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南陽市規(guī)?;B(yǎng)殖場畜禽糞便排放量估算與環(huán)境效應(yīng)評價

2014-01-20 08:38:20石建州趙金兵董冰雪
家畜生態(tài)學(xué)報 2014年12期
關(guān)鍵詞:南陽市沼氣糞便

石建州,周 索,趙金兵,董冰雪

(南陽師范學(xué)院,河南南陽473061)

我國是畜牧業(yè)大國,畜牧業(yè)在繁榮農(nóng)村經(jīng)濟、建設(shè)新型現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)進程中發(fā)揮著重要的作用,畜牧業(yè)生產(chǎn)力水平是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。當(dāng)前我國畜牧業(yè)正處在向現(xiàn)代畜牧業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期,推進粗放型畜牧業(yè)生產(chǎn)方式向集約型生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變,全力推進畜禽標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖加快發(fā)展,促進我國現(xiàn)代畜牧業(yè)持續(xù)健康平穩(wěn)地發(fā)展。2012年,李寧[1]在《中國養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究綜合報告》中指出,中國養(yǎng)殖業(yè)(畜牧業(yè)和漁業(yè))戰(zhàn)略地位將持續(xù)提升,預(yù)計到2015年,中國養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值比重和種植業(yè)總產(chǎn)值比重分別達到48.6%和47.4%,養(yǎng)殖業(yè)將成為農(nóng)業(yè)中第一大產(chǎn)業(yè)。建設(shè)現(xiàn)代畜牧業(yè)的重要內(nèi)容之一就是加快轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式,深入發(fā)展畜禽標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模養(yǎng)殖,增強畜牧業(yè)綜合生產(chǎn)能力。與此同時,隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大,低水平規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖過程產(chǎn)生的糞便、污水、墊料等廢棄物給環(huán)境的污染也日益加重,糞污中攜帶的病原微生物、重金屬元素、甲烷等溫室氣體,造成了畜牧養(yǎng)殖與生態(tài)環(huán)境的不協(xié)調(diào)發(fā)展,成為制約我國現(xiàn)代畜牧業(yè)循環(huán)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,畜禽養(yǎng)殖污染減排現(xiàn)已成為我國農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源,農(nóng)業(yè)源減排是整個污染減排工作的重要組成部分,而畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染減排是農(nóng)業(yè)源減排的決定環(huán)節(jié),畜禽養(yǎng)殖污染減排勢在必行[2-3]。為了切實防治畜禽養(yǎng)殖業(yè)造成生態(tài)破壞和環(huán)境污染,推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源的綜合利用和無害化處理,保護和改善環(huán)境,保障公共安全衛(wèi)生和公眾身體健康,促進畜牧業(yè)持續(xù)健康發(fā)展,李克強簽署國務(wù)院令發(fā)布《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》,條例共6章44條,自2014年1月1日起施行。

南陽市位于河南省西南部,與陜西省、湖北省接壤,總面積約26 509km2,平原、山區(qū)、丘陵約各占1/3,現(xiàn)轄兩個行政區(qū)、4個開發(fā)區(qū)、10個縣和1個縣級市,在河南省所屬的18個省轄市中面積最大、人口最多。南陽市良好的自然稟賦和區(qū)位優(yōu)勢孕育了多種資源,南陽擁有多種畜禽種質(zhì)資源,比如南陽黃牛、南陽黑豬、伏牛白山羊和淅川烏骨雞等珍貴的優(yōu)質(zhì)畜禽遺傳資源。根據(jù)2014年3月南陽市統(tǒng)計局發(fā)布的《2013年南陽市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》,2013年農(nóng)林牧漁業(yè)投資額95.95 億元,比2012年增長36.4%;肉類總產(chǎn)量74.26×104,增長3.0%;禽蛋產(chǎn)量34.1×104t,增長1.6%;牛奶產(chǎn)量25.72×104t,增長0.1%。南陽市作為傳統(tǒng)的畜牧業(yè)大市已成為河南省乃至全國重要的畜產(chǎn)品生產(chǎn)和加工基地。本文旨在通過預(yù)測估算南陽市規(guī)模化養(yǎng)殖場畜禽糞便排泄量,畜禽COD、BOD、NH3-N、總磷、總氮排泄量,重金屬排泄量,糞便資源發(fā)酵沼氣產(chǎn)量潛力,溫室氣體減排量潛力等環(huán)境效應(yīng)的評價,為南陽市畜禽規(guī)模養(yǎng)殖糞便防治管理制定決策提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

