規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系構建與應用

羅 娟，趙立欣，姚宗路，馮 晶，于佳動，袁艷文

·農業生物環境與能源工程·

規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系構建與應用

羅 娟1，趙立欣2，姚宗路2※，馮 晶1，于佳動1，袁艷文1

（1. 農業農村部規劃設計研究院，農業農村部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125；2. 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

該研究針對當前規模化養殖場畜禽糞污處理技術模式區域差異大、缺乏綜合效益評價等問題，以規模化畜禽養殖場為研究對象，從規劃布局、糞污收儲運、高效處理轉化、農田利用的全鏈條出發，應用層次分析法構建了一套全面衡量畜禽糞污處理的綜合評價指標體系，涵蓋技術、經濟、環境3個方面，包括3個一級指標、6個二級指標和15個三級指標，并運用該指標體系對中國3個主要奶牛養殖區6種糞污處理技術模式進行評價比較。結果表明：東北地區宜采用前分離肥料模式和前分離墊料模式，西北地區宜采用肥料模式和前分離墊料模式，華北地區宜采用厭氧發酵模式。進一步以河北某規模化奶牛養殖場為例進行應用分析表明，該養殖場的糞污處理水平達到了良好水平，與實際情況相符。該指標體系能夠客觀評價規模化養殖場畜禽糞污處理的綜合效益，且能根據評價情況給出優化改進建議，具有實踐指導性和可操作性，可為糞污處理工程建設和綜合效益評價提供方法體系和理論支撐。

糞污；廢物處理；養殖場；評價體系；應用

0 引 言

近年來，隨著中國居民生活水平的提高，對畜產品的消費需求不斷上升，推動了畜牧業的快速發展[1]。尤其是20世紀90年代以來，畜牧業發展勢頭迅猛，養殖規模逐步擴大，集約化、產業化程度越來越高，畜禽養殖量總體呈上升趨勢[2-4]。快速發展的畜牧業在保障不斷增長的畜產品需求的同時，產生了大量養殖廢棄物，給環境治理帶來了巨大的壓力[5-7]。據有關統計，中國畜禽養殖每年產生糞污約38億t，其中60%未能有效處理利用[8-9]。規模化畜禽養殖是農業面源的最大排放源，也是環境污染的重要來源[10-12]。自2001年開始，國家發布了一系列政策，從畜禽養殖污染的源頭減量、過程控制、資源化利用等方面形成了較為系統的政策體系[14-15]，支持糞污處理利用。2020年1月2日中共中央國務院發布的《關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現全面小康的意見》中指出，要大力推進畜禽糞污資源化利用，基本完成大規模養殖場糞污治理設施建設。

隨著畜禽養殖糞污資源化利用設施配套率的提高，糞污處理工程的運行效益和效果也越來越受到人們的關注，因此，系統、全面研究規模化養殖場糞污處理的綜合效益評價很有必要。目前國內外針對畜禽糞污處理的綜合評價研究較少，很多停留在單項技術或單方面指標的評估階段[16]。如朱桂英等[17]構建了基于模糊聚類方法的沼氣工程綜合評價指標體系，篩選出經濟、社會、環境和技術4個方面21項指標；王火根等[18]從環境、經濟、社會和安全方面出發，提出了一套沼氣能源效益評價指標體系；Pubule等[19]采用定性和定量的研究方法對拉脫維亞的沼氣工程環境影響進行了評估，并提出發展建議；Nie等[20]對不同季節（春、夏、秋）豬場不同部位釋放的揮發性有機物濃度、氣味污染和健康風險進行了定量評價；問鑫[21]對堆肥、厭氧發酵、好氧生物處理等3種規模化豬場糞污處理模式的經濟效益進行了比較和評價。

對于規模化養殖場畜禽糞污處理的評價，傳統方法往往更注重經濟效益的分析評估，對技術指標、環境效益的衡量關注很少。中國地域遼闊，不同地區的自然環境、養殖技術、社會需要、生產特點等不同，資源環境承載力差別較大[22-23]，畜禽糞污處理面臨的突出問題也不同，如何建立一套既能體現區域差異，又能全面系統且具有可操作性的科學的指標體系，是當前規模化養殖場畜禽糞污處理評價迫切需要解決的問題。本文旨在對規模化養殖場畜禽糞污處理進行綜合評價研究，通過建立樹形目標層次式的指標體系結構，將畜禽糞污處理綜合效益分解為技術指標、經濟指標和環境指標，形成綜合評價的基本框架，并以奶牛場糞污處理為案例進行應用分析，以期為規模化畜禽養殖場的糞污處理利用提供方法體系和理論支撐，最大程度發揮糞污處理項目的綜合效益，并為其他農業廢棄物處理的后評價工作提供有益參考。

