規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物資源化關(guān)鍵技術(shù)研究進展

敖子強，卜妹紅，彭桂群，張　杰，江　成，付嘉琦

(1.江西省科學(xué)院 能源研究所，江西 南昌 330096;2.江西師范大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，江西 南昌 330022；3.江西省科學(xué)院 鄱陽湖研究中心，江西 南昌 330096)

傳統(tǒng)養(yǎng)豬一般由農(nóng)戶分散少量飼養(yǎng)，產(chǎn)生的糞污一般用作農(nóng)作物肥料。而當(dāng)今養(yǎng)豬規(guī)模不斷擴大，集約化程度增加，年出欄幾萬甚至幾十萬頭的大型規(guī)模養(yǎng)豬場不斷出現(xiàn)，這種大規(guī)模封閉式的集中飼養(yǎng)方式造成了大量的養(yǎng)豬廢棄物，周邊環(huán)境不能完全自凈，從而形成的環(huán)境污染問題相當(dāng)突出。規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的資源化是對養(yǎng)豬廢棄物采用一系列的技術(shù)方法進行處理將養(yǎng)豬廢棄物變成人們生產(chǎn)和生活需要的肥料、飼料和燃料等能產(chǎn)生一定經(jīng)濟價值的資源，使養(yǎng)豬廢棄物得以循環(huán)利用，有效地解決規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物產(chǎn)生的環(huán)境污染從而改善規(guī)模養(yǎng)豬場周邊的環(huán)境質(zhì)量[1]。

1　規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的特點

1.1　集中排放量大、有機物濃度高

規(guī)模養(yǎng)豬場產(chǎn)生的大量糞尿和沖洗廢水等已經(jīng)成為重要的污染源，其排放量大、有機物含量高，如果長期得不到治理將對周邊的生產(chǎn)和生活帶來嚴(yán)重影響。據(jù)2012年數(shù)據(jù)，江西省出欄生豬3 700萬頭，排放固體糞便1 350萬t，產(chǎn)生廢水8 100萬m3，每年向周邊環(huán)境中排放CODcr、NH3-N、TP分別為160萬t、4萬噸和0.25萬t。規(guī)模養(yǎng)豬場產(chǎn)生糞便排放量超過工業(yè)產(chǎn)生固體廢棄物的量，尤其COD排放量大而成為當(dāng)?shù)刂饕袡C物污染源[2]。

1.2　氮和磷含量高

在規(guī)模養(yǎng)豬的過程中為了追求生豬的快速生長，大量使用營養(yǎng)豐富的飼料，在這些飼料中只有約80%能被生豬食用，其中能被有效吸收的氮、磷只有30%～40%，大部分的氮、磷隨著糞尿而被排出。目前日存欄量為100頭生豬的豬場每年排放的豬糞尿量約為 139 612 kg(其中鮮糞量約為 46 537 kg)， 豬糞養(yǎng)分含量約為：N 0.60%、P2O50.40%、K2O 0.44%、水分 82.0%、有機質(zhì) 15.0%；豬尿養(yǎng)分含量約為：N 0.30%、 P2O50.12%、 K2O 0.95%、水分 96.0%、有機質(zhì) 2.5%，因而一個萬頭豬場每年排放的廢棄物中含有氮100～161 t和磷20～33 t[3]，這些廢棄物成為周邊水體富營養(yǎng)化重要的潛在污染源。

1.3　相對處理難度大

養(yǎng)豬廢棄物一方面含有高濃度有機物和高氨氮，同時還含有大量病菌、寄生蟲卵以及銅、鋅等重金屬和多種抗生素，成為一種復(fù)合污染源，對規(guī)模養(yǎng)豬場周邊的大氣、水體、土壤造成嚴(yán)重污染。處理規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物需要考慮豬場散發(fā)的惡臭以及以大氣污染；廢棄物中氮、磷等通過淋溶作用遷移擴散導(dǎo)致地下水污染，大量的氮、磷通過地表徑流從而導(dǎo)致更大范圍的水體富營養(yǎng)化；廢棄物中的含氮化合物在土壤微生物的作用下形成硝酸鹽、亞硝酸鹽等，通過植物吸收最后影響人體健康。目前養(yǎng)豬廢水的處理工藝流程通常包括固液分離、厭氧消化、好氧降解三道工序，其中最大問題是好氧工序能耗高，一家年出欄萬頭生豬的養(yǎng)豬場年需10萬元左右的運行處理費用，養(yǎng)豬業(yè)主較難接受

