规模养猪废弃物资源化关键技术研究进展

敖子强，卜妹红，彭桂群，张　杰，江　成，付嘉琦

(1.江西省科学院 能源研究所，江西 南昌 330096;2.江西师范大学 马克思主义学院，江西 南昌 330022；3.江西省科学院 鄱阳湖研究中心，江西 南昌 330096)

传统养猪一般由农户分散少量饲养，产生的粪污一般用作农作物肥料。而当今养猪规模不断扩大，集约化程度增加，年出栏几万甚至几十万头的大型规模养猪场不断出现，这种大规模封闭式的集中饲养方式造成了大量的养猪废弃物，周边环境不能完全自净，从而形成的环境污染问题相当突出。规模养猪废弃物的资源化是对养猪废弃物采用一系列的技术方法进行处理将养猪废弃物变成人们生产和生活需要的肥料、饲料和燃料等能产生一定经济价值的资源，使养猪废弃物得以循环利用，有效地解决规模养猪废弃物产生的环境污染从而改善规模养猪场周边的环境质量[1]。

1　规模养猪废弃物的特点

1.1　集中排放量大、有机物浓度高

规模养猪场产生的大量粪尿和冲洗废水等已经成为重要的污染源，其排放量大、有机物含量高，如果长期得不到治理将对周边的生产和生活带来严重影响。据2012年数据，江西省出栏生猪3 700万头，排放固体粪便1 350万t，产生废水8 100万m3，每年向周边环境中排放CODcr、NH3-N、TP分别为160万t、4万吨和0.25万t。规模养猪场产生粪便排放量超过工业产生固体废弃物的量，尤其COD排放量大而成为当地主要有机物污染源[2]。

1.2　氮和磷含量高

在规模养猪的过程中为了追求生猪的快速生长，大量使用营养丰富的饲料，在这些饲料中只有约80%能被生猪食用，其中能被有效吸收的氮、磷只有30%～40%，大部分的氮、磷随着粪尿而被排出。目前日存栏量为100头生猪的猪场每年排放的猪粪尿量约为 139 612 kg(其中鲜粪量约为 46 537 kg)， 猪粪养分含量约为：N 0.60%、P2O50.40%、K2O 0.44%、水分 82.0%、有机质 15.0%；猪尿养分含量约为：N 0.30%、 P2O50.12%、 K2O 0.95%、水分 96.0%、有机质 2.5%，因而一个万头猪场每年排放的废弃物中含有氮100～161 t和磷20～33 t[3]，这些废弃物成为周边水体富营养化重要的潜在污染源。

1.3　相对处理难度大

养猪废弃物一方面含有高浓度有机物和高氨氮，同时还含有大量病菌、寄生虫卵以及铜、锌等重金属和多种抗生素，成为一种复合污染源，对规模养猪场周边的大气、水体、土壤造成严重污染。处理规模养猪废弃物需要考虑猪场散发的恶臭以及以大气污染；废弃物中氮、磷等通过淋溶作用迁移扩散导致地下水污染，大量的氮、磷通过地表径流从而导致更大范围的水体富营养化；废弃物中的含氮化合物在土壤微生物的作用下形成硝酸盐、亚硝酸盐等，通过植物吸收最后影响人体健康。目前养猪废水的处理工艺流程通常包括固液分离、厌氧消化、好氧降解三道工序，其中最大问题是好氧工序能耗高，一家年出栏万头生猪的养猪场年需10万元左右的运行处理费用，养猪业主较难接受

2　养猪废弃物资源化的途径

2.1　肥料化

养猪废弃物用作肥料是传统的利用方式之一，也是废弃物资源化的主要途径。养猪废弃物中含有丰富的氮、磷、钾等养分，还含有丰富的蛋白质及其他微量元素，是一种优质的有机肥源。用有机肥代替化肥不仅可以节约成本，还能增加土壤的有机质，提高土壤肥力和农作物的产量，保持土壤的可持续利用[4-5]。一个万头猪场的废弃物进行厌氧发酵、堆肥、干燥、造粒及与辅料混合等各种工艺处理生产出无味、高效的有机肥料可以减少164 t化肥的使用，同时产生的沼液用作液肥直接使用可以减少42.7%的化肥使用量[1]。

