歐洲畜禽糞污處理及農業(yè)資源化利用技術

郭常蓮 李永平 湯 昀 朱教寧龐震鵬

（1山西農業(yè)大學，山西太原 030031；2山西農業(yè)大學山西有機旱作農業(yè)研究院，山西太原 030031）

畜禽糞污傳統(tǒng)的利用方式是直接還田。近年來，隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大，局部畜禽糞污集聚，給管理與利用帶來很大壓力。特別是在硝酸鹽脆弱區(qū)和養(yǎng)分過剩地區(qū)，糞污處理已成為首先要考慮的問題[1]。

1 畜禽糞污管理策略與技術選擇

歐洲選擇糞污管理策略與技術主要是從平衡環(huán)境與經(jīng)濟因素的角度出發(fā)，基于兩種情況：一是局部養(yǎng)殖規(guī)模適中，養(yǎng)殖場產生的糞污可由本地或鄰區(qū)農業(yè)消納；二是養(yǎng)殖場產生糞污局部過量，無法被本區(qū)域農業(yè)消納。本文主要探討第一種情況下畜禽糞污處理的策略與技術。

畜禽糞污管理策略與技術選擇邏輯見圖1[2]。從圖1可以看出，在養(yǎng)殖業(yè)產生的糞污量與當?shù)剞r作物生產需求平衡的情況下，其主要的糞污利用與處理技術包括直接應用、酸化、固液分離、堆肥、厭氧消化。直接應用仍然是重要的利用方式，該方式在荷蘭占90%左右。

圖1 養(yǎng)殖規(guī)模適中的糞污處理工藝方案

2 處理技術

2.1 酸化

2.1.1 技術流程與原理。糞污酸化是通過降低pH值減少氨和一氧化二氮損失的過程，它借助NH3/NH4+的簡單平衡來實現(xiàn)。通常的操作方案是在靠近畜舍的位置配置一個處理器，將貯存在地板下的糞污抽到酸化處理池中，添加96%H2SO4并輕輕攪拌、混合、曝氣，直到pH值達5.5左右且不產生泡沫為止[2]。

2.1.2 技術效果。糞污酸化可以減少在畜禽養(yǎng)殖場、糞肥貯存和農田使用中的氨揮發(fā)和氮損失，可以改善動物生存環(huán)境，但pH值低的環(huán)境不利于氨的剝離。在厭氧處理糞肥時，酸化過程形成的低pH值和高硫環(huán)境有利于減少CH4的損失。

2.1.3 對肥料的影響。影響酸化技術發(fā)展和使用的主要因素是安全和起泡沫問題。實際上，液體肥料酸化到pH值=5.5時對肥料的許多方面都有影響：畜舍氨排放減少50%～70%，儲存設施氨排放減少50%～88%；儲存期間CH4的排放減少了17%～90%；酸化過程中有一個短暫的H2S排放增加過程；固液分離后固體部分的營養(yǎng)物質減少；酸化過程產生的硫可促進植物生長；在隨后的堆肥過程中減少70%的氨排放；低pH值條件下大部分氨氮可溶解，故在過濾過程中NH4+的保留量較大；由于微生物作用減少，蛋白質中氨氮的生產變慢；系統(tǒng)的能耗低，計算得到控制系統(tǒng)每天人均能耗＜0.001 kW·h（不包括用于抽糞的能源）；低pH值條件下，微生物（包括致病菌）活性受到抑制。該處理方式需要經(jīng)技術人員的指導才能實施[2]。

2.1.4 未來趨勢。酸化工藝減少了后續(xù)工藝中氨的排放，抑制了甲烷生成，在貯藏等后續(xù)過程中CH4的排放減少，會對溫室氣體排放產生實質性影響。目前已開展了不少關于該技術的學術研究，并在幾個西北歐國家進行了中試，在丹麥已有商業(yè)化應用。該技術的應用主要取決于國家對氮排放的控制，因而其他國家未來的增長將取決于國家立法。

