魏鼎才 李光輝 隨順濤 蔣金巧

四川省農業(yè)機械科學研究院，四川 成都

20 世紀90年代以來，畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)模逐步擴大，集約化、產業(yè)化程度越來越高[1]。隨著集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；潭忍嵘笄菁S污產生量逐漸增大，環(huán)境污染成為畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的重要制約因素[2-3]。畜牧業(yè)養(yǎng)殖的污染物會經過物質循環(huán)進入土壤，導致土壤污染和農作物減產，畜禽污染物中的硝態(tài)氮和土壤性病原菌會威脅人類健康，無機化肥和畜禽糞便容易造成水體污染，特別是地下水硝酸鹽污染[4-6]。為減少畜禽糞污的污染，實現(xiàn)畜禽糞污的資源化利用，四川省邛崍市將畜禽糞污進行資源化利用，通過沼肥還田后成功解決當?shù)?6 萬m3沼肥，還田超5 300 萬m2，化肥減量施用10%以上，農作物增產5%以上[7]。據(jù)統(tǒng)計，湖北省根據(jù)農業(yè)廢棄物（畜禽糞污、農作物秸稈）還田理論可實現(xiàn)氮肥消費量減少39.8%、磷肥消費量減少25.0%[8]。本文開展了畜禽糞污資源化利用應用調研與技術探析，并根據(jù)調研情況提出發(fā)展建議，以期通過畜禽糞污資源化利用，減少畜禽糞污對環(huán)境的污染，實現(xiàn)綠色發(fā)展。

1 畜禽糞污資源化的研究現(xiàn)狀

《中國沼氣行業(yè)“雙碳”發(fā)展報告》指出，預計到2025年中國畜禽糞污年產量將達39.8 億 t[9]，隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展壯大，畜牧養(yǎng)殖廠開始面臨畜禽糞污處理問題。相關學者開展畜禽糞污資源化利用的研究，于賀春等[2]通過傳熱學理論分析和流體仿真相結合的方法，利用Fluent軟件對不同油路結構內的流場進行模擬，發(fā)現(xiàn)對導熱油路添加擋板，導熱油傳熱效果更好。羅娟等[1]利用層次分析法構建了一套全面衡量畜禽糞污處理的綜合評價指標體系，用于評價規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞污處理的綜合效益，具有一定的實踐指導性。Pubule 等[10]采用定性和定量的研究方法將沼氣工程對環(huán)境的影響進行評估，并提出畜牧養(yǎng)殖業(yè)今后的發(fā)展建議。Thapa 等[11]以養(yǎng)分供求平衡為研究主線，分析了1996～2006年尼泊爾山區(qū)的畜禽養(yǎng)殖土地環(huán)境承載力。畜牧業(yè)生產過程中的禽畜糞便和廢棄物是豐富的生物質資源，我國的生物質回收機制還不夠完善，大部分生物質資源沒有得到合理利用[12]。如何處理好畜禽糞污的污染問題已迫在眉睫，亟待深入了解目前畜禽糞污資源化利用的研究現(xiàn)狀，為畜禽糞污的資源化利用提出發(fā)展建議。

2 國外畜禽糞污處理模式探析

隨著社會經濟水平的不斷發(fā)展，國際畜牧業(yè)逐漸朝著規(guī)模化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，發(fā)達國家開始因地制宜采用不同畜禽廢棄物還田模式[13-15]。美國將養(yǎng)殖場的畜禽糞污進行收集、發(fā)酵、貯存后，在施肥季節(jié)作為液體肥料進行全量化還田；歐盟基于養(yǎng)分平衡理論采用生態(tài)利用模式，對養(yǎng)殖場產生的糞水進行深度處理，糞水達標后還田；日本將養(yǎng)殖廠的畜禽糞污固液分離之后，提出以處理固體糞便為主的糞便堆肥處理工藝，經高溫好氧堆肥無害化處理后，生產有機肥或進行農田利用；德國對畜禽糞污進行收集，通過建設大型沼氣工程或者采用糞污肥料化進行畜禽糞污的處理，將糞污和灌溉水按照比例混合，實現(xiàn)水肥一體化還田利用，如表1所示。

