江西地區(qū)規(guī)模肉牛場(chǎng)涉水污染物排放基數(shù)研究

吳志堅(jiān)，饒 輝，夏宗群，李翔宏，寧 財(cái)，林春斌，吳志勇

（江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西 南昌 330046）

隨著《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》的頒布和實(shí)施、《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見(jiàn)》等配套文件的出臺(tái)，畜禽養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響引起了全社會(huì)的高度關(guān)注。而畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)排污基數(shù)作為環(huán)境領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是污染狀況判斷、環(huán)境決策制定的重要依據(jù)，是科學(xué)評(píng)估和預(yù)測(cè)污染物排放總量的重要基礎(chǔ)，也是落實(shí)國(guó)務(wù)院“減排任務(wù)”，實(shí)現(xiàn)“減排目標(biāo)”的重要保障。因此，開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)源排污基數(shù)測(cè)算研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

美國(guó)、日本、丹麥等西方發(fā)達(dá)國(guó)家均對(duì)畜禽養(yǎng)殖所產(chǎn)生的污染物進(jìn)行了研究，并制定了完整的畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)，如美國(guó)農(nóng)業(yè)工程師學(xué)會(huì)編制了動(dòng)物糞便產(chǎn)生和特性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]、日本在畜禽糞便特性和產(chǎn)排污系數(shù)方面構(gòu)建了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]、丹麥制定了糞便產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)[3]。我國(guó)自2008年第一次污染源普查以來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物產(chǎn)排開(kāi)展了大量的研究。董紅敏等[4]對(duì)畜禽產(chǎn)排污系數(shù)進(jìn)行了定義，并提出了一些計(jì)算方法。莊犁等[5]對(duì)我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)的梳理，總結(jié)了畜禽業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)研究一些典型的應(yīng)用案例和改進(jìn)方法。王國(guó)利等[6-7]對(duì)廣西地區(qū)雜交水牛的產(chǎn)排污系數(shù)和小規(guī)模生豬場(chǎng)排污系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，得到了廣西地區(qū)的產(chǎn)排污系數(shù)。付敏等[8]對(duì)四川省丘陵地區(qū)肉牛糞尿的產(chǎn)排系數(shù)進(jìn)行了研究。隋超等[9-13]在畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)方面也開(kāi)展了不同程度的研究。另外，還有一些學(xué)者報(bào)道了奶牛產(chǎn)排污系數(shù)的測(cè)定[14-21]，已有研究很好地填補(bǔ)了各地畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污基數(shù)的空白，但主要集中在生豬和奶牛，而規(guī)模肉牛場(chǎng)涉水污染物排放基數(shù)的研究報(bào)道則甚少。

近年來(lái)，隨著肉牛規(guī)模養(yǎng)殖比重的提高，規(guī)模肉牛場(chǎng)糞污產(chǎn)生量占比越來(lái)越大，2020年全國(guó)肉牛出欄4565.9萬(wàn)頭，年末存欄7685.1萬(wàn)頭，規(guī)模養(yǎng)殖占比為29.6%[22]。隨著肉牛規(guī)模養(yǎng)殖比重的提高，規(guī)模肉牛場(chǎng)糞污產(chǎn)生量占比也越來(lái)越大，肉牛養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境的影響也日益凸顯，因此，研究規(guī)模肉牛場(chǎng)糞污和涉水污染物產(chǎn)生和排放情況十分必要。前述研究只有王國(guó)利等[6]測(cè)定了肉牛的總氮、總磷、有機(jī)質(zhì)、COD、氨氮等污染物的排放系數(shù)，但其研究對(duì)象是廣西水牛，對(duì)規(guī)模肉牛場(chǎng)的排污基數(shù)參考作用有限，而且目前尚未有關(guān)于江西地區(qū)規(guī)模肉牛場(chǎng)排污基數(shù)研究的報(bào)道。本研究基于江西地區(qū)規(guī)模肉牛場(chǎng)肉牛養(yǎng)殖的實(shí)際情況，對(duì)肉牛排放的涉水污染物進(jìn)行了測(cè)定，得到具有江西地區(qū)代表性的規(guī)模肉牛場(chǎng)涉水污染物排放基數(shù)，可以為構(gòu)建江西肉牛排污基數(shù)、摸清江西乃至南方地區(qū)糞污排放量，以及全國(guó)制定新形勢(shì)下畜禽養(yǎng)殖污染源減排相關(guān)指標(biāo)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)的概況