2　養(yǎng)豬廢棄物資源化的途徑

2.1　肥料化

養(yǎng)豬廢棄物用作肥料是傳統(tǒng)的利用方式之一，也是廢棄物資源化的主要途徑。養(yǎng)豬廢棄物中含有豐富的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，還含有豐富的蛋白質(zhì)及其他微量元素，是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥源。用有機肥代替化肥不僅可以節(jié)約成本，還能增加土壤的有機質(zhì)，提高土壤肥力和農(nóng)作物的產(chǎn)量，保持土壤的可持續(xù)利用[4-5]。一個萬頭豬場的廢棄物進行厭氧發(fā)酵、堆肥、干燥、造粒及與輔料混合等各種工藝處理生產(chǎn)出無味、高效的有機肥料可以減少164 t化肥的使用，同時產(chǎn)生的沼液用作液肥直接使用可以減少42.7%的化肥使用量[1]。

2.2　能源化

養(yǎng)豬廢棄物中含有大量的有機物，干燥后直接用作燃料會產(chǎn)生較多的大氣污染物。將養(yǎng)豬廢棄物在厭氧條件下利用厭氧微生物的分解作用產(chǎn)生沼氣和二氧化碳，在有效處理養(yǎng)豬廢棄物同時還能進行能源回收利用，是廢棄物資源化的途徑之一。厭氧發(fā)酵不僅可以殺死致病微生物和寄生蟲卵、消除臭味，同時還能提供清潔能源，沼液沼渣還可作為各種有機肥料、栽培食用菌、魚和蚯蚓等的飼料或飼料添加劑[5]。一個萬頭豬場的廢棄物進行厭氧發(fā)酵可生產(chǎn)沼氣7.3萬m3，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤7.7萬t，是一種很有價值的潛在生物質(zhì)資源[5]。

2.3　飼料化

由于豬飼料添加銅、鋅、抗生素等飼料添加劑，這些物質(zhì)經(jīng)過消化后大部分殘留在廢棄物中并濃度增加，如重新用作飼料可能會出現(xiàn)添加的物質(zhì)濃度超標(biāo)，同時由于養(yǎng)豬廢棄物的能量低、適口性差、含有致病微生物等因素易導(dǎo)致動物出現(xiàn)各種不良癥狀等問題，因此目前一般不主張使用養(yǎng)豬廢棄物直接用作飼料[6]。目前養(yǎng)豬廢棄物主要用于飼養(yǎng)蠅蛆、蚯蚓、黑水虻等原生動物，然后這些含蛋白質(zhì)高的動物再次用作雞、鴨、魚及其他動物的飼料。但是養(yǎng)豬廢棄物經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼液、沼渣可以直接用作魚、小龍蝦、泥鰍等的飼料[7]。

3　資源化中的生物轉(zhuǎn)化作用

3.1　植物吸收轉(zhuǎn)化

養(yǎng)豬廢棄物含有豐富的氮、磷、有機物等營養(yǎng)物質(zhì)。植物吸收規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，在植物體內(nèi)進行轉(zhuǎn)化形成氨基酸等含氮化合物，最后通過同化作用轉(zhuǎn)化為植物體的組成部分[8-9]。磷是植物生長需要的大量元素之一，以磷酸鹽的形式被植物主動吸收，合成ATP等構(gòu)成植物體的組成部分被固定下來。因此對養(yǎng)豬廢棄物中污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力和耐性能力強的植物成為備選植物，同時還可以考慮具有一定的經(jīng)濟價值的植物種類，在轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)的同時降低養(yǎng)豬廢棄物的處理成本。