1 規模化養殖場畜禽糞污處理評價指標體系的構建

規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價是一個多層次、多目標的復雜系統，各要素之間相互交織、相互重疊、相互作用。構建全面、系統、科學的評價指標體系應基于科學性、實用性以及定性與定量相結合的原則，并將生命周期評價的思想引入指標體系的構建過程。

1.1 指標體系的構建方法

糞污處理既具有較強的系統性和整體性，又具有一定的梯級性、層次性，應對各個方面做綜合考慮，將其作為一個系統來分析，以單項評價為基礎，對分析結果加以綜合，從而進行全方位和多角度的評價。本研究以層次分析法為主要研究手段，輔以專家咨詢法，構建綜合評價指標體系，以期全面綜合科學評價規模化養殖場畜禽糞污處理的建設現狀，為各級政府監測和掌握糞污處理現狀水平，以及企業選擇糞污處理技術模式、優化解決方案提供理論依據和實踐指導。

本研究將生命周期評價的關鍵思想——目的和范圍的確定，引入到畜禽糞污處理綜合評價體系的構建中，以避免不必要的工作量和提高評價的準確性。以實現畜禽養殖場糞污處理的綜合效益作為總目標，評價范圍為糞污收集開始至產物利用范圍之內的邊界，包括工程建設、工程運行、產物利用等，采用“演繹分析法”建立樹形目標層次的指標體系結構，將畜禽糞污處理綜合效益分解為技術指標、經濟指標、環境指標3個方面，形成綜合評價的基本框架。

1.2 指標體系的篩選與優化

評價指標的篩選主要基于生命周期評價清單分析的理論，對畜禽糞污處理過程進行全面的輸入、輸出分析，廣泛收集畜禽糞污等農業廢棄物能源化[24]、肥料化[25]、無害化[26]處理以及生態循環農業[27-28]等相關研究的評價指標，構建“指標可能的全集”，建立指標庫。在評價指標選取時，既要考慮技術的穩定性、適應性等技術指標，也要充分研究項目成本、經濟效益等相關經濟指標體系，還要針對糞污污染防治技術的環境指標做重點研究。

綜合評價指標體系按照集中度劃分為4個層次，即目標層、約束層、準則層、指標層。目標層是本文研究的核心問題，即規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系建設。約束層為一級指標，包括技術指標、經濟指標、環境指標3個方面。準則層為二級指標，包括技術的穩定性、技術的適應性、項目成本、經濟效益、資源化利用、污染物排放6個方面。根據建立的準則層，對指標進行功能聚合和相關度聚合，即將對應于同一個評價目標的單項指標放在一個準則層之內，將評價指標之間相關程度或相似程度高的評價指標放在一個準則層之中。指標層為三級指標，進一步反映準則層的主要內容。針對初步建立的評價指標體系，本文從體系的完整性、科學性、可操作性入手，對指標進行篩選檢驗，以定性與定量相結合的方式對其進行結構優化，并征求農業廢棄物處理與資源化利用、農業經濟管理與綜合評價等相關領域專家意見。經過多輪的篩選，最終建立相對“充分必要集合”，得到包含3個一級指標、6個二級指標、15個三級指標的畜禽糞污處理綜合評價指標體系，其中包括4個定性指標和11個定量指標，體系框架如圖1所示。

圖1 規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系

1.3 評價指標的標準化與權重確定

1.3.1 指標權重確定

15個三級指標分為兩大類：一類是方向性指標，也叫正向指標，包括技術成熟度（1）、技術可靠性（2）、年平均運行時間（3）、區域適應性（4）、內部收益率（9）、養分回收利用率（11）、農田消納面積（12）；另一類是控制性指標，也叫逆向指標，包括運行管理難易程度（5）、占地面積（6）、工程總投資（7）、運行成本（8）、投資回收期（10）、臭氣排放濃度（13）、固體廢棄物排放量（14）、污水排放量（15）。

太原市晉源區西側的風峪溝中群山環繞，植被覆蓋率高，動植物種類豐富，地域小氣候宜人，次第分布有8個傳統村落，稱為“風峪八村”。村落中的歷史建筑多為石碹窯洞，以當地河刨石為建造材料，因此處“內出石炭石灰”[1]，所以用石灰砂漿作粘結材料，采用漿砌等方法建造[2]。

