敖子強(qiáng)，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(yáng)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(kuò)大，集約化程度增加，年出欄幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)頭的大型規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)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(wèn)題相當(dāng)突出。規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的資源化是對(duì)養(yǎng)豬廢棄物采用一系列的技術(shù)方法進(jìn)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(jì)價(jià)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(chǎng)周邊的環(huán)境質(zhì)量[1]。

1　規(guī)模養(yǎng)豬廢棄物的特點(diǎn)

1.1　集中排放量大、有機(jī)物濃度高

規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)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(jī)物含量高，如果長(zhǎng)期得不到治理將對(duì)周邊的生產(chǎn)和生活帶來(lái)嚴(yán)重影響。據(jù)2012年數(shù)據(jù)，江西省出欄生豬3 700萬(wàn)頭，排放固體糞便1 350萬(wàn)t，產(chǎn)生廢水8 100萬(wàn)m3，每年向周邊環(huán)境中排放CODcr、NH3-N、TP分別為160萬(wàn)t、4萬(wàn)噸和0.25萬(wàn)t。規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)產(chǎn)生糞便排放量超過(guò)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(jī)物污染源[2]。

1.2　氮和磷含量高

在規(guī)模養(yǎng)豬的過(guò)程中為了追求生豬的快速生長(zhǎng)，大量使用營(yíng)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(chǎng)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(jī)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(jī)質(zhì) 2.5%，因而一個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)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(yíng)養(yǎng)化重要的潛在污染源。

1.3　相對(duì)處理難度大

養(yǎng)豬廢棄物一方面含有高濃度有機(jī)物和高氨氮，同時(shí)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(duì)規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)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(chǎng)散發(fā)的惡臭以及以大氣污染；廢棄物中氮、磷等通過(guò)淋溶作用遷移擴(kuò)散導(dǎo)致地下水污染，大量的氮、磷通過(guò)地表徑流從而導(dǎo)致更大范圍的水體富營(yíng)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(guò)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(wèn)題是好氧工序能耗高，一家年出欄萬(wàn)頭生豬的養(yǎng)豬場(chǎng)年需10萬(wàn)元左右的運(yùn)行處理費(fèi)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(jī)肥源。用有機(jī)肥代替化肥不僅可以節(jié)約成本，還能增加土壤的有機(jī)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(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)的廢棄物進(jìn)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(wú)味、高效的有機(jī)肥料可以減少164 t化肥的使用，同時(shí)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(jī)物，干燥后直接用作燃料會(huì)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(shí)還能進(jìn)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(shí)還能提供清潔能源，沼液沼渣還可作為各種有機(jī)肥料、栽培食用菌、魚和蚯蚓等的飼料或飼料添加劑[5]。一個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)的廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵可生產(chǎn)沼氣7.3萬(wàn)m3，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤7.7萬(wàn)t，是一種很有價(jià)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(guò)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(huì)出現(xiàn)添加的物質(zhì)濃度超標(biāo)，同時(shí)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(dòng)物出現(xiàn)各種不良癥狀等問(wèn)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(dòng)物，然后這些含蛋白質(zhì)高的動(dòng)物再次用作雞、鴨、魚及其他動(dòng)物的飼料。但是養(yǎng)豬廢棄物經(jīng)過(guò)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(jī)物等營(yíng)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(jìn)行轉(zhuǎn)化形成氨基酸等含氮化合物，最后通過(guò)同化作用轉(zhuǎn)化為植物體的組成部分[8-9]。磷是植物生長(zhǎng)需要的大量元素之一，以磷酸鹽的形式被植物主動(dòng)吸收，合成ATP等構(gòu)成植物體的組成部分被固定下來(lái)。因此對(duì)養(yǎng)豬廢棄物中污染物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力和耐性能力強(qiáng)的植物成為備選植物，同時(shí)還可以考慮具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物種類，在轉(zhuǎn)化污染物質(zhì)的同時(shí)降低養(yǎng)豬廢棄物的處理成本。