3.2　動物轉(zhuǎn)化

一些原生動物通過取食的方式將廢棄物中有機物進行轉(zhuǎn)化，一方面將廢棄物中氮磷等物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身的生物組成部分，另一方面通過自身的活動改變養(yǎng)豬廢棄物所處的環(huán)境及改變養(yǎng)豬廢棄物中污染物質(zhì)的形態(tài)，促進養(yǎng)豬廢棄物的轉(zhuǎn)化從而降低污染物的含量。

3.3　微生物轉(zhuǎn)化

養(yǎng)豬廢棄物微生物轉(zhuǎn)化主要表現(xiàn)在好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、好氧降解等過程中。好氧堆肥階段不僅依靠廢棄物自身的微生物種群，還可根據(jù)不同的堆肥方式適當(dāng)添加一些有利于優(yōu)勢微生物生長的輔料和接種高效微生物，如在養(yǎng)豬廢棄物中添加一定比例的秸稈或鋸末等作為碳源同時加FM菌或EM菌等高效微生物菌劑，促進微生物對養(yǎng)豬廢棄物的降解和對氨的固定而減少氨氣的揮發(fā)；厭氧發(fā)酵階段一方面創(chuàng)造適宜微生物生長的環(huán)境條件，另一方面為了提高產(chǎn)氣率，對養(yǎng)豬廢棄物進行水解酸化時添加優(yōu)勢的纖維素降解菌，可以縮短發(fā)酵時間，在產(chǎn)氣階段添加產(chǎn)甲烷菌提高產(chǎn)氣量或者添加厭氧氨氧化菌提高脫氮效果[5]；在好氧降解階段主要添加好氧降解菌促進COD的降解同時脫氮除磷。

4　養(yǎng)豬廢棄物資源化的關(guān)鍵技術(shù)

4.1　優(yōu)勢植物轉(zhuǎn)化技術(shù)

養(yǎng)豬廢棄物中的大量氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素需要生長速度快、根系發(fā)達(dá)、生物量大的植物吸收生長來進行快速轉(zhuǎn)化。此技術(shù)主要將養(yǎng)豬廢棄物肥料化，但常用的有機肥使用模式是豬-沼-有機肥-優(yōu)勢植物。植物的種類也發(fā)生了變化，不局限于水稻、蔬菜等農(nóng)作物，針對不同地區(qū)的自然和資源條件，因地制宜提出豬-沼-有機復(fù)合肥-(能源植物、飼料作物、經(jīng)濟作物、藥用作物等)模式，植物需要生長速度快、生物量大、對養(yǎng)豬廢棄物形成的環(huán)境耐性強、處理養(yǎng)豬廢棄物的能力增大同時植物的附加值增加，在處理養(yǎng)豬廢棄物的同時還可以獲得良好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。目前用于規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物處理中常用的植物有能源植物如巨菌草(Pennisseiumsp)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulu(Labnll.)Warb)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)等，經(jīng)濟作物如油茶(CamelliaoleiferaAbel)、香蕉(MusananaLour.)等[10-11]，這些植物需肥量大，處理規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的能力強，同時收割的植物還可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟價值。

4.2　優(yōu)勢動物飼料技術(shù)

目前規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物直接用作飼料還存在一系列的問題，除了“豬-沼-魚”等幾種模式外其他比較少見，但是利用優(yōu)勢動物的轉(zhuǎn)化再用作飼料利用相當(dāng)普遍。利用優(yōu)勢動物降解養(yǎng)豬廢棄物，常見的動物有蠅蛆、蚯蚓、黑水虻、水蛭等，其中廣泛使用的有蚯蚓和黑水虻。蚯蚓降解養(yǎng)豬廢棄物的速度快，降解后的產(chǎn)物是很好的有機肥，同時蚯蚓本身是很好的飼料及可用作醫(yī)藥、釀酒等原料，如每公頃蚯蚓地可處理年出欄生豬 15 000 頭左右養(yǎng)豬場產(chǎn)生的廢棄物，經(jīng)過蚯蚓處理后的養(yǎng)豬廢棄物沒有臭味，肥效高[1，12]。黑水虻容易飼養(yǎng)，成本低，繁殖速度快，具有廣泛的食譜，對養(yǎng)豬廢棄物的消化能力和轉(zhuǎn)化能力強；其生活習(xí)性不會影響人類的生活環(huán)境，取食養(yǎng)豬廢棄物可減少有害細(xì)菌和寄生蟲卵的數(shù)量，抑制蚊蟲的滋生；其干物質(zhì)含有豐富的蛋白質(zhì)和脂肪可以作為良好的飼料用來飼養(yǎng)動物，還可以提取生物柴油和幾丁質(zhì)等生物活性物質(zhì)[13-19]。