指標權重的確定方法主要有2種，即定性方法和半定量方法[29]。其中半定量方法中的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）采用對各層次指標分別賦權的形式，把多目標、多準則又難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標問題，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，技術方法較為成熟[30]，因此，本研究根據規模化養殖場畜禽糞污處理指標體系的特點，結合文獻綜述和專家咨詢，采用AHP法確定指標權重。圍繞指標體系設計調研問卷，邀請國內相關領域的26名專家采用相對重要等級標度表[30]對各級指標進行相對重要性打分，其中技術類專家10位、經濟類專家8位、環保類專家8位。通過構造比較判斷矩陣、計算特征根和特征向量、一致性檢驗等[25]步驟，計算得出綜合評價指標體系各級指標的權重（表1）。

表1 規模化養殖場畜禽糞污處理指標體系的指標屬性及權重

注：+表示正向指標，-表示逆向指標。

Note: + indicates the positive indicator, - indicates the reverse indicator.

1.3.2 指標的標準化

由于不同指標的單位、維度和重要性不同，不能進行多指標的分析和評價[31]。為了統一標準，首先需要對所有指標進行標準化，消除量綱影響，這樣表征不同屬性的各指標之間才有可比性，進而使分析和評價成為可能[32]。在進行規模化養殖場畜禽糞污處理評價時，各指標間存在不可比較性，主要表現在2個方面，一是各指標的維數不一致；二是指標類型不一致，主要包括正向指標和逆向指標。在分析和評價的過程中，需要對指標進行正向化，即將逆向指標轉化為正向指標，使其與正向指標的表現效果一致。

在進行指標標準化處理時，針對正向指標，采用式（1）進行處理；針對逆向指標，采用式（2）進行處理[33]。

式中X第個指標的歸一化值，x為該指標在報告期的監測指標值，min()為該指標在報告期各樣本統計指標中的最小值，max()為該指標在報告期各樣本統計指標中的最大值。

1.3.3 綜合評價指數的計算

式中Z為第個指標的權重。

2 指標體系的應用

2.1 基礎數據采集與處理

2.1.1 數據采集

近年來，中國奶牛養殖集約化、專業化、規模化的程度不斷提高，各地的規模化奶牛場數量不斷增加，目前奶牛存欄量約占全球奶牛總量的8%，奶類產量約占全球總產量的6%[34]。根據2018中國奶業年鑒報道，奶牛養殖省份主要包括河北、內蒙古、新疆、黑龍江、山東、河南等。總體上，東北、西北和華北地區為主要的奶牛養殖區，奶牛存欄量分別占全國總存欄量的31.3%、27.2%、33.9%。

本研究以規模化奶牛場糞污處理為例，采用所建立的指標體系，通過數據的標準化處理，計算出各指標的標準化值，進一步計算得出綜合評價指數。研究團隊根據中國規模化奶牛養殖場糞污性質、主流糞污收集運輸技術工藝，結合固液分離在糞污處理過程中所處的階段，梳理得到6種典型奶牛場糞污處理技術模式，即前分離厭氧發酵模式、后分離厭氧發酵模式、前分離墊料模式、后分離墊料模式、前分離肥料模式、后分離肥料模式，如圖2所示。其中，前分離技術模式的主要特點是固液分離在糞污收集運輸環節之后、糞污處理環節之前，分離出的干糞用于厭氧干發酵、生產墊料或有機肥，污水進行厭氧發酵、梯級處理等后進行還田利用；后分離技術模式的主要特點是固液分離在糞污處理環節后端，分離得到的固體物料進行好氧發酵或堆肥，液體物料進一步處理后用于灌溉或直接還田利用。

在此基礎上，研究團隊在中國東北、西北、華北地區的規模化奶牛養殖場開展實地調研，并結合問卷調查、文獻查閱、專家咨詢、數據計算、取樣測試等方式，對6種糞污處理技術模式的相關數據進行收集與統計，咨詢相關領域專家32名，完成奶牛養殖場調研47家，其中東北地區16家（存欄1 000頭以下、1 000～3 000頭、3 000頭以上的奶牛場分別為5家、6家和5家），華北地區17家（存欄1 000頭以下、1 000～3 000頭、3 000頭以上的奶牛場分別為6家、6家和5家），西北地區14家（存欄1 000頭以下、1 000～3 000頭、3 000頭以上的奶牛場分別為5家、5家和4家）；測試樣品141份，測試指標主要包括化學需氧量、生化需氧量、懸浮物、氨氮、臭氣排放濃度等。

