態處理模式或工藝較為簡單的沼氣工程-污水好氧處理模式，作為后續處理，在實現經濟效益的前提下，實現環保效益的最大化。李長生[24]等采用人工清糞+固液分離+沉淀+UASB+SBR+水生植物塘的污水處理工藝和豬糞堆肥發酵生產有機肥的處理工藝，可實現糞污的無害化處理和達標排放，同時具有良好的經濟效益和較低的成本投入。無論哪種處理模式都可以通過養分管理的方式實現種養平衡，促進養殖業和種植業的環境友好可持續發展。

表1 以沼氣技術為主的3種養分管理模式對比分析表

3 我國規模豬場養分管理建議

3.1 明確我國規模豬場養分管理的關鍵問題

合理的養分管理框架需要明確6個問題(見圖2)：糞污如何產生、收集和儲存；如何選擇有效的糞污處理技術方案；如何因地制宜地根據當地的土地承載力、種植等情況使用糞污及其他技術產品；如何從養殖、糞污處理、營養吸收與利用以及經濟性等方面考慮制定科學合理的飼料管理計劃調控養分類別；如何將養殖業主的意愿與國家激勵政策和綜合效益進行統一。如何進行長期的有效監管和評價，建立可持續的養分管理運行機制，包括飼料—糞便(生成、收集、儲存、處理)—肥料(施用量、時間、效果等)—種植(品種產量、養分利用率和土壤肥力等)的全生命周期理論系統評價分析方法。

圖2 規模豬場養分管理框架圖

3.2 改進現有養分管理技術模式

沼氣技術已經相當成熟，但其前端和后端工藝技術需要進一步改進。針對飼料行業，需科學合理配置、調控營養、控制和減少飼料中污染物的排出及過量供給。可采取的措施包括準確測定養殖營養需要量和飼料原料的營養價值，配置符合不同生產階段和目的的豬飼料；通過膨化、制粒等處理降低抗營養因子的含量，提高飼料養分的利用率，減少氮和磷的排出量；運用環保型飼料(有機酸、酶制劑、寡糖、中草藥、小肽、微生態制劑等)代替抗生素等[25]。針對糞便的收集，需要采取有效的污染物排放控制系統以控制養分的質量和數量。有研究表明通過采取干清糞、高效沖洗設備、雨污分流和防滲污水收集管網等措施可減少用水量50%左右[26]。因此，科學選擇規模養殖場清糞工藝和糞污收集處理利用方式是很重要的。除此之外，節水措施的實施也有利于控制污水總量。

養分管理技術模式的推廣要做到先規劃、再實施、后評估。需要根據豬場所處的地理位置，結合當地的農業生產結構的自然資源和土地承載力情況，建立不同的種養結合的生態農業發展模式和系統結構，確定適合的豬場養殖規模，充分實現多層次多產業的循環生態農業發展模式，充分利用沼氣、沼渣、沼液、堆肥產品將種植業、畜牧業、養殖業、漁業、加工業有機結合，建立最佳經濟利用半徑模式和最適宜規模。

3.3 強化政府的主導作用和企業的主體意識

規模養殖是農業產業化經營的發展趨勢，政府主導作用與企業的主體意識發揮著重要的作用。我國每年對沼氣工程的建設投入了大量的資金和頒布一系列的優惠政策，但在沼渣和沼液的綜合利用方面缺少相應的補貼政策和完善的施用標準，致使其利用不僅成為限制沼氣技術發展的瓶頸，同時也影響了養分管理技術的綜合效益。因此，政府需要強化其主導作用，明確激勵政策、制定完整的養分管理實施技術手冊和嚴格的監管及評價體體系，為養殖戶提供充足的技術和資金支持，讓其對養分管理技術模式的推廣產生強烈的愿望，發揮企業的主體意識。另一方面，對于養豬場糞便生產肥料具有的安全性、季節性以及施用標準問題，需要政府部門調動相關企業和科研院所等的積極性，采取措施解決以上問題，如采用環保飼料，從源頭減少污染物；加強關聯土地的測土配方工作，加強糞肥的養分測試，提供合理化的施肥建議等。

4 結論

(1)我國現有的養分管理模式偏重于前端的糞污處理，而后續的養分循環脫節嚴重，導致綜合效益無法充分體現。通過構建新的養分管理框架和模式，提升政府支持和主導地位，提高養殖業主和農戶的積極性，尋求養殖規模、糞污水量、種植規模、種植模式等的合理匹配才能實現養分在種植和養殖業的雙向高效循環。

(2)養分管理模式需因地制宜，根據區域和豬場特點建設不同的發展模式，養分管理的重點在于種植業和養殖業的可持續循環，而糞污水處理是重要的紐帶。在今后的發展中不要盲目地擴大養殖規模，應根據種土地和種植情況確定用肥量，進而確定糞污水處理工藝和豬場飼養規模，保證種植和養殖的雙向循環。