表1 國際畜禽糞污處理模式

3 畜禽糞污資源化利用情況調研

3.1 畜禽糞污處理的運輸方式

3.1.1 傳統(tǒng)畜禽糞污的處理方式

傳統(tǒng)的畜禽糞污處理主要是以人工推車、拖拉機、溝渠和吸糞車運輸為主，如表2所示，其運輸方式的發(fā)展因地域、養(yǎng)殖規(guī)模等受到限制，需要創(chuàng)新運輸方式，配合傳統(tǒng)運輸方式，促進機械化和智能化的高效運輸。

表2 傳統(tǒng)畜禽糞污處理的運輸方式

3.1.2 畜禽糞污泵送設備

關于畜禽糞污泵送設備的研究，王中軍[16]等分析擺線型凸輪轉子泵抽送糞污介質的性能變化，以豬糞作為抽送介質對凸輪轉子泵進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采用轉子泵的運行性能優(yōu)于抽送清水介質，對凸輪轉子泵提出改進設計。王星等[17]為解決高濃度豬糞收集、轉運等過程的技術問題，探討含固率、真空度、管徑及自然放置時間等參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)抽吸流量隨豬糞含固率增加而減少，抽吸流量與管徑是冪指增長的關系，為畜禽糞污環(huán)保處理提供理論參考。

施衛(wèi)東等[18]設計了一種后掠式雙葉片污水泵，能夠提高泵的處理效率，具有通過性能強、抗纏繞性能好和運行穩(wěn)定等優(yōu)點。王少勇等[19]自主設計了室內小型環(huán)管實驗系統(tǒng)，對不同工況下膏體管道輸送的黏度和剪切速率進行測試，得到流動曲線，獲得了管道輸送膏體的流變參數(shù)，符合工程實際。劉刈等[20]研究豬糞、雞糞、牛糞等6 種畜禽糞污的流變特性，得到不同物料濃度、不同溫度和發(fā)酵時間等因素對流變特性參數(shù)的影響。以上研究為畜禽糞污泵送設備的理論研究奠定基礎，但是缺乏對泵送設備結構設計、參數(shù)選擇等相關的研究，讓糞污的抽送過程更加成熟可靠和高效智能。

探析畜禽糞污處理中泵送設備，按照其工作原理可大致梳理為容積式泵、葉輪式泵和噴射式泵3 種，具體如表3所示。目前畜禽糞污泵送設備以葉輪式泵為主，容易存在易堵塞、適用性差和使用壽命短等問題。這是由于畜禽糞污的成分復雜、含纖維物多、黏度大，屬高黏度非牛頓流體，亟需研發(fā)高效可靠的泵送系統(tǒng)[16]。因此，需要針對畜禽糞污的實際應用深入的研究，研發(fā)出更全面、系統(tǒng)的畜禽糞污處理泵送設備。

表3 畜禽糞污處理泵送設備

3.2 畜禽糞污固液分離設備

目前養(yǎng)殖場對畜禽糞污進行固液分離后，固體部分通過好氧堆肥來生產商品有機肥，液體部分則經無害化處理后直接全量化還田或建立沼氣工程[21]。機械分離可去除糞污中約80%的干物質[22]，眾多科研工作者進行分離技術的研究，以提升畜禽糞污固液混合物的分離效果。目前畜禽糞污固液分離采用的技術主要有離心式、擠壓式、篩分式3種，如表4所示。

