畜禽糞污資源化處理技術的現(xiàn)狀與展望

劉仁鑫，張金強，楊衛(wèi)平

(江西農(nóng)業(yè)大學，江西 南昌 330045)

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)逐漸向規(guī)?；?、智能化、集約化轉型，畜禽養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展，畜禽糞污排放量也日益增加。《全國第一次污染源普查公報》顯示，畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞便產(chǎn)生量達2.43億t，尿液產(chǎn)生量達1.63億t，占農(nóng)業(yè)源排放總量的96%[1]，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源，而這些畜禽糞污大部分被直接排放到環(huán)境中，嚴重污染了大氣、水體，危害人體健康[2]。盡管畜禽糞污給我們帶來了諸多的困擾，但是畜禽糞污不僅含有氮、磷、鉀等多種營養(yǎng)元素，而且還含有大量的蛋白質、維生素等有機物[3]，是一種特殊的農(nóng)業(yè)資源[4]。幾種畜禽糞便的主要成分見表1[5]。如果能合理將其資源化利用，不僅能解決畜禽糞污的環(huán)境污染問題，而且還能緩解我國資源短缺的壓力。國內外學者也普遍認為將畜禽糞污資源化處理是最佳方案，并對資源化處理技術進行了眾多研究[6]。畜禽糞污資源化技術研究儼然成為一個新熱點，因此本文對畜禽糞污資源化處理技術的現(xiàn)狀進行了梳理，總結了現(xiàn)有技術存在的問題，對畜禽糞污資源化處理技術的發(fā)展進行了展望，旨在為畜禽糞污資源化處理技術的發(fā)展研究提供參考。

表1 幾種畜禽糞便主要養(yǎng)分含量

1 畜禽糞污資源化處理技術的現(xiàn)狀

畜禽糞污資源化處理是將畜禽糞污“減量化、無害化、資源化”轉化為肥料、飼料、基質或能源的過程[7]，按處理結果可將畜禽糞污資源化處理技術分為肥料化技術、飼料化技術、基質化技術和能源化技術等[8]。

1.1 肥料化技術

肥料化技術是將畜禽糞污在微生物的作用下進行好氧發(fā)酵，利用發(fā)酵反應產(chǎn)生的高溫殺滅原料中的病蟲卵，同時使纖維素、蛋白質等有機物礦質化、腐殖化，制造腐熟有機肥的過程，堆肥機理如圖1所示。經(jīng)過不斷的發(fā)展，肥料化技術工藝實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的堆漚、條垛式向密閉容器式轉變，通風方式從自然通風向強制通風轉變，堆肥反應環(huán)境由不可控向可控發(fā)展[9]。目前，按工藝的不同，肥料化技術可分為直接還田、條垛式堆肥、通風靜態(tài)垛堆肥、槽式堆肥和密閉容器式堆肥[10]。上述幾種堆肥系統(tǒng)優(yōu)缺點的比較見表2。

圖1 好氧堆肥機理

表2 幾種堆肥系統(tǒng)的特點

1.1.1 直接還田 直接還田是一種傳統(tǒng)的畜禽糞污肥料化方式，通過直接將畜禽糞污埋入地底或者進行簡單的堆漚再施用到田地來完成。這種方法簡單易操作、成本低，但需要有與養(yǎng)殖規(guī)模相匹配的土地來消耗其所排放的糞污[11]，適用于周圍有土地的大型農(nóng)場和農(nóng)村地區(qū)的養(yǎng)殖場。

1.1.2 條垛式堆肥 條垛式堆肥是一種簡單、發(fā)展較成熟的系統(tǒng)，周瑋等[12]利用模糊評價方法學研究表明：條垛式堆肥技術是我國中部地區(qū)的典型肥料化技術。這種堆肥系統(tǒng)關鍵點是必須用混泥土或者瀝青對場地表面進行處理，防止因滲漏造成對土壤和水源的污染，同時場地還應具有坡度，以便多余水分快速流走，一般建造坡度應該大于1%[13]；其次要注意翻堆的頻率，翻堆的頻率直接影響堆肥的質量和堆肥過程中溫室氣體和氨氣的排放[14]，一般來說堆肥前期翻堆頻率要高于后期[15]。

