中国畜禽粪污资源化利用技术应用调研与发展分析

周海宾，丁京涛，孟海波，沈玉君，王 健，张 曦， 程红胜，宋立秋，徐鹏翔，张朋月，王鑫宇

（1.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京 100125； 2.农业农村部资源循环利用技术与模式综合性重点实验室，北京 100125）

0 引 言

近年来，各级政府部门加快推进畜禽粪污资源化利用工作。据统计，2019年末中国畜禽粪污综合利用率提高到75%，畜禽规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到93%。但由于小农户种植与规模化养殖脱节，畜禽养殖场粪污处理和利用不合理不规范，畜禽粪污仍然是农业面源污染的主要来源。第二次全国污染源普查结果表明，畜牧业化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、总氮（Total Nitrogen，TN）和总磷（Total Phosphorus，TP）排放强度较“一污普”分别降低了55.5%、67.2%和57.9%，但污染物排放占比仍然较高，畜禽养殖业COD、氨氮排放分别占农业源水污染物排放总量的93.76%、51.29%。亟需通过加强技术指导，提高畜禽粪污资源化利用技术水平，促进粪肥还田利用，提高畜禽养殖污染防治能力。

研究人员针对国外发达国家畜禽粪污资源化利用经验和国内畜禽粪污资源化利用现状进行了分析。隋斌等对丹麦畜禽粪肥利用体系进行了调研分析，发现丹麦养殖场主要推行贮存发酵处理技术和堆肥技术，并按照“和谐原则”实现了种养平衡和按需施肥，避免了畜禽养殖污染。吴娜伟等对美国畜禽养殖污染防治管理进行了分析，指出美国按照畜禽粪便综合养分管理计划要求，指导畜禽粪污处理和还田利用，主要采用堆肥和氧化塘等处理技术。宣梦等对“十二五”期间粪污处理利用主要模式进行了分析，发现生猪、奶牛、肉牛养殖粪便主要以贮存发酵后农用为主，占比均在75%以上，而蛋鸡、肉鸡养殖粪便生产有机肥的比例达到65%左右，污水主要以还田利用方式为主。朱志平等发现在固体粪便处理利用上，以简单堆沤肥后进行还田利用为主，占比达到一半以上；规模化猪场对固体粪便进行好氧堆肥处理生产商品有机肥的比例也只有5%左右；污水肥水还田和污水厌氧发酵生产沼气的比例显著提升。董红敏等针对不同规模的畜禽养殖业经营主体，提出了社会化服务+全量还田施用、就地就近全量还田、种养结合“全产业链自循环模式”等3种专业化种养结合模式，并提出了构建中国畜禽废弃物养分管理制度的政策建议。但目前，针对“十三五”以来中国畜禽粪污资源化利用技术应用情况的全面调研分析的报道较为鲜见，畜禽粪污处理利用设施建设运行情况的达标情况也尚不清楚。

综上，本研究依据31个省（区、市）和新疆生产建设兵团的畜牧大县规模养殖场调研数据，对畜禽粪污收集方式、粪污处理方式、粪肥还田利用情况等关键环节的主要技术路径应用比例、设施建设的达标情况等进行统计分析，摸清中国畜禽粪污资源化利用技术推广应用底数，为今后中国畜禽粪污资源化利用技术攻关和技术推广提供基础指导。

1 材料与方法

1.1 调研方案与数据采集

2018年4月至2020年8月期间，以中国31个省（区市）和新疆生产建设兵团的畜牧大县为调研对象，选择190个县（市、区），每个县随机抽取规模养殖场进行实地调研，共获得完整有效问卷2 589份，其中包括生猪养殖场1 549家，蛋鸡养殖场284家，奶牛养殖场230家，肉鸡养殖场183家，肉牛养殖场263家，羊场80家，各省（区市）调研的县数和养殖场数量见表1。本研究按照《“十四五”全国畜禽粪肥利用种养结合建设规划》中的分区方法，分别对东北区、黄淮海区、南方丘陵区、西南区、长江中下游平原及成都平原区、西北区和华南区等的畜禽粪污资源化利用技术应用和设施建设情况进行了分析。图1为调研总体结果，包括不同养殖畜种养殖场数量、不同粪污处理技术路径养殖场数量及占比、不同粪肥还田技术路径的养殖场数量及占比等。