2.1.2 數據處理

在數據處理時，對于技術成熟度等非數量指標（即定性指標），進行分級等值賦分，將指標等級優、良、中、差分別賦值100、75、50、25；對于定量指標，進行數據的標準化處理，同時依據指標權重進行綜合評價指數計算。

2.2 綜合評價

針對上述3個奶牛養殖區6種不同糞污處理技術模式，利用式（3）計算出綜合評價指數，如圖3所示。6種模式在不同地區的適用性不同，綜合效益有較大差異；固液分離在糞污處理過程中所處的階段對糞污處理具有明顯的影響。總體來看，除了西北地區的前分離厭氧發酵模式（M1）和后分離厭氧發酵模式（M2）外，前分離模式大都要優于后分離模式，前分離、后分離模式具有顯著性差異（<0.05），這可能是由于采用前分離方式，固體物料中的營養成分含量更高，更有利于厭氧干發酵、好氧發酵及堆肥處理。從糞污處理模式來看，在東北地區，前分離肥料模式（M5）的綜合效益最好（=84.83），前分離墊料模式（M3）其次，M1、M6（后分離肥料模式）和M4（后分離墊料模式）差異不大，均顯著優于M2（=55.64），這可能是由于東北地區氣候寒冷，濕發酵需要消耗大量能源用于增溫保溫[35]；在西北地區，由于以草原畜牧業為主，水資源短缺，農田面積大[36]，糞污肥料化利用（M5，=93.74；M6，=82.35）和前分離墊料回用（M3，=85.90）都具有較好的應用適應性，也是農業農村部重點推廣的技術模式，其他3種模式的適應性一般；在華北地區，厭氧發酵模式的綜合效益明顯更好，這可能是因為該區域是糧食主產區和設施蔬菜優勢區域[37]，人口密度大，資源短缺，對肥料和清潔能源的需求較為旺盛；肥料化利用模式與墊料模式的差異不大。

圖2 6種奶牛場糞污處理技術模式

綜上，東北地區推薦前分離肥料模式（M5）和前分離墊料模式（M3）；西北地區推薦采用肥料模式（M5、M6）和前分離墊料模式（M3）；華北地區推薦前分離厭氧發酵模式（M1）和后分離厭氧發酵模式（M2）。

2.3 實例分析

結合規模化奶牛養殖場實地調研，應用上述綜合評價指標體系對河北某公司優質牧場進行分析和評價，以驗證指標體系的可行性。該牧場位于河北省石家莊市鹿泉區，奶牛養殖規模4 500頭。牧場設計采用先進的散欄式飼養方式，實現科學的TMR喂養。奶牛糞污處理采用國內外主流的、實踐證明具有良好處理效果的濕法厭氧發酵技術，即糞污通過自動刮糞板和糞溝進行清糞和運輸，糞污與奶牛污水混合后進入USR厭氧發酵反應器進行處理，生產的沼氣用于牛舍用電及供暖；出料沼液經固液分離，固體部分用于墊料生產，液體部分經沉淀池處理后還田。按照構建的指標體系及評價方法對牧場的糞污處理水平進行評價，結果見表2。

表2 河北省某規模化奶牛場糞污處理評價結果

如上所述，該規模化奶牛養殖場糞污處理采用后分離厭氧發酵模式（M2），使用指標體系進行測算，綜合評價指數為83.83，說明該養殖場的糞污處理水平達到了良好水平，與實際情況相符。從具體得分項來看，該奶牛養殖場糞污處理工程在環境指標上表現最為突出，在養分回收利用、糞污農田消納、固液氣廢棄物排放等方面控制較好；由于采用的糞污處理工藝技術較為成熟可靠，其技術指標也有較高的得分；從經濟指標來看，工程總投資和運行成本較高，在未來的糞污處理過程中，可以更多地優化工程的運行管理，降低工程運行成本，進一步控制臭氣、固體廢棄物、污水等的排放量，提升糞污處理水平。

3 結 論

規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價能夠比較全面的衡量糞污處理項目的效益，對項目實施成效進行全面、科學的評價提供有力支撐，指導規模化養殖場科學地選擇適宜的糞污處理技術模式以及進行解決方案的優化。