2.2　能源化

养猪废弃物中含有大量的有机物，干燥后直接用作燃料会产生较多的大气污染物。将养猪废弃物在厌氧条件下利用厌氧微生物的分解作用产生沼气和二氧化碳，在有效处理养猪废弃物同时还能进行能源回收利用，是废弃物资源化的途径之一。厌氧发酵不仅可以杀死致病微生物和寄生虫卵、消除臭味，同时还能提供清洁能源，沼液沼渣还可作为各种有机肥料、栽培食用菌、鱼和蚯蚓等的饲料或饲料添加剂[5]。一个万头猪场的废弃物进行厌氧发酵可生产沼气7.3万m3，相当于标准煤7.7万t，是一种很有价值的潜在生物质资源[5]。

2.3　饲料化

由于猪饲料添加铜、锌、抗生素等饲料添加剂，这些物质经过消化后大部分残留在废弃物中并浓度增加，如重新用作饲料可能会出现添加的物质浓度超标，同时由于养猪废弃物的能量低、适口性差、含有致病微生物等因素易导致动物出现各种不良症状等问题，因此目前一般不主张使用养猪废弃物直接用作饲料[6]。目前养猪废弃物主要用于饲养蝇蛆、蚯蚓、黑水虻等原生动物，然后这些含蛋白质高的动物再次用作鸡、鸭、鱼及其他动物的饲料。但是养猪废弃物经过厌氧发酵后的沼液、沼渣可以直接用作鱼、小龙虾、泥鳅等的饲料[7]。

3　资源化中的生物转化作用

3.1　植物吸收转化

养猪废弃物含有丰富的氮、磷、有机物等营养物质。植物吸收规模养猪废弃物中铵态氮和硝态氮，在植物体内进行转化形成氨基酸等含氮化合物，最后通过同化作用转化为植物体的组成部分[8-9]。磷是植物生长需要的大量元素之一，以磷酸盐的形式被植物主动吸收，合成ATP等构成植物体的组成部分被固定下来。因此对养猪废弃物中污染物质转化能力和耐性能力强的植物成为备选植物，同时还可以考虑具有一定的经济价值的植物种类，在转化污染物质的同时降低养猪废弃物的处理成本。

3.2　动物转化

一些原生动物通过取食的方式将废弃物中有机物进行转化，一方面将废弃物中氮磷等物质转化为自身的生物组成部分，另一方面通过自身的活动改变养猪废弃物所处的环境及改变养猪废弃物中污染物质的形态，促进养猪废弃物的转化从而降低污染物的含量。

3.3　微生物转化

养猪废弃物微生物转化主要表现在好氧堆肥、厌氧发酵、好氧降解等过程中。好氧堆肥阶段不仅依靠废弃物自身的微生物种群，还可根据不同的堆肥方式适当添加一些有利于优势微生物生长的辅料和接种高效微生物，如在养猪废弃物中添加一定比例的秸秆或锯末等作为碳源同时加FM菌或EM菌等高效微生物菌剂，促进微生物对养猪废弃物的降解和对氨的固定而减少氨气的挥发；厌氧发酵阶段一方面创造适宜微生物生长的环境条件，另一方面为了提高产气率，对养猪废弃物进行水解酸化时添加优势的纤维素降解菌，可以缩短发酵时间，在产气阶段添加产甲烷菌提高产气量或者添加厌氧氨氧化菌提高脱氮效果[5]；在好氧降解阶段主要添加好氧降解菌促进COD的降解同时脱氮除磷。