根據(jù)2013年4月1日南陽市統(tǒng)計局公布的《南陽市規(guī)?;笄萆a(chǎn)簡介》,研究對象包括南陽市主要規(guī)?;B(yǎng)殖的生豬、奶牛、肉牛、山羊、綿羊、蛋雞、肉雞,統(tǒng)計資料中的規(guī)模養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)是指:豬存欄≥100頭;肉?;蚰膛4鏅凇?0頭;綿羊或山羊存欄≥30只;肉雞(鴨)或蛋雞(鴨)存欄≥2000 只。2012年南陽市規(guī)模養(yǎng)殖生豬、牛、羊、家禽的存、出欄量見表1,由于在《南陽市規(guī)?;笄萆a(chǎn)簡介》中對生豬只統(tǒng)計了2011年的存、出欄量,所以本文用2011年的數(shù)據(jù)代替2012年生豬的存、出欄量。

1.2 研究方法

1.2.1 畜禽糞便量 畜禽糞便是指畜禽排泄的糞、尿,是糧食、牧草、農(nóng)作物等飼糧生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化形式[4]。南陽市畜禽規(guī)模養(yǎng)殖以生豬、山羊、綿羊、肉牛、奶牛、蛋雞、肉雞為主,所以,本研究估算畜禽糞便量時只考慮了豬、牛、羊和雞這4 種畜禽糞便的排泄量。依據(jù)畜禽飼養(yǎng)數(shù)量、飼養(yǎng)周期和飼養(yǎng)周期內(nèi)糞、尿日排放系數(shù),按下式計算畜禽糞便量:畜禽糞便量=飼養(yǎng)數(shù)量(出欄量或存欄量)×糞便日排泄系數(shù)(kg·d-1)×飼喂周期(d)。畜禽糞便量的估算通常以排泄系數(shù)進行計算,畜禽糞便排泄系數(shù)是指單體畜禽每一天所排泄出的糞便物的重量,排泄系數(shù)受到動物品種、生長階段、個體生理、飼糧組合、采食方式、季節(jié)氣候等內(nèi)外因素的影響存在不同的差異,因此當(dāng)前關(guān)于畜禽糞便排放系數(shù)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本論文所采用的畜禽糞便日排放系數(shù)參照了多篇國內(nèi)近幾年的研究文獻,見表2。畜禽飼養(yǎng)數(shù)量取決于不同種類畜禽的飼養(yǎng)周期。肉雞和蛋雞在糞便日排泄量上差異顯著,而且飼養(yǎng)周期也大不相同,因而肉雞和蛋雞要求各自計算糞便的排泄量。一般情況下各類畜禽的飼養(yǎng)周期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下:牛、羊和蛋雞的飼喂養(yǎng)殖周期比較長,其中牛羊飼養(yǎng)周期大于1年,蛋雞的飼養(yǎng)周期通常是210d,而且當(dāng)年出欄數(shù)相對存欄數(shù)較少,所以按照年末存欄數(shù)量作為飼養(yǎng)數(shù)量計算,飼養(yǎng)周期為全年365d;肉雞的飼養(yǎng)周期通常是55d,生豬平均飼養(yǎng)周期通常是199d,生豬和肉雞飼養(yǎng)周期均不足一年,小于365d,所以將其出欄數(shù)量作為穩(wěn)定的飼養(yǎng)數(shù)量[5-11]。

表1 南陽市畜禽年存欄、出欄情況Table 1 Basic data of livestock and poultry in Nanyang/a

表2 畜禽糞便日排泄系數(shù)[12-21]Table 2 Daily discharge rate of livestock manure

1.2.2 畜禽糞便污染物(COD、BOD、NH3-N、TP、TN)含量 畜禽糞便排泄的主要污染物(COD、BOD、NH3-N、TP、TN)含量經(jīng)大量研究證實有穩(wěn)定的范圍,本文主要研究了畜禽糞便污染物中COD(化學(xué)需氧量)、BOD(五日生化需氧量)、NH3-N(氨氮含量指標(biāo))、TP(總磷)、TN(總氮)5 種指標(biāo)的含量,以國家環(huán)境保護總局環(huán)發(fā)[2004]43號文件發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為主并參照相關(guān)文獻資料[7,9,13,18,22-30],見表3。畜禽糞便污染物含量估算均以直接排泄的新鮮糞便量為基礎(chǔ)進行計算。畜禽糞便污染物含量的計算公式為:糞便污染物(COD、BOD、NH3-N、TP、TN)重量=糞(尿)重量×污染物平均含量。