選擇江西高安市某規(guī)模肉牛場(chǎng)，該場(chǎng)飼養(yǎng)品種主要為西門塔爾和本地黃牛雜交后代（西雜牛），固體糞便通過(guò)人工干清糞方式收集，運(yùn)至干糞間自然堆積發(fā)酵，發(fā)酵后用于種植牧草、蔬菜和果樹(shù)等；污水通過(guò)專用管網(wǎng)進(jìn)入處理系統(tǒng)，厭氧發(fā)酵后的沼液輸送至貯存池，用于種植牧草、蔬菜和果樹(shù)等，無(wú)污水外排。

糞便處理利用工藝流程：肉牛養(yǎng)殖→糞便→干清糞→自然堆積發(fā)酵→種植牧草、蔬菜、果樹(shù)等。處理環(huán)節(jié)為自然堆積發(fā)酵。

污水處理利用工藝流程：肉牛養(yǎng)殖→專用管網(wǎng)→收集池→厭氧發(fā)酵→沼氣池→貯存池→沼液運(yùn)輸車→種植牧草、蔬菜、果樹(shù)等。處理環(huán)節(jié)包括厭氧發(fā)酵和沼液貯存。

1.2 研究方法

1.2.1 排污基數(shù)的定義 排污基數(shù)是在產(chǎn)污基數(shù)確定的基礎(chǔ)上，通過(guò)測(cè)定分析糞便收集率、污水處理效率、污水利用率、收集糞便利用率等參數(shù)計(jì)算而得。

糞便收集率是指飼養(yǎng)員人工清糞收集到的固體糞便量占肉牛實(shí)際產(chǎn)糞便量的比例，實(shí)際產(chǎn)糞量通過(guò)產(chǎn)污基數(shù)試驗(yàn)測(cè)定獲得；糞便收集量是在正常的飼養(yǎng)管理?xiàng)l件下，選擇與試驗(yàn)牛同樣的欄舍且飼養(yǎng)與試驗(yàn)牛相近年齡和體重的牛，稱量日常清糞收集到的糞便量而獲得；污水利用率通過(guò)測(cè)定污水產(chǎn)生量和利用量計(jì)算而得；污水產(chǎn)生量和利用量測(cè)定采取在進(jìn)水口和排水口安裝流量計(jì)而獲得；污水處理效率則通過(guò)測(cè)定污水在處理系統(tǒng)進(jìn)水口和出水口取樣分析而獲得。

1.2.2 特性參數(shù)的測(cè)定 考慮到季節(jié)和穩(wěn)定運(yùn)行的影響，本研究按照春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)，每個(gè)季節(jié)連續(xù)采樣3 d，采用周年監(jiān)測(cè)的方法，對(duì)規(guī)模肉牛場(chǎng)涉水污染物排放特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

1.3 采樣與檢測(cè)

1.3.1 糞便 對(duì)干糞間當(dāng)天收集的糞便和自然堆積發(fā)酵后的糞便分別按照梅花形采樣法，各采集糞便5 kg，混合后采用四分法取樣，攪拌均勻后分成3個(gè)樣品，單個(gè)樣品重量為500 g。其中，1份樣品不進(jìn)行預(yù)處理，用作含水率的測(cè)定；對(duì)另外2份樣品按照每100 g添加4.5 mol/L硫酸10 mL進(jìn)行預(yù)處理，1份用于檢測(cè)，1份留樣，將樣品編號(hào)標(biāo)注預(yù)處理等信息后，用保溫樣品箱加冰袋保存并及時(shí)送專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.2 污水 分別在污水處理區(qū)的收集池、沼液池和貯存池按照對(duì)角線采樣法，各采取3個(gè)點(diǎn)位的污水，混勻后取出500 mL污水用50%硫酸將pH值調(diào)至2以下，將編號(hào)標(biāo)注預(yù)處理等信息后一同送檢。