图1 养殖场粪污产生及处理技术应用总体情况表 Fig.1 Overall framework of manure generation and utilization technology application of farms

表1 实地调研养殖场数量及畜种分布情况 Table 1 Distribution of farms of different species of livestock in the field research

1.2 研究方法

本研究采用实地调研和调查问卷相结合的形式进行数据采集。调查问卷主要内容包括规模养殖场基本情况、畜禽粪污收集方式、粪污处理技术和粪肥还田利用情况等，通过问询和实地测量等方式完成数据采集；粪便储存池、污水储存池的尺寸采用激光测距仪、卷尺等工具对进行实地测量；粪污处理和粪肥还田利用数据来源于养殖场生产台账。测算过程中采用的不同工艺处理时间、设施容积（面积）等标准值参照《农业农村部办公厅关于做好2018年畜禽粪污资源化利用情况跟踪监测工作的通知》（农办牧〔2018〕28号）、《畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范（试行）》（农办牧〔2018〕2号）、《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》（农办牧〔2018〕1号）等标准规范确定。

1.3 数据分析

本文作图均采用Origin 2018和Microsoft 365 Excel软件完成。

2 结果与分析

2.1 粪污收集处理方式

畜禽粪便的收集方式主要有干清粪（包括人工干清粪和机械干清粪）、水冲粪和水泡粪等类型。本研究对畜禽规模养殖场清粪方式进行了统计分析，规模养殖场以干清粪为主，占比89.40%，采用水冲粪和水泡粪工艺的分别占6.27%和2.70%（图2）。其中，生猪养殖场采用干清粪、水冲粪、水泡粪工艺的分别占85.18%、10.35%和4.47%，奶牛、肉牛、肉羊、肉鸡、蛋鸡养殖场基本采用干清粪工艺，该结果与朱志平等基于第二次污染源普查相关数据研究结果相近。研究表明，干清粪产生的污水量远低于水泡粪工艺，人工清粪方式的污水排放量是水冲粪和水泡粪工艺的0.3%～0.5%。水冲粪和水泡粪都存在耗水量大、污水产生量大、舍内有害气体含量高等问题。同时，水冲粪和水泡粪工艺产生的污水有机污染物浓度都比较高，COD一般在5 000～20 000 mg/L，污水处理难度大。另外，干清粪还有助于减少甲烷（Methane，CH）等温室气体的排放量。本研究对畜禽粪污产生形式进行分析，发现受畜种及粪污收集方式的影响（图1），有20.48%的养殖场仅产生固体粪便，主要包括部分采用干清粪（包括垫料养殖）的肉牛、肉羊养殖场以及部分家禽养殖场；73.19%的养殖场同时产生固体粪便和液体粪污，一般为采用机械固液分离或者自然分离后干清粪收集的养殖场；6.33%的养殖场仅产生液体粪污，主要为采用尿泡粪或水泡粪工艺后粪污全量收集处理的养殖场。粪污产生的类型和粪污产量对其处理技术路径选择具有较大影响。

图2 不同畜种养殖场清粪工艺占比 Fig.2 Percentage of different manure collecting methods in different livestock farms

1）固体粪便处理方式

畜禽养殖场固体粪便的常见处理方式有堆沤肥、生产商品有机肥、加工牛床垫料（奶牛养殖场）、加工栽培基质等。调研数据表明，中国畜禽规模养殖场固体粪便普遍采用堆（沤）肥处理（见图3a），占比达到89.44%，生产商品有机肥的占6.08%，生产垫料利用的占0.90%，生产栽培基质的占1.37%，部分未利用的仍有1.65%。从不同畜种来看，生猪养殖场中采用堆（沤）肥的占生猪养殖场总数的92.19%，采用堆（沤）肥的奶牛场、肉牛场、家禽场分别占相应畜种养殖场总数的73.66%、92.33%和86.71%。因此本研究重点对堆沤肥技术设施建设和运行情况进行了分析。

