北京市奶牛糞污管理及資源化利用技術(shù)現(xiàn)狀

徐永洞，王子涵，路永強(qiáng)，郭江鵬，劉志丹＊

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

3 北京市畜牧總站，北京 100101

0 引言

當(dāng)前我國(guó)乳制品消費(fèi)量巨大。2020年，新冠肺炎疫情（簡(jiǎn)稱“疫情”）背景下，國(guó)家衛(wèi)生健康委發(fā)布了《新型冠狀病毒感染的肺炎防治營(yíng)養(yǎng)膳食指導(dǎo)》，其中科學(xué)飲食成為防控新冠肺炎的重要途徑。牛奶在提高人體免疫力功能方面受到廣泛的關(guān)注。2020年，居民乳制品購(gòu)買意愿顯著提高[1]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展研究所動(dòng)物食物與營(yíng)養(yǎng)政策中心測(cè)算，2020年全國(guó)奶類產(chǎn)量3 544.00 萬(wàn)噸（圖1），全年奶類表觀消費(fèi)量達(dá)到5 406.00 萬(wàn)噸，同比2019年增長(zhǎng)8.0%，人均乳制品消費(fèi)量達(dá)38.30 kg，同比2019年增長(zhǎng)7.8%，消費(fèi)增幅處于歷史高位[2]。

圖1 2012—2020年我國(guó)牛奶產(chǎn)量

圖1 2012—2020年我國(guó)牛奶產(chǎn)量

乳制品需求的大幅增長(zhǎng)為全國(guó)的乳制品生產(chǎn)提供了機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3]。然而，奶牛養(yǎng)殖是一個(gè)高污染行業(yè)，近年來(lái)，在中央加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，奶牛場(chǎng)污染控制受到較大的關(guān)注。奶牛糞污管理落后會(huì)導(dǎo)致疾病多發(fā)，奶產(chǎn)品質(zhì)量下降，產(chǎn)量降低，飼料和防控藥物成本增加。尤其在疫情背景下，各奶牛業(yè)從業(yè)人員在保護(hù)自身安全的前提下，更應(yīng)該加強(qiáng)牛場(chǎng)管理，防止交叉感染或者奶牛場(chǎng)產(chǎn)生其他疫情。在奶牛場(chǎng)管理中，糞污處理是重要環(huán)節(jié)。奶牛場(chǎng)大量糞尿，剩余飼料等污物會(huì)對(duì)土壤、大氣和水體造成嚴(yán)重污染[4]。奶牛糞污中含有大量細(xì)菌、病毒、致病寄生蟲卵，危害畜禽健康和環(huán)境安全，甚至威脅人類健康。奶牛糞污中的布魯氏分枝桿菌、結(jié)核分枝桿菌、大腸桿菌、牛生殖道彎曲菌、鉤端螺旋體、朊病毒（瘋牛病病毒）、戊型肝炎病毒等，可以導(dǎo)致人類感染，對(duì)食品安全、社會(huì)衛(wèi)生安全造成巨大的威脅。

北京是全球大都市，人口密集。在疫情期間，保障大城市的飲食和環(huán)境安全十分重要，乳制品在提高人體免疫力、控制疫情方面的作用受到認(rèn)可，因此，做好乳制品供給尤為重要。近年來(lái)，在疏解非首都功能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下，北京市現(xiàn)存奶牛場(chǎng)的重要性不言而喻，加強(qiáng)北京市的奶牛牧場(chǎng)糞污管理，具有顯著的示范意義和模式效應(yīng)。因此，本文以北京市為例，對(duì)奶牛場(chǎng)畜禽糞污管理模式和技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)高值化利用奶牛糞污的前沿技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 北京市奶牛養(yǎng)殖現(xiàn)狀

近年來(lái)，在疏解非首都功能、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)背景下，北京市奶牛產(chǎn)業(yè)作為污染較重的產(chǎn)業(yè)，從2015年開(kāi)始向河北進(jìn)行疏解[5]。截至2020年底，北京市有奶牛場(chǎng)49 家，其中順義區(qū)10 家，密云區(qū)5 家，通州區(qū)6 家，大興區(qū)2 家，房山區(qū)5 家，平谷區(qū)1 家，延慶區(qū)15 家，昌平區(qū)5 家。養(yǎng)殖總量68 445頭，各區(qū)的奶牛存欄量如圖2所示。

2 北京市畜禽糞污管理和資源化利用技術(shù)

近年來(lái)，我國(guó)畜禽養(yǎng)殖業(yè)向集約化、規(guī)模化快速發(fā)展，環(huán)境威脅日益加重。當(dāng)前畜禽糞污管理已經(jīng)成為畜禽養(yǎng)殖持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。與其他畜禽相比，奶牛的糞污排放量大且養(yǎng)分濃度高。奶牛每天的糞污產(chǎn)生量為60～95 kg/頭，個(gè)體生命周期糞便排放量是生豬的13.47 倍[6]。當(dāng)前北京市的畜禽糞污管理模式為源頭減量、過(guò)程控制、后端利用三個(gè)方面（表1）。

