畜禽糞便資源沼氣生產(chǎn)潛力與能源化治污分析

曹乃文 唐浩

摘要 本文對(duì)河南省焦作市畜禽糞便資源進(jìn)行估算，分析沼氣生產(chǎn)潛力。結(jié)果表明，2014年焦作市畜禽糞便產(chǎn)生量為400.7 萬(wàn)t，豬糞和牛糞占畜禽糞便總量的59.6%、28.1%；畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力約為2.27 億m3，畜禽糞便能源潛力相當(dāng)于全市天然氣年消費(fèi)量的71.6%。可見(jiàn)，焦作市畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力十分可觀(guān)，現(xiàn)有的沼氣工程年產(chǎn)氣量?jī)H占沼氣生產(chǎn)潛力的22.0%，畜禽糞便資源的開(kāi)發(fā)利用還有很大的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞 畜禽糞便；資源現(xiàn)狀；沼氣；潛力

中圖分類(lèi)號(hào) S216.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1007-7731（2023）14-0085-05

畜禽養(yǎng)殖業(yè)在保障畜產(chǎn)品供應(yīng)、促進(jìn)農(nóng)民增收等方面發(fā)揮了重要作用，已經(jīng)成為部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)和農(nóng)民增收的主要來(lái)源[1-4]。規(guī)模化、集約化養(yǎng)殖場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的畜禽糞便，由于得不到及時(shí)有效的處理，畜禽糞便中的氮、磷、鉀和多種污染物進(jìn)入到大氣、水體和土壤中，從而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響[5-8]。

2010年《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，畜禽糞便污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源。對(duì)畜禽糞便的產(chǎn)生量及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)狀況進(jìn)行研究，尋求有效可行的畜禽糞便資源化利用技術(shù)具有重要的研究?jī)r(jià)值[9-11]。當(dāng)前，關(guān)于畜禽糞便產(chǎn)生量的估算以及沼氣的潛力研究等方面已經(jīng)有很多報(bào)道[12-14]。對(duì)河南省焦作市畜禽養(yǎng)殖糞便的產(chǎn)生量、沼氣生產(chǎn)潛力及沼氣工程的發(fā)展?jié)摿Φ葍?nèi)容進(jìn)行研究，發(fā)揮沼氣工程在畜牧整縣推進(jìn)情況下的紐帶作用是值得研究的課題。本文以焦作市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，估算了焦作市2014年畜禽糞便排放量、沼氣生產(chǎn)潛力等，以期為焦作市養(yǎng)殖業(yè)選擇能源化利用手段治理畜禽糞便造成的環(huán)境污染提供依據(jù)。

1 畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化

1.1 沼氣工程在畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用中的作用

沼氣工程是以厭氧消化發(fā)酵為主要技術(shù)環(huán)節(jié)，以養(yǎng)殖糞便廢棄物為原料，以糞便污水的減量化、無(wú)害化、資源化、能源化為主要目的，將養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)有機(jī)組合的系統(tǒng)工程。沼氣工程通過(guò)厭氧發(fā)酵過(guò)程殺死大多數(shù)養(yǎng)殖糞便廢棄物中的蟲(chóng)害和蟲(chóng)卵等，生產(chǎn)出沼渣沼液高效有機(jī)肥，具有植物生長(zhǎng)需要的營(yíng)養(yǎng)元素，含有多種氨基酸等微量元素；另外所產(chǎn)生的沼氣可以用來(lái)集中供氣、發(fā)電、燒鍋爐等。

1.2 焦作市畜禽養(yǎng)殖污染態(tài)勢(shì)

近年來(lái)，焦作市畜禽養(yǎng)殖業(yè)呈現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展趨勢(shì)。2010年全市生豬年出欄139.57萬(wàn)頭，奶牛存欄5.94萬(wàn)頭，肉牛存欄14.26萬(wàn)頭，共有規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)和養(yǎng)殖小區(qū)606家，到2014年，全市生豬年出欄186.04萬(wàn)頭，奶牛存欄6.01萬(wàn)頭，肉牛存欄13.44萬(wàn)頭，共有規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)和養(yǎng)殖小區(qū)950家。部分規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)分布面廣，布局不合理，污染點(diǎn)源多、養(yǎng)殖戶(hù)缺乏環(huán)保意識(shí)，污染物排放達(dá)標(biāo)率低，規(guī)模化以下小型養(yǎng)殖場(chǎng)存在較為嚴(yán)重的畜禽糞便圍村現(xiàn)象。