4　养猪废弃物资源化的关键技术

4.1　优势植物转化技术

养猪废弃物中的大量氮、磷、钾等营养元素需要生长速度快、根系发达、生物量大的植物吸收生长来进行快速转化。此技术主要将养猪废弃物肥料化，但常用的有机肥使用模式是猪-沼-有机肥-优势植物。植物的种类也发生了变化，不局限于水稻、蔬菜等农作物，针对不同地区的自然和资源条件，因地制宜提出猪-沼-有机复合肥-(能源植物、饲料作物、经济作物、药用作物等)模式，植物需要生长速度快、生物量大、对养猪废弃物形成的环境耐性强、处理养猪废弃物的能力增大同时植物的附加值增加，在处理养猪废弃物的同时还可以获得良好的经济效益和社会环境效益。目前用于规模养猪废弃物处理中常用的植物有能源植物如巨菌草(Pennisseiumsp)、五节芒(Miscanthusfloridulu(Labnll.)Warb)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)等，经济作物如油茶(CamelliaoleiferaAbel)、香蕉(MusananaLour.)等[10-11]，这些植物需肥量大，处理规模养猪废弃物的能力强，同时收割的植物还可产生一定的经济价值。

4.2　优势动物饲料技术

目前规模养猪废弃物直接用作饲料还存在一系列的问题，除了“猪-沼-鱼”等几种模式外其他比较少见，但是利用优势动物的转化再用作饲料利用相当普遍。利用优势动物降解养猪废弃物，常见的动物有蝇蛆、蚯蚓、黑水虻、水蛭等，其中广泛使用的有蚯蚓和黑水虻。蚯蚓降解养猪废弃物的速度快，降解后的产物是很好的有机肥，同时蚯蚓本身是很好的饲料及可用作医药、酿酒等原料，如每公顷蚯蚓地可处理年出栏生猪 15 000 头左右养猪场产生的废弃物，经过蚯蚓处理后的养猪废弃物没有臭味，肥效高[1，12]。黑水虻容易饲养，成本低，繁殖速度快，具有广泛的食谱，对养猪废弃物的消化能力和转化能力强；其生活习性不会影响人类的生活环境，取食养猪废弃物可减少有害细菌和寄生虫卵的数量，抑制蚊虫的滋生；其干物质含有丰富的蛋白质和脂肪可以作为良好的饲料用来饲养动物，还可以提取生物柴油和几丁质等生物活性物质[13-19]。

4.3　多功能微生物菌剂技术

微生物在规模养猪废弃物在厌氧发酵、好氧堆肥以及废水中氮的去除等过程中起着非常重要的作用。利用养猪废弃物生产的生物肥料产品有固氮菌剂、解磷菌剂、复合微生物肥料、复合微生物菌剂以及生物有机肥等几十种，在好氧堆肥和沼渣多样化应用等方面得到广泛推广，建立了复合微生物技术研发平台和生物有机肥生产控制参数并实现了工业化生产，如条垛式和地上浅槽发酵方式应用于原材料预处理、翻堆、干燥等方面。目前已从土壤中分离出多种脱氮除磷的优势菌种以及降纤维素、除臭、降油脂等优良菌种，同时探索出有利于优势菌种生长繁殖的发酵条件。在厌氧发酵阶段筛选出多种厌氧氨氧化菌、产甲烷菌等优势菌种增加了产气率。

4.4　生物炭技术

生物炭(Biochar)是缺氧条件下以落叶、秸秆和动物粪便等动植物残体为原料高温裂解形成的一类惰性有机碳，分解难度大、稳定性强，具有多孔洞、大的比表面积和阳离子交换量。猪粪和沼渣除了上述几种用途外还可以用作生物炭的原料进行规模养猪废弃物的多样化利用。生物炭的应用前景相当广泛，可以用来处理规模养猪废水解决养猪C/N不足的问题，同时生物炭的孔洞结构可以有效地吸附水分和养分，直接影响土壤的结构、孔隙度和通透性，减少养分流失，使营养物质和有益微生物聚集，提高植物对土壤水分和养分的利用率[20]。此外，生物炭可以改良土壤结构，引起土壤酶活性变化的水解酶主要有B-甲苷酶、尿酶、磷酸酶、芳香硫酸酯酶，这些酶会分别参与到土壤C、N、P、S的生物地球化学循环中，同时改变土壤碳循环的路径，增加土壤含碳量，吸收温室气体等。