表1 2020年底北京市奶牛存欄量、糞污處理及利用現(xiàn)狀

2.1 糞污減量

糞污源頭減量是提高糞污處理水平、降低處理難度的重要途徑[7]。在奶牛場(chǎng)一般通過(guò)雨污分離、干清糞工藝、固液分離降低糞污的產(chǎn)量。奶牛養(yǎng)殖污水處理難度較高，雨水會(huì)顯著增加養(yǎng)殖污水的體積，增加生產(chǎn)成本。2021年，北京夏季降雨量較往年有顯著增大。在調(diào)研的49 家北京奶牛場(chǎng)，46 家配備了雨污分流設(shè)施，減少了牧場(chǎng)污水的產(chǎn)生量和處理難度。采用干清糞工藝，可以大大減少?zèng)_洗用水，降低污水的處理量。干清糞一般通過(guò)刮糞鏟、推車和集糞箱組成，工藝簡(jiǎn)單。除降低污水產(chǎn)量外，與水沖糞和水泡糞相比，干清糞工藝可以減少投資成本。在調(diào)研的49 家奶牛場(chǎng)中，47 家采用干清糞工藝，2 家未采用干清糞工藝的牧場(chǎng)位于密云區(qū)，養(yǎng)殖規(guī)模分別為10 000和2 435 頭。固液分離是降低污水體積的重要途徑。通過(guò)干濕分離機(jī)，污水和固體糞便分別得到富集并進(jìn)行針對(duì)性的處理。

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

2.2 無(wú)害處理

發(fā)酵床技術(shù)是指在墊料中加入糞污降解微生物菌劑，通過(guò)翻拋等實(shí)現(xiàn)奶牛排泄物的混合，在牛舍內(nèi)實(shí)現(xiàn)糞污的無(wú)害化降解，可以實(shí)現(xiàn)糞污的無(wú)害化處理[7，8]。氧化塘法可用于各種規(guī)模奶牛場(chǎng)的污水處理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、便于管理、利于廢水綜合利用和達(dá)標(biāo)排放；但易受土地資源的限制，尤其在用地緊張的大型都市地區(qū)推廣較難；受氣候、天氣的影響較大，容易滋生蚊蟲，產(chǎn)生大量的惡臭氣體，引起周圍大氣污染。

2.3 資源利用

2.3.1 堆肥

固體糞污收集后，可以用于堆肥。當(dāng)前北京市奶牛場(chǎng)多采用堆肥處理固體奶牛糞污。奶牛糞便中含有大量有機(jī)成分（如粗蛋白、粗脂肪、粗纖維和無(wú)氮浸出物）可以被微生物降解利用。此外，牛糞中含有大量的纖維素降解菌?？刂坪脻穸龋ǔ?0%）和發(fā)酵環(huán)境（有氧），微生物在大量繁殖的同時(shí)會(huì)將其中的有機(jī)物分解成無(wú)臭味、完全腐熟的有機(jī)物，從而還田利用。牛糞堆肥過(guò)程中的溫度較高（常為65～70 ℃），可以殺死牛糞中部分有害微生物和寄生蟲卵，達(dá)到無(wú)害化處理牛糞的目的，有效解決奶牛場(chǎng)牛糞衛(wèi)生安全問(wèn)題[8，9]。

2.3.2 生產(chǎn)沼氣

厭氧發(fā)酵是指畜禽糞便、秸稈等農(nóng)林有機(jī)廢棄物，在一定的水分、溫度和厭氧條件下，通過(guò)各類微生物的分解代謝，最終形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合氣體的過(guò)程。牛糞中含有多種厭氧發(fā)酵微生物，具有較好的原料條件，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的降解[10]。沼氣發(fā)酵系統(tǒng)基于沼氣發(fā)酵原理，以能源生產(chǎn)為目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)沼氣、沼液、沼渣的綜合利用。北京目前有3 家場(chǎng)奶牛利用厭氧發(fā)酵處理糞污生產(chǎn)沼氣。

2.3.3 牛床墊料

牛糞中含有較高的纖維素類物質(zhì)，具有疏松透氣等性能。糞污堆肥結(jié)束后經(jīng)過(guò)晾曬和烘干，作為牛床墊料使用[8]。牛床墊料使用尤其需要注意墊料中的微生物尤其是致病菌的含量。