1.3.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法 測(cè)定的污染物參數(shù)及其測(cè)定方法見(jiàn)表1和表2。

表1 糞樣的檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)方法和方法標(biāo)準(zhǔn)

表2 污水樣的檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)方法和方法標(biāo)準(zhǔn)

1.4 統(tǒng)計(jì)分析和排污基數(shù)的計(jì)算

1.4.1 數(shù)據(jù)分析 運(yùn)用WPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，采用 SPSS 19.0軟件求總平均值和總標(biāo)準(zhǔn)差，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

1.4.2 處理效率 糞便或污水的處理效率則通過(guò)測(cè)定在處理系統(tǒng)處理前和處理后分別取樣分析獲得，計(jì)算公式如下：

式（1）中：Rt，j為該養(yǎng)殖場(chǎng)第t種處理工藝對(duì)j種污染物處理效率（%）；Ct1，j為糞便或污水第t種處理工藝處理前第j種污染物的濃度（%或mg/L）；Ct2，j為糞便或污水第t種處理工藝處理后第j種污染物的濃度（%或mg/L）。

1.4.3 排污基數(shù)的計(jì)算 排污基數(shù)除受糞尿產(chǎn)生量及其污染物濃度的影響外，還應(yīng)考慮糞便收集率、利用率、尿液與未收集糞便共同形成的污水及污水的利用率和處理效率的影響[7]。本文采用董紅敏等[4]的畜禽養(yǎng)殖業(yè)排污系數(shù)計(jì)算公式：

式（2）中：FDj，k為每頭第j階段的肉牛第k種污染物的日排污基數(shù)（mg/d）；QFj為第j階段的肉牛糞便產(chǎn)生量（kg/d）；CFj，k為第j階段的肉牛糞便中第k種污染物的濃度（mg/kg）；ηF為糞便收集率（%）；QUj為第j階段的肉牛尿液產(chǎn)生量（L/d）；CUj，k為第j階段的肉牛尿液中第k種污染物的濃度（mg/L）；ηTk為第k種污染物處理效率（%）；ηW為污水利用率（%）；ηU為糞便利用率（%）。

2 結(jié)果與分析

2.1 糞便收集率

肉牛不同飼養(yǎng)階段、不同季節(jié)的糞便收集率見(jiàn)表3。犢牛、育肥牛、母牛糞便收集率的年均值分別為 94.6%、97.1%、97.4%，少量糞便因在收集過(guò)程中受試驗(yàn)牛、收集器具及人為等因素的影響而造成了損失。

表3 肉牛不同養(yǎng)殖階段糞便收集率 %

2.2 糞便處理效率

糞便主要通過(guò)自然堆積發(fā)酵對(duì)污染物進(jìn)行處理，從測(cè)試結(jié)果看，因季節(jié)和污染物種類的不同，其處理效率也不相同，含水率、TN、TP、NH4+-N、有機(jī)質(zhì)在不同季節(jié)的處理效率見(jiàn)表4。各污染物的處理效率受季節(jié)的影響較大，由于自然堆積發(fā)酵工藝不翻堆、不曝氣，對(duì)含水率處理效果不明顯；TN、TP和有機(jī)質(zhì)的處理效率均是夏季最高，銨態(tài)氮的處理效率則冬季最高；含水率、TN、TP、NH4+-N、有機(jī)質(zhì)的全年平均處理效率分別為 1.71%、9.26%、21.63%、31.43%、9.55%。