1.2.3 畜禽糞便中重金屬含量 在規(guī)模畜禽養(yǎng)殖過程中,為了促進畜禽動物的生長發(fā)育、預(yù)防疾病、提高生產(chǎn)效率、追求經(jīng)濟效益等目的,生產(chǎn)者在畜禽養(yǎng)殖過程中會超標(biāo)添加多種重金屬元素,從而導(dǎo)致了畜禽排泄的糞便中重金屬含量水平較高。畜禽糞便中所含重金屬排泄量在集約化規(guī)模養(yǎng)殖模式通常高于散養(yǎng)模式,重金屬元素易富集、難遷移、危害大,畜禽排泄物可導(dǎo)致土壤、水源和農(nóng)作物的重金屬含量水平超標(biāo),將會威脅到生態(tài)環(huán)境和公眾健康。目前,畜禽糞便中所含重金屬種類多達十幾種,各類畜禽糞便中所含重金屬排泄量差異較大,因為受到畜禽個體生長發(fā)育水平、采食飼料的種類以及養(yǎng)殖方式等多種因素影響。本文計算南陽市各類畜禽糞便中重金屬含量,主要參考郭冬生等[13]、劉榮樂等[31]、單英杰等[32]多篇文獻資料[33-39],見表4。畜禽糞便中重金屬含量計算公式如下:某重金屬含量(Zn、Cu、Cr、Pb、Cd、Ni、As和Hg)=鮮糞重量×糞便干物質(zhì)含量×重金屬元素含量,其中豬糞、牛糞、雞糞和羊糞干物質(zhì)含量(%)分別為18,17,30,30。

表3 各類畜禽糞便中污染物的平均含量Table 3 Pollutant concentrations of livestock and poultry manure excretion kg/t

1.2.4 畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力 畜禽糞便是一種生物質(zhì)能源,沼氣發(fā)酵技術(shù)是有效地對畜禽糞便資源化利用的有效方式,不僅可以減少畜禽糞便對環(huán)境的污染,而且還可以使畜禽糞便廢棄物轉(zhuǎn)化成為綠色能源資源,促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。厭氧環(huán)境、溫度、pH、勻漿程度、C/N、有機物含量等都會影響畜禽糞便產(chǎn)沼氣量,各類畜禽糞便生產(chǎn)沼氣效率存在差異。一般使用表5中的畜禽糞便轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù),20 ℃轉(zhuǎn)換參數(shù)是根據(jù)35 ℃時畜禽糞便產(chǎn)沼氣量的60%折算而來[4,11,13,40-43]。因為南陽市年平均氣溫14.4~15.7 ℃,所以本文計算沼氣生產(chǎn)潛力依據(jù)20℃的轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù),保守地評價畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力。計算公式如下:各類畜禽糞便的年沼氣潛力=新鮮糞便總量×干物質(zhì)含量×轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù),其中雞糞、豬糞、牛糞和羊糞的轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù)(m3/kg)分別為0.29,0.25,0.18和0.20。

表4 規(guī)模化養(yǎng)殖各類畜禽糞便中重金屬元素的含量(mg/kg,干重)Table 4 Contents of heavy metals in different types of animal manures excretion in scale farming(mg/kg,DW)

表5 各類畜禽糞便每千克干物質(zhì)轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù)Table 5 Parameters of animal manures excretion converted to biogasm3/kg

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞便年排泄量以及污染物COD、BOD、NH3-N、TP、TN 含量

生豬、蛋雞、肉雞、牛、羊的糞、尿年排泄量和糞便中污染物COD、BOD、NH3-N、TP、TN 的含量見表6。南陽市各類畜禽的糞年排放總量分別為4.71×109kg,尿年排放總量為4.44×109kg,糞尿年排放總量到達9.15×109kg,豬糞尿2012年排放量分別為2.38×109kg和3.93×109kg,分別占到當(dāng)年各類畜禽糞、尿排放總量的50.53%和88.51%。牛糞與蛋雞糞的排泄量僅次于生豬,分別占總糞便量的21.66%和21.23%。糞便中污染物COD、BOD、NH3-N、TP 和TN,豬糞分別占到65.43%,69.33%,65.99%,55.43%和55.79%。在本文中,只統(tǒng)計了規(guī)模養(yǎng)殖的生豬、雞、牛、羊四種畜禽動物,在實際生產(chǎn)中還存在著大量的散養(yǎng)以及其它多種畜禽動物,在養(yǎng)殖過程中的糞便排泄物也占據(jù)了不小的比例,所以南陽市畜禽養(yǎng)殖糞便處理問題在促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展道路上是重要的一個環(huán)節(jié)。

2.2 畜禽糞便排泄物中重金屬元素的量

南陽市雞、豬、牛羊年糞便排泄物中各種重金屬元素的含量見表7。重金屬元素中鋅和銅含量最高,分別達到9.09×105kg和5.51×105kg;砷、鎳、鉻、鉛、鎘次之,糞便排泄物中含有汞58.1kg。糞便中重金屬元素含量隨著動物采食的飼料中添加的重金屬元素量增加而增加。鋅和銅的適量添加可以增進動物機體健康,超標(biāo)添加就會造成浪費與污染,砷、鎳、鉻、鉛、鎘和汞會對水體和土壤造成極大的破壞和污染,嚴(yán)重影響人類的生存環(huán)境。