2.3.4 蚯蚓養(yǎng)殖

當(dāng)前順義區(qū)1 家奶牛場(chǎng)利用奶牛糞污養(yǎng)殖蚯蚓，實(shí)現(xiàn)糞污的高值化利用。利用蚯蚓處理糞污工藝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，收獲的蚯蚓具有較高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。當(dāng)前糞污處理使用的蚯蚓品種為赤子愛(ài)勝蚓，具有食量大、適應(yīng)性廣、繁殖快、處理效率高的特點(diǎn)。蚯蚓養(yǎng)殖一般采用條垛式，溫度控制在20～30 ℃，最適濕度在75%左右，最適接種密度為8～12 條/90 g干牛糞基質(zhì)[10，11]。

3 新興技術(shù)研究持續(xù)開(kāi)展

當(dāng)前北京市采用的畜禽糞污處理技術(shù)各有利弊。在探討畜禽糞污常規(guī)利用的同時(shí)，開(kāi)發(fā)糞污利用的新型工藝和技術(shù)，具有重要意義。本課題組近10 余年，針對(duì)畜禽糞污管理和資源化利用，在堅(jiān)持開(kāi)展工程實(shí)踐的同時(shí)，持續(xù)開(kāi)展了前沿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室和中試研究。微藻轉(zhuǎn)化和水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)研究的開(kāi)展和應(yīng)用，可以從本質(zhì)上改變對(duì)畜禽糞污管理模式和畜禽糞污高值化利用途徑。

3.1 微藻處理轉(zhuǎn)化

經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵、氧化塘處理、厭氧氨氧化處理之后的廢水中含有較高的氮磷物質(zhì)和化學(xué)需氧量（COD）。微藻具有較高的光合效率、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)且生長(zhǎng)周期短，在污水處理、轉(zhuǎn)化生物質(zhì)產(chǎn)品中體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)[12，13]。該方法的原理是：在氧化塘中養(yǎng)殖一定量的藻類，塘中的好氧細(xì)菌利用藻類光合作用產(chǎn)生的氧氣生存，并分解塘中的有機(jī)物，起到很好的脫氮除磷作用。此外，微藻對(duì)重金屬的吸附作用大大提高了沼液作為灌溉用水的安全性。收獲的微藻生物質(zhì)在生物柴油、生物乙醇、生物氫及其他生物質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有較高的利用價(jià)值。

3.2 水熱轉(zhuǎn)化利用

水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)是指在較高壓力下的熱轉(zhuǎn)化過(guò)程，溫度一般低于熱解液化[14]。一般來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)是在有溶劑和氣氛存在以及反應(yīng)溫度200～400 ℃、反應(yīng)壓力5～25 MPa的條件下進(jìn)行的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。該處理?xiàng)l件下，糞污中的有害微生物被徹底殺滅，并能把糞污轉(zhuǎn)化為生物炭和生物原油。牛糞中含有較高的纖維素類物質(zhì)，在水熱炭化時(shí)，獲得較高的生物炭產(chǎn)量。水熱轉(zhuǎn)化的生物炭在吸附性能、電池材料和土壤改良等方面具有重要的應(yīng)用前景。水熱液化獲得的生物柴油，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后，在動(dòng)力燃料應(yīng)用方面具有較高的利用價(jià)值（圖3）。

圖3 微藻與水熱轉(zhuǎn)化耦合實(shí)現(xiàn)畜禽廢棄物資源化

3.3 墊料利用關(guān)鍵技術(shù)

牛糞再生墊料不僅能實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)糞污的無(wú)害化處理和資源化利用，而且可增加奶牛舒適性，逐漸替代了傳統(tǒng)墊料。但由于牛糞再生墊料的原料是牛糞，而新鮮牛糞中含有大量致病菌，因此，墊料產(chǎn)品的安全性受到廣泛關(guān)注。本課題組采用國(guó)產(chǎn)滾筒發(fā)酵設(shè)備（裝置見(jiàn)圖4）生產(chǎn)牛糞再生墊料探究不同季節(jié)牛糞墊料生產(chǎn)及存放過(guò)程物料特性及乳房炎致病菌的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并認(rèn)為滾筒溫度和原料中總碳含量是致病菌數(shù)量變化的主要影響因素[15]。

圖4 牛糞再生墊料系統(tǒng)裝置圖

4 小結(jié)

做好奶牛糞污管理具有重要意義，尤其在當(dāng)前疫情背景下，做好奶牛糞污管理對(duì)疫情防控、保障乳制品質(zhì)量、穩(wěn)定市場(chǎng)供應(yīng)具有重要意義。在糞污處理中，政府的監(jiān)管和示范具有重要導(dǎo)向作用，各奶牛場(chǎng)應(yīng)該結(jié)合自身特點(diǎn)、地區(qū)特色和安全生產(chǎn)要求選擇適合的奶牛糞污管理模式，實(shí)現(xiàn)奶牛場(chǎng)的可持續(xù)發(fā)展。