1.3 焦作市選擇沼氣工程發(fā)展現(xiàn)狀

隨著環(huán)保意識(shí)的提高，小散養(yǎng)殖企業(yè)逐漸被規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)替代，畜禽糞便的治理成為養(yǎng)殖企業(yè)亟需解決的問(wèn)題。沼氣工程作為畜禽糞污處理的主要技術(shù)手段，在焦作市得以迅速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，焦作市目前有規(guī)劃化養(yǎng)殖企業(yè)950家，大小型沼氣工程僅有83處，沼氣工程還有很大的發(fā)展空間。截至2014年底，全市累計(jì)建成大中小型沼氣工程425處，其中大型30處、中型53處、小型342處，總池容5.5萬(wàn)m3，各類(lèi)型沼氣工程年總產(chǎn)沼氣約400萬(wàn)m3，年處理畜禽糞便約10 萬(wàn)t。大中型沼氣工程項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化養(yǎng)殖企業(yè)的糞污資源綜合利用，把養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)結(jié)合在一起，產(chǎn)生了較顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

2 研究對(duì)象與數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究對(duì)象

以焦作市所轄的5個(gè)區(qū)、4個(gè)縣、2個(gè)市的主要畜禽種類(lèi)為研究對(duì)象，主要包括牛、豬、羊、兔和家禽（表1），確定2014年焦作市主要畜禽種類(lèi)的糞便排放情況。

2.2 畜禽糞便量的計(jì)算

數(shù)據(jù)來(lái)源根據(jù)焦作市2015年統(tǒng)計(jì)年鑒中的畜禽養(yǎng)殖數(shù)量，通過(guò)實(shí)地調(diào)查和參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料確定畜禽飼養(yǎng)周期和排放系數(shù)。

2.2.1 飼養(yǎng)周期的確定? 不同畜禽種類(lèi)的飼養(yǎng)周期不同，在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量包括存欄數(shù)和出欄數(shù)，對(duì)于不同的畜禽種類(lèi)是選擇存欄數(shù)還是出欄數(shù)作為計(jì)算的依據(jù)，對(duì)結(jié)果有很大的影響。本文參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料，確定不用畜禽種類(lèi)的飼養(yǎng)周期以及存欄數(shù)、出欄數(shù)、存欄數(shù)的飼養(yǎng)期按全年（365 d）計(jì)算。豬：平均飼養(yǎng)周期為199 d，不足一年，按照年出欄數(shù)量作為穩(wěn)定的飼養(yǎng)數(shù)量。牛：主要是肉牛和奶牛，奶牛的飼養(yǎng)周期超過(guò)一年，一般當(dāng)年不出欄、年末存欄數(shù)可作為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量。肉牛的飼養(yǎng)周期平均為160 d，肉牛的飼養(yǎng)數(shù)量可以用當(dāng)年的出欄數(shù)代替。羊、驢：飼養(yǎng)周期一般超過(guò)一年，采取年末存欄數(shù)作為當(dāng)年的飼養(yǎng)數(shù)量。家禽：肉禽的飼養(yǎng)周期平均為50 d，以當(dāng)年出欄數(shù)計(jì)為飼養(yǎng)數(shù)量。兔子：兔子的飼養(yǎng)周期平均為90 d，以當(dāng)年出欄數(shù)計(jì)為飼養(yǎng)數(shù)量。

2.2.2 排泄系數(shù)的確定? 畜禽糞便的排泄量與品種、生長(zhǎng)階段、個(gè)體發(fā)育、飼料組成、喂養(yǎng)方式等有關(guān)[15]，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文參考了有關(guān)研究成果[16-18]，并在當(dāng)?shù)貙?shí)地調(diào)查，確定了焦作市畜禽糞便日排泄系數(shù)（表2）。

2.2.3 畜禽糞便養(yǎng)分含量的確定? 畜禽糞便含量與季節(jié)、動(dòng)物發(fā)育階段等因素有關(guān)，為了計(jì)算方便，采用畜禽糞便養(yǎng)分含量的平均值（見(jiàn)表3）[19-21]。

計(jì)算公式：

畜禽糞便產(chǎn)生總量=飼養(yǎng)數(shù)量×飼養(yǎng)周期×排泄系數(shù)

畜禽糞便中純養(yǎng)分含量=畜禽糞便產(chǎn)生量×單位質(zhì)量畜禽糞便養(yǎng)分含量

2.3 沼氣產(chǎn)氣率的確定

影響沼氣產(chǎn)氣率的因素有很多，包括不同的糞便種類(lèi)、溫度、厭氧環(huán)境、pH等。本文參考已有的研究成果[10，19]，按以下數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：豬糞 60 m3/t，牛糞45 m3/t，羊糞62 m3/t，雞糞80 m3/t。沼氣生產(chǎn)潛力=糞便總量×沼氣產(chǎn)氣率。