2.3 畜禽糞便沼氣生產(chǎn)潛力

南陽市年規(guī)模養(yǎng)殖畜禽糞便排泄量如果厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣,保守地估計年生產(chǎn)沼氣總量為2.45×108m3,其中雞糞9.22×107m3,豬糞1.07×108m3,牛糞3.11×107m3,羊糞1.46×107m3。一般生產(chǎn)沼氣選用35 ℃厭氧發(fā)酵,本文中考慮到南陽市年平均氣溫14.4~15.7 ℃,估算時選取了20 ℃的轉(zhuǎn)換沼氣參數(shù),而20 ℃轉(zhuǎn)換參數(shù)是根據(jù)35 ℃時畜禽糞便產(chǎn)沼氣量的60%折算而來,同時僅僅估算了規(guī)模養(yǎng)殖模式下的豬、雞、牛羊4種動物的糞便沼氣生產(chǎn)潛力。由此可見,南陽市畜禽糞便資源能更好地發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟。

表6 各類畜禽年糞便排泄量和污染物含量Table 6 Output of livestock and poultry manure excretion and pollutant concentrations kg/a

表7 畜禽年糞便排泄物中重金屬元素含量Table 7 Content of heavy metal in animal manures excretion kg/a

3 討論

南陽市是畜牧業(yè)大市。南陽是淮河的源頭,也是南水北調(diào)中線工程水源地和渠首所在地,南陽市人民政府為確保出境水質(zhì)安全,確保一泓清水送津京,各相關(guān)部門高度重視,切實做好南水北調(diào)水污染防治工作,其中把畜禽規(guī)?;B(yǎng)殖污染防治作為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)源污染減排目標(biāo)的突破口和重要著力點,按照“農(nóng)牧結(jié)合、科學(xué)布局、因地制宜、循環(huán)利用、控量減排”的要求,做好畜禽養(yǎng)殖污染整治工作。2014年6月11日發(fā)布的豫環(huán)文[2014]111號《2014年河南省畜禽養(yǎng)殖主要污染物總量減排實施方案》確定2014年總量減排目標(biāo):2014年,河南省COD、NH3-N 兩項主要污染物排放總量分別控制在133.39×104t、13.94×104t 以內(nèi),分別比2013年削減1.50%、3.30%。其中,農(nóng)業(yè)源COD、NH3-N 排放量應(yīng)分別控制在76.90×104t和5.92×104t以內(nèi),分別比2013年(2013年河南省農(nóng)業(yè)源COD、NH3-N排放量分別是78.15×104t、6.11×104t)削減1.60%和3.10%以上。此方案還明確指出,在種植業(yè)平移基數(shù)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)減排貢獻極其有限的情況下,實現(xiàn)河南省農(nóng)業(yè)源減排目標(biāo)的主要途徑就是在于畜禽養(yǎng)殖業(yè)的減排。2014年,畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD和NH3-N 排放量應(yīng)分別控制在76.05×104t和5.39×104t以內(nèi),分別比2013年(2013年河南省畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD 和NH3-N 排放量分別為77.30×104t、5.57×104t)削減1.62%和3.40%以上,COD 和NH3-N 分別實現(xiàn)凈減排1.25×104t和0.19×104t以上?!?014年河南省畜禽養(yǎng)殖減排工程項目表》中具體規(guī)定了1792家畜禽規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)的治污設(shè)施提標(biāo)改造任務(wù)與治理措施,其中包括南陽市的79家畜禽規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)。南陽市人民政府辦公室2014年6月18日印發(fā)《南陽市2014年度畜禽養(yǎng)殖減排計劃實施方案》,規(guī)定了2014年南陽市畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染物總量控制目標(biāo)及減排任務(wù)。主要污染物總量控制目標(biāo):COD 排放總量控制在42 834t以內(nèi),相對2013年削減3.15%;NH3-N 排放總量控制在4 000t以內(nèi),相對2013年削減5.01%。主要污染物減排任務(wù)量:COD 排放量1 400t,NH3-N 排放量220t。并在此實施方案中針對南陽市79家中大型畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場每一家的具體情況進行了量化規(guī)定,詳細明確地制定了每一家養(yǎng)殖場2014年的COD 減排量、NH3-N 減排量、減排措施、項目要求等任務(wù)要求,確保實現(xiàn)農(nóng)業(yè)源污染減排目標(biāo),促進畜牧業(yè)與生態(tài)環(huán)境健康和諧發(fā)展。

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