1）針對規模化畜禽養殖場糞污處理，提出一套由技術指標、經濟指標、環境指標等3個一級指標、6個二級指標和15個三級指標組成的評價指標體系，運用層次分析法和專家打分法得出整個評價體系的權重，并進一步建立了綜合評價模型，為科學評價糞污處理項目的綜合效益提供了方法體系和理論支撐。

2）運用上述指標體系，對中國3個奶牛養殖區6種糞污處理技術模式開展研究分析，評價結果表明糞污前分離模式要優于后分離模式，東北地區宜采用前分離肥料模式和前分離墊料模式，西北地區宜采用肥料模式和前分離墊料模式，華北地區宜采用厭氧發酵模式。

3）以河北某規模化奶牛養殖場為例，應用指標體系進行分析評價，結果表明該養殖場的糞污處理水平達到了良好水平，環境指標和技術指標得分較高，并針對經濟指標存在的問題提出了改進意見和建議。實例分析結果證實了該指標體系的實踐指導性、可操作性和合理性。

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Construction and application of comprehensive evaluation index system for waste treatment on intensive livestock farms

Luo Juan1, Zhao Lixin2, Yao Zonglu2※, Feng Jing1, Yu Jiadong1, Yuan Yanwen1

(1.,100125; 2.100081,)

Livestock breeding industry is rising rapidly, due to the increasing consumption demand for livestock products, as the improvement of the living standard of Chinese residents in recent years. There is a trend towards intensive, large-scale and professional cultivation in the livestock and poultry sectors, based on both practical experience from other countries, and the guidance of the Chinese government. Consequently, an increasing trend can also be found in the discharge amount of livestock manure, containing most nutrients while harmful ingredients. If these livestock manures were not treated timely, the environment would be polluted seriously, which would also in turn prevent the development of livestock breeding industry. As such, the livestock production has become “one of the three most significant contributors to today's most serious environmental problems”. Intensive livestock cultivation has also posed a great challenge on natural ecological system. In this study, taking the manure treatment in intensive livestock farms as the research object, an evaluation index system was established by considering the regional differences, in order to evaluate comprehensive benefit of technical modes for the waste treatment in the current large-scale livestock and poultry manure. An Analytic Hierarchy Process (AHP) method was used to construct the comprehensive evaluation index system, based on the whole production chain, including planning layout, manure collection-storage-transportation, efficient treatment, transformation, and utilization to farmland. Three aspects of the index system can be divided into the technical, economic and environmental indicators, including three first-level index, six second-level index, and 15 third-level index. An expert scoring method was used to determine the weight of each index. Six types of modes for fecal sewage treatment technology were selected to verify the index system in three dominant areas of cow breeding. An example of field experiment was taken as a large-scale dairy farm in Hebei Province. The results showed that: the evaluation method can accurately assess the comprehensive benefits of livestock manure treatment in large-scale farms, covering a practical guidance and good operability. Specifically, the pre-separation composting mode and pre-separation bedding mode were recommended in Northeast China, whereas, the composting mode and pre-separation composting mode were recommended in Northwest China, and the fermentation mode was recommended in North China. It infers that the solid-liquid separation can have a significant impact on the treatment effect in different stages of manure treatment. In Northeast and Northwest China, the performance of pre-separation mode was better than that of the former separation. There was no significant difference in the post-separation mode in North China. The scores of environmental and technical indicators ranked higher at the waste treatment level for the large-scale dairy farm in Hebei Province, indicating a good performance of mode. Some suggestions were also proposed based on the existing conditions in the economic indicators. A case analysis further verified the practical guidance, operability and rationality of the index system. Therefore, this finding can provide a methodology system and theoretical support for the construction of fecal sewage treatment, as well as a sound important reference for the comprehensive benefit evaluation in the waste treatment of intensive livestock farms in the future.

manures; waste treatment; livestock farms; evaluation system; application

羅娟，趙立欣，姚宗路，等. 規模化養殖場畜禽糞污處理綜合評價指標體系構建與應用[J]. 農業工程學報，2020，36(17)：182-189.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022 http://www.tcsae.org

Luo Juan, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Construction and application of comprehensive evaluation index system for waste treatment on intensive livestock farms[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 182-189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022 http://www.tcsae.org

2020-03-27

2020-08-28

國家重點研發計劃課題（2018YFD0800106）

羅娟，博士，高級工程師，主要從事農業廢棄物資源化利用技術裝備與環境保護研究。Email: emimi2008@126.com

姚宗路，博士，研究員，主要從事農業廢棄物能源化利用技術研究。Email: yaozonglu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.022

X71

A

1002-6819(2020)-17-0182-08