3 結(jié)果與分析

3.1 畜禽糞便年總產(chǎn)生量

從表4可以看出，2014年焦作市各類(lèi)畜禽糞便排放總量為400.7 萬(wàn)t，其中糞排放總量243.95 萬(wàn)t，占總排放量的60.9%；尿排放總量156.75 萬(wàn)t，占總排放量的39.1%。由于沒(méi)有具體統(tǒng)計(jì)家禽中蛋雞、肉雞和鴨鵝的情況，部分畜禽糞便未計(jì)算在內(nèi)，實(shí)際糞便總排放量要大于這一數(shù)值。

3.2 不同畜禽種類(lèi)糞便排放量

從表5可以看出，不同畜禽種類(lèi)的排放量差別很大，肉牛、奶牛、豬、羊、家禽、兔的糞尿排放量分別為40.72、71.67、238.79、26.9、20.98、1.64 萬(wàn)t，分別占總排放量的10.2%、17.9%、59.6%、6.7%、5.2%和0.4%。畜禽糞便日排放系數(shù)與動(dòng)物種類(lèi)、品種、性別、生長(zhǎng)期、飼料、天氣狀況等有關(guān)。生豬養(yǎng)殖量大，飼養(yǎng)周期長(zhǎng)，單頭日排放量也較大，導(dǎo)致年排放量大，排糞量占總糞便排放量的45.5%，排尿量占總尿排放量的81.5%。牛的單頭日排放量要遠(yuǎn)大于生豬，但是牛的養(yǎng)殖量少，其糞便排放量高于其他畜禽種類(lèi)但小于生豬，其排放量占總排放量的28.1%。隨著經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，生豬和牛的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，糞便的排放將會(huì)是下一步治理的重點(diǎn)。

3.3 不同地區(qū)糞便排放量

從圖1可以看出，不同地區(qū)畜禽糞便排放量差異很大。5區(qū)（示范區(qū)、解放區(qū)、中站區(qū)、馬村區(qū)、山陽(yáng)區(qū)）畜禽糞便總量為40.17 萬(wàn)t，占總糞便排放量的10.0%。其中，示范區(qū)畜禽糞便總量為28.3 萬(wàn)t，占五區(qū)總排放量的70.5%。在6個(gè)縣市中，武陟縣的畜禽糞便年排放量最大，達(dá)到129.75 萬(wàn)t，占全市年總排放量的32.4%，孟州市畜禽糞便年排放量占總排放量的14.9%，修武縣、溫縣和沁陽(yáng)市畜禽糞便排放量差別不大，分別占總排放量的11.0%、11.2%和11.4%，博愛(ài)縣畜禽糞便排放量占總排放量的9.1%。示范區(qū)緊鄰焦作市城區(qū)，在日益重視生態(tài)環(huán)境的情況下，如何解決好畜禽糞便的排放問(wèn)題十分關(guān)鍵。

3.4 有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀排放量

畜禽糞便含有大量的機(jī)質(zhì)和豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，但如果任意排放，則會(huì)造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染[22-23]。從表6可以看出，焦作市2014年畜禽糞便排放量中有機(jī)質(zhì)總量為91.97 萬(wàn)t，豬糞中有機(jī)質(zhì)排放量最大，達(dá)到56.60 萬(wàn)t，占有機(jī)質(zhì)總量的61.50%；其次為牛糞，占有機(jī)質(zhì)總量的22.0%。氮排放總量2.20 萬(wàn)t，豬糞中氮含量最多，達(dá)到1.43 萬(wàn)t，占總氮排放量的65.0%。磷排放總量為1.73 萬(wàn)t，豬糞中磷含量為1.19 萬(wàn)t，占總磷排放量的68.8%。鉀排放總量為1.21 萬(wàn)t，豬糞中鉀含量為0.96 萬(wàn)t，占總鉀排放量的79.0%。焦作市2014年化肥施用總量折純?yōu)?0.20萬(wàn)t，其中氮肥6.80萬(wàn)t，磷肥2.70萬(wàn)t，鉀肥0.78萬(wàn)t。如果將2014年畜禽糞便全部施入農(nóng)田，則氮、磷含量相當(dāng)于同年化肥施用量的32.4%和63.0%。

4 沼氣生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)