2）堆（沤）肥技术应用情况

堆（沤）肥工艺类型。堆（沤）肥工艺一般可以分为简易堆沤、条垛式发酵、槽式发酵和反应器堆肥等类型。调研结果表明，采用堆（沤）肥发酵工艺的养殖场中简易堆沤处理占比高达85.9%。从不同畜种来看，采用简易堆沤处理占比均较高，其中，生猪养殖场达到88.56%（见图3b），奶牛和肉牛养殖场分别达到84.1%和87.4%，肉羊养殖场最高，达到97.56%。实地调研发现，绝大部分简易堆沤发酵效率较低，且含水率较高的物料在堆置过程中会发生结壳现象，导致内部物料无法实现无害化和稳定化。另外，采用槽式发酵的养殖场占10.6%，家禽养殖采用槽式发酵的比例较高，肉鸡和蛋鸡养殖场采用槽式发酵的占22.64%和17.59%。而采用反应器堆肥的较少，占比3.53%。

图3 不同畜种固体粪便处理技术应用情况 Fig.3 Application of treatment methods of solid manure in different livestock farms

发酵时间。调研结果表明，生猪、奶牛、肉牛、肉羊、肉鸡、蛋鸡养殖场粪便平均堆沤时间分别为53.32、83.96、56.68、106.10、46.09和68.00 d（表2）。根据《畜禽粪便堆肥技术规范（NY/T3442-2019）》，条垛式、槽式、反应器堆肥堆体温度维持55 ℃以上时间不得少于15、7和5 d，为便于测算本研究堆沤肥周期要求均按30 d进行测算，超过该发酵时间的养殖场比例分别为74.72%、75.00%、84.62%、90.77%、71.59%和66.67%。李国学等发现堆沤过程灭活效果较差，堆沤45 d后发酵产物中残留大肠菌和粪大肠菌群数仍高出标准《粪便无害化卫生要求（GB7959-2012）》，需要采用翻堆、原料调节等方式加快堆沤肥无害化速度。从设施容积来看，全国80.35%规模养殖场堆沤肥设施容积符合规范要求（图4）。对不同地区的堆沤肥设施建设数据进行比较，发现东北地区堆沤肥设施容积不符合规范要求的高达36.40%，该地区在田间地头进行粪便堆沤较为普遍，易造成占用农田、地下水污染等问题。

图4 不同地区堆（沤）肥设施达标率 Fig.4 Percentage of composting facilities up to the standard in different regions

表2 不同畜种的堆肥（沤）发酵时间 Table 2 Fermentation time of composting of different livestock species

1）液体粪污处理技术选择

中国规模养殖场液体粪污处理主要采用厌氧发酵沼液还田、贮存发酵（包括多级贮存池等）、异位发酵床、达标排放等。调研数据表明（图5），在对液体粪污进行处理利用的养殖场中，采用厌氧发酵沼液还田、贮存发酵的占比分别为41.59%和39.09%，采用达标排放处理技术的占比2.04%，采用异位发酵床技术的养殖场占比1.86%，另有2.59%的养殖场液体粪污部分未处理利用。从不同畜种养殖场来看，生猪养殖场采用厌氧发酵沼液还田的占46.45%，粪污贮存发酵的占34.25%，达标排放处理的占2.08%，部分生猪养殖场采用了异位发酵床技术（占比2.39%）；奶牛养殖场中厌氧发酵沼液还田的占24.77%，采用了粪污贮存发酵的占比63.30%，采用达标排放处理技术的占比4.13%；肉鸡和蛋鸡液体粪污采用厌氧发酵沼液还田的分别占25.00%和30.56%，贮存发酵的达到51.4%左右。

图5 不同畜种养殖场液体粪污处理技术占比 Fig.5 Percentage of different liquid manure treatment methods in different livestock farms