4.3　多功能微生物菌劑技術(shù)

微生物在規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物在厭氧發(fā)酵、好氧堆肥以及廢水中氮的去除等過程中起著非常重要的作用。利用養(yǎng)豬廢棄物生產(chǎn)的生物肥料產(chǎn)品有固氮菌劑、解磷菌劑、復(fù)合微生物肥料、復(fù)合微生物菌劑以及生物有機肥等幾十種，在好氧堆肥和沼渣多樣化應(yīng)用等方面得到廣泛推廣，建立了復(fù)合微生物技術(shù)研發(fā)平臺和生物有機肥生產(chǎn)控制參數(shù)并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，如條垛式和地上淺槽發(fā)酵方式應(yīng)用于原材料預(yù)處理、翻堆、干燥等方面。目前已從土壤中分離出多種脫氮除磷的優(yōu)勢菌種以及降纖維素、除臭、降油脂等優(yōu)良菌種，同時探索出有利于優(yōu)勢菌種生長繁殖的發(fā)酵條件。在厭氧發(fā)酵階段篩選出多種厭氧氨氧化菌、產(chǎn)甲烷菌等優(yōu)勢菌種增加了產(chǎn)氣率。

4.4　生物炭技術(shù)

生物炭(Biochar)是缺氧條件下以落葉、秸稈和動物糞便等動植物殘體為原料高溫裂解形成的一類惰性有機碳，分解難度大、穩(wěn)定性強，具有多孔洞、大的比表面積和陽離子交換量。豬糞和沼渣除了上述幾種用途外還可以用作生物炭的原料進行規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的多樣化利用。生物炭的應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛，可以用來處理規(guī)模養(yǎng)豬廢水解決養(yǎng)豬C/N不足的問題，同時生物炭的孔洞結(jié)構(gòu)可以有效地吸附水分和養(yǎng)分，直接影響土壤的結(jié)構(gòu)、孔隙度和通透性，減少養(yǎng)分流失，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和有益微生物聚集，提高植物對土壤水分和養(yǎng)分的利用率[20]。此外，生物炭可以改良土壤結(jié)構(gòu)，引起土壤酶活性變化的水解酶主要有B-甲苷酶、尿酶、磷酸酶、芳香硫酸酯酶，這些酶會分別參與到土壤C、N、P、S的生物地球化學(xué)循環(huán)中，同時改變土壤碳循環(huán)的路徑，增加土壤含碳量，吸收溫室氣體等。

5　小　結(jié)

規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物資源化圍繞廢棄物肥料化、能源化、飼料化及多樣化的方向，利用當(dāng)?shù)丶夹g(shù)優(yōu)勢和實際需求選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M行資源化，其中厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣將養(yǎng)豬廢棄物能源化及生物好氧堆肥生產(chǎn)有機肥將養(yǎng)豬廢棄物肥料化是當(dāng)前主要防治污染和資源化利用的主要技術(shù)。優(yōu)勢植物轉(zhuǎn)化技術(shù)、蚯蚓和黑水虻養(yǎng)殖技術(shù)、優(yōu)勢多功能菌種技術(shù)以及生物炭技術(shù)等利用先進的植物、動物和微生物等技術(shù)手段處理規(guī)?；B(yǎng)豬廢棄物，在保護規(guī)模養(yǎng)豬場環(huán)境的同時追求養(yǎng)豬廢棄物處理的最大資源化。

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