4.1 畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力

從表7可以看出，2014年焦作市主要畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力約為2.273億m3，折合標(biāo)煤16.20萬(wàn)t，折合甲烷1.36億m3，2014年焦作市天然氣的消費(fèi)量為1.90億m3，畜禽糞便能源潛力相當(dāng)于全市天然氣年消費(fèi)量的71.6%。豬糞的沼氣生產(chǎn)潛力均為1.43 億m3，占沼氣總生產(chǎn)潛力的63.0%。牛糞的沼氣生產(chǎn)潛力為0.51 億m3，占沼氣總生產(chǎn)潛力的22.4%。羊糞和家禽的沼氣生產(chǎn)潛力相當(dāng)，約占沼氣總生產(chǎn)潛力的7.3%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，焦作市2014年各類(lèi)沼氣工程的沼氣年產(chǎn)量約為0.50 億m3，產(chǎn)氣量?jī)H占沼氣生產(chǎn)潛力的22.0%，下一步應(yīng)當(dāng)持續(xù)加強(qiáng)沼氣工程建設(shè)，挖掘畜禽糞便的沼氣生產(chǎn)潛力，豬糞和牛糞是利用的重點(diǎn)[24-25]。

4.2 焦作市選擇沼氣工程能源化治污潛力分析

《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)》、農(nóng)業(yè)部《畜禽糞污資源化利用行動(dòng)方案（2017—2020年）》等都明確提出，要加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，促進(jìn)農(nóng)村能源發(fā)展和環(huán)境保護(hù)，這些都為焦作市發(fā)展沼氣工程能源化利用提供了科學(xué)依據(jù)。

焦作市目前有大中型沼氣工程83座，占規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)數(shù)量的8.7%，還有相當(dāng)大一部分規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)沒(méi)有建設(shè)沼氣工程。隨著規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)的發(fā)展以及環(huán)保壓力的加大，沼氣工程作為能源化治污工程具有較大的發(fā)展空間。

5 結(jié)論

（1）2014年焦作市畜禽糞便產(chǎn)生量為400.7 萬(wàn)t，家禽中蛋雞、肉雞和鴨鵝的情況沒(méi)有具體統(tǒng)計(jì)，部分畜禽糞便未計(jì)算在內(nèi)，實(shí)際糞便總排放量大于400.7 萬(wàn)t。不同畜禽種類(lèi)中，豬和牛的糞便產(chǎn)生量最大，將是今后畜禽糞便處理的重點(diǎn)。

（2）在五城區(qū)中，示范區(qū)的畜禽糞便排放量最大，由于其緊鄰城市中心，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響較大，應(yīng)當(dāng)在發(fā)展中首先解決好畜禽糞便的排放問(wèn)題。

（3）焦作市畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力約為2.273 億m3，畜禽糞便能源潛力相當(dāng)于全市天然氣年消費(fèi)量的71.6%。現(xiàn)有的沼氣工程年產(chǎn)氣量?jī)H占沼氣生產(chǎn)潛力的22.0%，畜禽糞便資源仍有很大的利用空間。

6 建議

目前，畜牧業(yè)發(fā)展進(jìn)入了新的發(fā)展階段，隨著環(huán)境污染攻堅(jiān)戰(zhàn)的進(jìn)一步推進(jìn)，畜禽糞便的處理[26-29]是當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。沼氣工程不但能夠解決畜禽糞污的污染，而且還能提供清潔能源和優(yōu)質(zhì)肥料，應(yīng)采取積極措施加以推廣利用。

（1）科學(xué)合理規(guī)劃。結(jié)合不同地區(qū)的養(yǎng)殖規(guī)模、養(yǎng)殖種類(lèi)、地理位置等因素，科學(xué)合理規(guī)劃，因地制宜發(fā)展沼氣工程[30-31]。

（2）制定優(yōu)惠政策，在用地、用電、稅收以及沼肥的使用等方面制定一系列優(yōu)惠政策，通過(guò)政策引導(dǎo)、效益吸引，積極引導(dǎo)業(yè)主增加對(duì)畜禽污染治理的投入，吸引相關(guān)企業(yè)及社會(huì)資金投入到大中型沼氣工程建設(shè)中來(lái)。

（3）加大沼肥的綜合利用。沼渣、沼液是優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥，要把沼氣工程作為連接種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的紐帶，以沼液、沼渣替代化肥、農(nóng)藥為重點(diǎn)，落實(shí)“兩減”目標(biāo)，促進(jìn)無(wú)公害和綠色農(nóng)業(yè)基地建設(shè)。

（4）開(kāi)展沼氣工程市場(chǎng)化試點(diǎn)，鼓勵(lì)有職業(yè)資格的沼氣技術(shù)骨干，建立專(zhuān)業(yè)化、正規(guī)化的服務(wù)隊(duì)，負(fù)責(zé)管路安裝、調(diào)試、故障排除、維修以及沼肥的利用等工作，確保沼氣工程的健康運(yùn)行，使沼氣工程能最大限度地發(fā)揮其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和生態(tài)效益。

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（責(zé)編：張宏民）