條垛式堆肥需要的設備簡單、投資低，但需要的土地面積大，同時長達1～3個月[16]的堆肥周期更加大了這種堆肥系統(tǒng)對土地的需求量，這使得它只適用于美國、加拿大等土地資源豐富的國家；其次翻堆設備發(fā)展不完善、翻堆時間和翻堆頻率難以把控、容易產(chǎn)生厭氧反應以及容易受到天氣的影響等缺點都使得這種堆肥系統(tǒng)的堆肥效果、堆肥質量不理想，且二次污染嚴重，難以達到我國對畜禽糞污處理的要求。

1.1.3 通風靜態(tài)垛堆肥 通風靜態(tài)垛堆肥技術是在條垛式堆肥的基礎上加入通風系統(tǒng)發(fā)展起來的[17]。通風系統(tǒng)可分為被動式和主動式2種。被動式是通過在堆肥場地挖通氣溝(也可建水泥溝槽代替)，并在堆體垂直方向插入膨松劑，利用煙囪效應對堆體進行自然通風；主動式是在堆體內架設多孔管道，并在管道周圍填充膨松劑，利用鼓風機、空氣壓縮機等鼓風設備通過管道對堆體內部強制通風。

通風靜態(tài)垛堆肥相對于條垛式堆肥，通過加入通風系統(tǒng)有效改善了對堆體溫度和通風的控制，使得堆肥周期縮短，間接地減小了對土地的需求量。但易受天氣影響、二次污染嚴重等問題仍沒有得到解決，同時通風系統(tǒng)的構建也帶來了一些新的問題。例如膨松劑對氧氣輸送均勻程度和輸送范圍有很大的影響，但是目前普遍使用的秸稈等多孔物質效果并不理想，通風不均勻、末端輸送不到風等情況經(jīng)常出現(xiàn)，其次還存在通風管道易被腐蝕、通風孔易被物料堵塞以及通風量難以把控等問題。

1.1.4 槽式堆肥 槽式堆肥主要由發(fā)酵槽和攪拌機兩部分組成，通常建有頂棚遮蓋設施。原料預處理之后可以連續(xù)或定時向發(fā)酵槽內投料，翻堆機將原料由入口逐步向出口移動，同時在發(fā)酵槽底部鋪有曝氣管道進行強制通風，移出出口時就完成了一次發(fā)酵過程[18]。

槽式堆肥系統(tǒng)將翻堆和強制通風相結合，有利于物料和氧氣的充分接觸，使得堆體升溫快，縮短反應周期，但是需要注意控制翻堆的次數(shù)，隔1～3 d[19]翻堆1次最佳，翻堆的次數(shù)過快，不利于保持堆體溫度，還可能使物料未腐熟完成就被移出發(fā)酵槽。槽式堆肥還具有日處理量比較大、可連續(xù)作業(yè)以及頂棚有效避免天氣對堆肥的影響等優(yōu)勢，但是這種堆肥系統(tǒng)需要大量的土地及設備，投資成本很高。目前國內也在積極研究一種多層一體式槽式堆肥機，通過利用空間來減少對土地的依賴，同時還有利于對臭氣的收集和處理。

1.1.5 密閉容器式堆肥 密閉容器式堆肥是目前比較先進的堆肥處理方式，整個反應過程在一個密閉或半密閉的裝置中完成，原料預處理之后可以連續(xù)或定時向容器內投料，物料通過自身重力作用或者翻堆機的推動下，以自上而下或者至始而終的方式從進料口走向出料口，當物料移出出口時就完成了一次腐熟發(fā)酵過程。

密閉容器式堆肥系統(tǒng)根據(jù)裝置的不同，可分為滾筒式、筒倉式、塔式和隧道式等。這幾種工藝的比較見表3[20]。它們都具有高度機械化和自動化的特點，可以對堆肥過程中的水分、溫度、pH值和氧氣水平進行監(jiān)控，以保持堆肥反應在最佳環(huán)境條件下進行，使堆肥周期縮短，堆肥無害化程度和堆肥質量提高；同時堆肥的整個過程在密閉容器中進行，不易受天氣的影響，還有利于臭氣的收集和處理。密閉容器式堆肥系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)堆肥系統(tǒng)很多的不足，但是它單體處理量小，運行成本高，無法實現(xiàn)大規(guī)模處理；另外它在重要的通氣技術上也存在問題，主要表現(xiàn)在堆肥過程中旋轉的葉片容易將原料壓實，葉片上的通氣孔又易被壓實的塊狀運料堵塞，致使通氣性能不太好，所以目前難以作為主要的畜禽糞污處理方式。