表4 畜禽糞污固液分離設備

畜禽糞污固液分離設備中的螺旋擠壓式固液分離機，由于能耗低、可靠性高等優(yōu)點而應用廣泛[23]。相關學者開展關于螺旋擠壓式固液分離機的研究，武軍等[24]開展間斷式螺旋擠壓分離機的深入研究，認為其相比較于傳統(tǒng)連續(xù)螺旋擠壓分離機具有適應性強、效率高等發(fā)展優(yōu)勢。Moller 等[25]研究螺旋擠壓式固液分離機時，發(fā)現(xiàn)干物質含量對其分離效果具有顯著影響。Apachanov 等[26]通過模擬擠壓螺旋分離器固體和液體的運動過程，發(fā)現(xiàn)固液分離效率下降和能耗增加的主要原因是畜禽糞污物料進入“死區(qū)”并圍繞螺釘軸旋轉。Popovic等[27]研究螺旋擠壓式固液分離機時，發(fā)現(xiàn)將豬糞中添加生物炭等添加劑，可以避免豬糞一直在固液分離器的漩渦中繞軸旋轉，說明使用添加劑可以提升2%～3%的固液分離效率。林代炎等[28]研制的擠壓式固液分離機具有布局合理、功能齊全和運行安全平穩(wěn)等特點，并在福建省主要生豬生產區(qū)進行試驗，取得了明顯的進展。申江濤等[29]認為斷式螺旋擠壓式固液分離機能夠使物料堆積、壓縮并維持相對的恒定狀態(tài)，實現(xiàn)黏稠物料的固液分離過程。螺旋擠壓式固液分離機現(xiàn)已廣泛推廣應用，然而，市場上有許多不同類型和功能結構的固液分離設備，存在難以選型和配型的問題，建議設備的優(yōu)劣判斷還需要從效率、能耗、質量可靠和綠色環(huán)保等角度進行綜合評判，才能得到農戶、養(yǎng)殖場等的認可和使用。

3.3 畜禽糞污資源化的處理方式

3.3.1 畜禽糞污的清糞方式

適宜的清糞方式對養(yǎng)分的充分利用、環(huán)境的污染治理尤為重要[30]。目前，主要的清糞方式是干清糞、水沖糞和水泡糞[31]，如表5所示。合理的清糞方式能夠有效利用現(xiàn)有資源，應根據(jù)養(yǎng)殖場的實際情況確定清糞方式[32]。我國的清糞方式以人工清糞為主，其機械化程度低，還需不斷改進畜禽糞污的清糞技術。

表5 畜禽糞污清糞方式

3.3.2 畜禽糞污的處理技術

目前，畜禽糞污的處理技術較多，主要包括好氧堆肥、厭氧發(fā)酵、低溫干化、焚燒等技術，以及一些新型技術，如熱解、電解、深度處理、氧化塘和昆蟲轉化等技術[21、33-40]。目前主要是采用好氧堆肥和厭氧發(fā)酵技術，好氧堆肥技術在我國農村地區(qū)應用廣泛，該技術是畜禽糞污在氧氣充足的條件下，好氧細菌將糞污分解成CO2、H2O 和小分子有機物，最終變成有機肥的過程[41]。我國厭氧發(fā)酵技術的研究和應用時間最長，該技術是畜禽糞污在厭氧條件下，利用厭氧消化菌將糞污轉化為CH4、H2O、CO2和有機物等的過程[42]。通常畜禽糞污通過固液分離后，將液體糞污采用厭氧處理[43]。目前的沼氣池主要是利用厭氧發(fā)酵而產生沼氣、沼液、沼渣，從而提供了肥料和能源，實現(xiàn)畜禽糞污的資源化利用，如表6所示。

表6 畜禽糞污的處理技術

4 畜禽糞污資源化利用的發(fā)展建議

4.1 因地制宜，提高畜禽糞污綜合利用率

據(jù)統(tǒng)計，2019年末中國畜禽糞污綜合利用率提高到75%，畜禽規(guī)模養(yǎng)殖場糞污處理設施裝備配套率達到93%[44]?！丁笆奈濉比珖r業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中提出，到“十四五”末，畜禽糞污綜合利用率達到80%；秸稈綜合利用率達到86%以上[8]。我國是世界上最早利用沼氣的國家之一，然而我國沼氣工程技術支撐弱、管理滯后、工程收益低，以中國2025年的畜禽糞污產量計，全部投入生產預計產沼氣191.6 億m3[9，12,45]。據(jù)此建議因地制宜，拓寬糞污處理方式，通過納入沼氣工程等方式實現(xiàn)資源綜合利用，或將肥料還入農田減少面源污染，使得土壤有機碳儲量不斷提高從而改善土壤肥力，從而促進農業(yè)綠色健康發(fā)展。