2.2 固液分離技術

2.2.1 類型及要素特點。固液分離技術操作簡單、費用低，在歐洲畜禽養(yǎng)殖場得到了廣泛使用。固液分離可分為沉積、篩選、離心分離、加壓過濾等類型[2]。

（1）沉積。懸浮固體通過重力從液體部分中分離出來，是一種最經(jīng)濟的處理方式，常用于季節(jié)性糞污貯存。影響沉積效率的因素主要包括：糞污類型，如豬牛糞漿、液體豬牛糞肥；固體含量，當料漿中固體含量處于1%～4%時，隨固體含量的增加，分離效率提高，超出此范圍則分離效率顯著降低；沉淀時間，增加沉淀時間，可以提高分離效率。

（2）篩選。需要特定孔徑的篩網(wǎng)，液體流經(jīng)篩網(wǎng)后排出，篩分器有靜態(tài)的、動態(tài)的和旋轉的。其中：靜態(tài)篩分器結構最簡單；動態(tài)篩分器處理時，篩網(wǎng)快速振動，可以減少堵塞風險。

影響篩選效率的因素主要包括：糞污類型，如豬、牛糞漿；固體含量，當料漿中固體含量＞6%時不宜使用此方式；篩孔大小，對豬糞使用低于0.5 mm的篩孔會導致連續(xù)操作問題，對于奶牛糞最常用的篩孔規(guī)格為1.5～1.7 mm。

（3）離心分離。通過離心力使固體從液體中分離出來，有立式和臥式（臥螺離心機）等。影響分離效率的因素主要包括：糞污類型，如豬與牛糞漿、沼液；固體含量，分離效率隨著漿料干物質含量的增加而增加，當料漿中固體含量＞10%時不宜使用此方式；速度，增加臥螺離心機的速度會增加固體組分中干物質含量，但對氮、磷、鉀的分離沒有影響；保留時間，減慢進料增加停留時間可提高分離效率。

（4）加壓過濾。最典型的加壓過濾是螺旋壓力機過濾；料漿被輸送至0.5～1.0 mm的圓筒篩中，液體通過篩網(wǎng)后被收集至一個圍繞篩網(wǎng)的容器，固體部分被壓成干物質含量較高的濾餅。用這種方式分離出的干物質含量是重力篩方式分離的2倍。影響篩選效率的因素主要包括：糞污類型，如豬、牛糞漿；固體含量，當料漿中固體含量＜2%時不宜使用此方式；壓力，增加壓力會增加固體組分中的干物質含量。

（5）混凝?？赏ㄟ^加入多價陽離子（主要是氯化鋁、氯化鐵、硫酸鋁、硫酸鐵以及鈣和鎂的氧化物）以促進聚合，形成團聚體，使固體更容易被分離，從而提高機械固液分離效率，降低液體餾分中的磷濃度，增加固體餾分中的干物質含量。

2.2.2 技術效果。分離指數(shù)是固體組分中某一組分（干物質或營養(yǎng)素）的總質量回收率與原漿中該組分質量的比值（表1）。分離指數(shù)越大，表明固相組分中給定組分的含量越大。

混凝-絮凝結合機械固液分離可提高分離效率，但會使該工藝的總成本增加，其取決于所處理糞肥的固體含量、流量和使用的化學品類型。對每天過濾的量進行比較，上述4種機械分離技術排序從大到小依次為離心過濾、加壓過濾、篩選、沉積。

表1 各分離技術分離指數(shù) 單位：%

固液分離過程不能去除多余的銨態(tài)氮，不能解決惡臭氣味問題，不能減少糞污中可被生物降解的有機物、病原體，甚至還可能導致固體部分中Cu和Zn等重金屬濃度的增加，從而造成環(huán)境污染[3-4]。因此，分離后的固體和液體兩部分均需要妥善處理。