表3 幾種密閉容器式堆肥工藝的比較

1.2 能源化技術

1.2.1 直燃產(chǎn)熱 通過將畜禽糞污干濕分離，固體糞便經(jīng)壓塊處理后直接當燃料使用，可用于取暖、照明和發(fā)電。美國薩?？丝さ陌岭u糞發(fā)電站是最早利用焚燒干燥畜禽糞污產(chǎn)熱發(fā)電的電站，每年可消耗雞糞12.5萬t[21]；國內對這種技術也有應用，福建圣農(nóng)集團每年燃燒25萬t雞糞和谷殼的混合物，可節(jié)省8.8萬t煤[4]。但是要注意對焚燒過程中產(chǎn)生的廢氣進行收集處理，否則極容易造成二次污染。

1.2.2 沼氣工程 沼氣工程是一種利用畜禽糞污制沼氣的糞污處理系統(tǒng)，無氧的環(huán)境是產(chǎn)生沼氣的首要條件，合適的碳氮比對產(chǎn)氣的速度有重要影響，魏碧武等[22]認為碳氮比25∶1時產(chǎn)氣系數(shù)較高。常見的沼氣工藝主要有：地下水壓式沼氣池、厭氧消化池、上流式厭氧污泥床(UASB)、升流式污泥床反應器(USR)、厭氧濾器(AF)、兩段厭氧消化法、厭氧復合床反應器(UBF)、全混合式厭氧反應器(CSTR)等，當前國內主要使用CSTR、USR、地下水壓式沼氣池，這3種工藝的使用比例達66%[23]。

沼氣工程能有效殺死畜禽糞污中的病蟲卵，減少污染，產(chǎn)生的沼氣在我國主要用于發(fā)電并入電網(wǎng)，我國延慶縣的德青源發(fā)電工程每天可處理400多t雞糞，日發(fā)電量達4萬kW·h[24]。同時沼氣高值化技術與提純技術的發(fā)展，有望將沼氣提純代替柴油、汽油以及天然氣等[25]，能有效解決能源短缺問題。但是因微生物對溫度變化很敏感，要使沼氣能穩(wěn)定生產(chǎn)，沼氣工程必須配備全自動的溫控系統(tǒng)，對資金和技術要求都很高[26]；另外沼液的處理還是個難題，很容易造成二次污染。

1.3 飼料化技術

通過將畜禽糞便中未消化的粗蛋白、粗纖維等營養(yǎng)物質進行處理加工后，摻雜到飼料中，加以循環(huán)利用，有利于提高飼料的使用效率，是畜禽糞污資源化利用的重要途徑。目前畜禽糞污飼料化的主要方式有以下幾種。

1.3.1 新鮮糞便直接做飼料 這種方法主要適用于雞糞，例如雞糞直接用來喂魚或者豬[27]。它簡單易操作，但是糞便未經(jīng)處理，其中含有大量的微生物、有毒物質和寄生蟲，達不到飼料衛(wèi)生標準，容易造成食品安全問題，限制了其推廣使用。

1.3.2 青貯 青貯法是將畜禽糞污和青飼料等按一定比例混合(例如雞糞65%、青飼料25%、麩皮10%)[28]進行青貯，可以殺死糞污中的微生物病菌，提高粗蛋白水平，同時成品還有一定的口感，但是其中的抗生素和重金屬還是無法得到有效處理。

1.3.3 干燥 畜禽糞污干燥后可制成高蛋白飼料，水分通常低于10%，病蟲卵被有效殺死。干燥的方法有自然干燥、烘干以及高溫快速干燥等[29]。自然干燥的方法是將畜禽糞便直接攤開在地面上，利用陽光、風或者人工翻動來降低水分[30]，這使得它很容易受天氣條件的影響；烘干是通過設備將糞便加熱，通常干燥過程的溫度在70 ℃左右，干燥完成約需12 h，提高加熱溫度也可縮短加熱時間；高溫快速干燥的加熱溫度一般高于500 ℃，干燥速度快，能有效殺死微生物病菌，但是設備耗能大，使得成本很高，同時臭氣難處理。