3.2　動(dòng)物轉(zhuǎn)化

一些原生動(dòng)物通過(guò)取食的方式將廢棄物中有機(jī)物進(jìn)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(guò)自身的活動(dòng)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(jìn)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(guò)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(shì)微生物生長(zhǎng)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(shí)加FM菌或EM菌等高效微生物菌劑，促進(jìn)微生物對(duì)養(yǎng)豬廢棄物的降解和對(duì)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(zhǎng)的環(huán)境條件，另一方面為了提高產(chǎn)氣率，對(duì)養(yǎng)豬廢棄物進(jìn)行水解酸化時(shí)添加優(yōu)勢(shì)的纖維素降解菌，可以縮短發(fā)酵時(shí)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(jìn)COD的降解同時(shí)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(shì)植物轉(zhuǎn)化技術(shù)

養(yǎng)豬廢棄物中的大量氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素需要生長(zhǎng)速度快、根系發(fā)達(dá)、生物量大的植物吸收生長(zhǎng)來(lái)進(jìn)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(jī)肥使用模式是豬-沼-有機(jī)肥-優(yōu)勢(shì)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(duì)不同地區(qū)的自然和資源條件，因地制宜提出豬-沼-有機(jī)復(fù)合肥-(能源植物、飼料作物、經(jīng)濟(jì)作物、藥用作物等)模式，植物需要生長(zhǎng)速度快、生物量大、對(duì)養(yǎng)豬廢棄物形成的環(huán)境耐性強(qiáng)、處理養(yǎng)豬廢棄物的能力增大同時(shí)植物的附加值增加，在處理養(yǎng)豬廢棄物的同時(shí)還可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jì)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(qiáng)，同時(shí)收割的植物還可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4.2　優(yōu)勢(shì)動(dòng)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(wèn)題，除了“豬-沼-魚”等幾種模式外其他比較少見(jiàn)，但是利用優(yōu)勢(shì)動(dòng)物的轉(zhuǎn)化再用作飼料利用相當(dāng)普遍。利用優(yōu)勢(shì)動(dòng)物降解養(yǎng)豬廢棄物，常見(jiàn)的動(dòng)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(jī)肥，同時(shí)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(chǎng)產(chǎn)生的廢棄物，經(jīng)過(guò)蚯蚓處理后的養(yǎng)豬廢棄物沒(méi)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(duì)養(yǎng)豬廢棄物的消化能力和轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)；其生活習(xí)性不會(huì)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(lái)飼養(yǎng)動(dòng)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(guò)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(jī)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(tái)和生物有機(jī)肥生產(chǎn)控制參數(shù)并實(shí)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(shì)菌種以及降纖維素、除臭、降油脂等優(yōu)良菌種，同時(shí)探索出有利于優(yōu)勢(shì)菌種生長(zhǎng)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(shì)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(dòng)物糞便等動(dòng)植物殘?bào)w為原料高溫裂解形成的一類惰性有機(jī)碳，分解難度大、穩(wěn)定性強(qiáng)，具有多孔洞、大的比表面積和陽(yáng)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(jìn)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(lái)處理規(guī)模養(yǎng)豬廢水解決養(yǎng)豬C/N不足的問(wèn)題，同時(shí)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(duì)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(huì)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(shí)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(shì)和實(shí)際需求選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)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(jī)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(shì)植物轉(zhuǎn)化技術(shù)、蚯蚓和黑水虻養(yǎng)殖技術(shù)、優(yōu)勢(shì)多功能菌種技術(shù)以及生物炭技術(shù)等利用先進(jìn)的植物、動(dòng)物和微生物等技術(shù)手段處理規(guī)?；B(yǎng)豬廢棄物，在保護(hù)規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)環(huán)境的同時(shí)追求養(yǎng)豬廢棄物處理的最大資源化。

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