表4 糞便自然堆積發(fā)酵前后各指標(biāo)值變化情況及處理效率

2.3 污水處理效率

污水主要通過(guò)常溫厭氧發(fā)酵和沼液貯存2個(gè)工藝對(duì)污染物進(jìn)行處理，從測(cè)試的結(jié)果分析，因季節(jié)、污染物種類的不同，其處理效率也不相同，COD、TN、NH4+-N、TP不同季節(jié)的處理效率見(jiàn)表5。各污染物的處理效率季節(jié)性影響較大，COD 的處理效率以夏季最高，冬季最低；TN和NH4+-N的處理效率以冬季最高，秋季最低；TP的處理效率以春季最高，夏季最低；COD、TN、NH4+-N、TP全年平均處理效率分別為 76.35%、73.19%、75.41%、55.69%。

表5 污水處理前后各指標(biāo)值變化情況及處理效率

2.4 排污基數(shù)

糞污排出養(yǎng)殖場(chǎng)區(qū)邊界即認(rèn)定為排放，本試驗(yàn)牛場(chǎng)的污水在經(jīng)過(guò)厭氧處理后，貯存在沼液池中用于種植牧草、蔬菜和果樹(shù)等，污水沒(méi)有排放；固體糞便經(jīng)過(guò)自然堆積發(fā)酵后，用于種植牧草和蔬菜和果樹(shù)，固體糞便流失率為0，此種管理模式下測(cè)算得到排污基數(shù)為0。

為獲得江西地區(qū)有普遍參考意義的排污基數(shù)，本文分“污水厭氧發(fā)酵后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”（模式1）和“污水厭氧發(fā)酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”（模式2）2種模式，根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)并引用產(chǎn)污基數(shù)的相關(guān)數(shù)據(jù)[23]，用排污基數(shù)計(jì)算公式計(jì)算，得到肉牛不同生長(zhǎng)階段的排污基數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 肉牛不同飼養(yǎng)階段不同管理模式排污基數(shù) mg/（頭·d）

由表6和圖1可以看出，模式2相比模式1僅增加沼液貯存工藝，但對(duì)減少污染物排放的效果十分顯著，模式2中3個(gè)飼養(yǎng)階段的COD、TN、NH4

圖1 2種模式排放基數(shù)平均值對(duì)比

+-N、TP的排放基數(shù)平均值占模式1的比例分別為57.21%、50.53%、50.23%、84.10%。

2.5 排污基數(shù)與產(chǎn)污基數(shù)的對(duì)比分析

通過(guò)排污基數(shù)與產(chǎn)污基數(shù)比較分析，COD、TN、NH4+-N、TP的排放量占產(chǎn)生量的比例如圖2所示。由圖2可知，采用模式1，即“污水厭氧發(fā)酵后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基數(shù)占產(chǎn)生基數(shù)百分比分別為51.48%、23.65%、38.98%、3.82%；采用模式2，即“污水厭氧發(fā)酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基數(shù)占產(chǎn)生基數(shù)的比例分別為29.57%、11.94%、19.57%、3.20%。模式1、2 TP的排放基數(shù)占產(chǎn)生基數(shù)的比例只有3.82%和3.20%，這是由于TP主要來(lái)自干糞，而干糞95%左右都被收集利用了。

圖2 2種模式排放基數(shù)與產(chǎn)生基數(shù)比例

3 結(jié)論與討論

排污基數(shù)是在產(chǎn)污基數(shù)的基礎(chǔ)上得來(lái)的，排污基數(shù)與糞污的處理工藝（如清糞方式、糞便處理工藝、污水處理工藝和糞便污水利用情況等）有直接的關(guān)系，各養(yǎng)殖場(chǎng)的養(yǎng)殖模式千差萬(wàn)別，很難套用統(tǒng)一的排放基數(shù)。本研究提出了肉牛規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)常用的糞便自然堆積發(fā)酵工藝、污水厭氧發(fā)酵工藝和沼液貯存工藝的處理效率計(jì)算方法，測(cè)算了2種不同模式的排污基數(shù)，該方法針對(duì)肉牛糞便和尿液是可利用資源這一特點(diǎn)，有利于準(zhǔn)確地分析各種糞便、污水處理工藝對(duì)降低污染物排放的貢獻(xiàn)，為管理部門和肉牛養(yǎng)殖者選用或者改進(jìn)糞污處理利用工藝模式提供參考和借鑒。