1.4 基質化技術

畜禽糞污基質化主要有2種模式：一是將畜禽糞污直接作為基質原料，這種模式操作簡單，但是基質養(yǎng)分利用困難，理化性質也難達標；二是作為輔助物質加入到基質原料中提高基質品質。汪開英等[31]發(fā)現(xiàn)加入30%豬糞作為輔助物質時，基質的理化性質最好，適合工產(chǎn)化生產(chǎn)；范如芹把這種模式的流程歸納為料預處理、復配以及性狀調控三步，技術流程圖如圖2所示[32]。畜禽糞污基質化后是無土栽培的重要原料，能固定、支持植株，同時為植物提供營養(yǎng)及通氣持水條件等，有助于植物的生長[33]。王宇等[34]發(fā)現(xiàn)用加入畜禽糞污作為輔助物質的基質，能使首茬出菇量提高24.4%。但目前畜禽糞污中的重金屬含量普遍超標，難以用來栽培食用性植物，且在生產(chǎn)過程中，缺乏生產(chǎn)工藝標準，造成產(chǎn)品質量參差不齊。

圖2 基質化生產(chǎn)技術流程示意圖

2 畜禽糞污處理技術存在的問題

2.1 投入不足，技術落后

目前的畜禽糞污處理技術都缺乏效益性，但是建一個標準的糞污處理系統(tǒng)投資費用很高，而國家的財政支持力度遠遠不夠，使得業(yè)主難以承擔治污費用，對畜禽糞污處理的投入極其不足[35]。這導致直接還田、條垛式及槽式堆肥等技術含量低、效果差的處理系統(tǒng)仍然是我國畜禽糞污的主要處理方式[36]，這些技術都不同程度地存在著二次污染、綜合效益不高等缺陷[37]，技術嚴重滯后。其次先進實用的配套技術及設備的缺乏，進一步導致畜禽糞污資源化綜合利用程度較低，如清糞技術、儲存技術以及運輸技術等[13]。

2.2 缺乏先進完善的技術標準體系

國際標準和世界主要發(fā)達國家標準的標齡一般為3～5年，但我國現(xiàn)行的關于畜禽糞污處理技術的國家標準已經(jīng)超過5年[38]，難以適用于當下形勢。同時我國地域廣闊，氣候環(huán)境復雜，畜禽養(yǎng)殖場規(guī)模大小不一，單一技術標準無法適應所有糞污處理的需要，針對不同情況下的新技術、新材料的標準和規(guī)范急亟建立，產(chǎn)品檢測、生產(chǎn)的技術規(guī)范亟需完善，技術標準的可操作性亟需加強。

2.3 處理技術與實際脫離

現(xiàn)在畜禽糞污資源化技術的研究主要集中在純技術上的研究和探討[39]，著重于糞便處理的技術工藝措施的分析和總結[40]，在技術領域內的研究比較多，但是大部分沒有考慮到農(nóng)村缺乏勞動力、資金，而規(guī)?；B(yǎng)殖場缺乏配套土地以及種植戶對有機肥的需求情況等因素，未將技術、經(jīng)濟和環(huán)境結合起來進行整合研究，導致大部分技術與種養(yǎng)業(yè)脫節(jié)[41]，不能滿足實際需求。

3 畜禽糞污處理技術的展望

肥料化是主要技術途徑。由于氣候、濕度、地理等因素，畜禽糞污能源化、基質化和飼料化在我國應用推廣存在難度[7]。相對而言，畜禽糞污肥料化技術的工藝、設備發(fā)展較成熟，具有經(jīng)濟可行性和操作性，還可以解決化肥使用過量導致的土壤結塊、水體污染等環(huán)境問題，所以畜禽糞污堆肥化將是解決畜禽糞污問題的主要技術途徑[39]。

產(chǎn)品功能化、多樣化。根據(jù)種植作物的種類以及附近農(nóng)地面積、土壤成分及農(nóng)作物所需養(yǎng)分含量，整合多種方式方法、應用多種科學技術制定適應當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的處理模式，對畜禽糞污進行針對性處理，制得當?shù)匦枰某善?，使得產(chǎn)品多樣化、功能化。

完善畜禽糞污利用管理系統(tǒng)?？筛鶕?jù)畜禽糞污的成分、含水量及重金屬含量等，結合現(xiàn)有設備、當?shù)氐臍夂?、當?shù)氐姆煞ㄒ?guī)、現(xiàn)有的勞動力、可投入的資金、市場等各種因素，選擇符合當?shù)貙嶋H的畜禽糞污管理模式。