5　小　结

规模养猪废弃物资源化围绕废弃物肥料化、能源化、饲料化及多样化的方向，利用当地技术优势和实际需求选择适当的方式进行资源化，其中厌氧发酵产沼气将养猪废弃物能源化及生物好氧堆肥生产有机肥将养猪废弃物肥料化是当前主要防治污染和资源化利用的主要技术。优势植物转化技术、蚯蚓和黑水虻养殖技术、优势多功能菌种技术以及生物炭技术等利用先进的植物、动物和微生物等技术手段处理规模化养猪废弃物，在保护规模养猪场环境的同时追求养猪废弃物处理的最大资源化。

参考文献:

[1]张秋媛，赵卓．降低农户养猪废弃物对环境污染的对策[J]．吉林畜牧兽医，2008，29(12)：13-15．

[2]魏源送，郑嘉熹，陈梅雪，等．江西生猪养殖与污染现状及对策[J]．江西科学，2015，33(6)：938-943．

[3]陈德朝．猪-沼-香蕉生态养殖模式处理规模猪场污染物的应用效果[J]．福建畜牧兽医，2010，32(5)：40-41．

[4]李书田，刘荣乐，陕红．我国主要畜禽粪便养分含量及变化分析[J]．农业环境科学学报，2009，28(1)：179-184．

[5]廖青，韦广泼，江泽普，等．畜禽粪便资源化利用研究进展[J]．农业科学与技术(英文版)，2014，44(1)：105-110．

[6]朱凤连，马友华，周静，等．我国畜禽粪便污染和利用现状分析[J]．安徽农学通报，2008，14(13)：48-50, 12．

[7]邹优敬．蝇蛆、蚯蚓养殖场参观记[J]．广西畜牧兽医，2001，17(3)：35-37．

[8]SUN GUANGZHI, ZHAO YAQIAN, ALLEN S. Enhanced removal of organic matter and ammoniacal-nitrogen in a column experiment of tidal flow constructed wetland system[J]. Journal of Biotechnology, 2005, 115(2): 189-197.

[9]SEO D C, CHO J S, LEE H J, et al. Phosphorous retention capacity of filter media for estimating the longevity of constructed wetland[J]. Water Research, 2005, 39(11): 2 445-2 447.

[10]敖子强，桂双林，付嘉琦，等．“畜地平衡”模式在规模养猪废水处理中的应用研究进展[J]．中国畜牧杂志，2016，52(4)：55-58, 72．

[11]敖子强，张杰，桂双林，等.能源植物在规模养猪废水处理中应用的研究进展[J]．黑龙江畜牧兽医,2017(3)：49-52.

[12]卢辉，邵承斌，敖黎鑫．畜禽粪便处理技术的研究动态[J]．重庆工商大学学报(自然科学版)，2008，25(6)：624-627．

[13]刘韶娜，赵智勇．黑水虻对畜禽废弃物治理的研究进展[J]．养猪，2016，145(2)：81-82, 83．

[14]喻国辉，陈燕红，喻子牛，等．黑水虻幼虫和预蛹的饲料价值研究进展[J]．昆虫知识，2009，46(1)：41-45．

[15]安新城，李军，吕欣．黑水虻处理养殖废物的研究现状[J]．环境科学与技术，2010，33(3)：113-116．

[16]LALANDER C, DIENER S, MAGRI M E, et al. Faecal sludge management with the larvae of the black soldier fly (Hermetia illucens)--from a hygiene aspect[J]. The Science of the Total Environment,2013,458:312-318.

[17]ZHENG LONGYU, LI QING, ZHANG JIBIN, et al. Double the biodiesel yield: Rearing black soldier fly larvae, Hermetia illucens, on solid residual fraction of restaurant waste after grease extraction for biodiesel production[J]. Renewable Energy, 2012, 41 (41): 75-79.

[18]夏嫱，朱伟，廖业，等．Cu2+在黑水虻体内迁移及对其发育影响[J]．遵义医学院学报，2014，37(3)：300-303．

[19]陈杰，邝哲师，肖明，等．畜禽粪便处理的优质昆虫黑水虻[J]．安徽农业科学，2014，42(24)：8 180-8 182．

[20]张鹏，武健羽，李力，等．猪粪制备的生物炭对西维因的吸附与催化水解作用[J]．农业环境科学学报，2012，31(2)：416-421．