本研究結(jié)合規(guī)模肉牛場(chǎng)的實(shí)際，測(cè)算得到2種不同糞污處理模式的排污基數(shù)：“污水厭氧發(fā)酵后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”模式的犢牛、育肥牛和母牛3個(gè)階段的COD排污基數(shù)分別為37.81、74.79、47.42 g/（頭·d），TN排污基數(shù)分別為10.54、27.05、19.43 g/（頭·d），NH4+-N排污基數(shù)分別為7.42、20.69、16.74 g/（頭·d），TP排污基數(shù)分別為1.17、1.71、0.80 g/（頭·d）?！拔鬯畢捬醢l(fā)酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發(fā)酵后全部利用”模式的犢牛、育肥牛和母牛3個(gè)階段的 COD 排污基數(shù)分別為22.12、42.32、27.10 g/（頭·d），TN排污基數(shù)分別為5.16、13.57、10.08 g/（頭·d），NH4+-N排污基數(shù)分別為3.67、10.34、8.52 g/（頭·d），TP排污基數(shù)分別為0.98、1.46、0.66 g/（頭·d）。

目前，肉牛排污基數(shù)的相關(guān)研究較少，表7為不同地區(qū)的幾種育成育肥牛排污基數(shù)，由此可知，不同地區(qū)不同糞污處理工藝條件下測(cè)得的排污基數(shù)相差較大。王國(guó)利等[6]研究得到的廣西成年水牛系數(shù)COD、TN、NH4+-N、TP分別為93.29、21.97、1.56、0.45 g/（頭·d），《第一次全國(guó)污染源普查畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)手冊(cè)》的華東區(qū)肉牛排污系數(shù)[24]COD、TN、TP分別為157.27、52.37、3.26 g/（頭·d），欒冬梅等[15]報(bào)道的育成奶牛排污數(shù) 據(jù)COD、TN、TP分 別 為540.39、34.34、13.29 g/（頭·d）。本研究得到的模式1育肥牛的COD、TN排污基數(shù)與廣西地區(qū)水牛的較接近，但TP則差異較大，這可能是由于家畜的差異，以及本研究將干糞中的銨態(tài)氮進(jìn)入污水部分計(jì)算在內(nèi)的計(jì)算方法不同有關(guān)。2種模式下育肥牛的排污基數(shù)COD、TN、TP均較第一次全國(guó)污染源普查排污系數(shù)低很多，其中模式1的排污基數(shù)約為第一次全國(guó)污染源普查排污系數(shù)的50%，可能與清糞方式、糞便污水處理利用工藝、樣本數(shù)量和計(jì)算方式不同有關(guān)。

表7 排污基數(shù)對(duì)比 g/（頭·d）

由于排污基數(shù)受糞污處理工藝、天氣、溫度等諸多因素的影響，本研究受各種客觀條件的限制，未對(duì)肉牛養(yǎng)殖糞污的所有處理工藝的效果進(jìn)行測(cè)定，也未考慮天氣、溫度等影響因素，因此，測(cè)定結(jié)果存在一定的局限性。同時(shí)，排放基數(shù)測(cè)定的指標(biāo)還不夠全面，未將Cu、Zn等重金屬，以及抗生素等納入研究范圍。隨著國(guó)家對(duì)碳達(dá)峰碳中和的日益重視，建議適時(shí)開(kāi)展畜禽養(yǎng)殖業(yè)的CH4、N2O等溫室氣體產(chǎn)排基數(shù)的測(cè)定和研究。