2）厌氧发酵沼液还田技术

发酵工艺。厌氧发酵技术主要包括全混合厌氧反应器（Continuous Stirred-Tank Reactor，CSTR）、地埋式沼气、黑膜沼气、红膜沼气、流式厌氧污泥床（Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB）、升流式固体厌氧反应器（Upflow Solid Anaerobic Reactor，USR）等工艺，分别占比28.91%、21.88%、21.48%、5.08%、4.69%、13.28%，其他工艺共占4.69%。从不同畜种来看，（见图6），采用厌氧发酵技术的生猪养殖场液体粪污采用CSTR工艺的占26.51%，黑膜沼气和地埋式沼气分别占23.72%和21.86%，USR占13.02%；奶牛养殖场主要采用CSTR，占比达到50%，地埋式为20%，USR占10%，肉牛采用CSTR的占比也达到了50%，USR占25%。研究表明，CSTR工艺物料均一度高，发酵效率和产气率较高，处理较为充分，在大规模粪污处理中较适用；UASB适用于低浓度养殖污水处理，工艺较为稳定，常用于固液分离后的污水处理；地埋式沼气具有保温效果好、能耗低等特点；黑膜沼气池一般不设置搅拌装置，发酵产气率低，处理周期较长，但建设投入低、运行简单，在国内有较广泛的推广。

图6 不同畜种养殖场厌氧发酵工艺占比 Fig.6 Percentage of anaerobic fermentation progress in different livestock farms

设施容积。根据标准《沼气工程技术规范第1部分：工艺设计（NY/T 1220.1-2006）》，CSTR工艺常温发酵畜禽粪污水力停留时间为20～40 d。不同畜种平均厌氧发酵设施建设容积见表3，若按照粪污在厌氧发酵设施水力停留时间为30 d计算，则厌氧发酵池容符合规范的比例为59.71%，其中：生猪养殖场达到规范要求的占59.02%，奶牛养殖场占63.46%，肉牛养殖场占79.25%，蛋鸡和肉鸡养殖场分别为51.52%和33.33%。从不同区域来看（见图7），东北地区厌氧发酵设施符合规范要求的比例最高，为83.33%，黄淮海区、南方丘陵区、西南区分别为67.17%、67.08%和66.46%，长江中下游平原及成都平原区、西北区和华南区较低，分别为50.68%、49.39%和48.89%。

图7 不同区域厌氧发酵设施达标率 Fig.7 Percentage of anaerobic fermentation facilities up to the standard in different regions

表3 厌氧发酵设施平均容积 Table 3 Average volume of anaerobic fermentation facilities

3）粪水贮存还田利用

贮存时间。粪水贮存后还田利用是国外普遍采用的粪污处理利用路径。美国和欧洲等发达国家生猪养殖场粪污收集主要采用水泡粪工艺，粪污经漏缝地板进入粪沟中，待粪沟储满后打开闸门将粪污输送至舍外贮存池，贮存一定时间后还田利用。德国、丹麦等国家生猪、奶牛场主要采用深粪坑系统进行粪污全量贮存处理，贮存6～9个月后直接还田。前期研究表明，粪水贮存6个月以上才能实现病原菌的杀灭。但本次调研的粪污贮存时间结果表明（图8），规模养殖场粪水贮存时间不足10 d占比达到15.89%，90 d以上的仅占26.28%，高于6个月的养殖场仅占11.46%。而由于中国现行标准未对粪污贮存时间进行规定，各地执行的差距较大，不利于设施规范建设。一些地方在设施配套验收过程中对存放一周的也给予认可，甚至有设施即可。目前，国内针对粪水贮存处理技术的研究较欠缺。丁京涛等对粪水贮存过程无害化和稳定化过程进行了初步研究，但仍需进一步针对不同区域、不同季节粪水贮存过程进行深入研究，为粪水贮存技术的推广提供指导。

图8 粪水贮存时间及储存设施容积情况 Fig.8 Storage time and volumes of storage facilities for manure