2.2.3 對環(huán)境的影響。固液分離過程減少了糞肥體積，增加了養(yǎng)分濃度，從而降低了運輸成本及其對氣候變化的相關影響。4種分離方式中，沉積無噪聲、無氣味，其余3種均有噪聲且氣味達3級。因此，選用何種分離技術應以養(yǎng)分利用為目標，未來應致力于優(yōu)化固液分離技術的性能，以降低成本，同時提高分離固體組分的營養(yǎng)物質濃度。

2.3 厭氧消化

厭氧消化是將有機物轉化為沼氣的微生物過程。沼氣主要由甲烷和二氧化碳組成，其中甲烷含量為55%～75%。該工藝可用于處理污水污泥、動物糞便、有機工業(yè)廢棄物、城市固體廢物的有機組分、能源作物以及高強度有機廢水。該過程產生的沼氣可用于能源生產。在生產技術升級后，甲烷作為汽車燃料或天然氣替代品使用也引起了全世界的關注。瑞典在沼氣作為生物燃料使用方面走在世界前列。

2.3.1 工藝與原理。在沼氣生產過程中，所有的有機化合物被轉化成不同的揮發(fā)性脂肪酸，pH值降低到較低水平，微生物生長受到抑制，從而影響了銨與氨之間的平衡。沼氣處理系統(tǒng)產生的水分、灰塵和硫化氫會對能源生產單元產生負面影響，因而沼氣在進入能源化利用之前需要凈化處理。

2.3.2 技術效果。糞污的沼氣產量相對較低，如豬糞和牛糞分別為 10～15 m3/t和 22～27 m3/t；而一些有機工業(yè)廢棄物的沼氣產量較高，如濃縮乳清為100～130 m3/t。根據(jù)實際需要，可將某些工業(yè)有機廢棄物與糞污混合使用，使沼氣生產更經(jīng)濟[2]。

沼氣轉化為可用能源可以通過直接燃燒產生熱量，或在CHP（熱電聯(lián)產）裝置中燃燒產生電能和熱能。1 m3沼氣可產生 1.8～2.0 kW·h電能和 2～3 kW·h熱能，這取決于熱電聯(lián)產裝置的功率。為使用沼氣作為生物燃料或用于天然氣電網(wǎng)注入，甲烷含量需要進一步提純至95%～98%[2]。

2.3.3 對氣候的影響。厭氧消化有助于減少CO2排放。據(jù)調查，沼氣替代化石燃料，其相應的CO2排放量可減少90%左右。如果對糞污進行厭氧消化處理，對于減少二氧化碳排放的效果更好。因為厭氧消化和隨后沼氣能源使用減少了糞便儲存和管理過程中CH4向大氣的自然排放[5]。

未來的研究重點是通過適當?shù)念A處理增加糞便的沼氣產量，以減少對其他有機廢物作為輔助基質的依賴；將厭氧消化技術整合到養(yǎng)分回收和管理的過程中，以建立可持續(xù)的糞便處理策略。

2.4 堆肥

堆肥是在有氧環(huán)境中，通過細菌、真菌和其他微生物（包括微節(jié)肢動物）將有機物分解成穩(wěn)定、可用的有機基質。堆肥有助于回收常量和微量營養(yǎng)元素、有機質等，同時可降解有毒物質，降低病原體轉移和雜草種子萌發(fā)的風險，還易于造粒和運輸。堆肥過程不需要外部能量，技術簡單、直接、經(jīng)濟，是畜禽糞污處理的重要手段之一。

2.4.1 堆肥技術流程與原理。堆肥過程要經(jīng)歷3個階段：初始的中溫階段，持續(xù)1～3 d，中溫細菌和真菌降解簡單化合物（糖、氨基酸、蛋白質等），并迅速提高溫度；嗜熱階段，嗜熱微生物降解脂肪、纖維素、半纖維素和一些木質素，伴隨著病原體的破壞；冷卻階段，可降解的有機物耗竭，微生物活性降低，堆垛溫度降低。