4.2 政府支持，構建專業(yè)化種養(yǎng)結合模式

種養(yǎng)結合是一種結合種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的生態(tài)農業(yè)模式，成為畜禽糞污資源化利用的新趨勢。林賽男等[7]引入“種養(yǎng)結合生態(tài)循環(huán)+公共私營合作制”的模式，使得農產品品質得到了大提升，促進了農業(yè)的綠色發(fā)展。董紅敏等[13]認為種養(yǎng)結合循環(huán)發(fā)展是畜禽糞污資源化利用的根本出路，并且提出針對養(yǎng)殖場可采用3 種專業(yè)化種養(yǎng)結合的模式，如表7所示。因此，根據(jù)我國農田特點，創(chuàng)新發(fā)展種養(yǎng)結合機制是今后的方向，有利于畜牧廢棄物實現(xiàn)資源化利用，以及畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和改善環(huán)境污染問題。

表7 畜禽糞污種養(yǎng)結合模式

4.3 社會參與，撬動金融和社會資本投入

實現(xiàn)畜禽糞污的資源化利用需要社會的廣泛參與，以及金融、社會資本的投入，一是政府可以出臺相關政策和法規(guī)，鼓勵和支持畜禽養(yǎng)殖場進行糞污資源化利用，政府提供財政補貼、稅收優(yōu)惠等激勵措施，吸引和鼓勵多方共同參與畜禽糞污資源化利用項目。二是推動科技創(chuàng)新和技術進步，鼓勵科技發(fā)展，提高畜禽糞污資源化利用的技術水平和效率，設立科研機構或實驗室進行技術的研發(fā)和創(chuàng)新。三是加強宣傳和教育，提高社會的環(huán)保認識和意識，通過舉辦宣傳活動、開展培訓和教育等方式，傳達資源化利用的重要性和好處，鼓勵更多人參與。從而推動畜禽糞污的資源化利用，不斷解決環(huán)境污染問題，以期鼓勵社會的不斷參與，吸引金融和社會資本的投入，提高資源利用效率，促進畜禽糞污的綠色發(fā)展。

4.4 市場運作，構建畜禽糞污處理產業(yè)鏈

政府、種植和養(yǎng)殖方、第三方運營企業(yè)是農業(yè)面源污染治理的參與主體[9]，建議通過市場需求推動政府、種植和養(yǎng)殖方、第三方運營企業(yè)實現(xiàn)多方合作，構建畜禽糞污資源化利用的產業(yè)鏈。政府通過規(guī)劃和管理，可以利用專業(yè)化合作社，與設備制造商、技術提供商等企業(yè)合作，為種植和養(yǎng)殖方提供各類處理設備和技術服務，建立畜禽糞污處理技術和設備的供應市場，建立包括糞污收集運輸、技術處理、轉化利用等環(huán)節(jié)的畜禽糞污資源化利用產業(yè)鏈，實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用的良性循環(huán)。

5 結論

畜禽糞污是非常豐富的生物質資源，我國的生物質回收機制還不夠完善，大部分生物質資源沒有得到合理利用，畜禽糞污的資源化利用事關能源利用、環(huán)境污染和產業(yè)發(fā)展，具有不可忽視的作用。本文開展畜禽糞污資源化利用的現(xiàn)狀調研，探究了畜禽糞污處理的運輸方式、固液分離設備和糞污處理方式的具體情況，提出因地制宜，提高畜禽糞污綜合利用率；政府支持，構建專業(yè)化種養(yǎng)結合模式；社會參與，撬動金融和社會資本投入；市場運作，構建畜禽糞污處理產業(yè)鏈的發(fā)展建議，以期減少畜禽糞污對土壤、水源和空氣造成的污染。