2.4.2 堆肥要素分析。有效的堆肥需要控制幾個因素，其決定了微生物發(fā)育和有機物（OM）降解的最佳環(huán)境條件：堆肥混合物的配方，包括C/N、pH值、粒度、孔隙率和水分；過程處理因素，包括O2濃度、溫度和水含量。

堆肥適宜的碳氮比為25～35。高碳氮比使底物過量、微生物降解過程緩慢；低碳氮比使無機氮過多，并以氨氮形式揮發(fā)或蒸發(fā)掉。pH值為6.7～9.0時微生物活性良好，最佳值為5.5～8.0，pH值大于7.5時，氨揮發(fā)量可能特別大[2]。

粒度、孔隙度對于平衡微生物生長的表面積和保持足夠的氣孔率至關重要：粒徑越大，表面積與質量比越低，微生物難以進入大顆粒內部，無法使其充分分解；過小的顆粒會壓實質量，減少孔隙率。對于強制曝氣，50 mm粒徑足夠。孔隙率大于50%，堆肥保持在低溫狀態(tài)，能量損失過大；孔隙度過低，又會導致厭氧環(huán)境的產生。堆垛充氣孔隙率應該為35%～50%[2]。

曝氣是堆肥的關鍵因素，適當進行曝氣可控制溫度、去除多余的水分和CO2，并為生物過程提供O2（最適宜的O2濃度為15%～20%）。曝氣不足會導致厭氧條件的產生，使厭氧微生物和惡臭氣味增加；過度曝氣會加快冷卻，減少微生物代謝活動。堆肥的最佳含水量一般為50%～60%，超過60%時使堆垛趨于厭氧環(huán)境[2]。

堆肥過程中，微生物結構組成隨溫度變化而變化：細菌在堆肥早期占主導地位（中溫階段）；真菌在整個過程中都存在，在含水率低于35%時占主導地位，在溫度＞60℃時不活躍；放線菌在穩(wěn)定和固化過程中占主導地位，與真菌共同降解抗性聚合物，溫度超過60℃時病原體和寄生蟲被抑制（堆肥最佳溫度為 40～65 ℃[2]）。

根據(jù)曝氣系統(tǒng)的不同，堆肥技術可分為翻轉樁、強制曝氣、被動曝氣、空氣流過樁等方式。技術難度從小到大依次為靜樁加被動曝氣、絞車帶、強制曝氣靜樁、堆肥反應堆。

2.4.3 對氣候的影響。堆肥過程中，溫室氣體CH4、N2O和酸化氣體NH3都可能產生和排放。氨氮排放受總氨氮、溫度和pH值的影響。堆肥開始后，由于有機酸的降解，溫度較高，pH值升高，使平衡態(tài)NH4+-NH3向NH3方向變化。熱空氣被輸送到堆肥材料的表面并產生對流，將釋放的氨氮輸送到堆垛表面和大氣中，堆肥過程中NH3的排放潛力增加，且主要在堆肥高溫階段釋放。數(shù)周后，由于NH3耗損，NH4+轉化為有機氮或硝化氮，排放量下降到較低值。

在堆肥過程開始時即可能產生甲烷，但排放往往會延遲，因為在堆中心產生的CH4在運輸?shù)蕉讯獗砻娴倪^程中會轉化為CO2。甲烷產量與溫度成指數(shù)關系：在嗜熱階段，甲烷排放量可能很高；在中溫階段，由于溫度較低和易分解有機質的消耗，CH4的排放速率降低。使用填充劑可以減少N2O和CH4的排放，可能增加NH3的排放；與靜態(tài)堆相比，主動翻轉糞污堆中的NH3損失更大，而靜態(tài)堆中的N2O排放量高于使用增強空氣的主動翻轉堆。

不同國家的堆肥質量標準因成熟度、農藝標準（有機質、養(yǎng)分、pH值和EC值）、衛(wèi)生條件以及雜質（塑料、金屬、玻璃或石頭）和雜草種子的存在情況而不同。各個國家根據(jù)不同元素的毒性特征以及植物對微量營養(yǎng)素的需求，確定了重金屬濃度限制[6]。

3 農業(yè)應用

農業(yè)應用技術實際上是糞肥的一種管理方式，不僅適用于原糞，也適用于來自不同處理系統(tǒng)的可用作有機肥料的產品。

3.1 影響因素

農業(yè)應用的基礎是糞肥的數(shù)量和組成、作物的營養(yǎng)需求和預期產量以及適用于該地區(qū)的立法，還要考慮肥料利用率。影響施肥后氨揮發(fā)的因素很多，如氣候條件、施肥類型、作物生長階段和施肥設備等；減少氨排放的有效方法包括糞污酸化、漿液注射入土、固體顆粒摻入土壤等?？墒褂枚喾N設備和技術將糞漿和固體糞污撒播到土地上，如荷蘭、丹麥、比利時、佛蘭德斯等國家和地區(qū)使用帶式撒播機和噴射器噴灑糞漿以減少氨排放；一些國家的法律要求固體糞污在被切碎成小塊后撒播并摻入土壤。因此，施用設備因糞肥、施用技術、土地利用情況和土壤結構而不盡相同。

從養(yǎng)分平衡、廢氣排放、能耗和經(jīng)濟平衡的角度，糞污應用應考慮4個方面的因素：一是國家氣候、經(jīng)濟等領域法律對氮、磷、鉀和金屬、病原體等的要求[1]；二是原料肥料類型或其他養(yǎng)分有效因子的組成及數(shù)量[2]；三是作物種類、產量、面積、主要養(yǎng)分營養(yǎng)限制等[6]；四是用于施肥的車輛類型[7]。

3.2 營養(yǎng)平衡和損失

因為浸出和徑流造成的養(yǎng)分損失會影響糞肥中氮、磷、鉀的含量，所以糞肥產品的營養(yǎng)物質含量水平與其數(shù)量和類型、撒播系統(tǒng)、摻入土壤與否、作物類型、施用季節(jié)和土壤質量有關。

當氣溫、風速、太陽輻射和漿液干物質含量降低時，氨排放量通常會隨之下降。氨排放量占總氨氮量的百分比通常隨氨氮總量濃度和應用率的增加而減少，不同糞污類型的排放量有所不同。此外，氨排放量還取決于土壤條件，如排水良好、質地粗糙、干燥的土壤可以更快滲透，與滲透率較低的潮濕、緊湊土壤相比，其氨排放量更低。高黏度漿液會增加NH3排放量，厭氧消化后的漿液比生糞更容易迅速滲透到土壤中[8]。

3.3 對氣候的影響

施肥方式對溫室氣體排放有很大影響。理想情況下，有機肥料應以液體形式撒播并迅速滲透到土壤中，如果是固體，則應迅速耕翻。

總體而言，降低糞肥中氨濃度、防止厭氧條件、降低可降解糞肥中碳的濃度等可減少糞肥施用而產生的溫室氣體排放。糞污固體的分離和厭氧降解預處理可以減少地下施肥的CH4排放。選擇適宜的施肥時機（例如避免在雨前施肥）和保持土壤pH值高于6.5有利于減少N2O排放[9]。

使用糞肥作為礦物肥料的替代品、補充品可以減少無機肥料制造和運輸過程中產生的溫室氣體排放。根據(jù)研究，糞肥作為有機肥料使用，如果管理得當，1 m3糞肥可以減少溫室氣體排放量16.6 kg CO2當量[2]，還可以減少因使用無機氮肥而產生的N2O排放。

動物糞污是能源密集型和高成本合成肥料的替代品，其可用養(yǎng)分含量、礦化率與作物養(yǎng)分吸收同步時，可以成為非常有效的肥料來源[10]?？茖W試驗表明：相對于硝態(tài)氮，糞便和沼氣消化物中的銨態(tài)氮更有利于作物生長發(fā)育；硝態(tài)氮很容易滲入地下水，造成地下水污染。