贮存设施容积。根据《畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范》中推荐的粪污产生量进行测算，目前中国规模养殖场粪水贮存设施容积可达到无害化时间要求（参考国外常用时间要求，按6个月测算）的占31.30%，其中，生猪养殖场达到规范要求的占33.46%，奶牛养殖场为34.31%，肉牛养殖场为37.50%，蛋鸡养殖场为18.37%，肉鸡养殖场为6.00%。由于各地气候条件不同，粪水贮存无害化所需时间也存在差异。目前，中国对不同区域养殖场粪水贮存时间尚无明确规定，不利于该技术推广应用。从不同区域来看，粪污贮存设施达到无害化时间要求的养殖场比例华南区最高，为42.42%，其次为南方丘陵区，占40.82%，黄淮海区、西南区、长江中下游平原与成都平原区分别为32.55%、32.00%和29.73%，东北和西北区较低，分别为26.15%和24.82%。

表4 粪水贮存设施平均容积 Table 4 Average volumes of storage tank

4）异位发酵床

《畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范》规定，每头生猪存栏异位发酵床建设面积不小于0.2 m。据测算，调研的生猪养殖场异位发酵床的57家，平均面积为0.02～1.67 m，其中有12家养殖场异位发酵床平均面积小于0.2 m/头，占比达到21.4%。

2.2 粪肥还田利用

调研数据表明，部分养殖场粪肥用于多种作物，用于水果蔬菜等经济作物的养殖场占比最高，达到61.83%，其中用于水果的占36.58%，用于蔬菜种植的占比25.25%，其次为玉米、水稻、小麦等大田作物，占比49.90%，用于茶叶种植的占1.99%，用于林地种植的占17.69%，其他作物占0.6%。经济作物粪肥施用比例较高是由于经济作物种植效益较高，粪肥施用对作物品质提升效果普遍得到认可，同时也可能与“十三五”期间国家推进果菜茶有机肥替代化肥行动有较大关系。

本研究中，明确固体粪肥施用方式有564家养殖场，固体粪肥主要用于基肥，施肥量一般为1.5～75 t/hm，平均为48.3 t/hm，施肥季节与作物和区域有关，一般在春季播种前和秋季收获后。农业农村部印发的《果菜茶有机肥替代化肥技术指导意见》中对于农家肥施用量进行了推荐，苹果一般为30～60 m/hm，设施蔬菜为75～120 m/hm，本次调研结果与该意见相近。固体粪便施用方式主要有机械撒施和人工施肥两种，或两种均采用。调研数据表明，人工施肥仍然是主流，占比达到94.5%，主要采用运输车将粪肥运输至田间后进行人工撒施，机械撒施占比5.5%。国外厩肥撒施机械已经达到较高的技术水平，并向大型化设备发展，中国有机肥施肥机械的发展还相对比较落后，主要是以引进与仿制改进为主，适用于果园和设施菜地等的小型施肥机械仍然缺乏，劳动投入大和成本高，是限制有机肥施用的重要因素。

本研究中，明确液体粪肥施用方式的共有579家，液体粪肥主要用于基肥和追肥，施肥量一般为4.5～300 t/hm，平均值为130.5 t/hm，少部分养殖场达到750～900 t/hm，施肥季节与作物和区域有关，一般在春季播种前和秋季收获后。农业农村部印发的《果菜茶有机肥替代化肥技术指导意见》中对于沼液作为果树和蔬菜追肥的施用量分别进行了推荐，追肥量分别为果树每次300～450 m/hm、蔬菜每次45～60 m/hm，但是对于粪水贮存后的液体粪肥未做推荐。液体粪肥运输主要有罐车和管网两种形式，罐车运输为主要方式（见图1），占比76%，管网运输占比20%，在生猪和奶牛养殖场粪污输送采用管网运输的比例分别为5.33%和5.88%，粪肥施用主要有漫灌、喷灌、滴灌和注入式施肥等类型，占比分别为76.47%、14.62%、5.70%和3.21%。生猪和奶牛粪污施用中，喷灌占比分别为14.17%和26.98%，液体粪肥施用主要以追肥为主。

3 讨 论

3.1 粪污资源化利用技术选择

自2014年《畜禽规模养殖污染防治条例》发布，畜禽养殖污染纳入国家环境保护监管，畜禽养殖污染防治技术路径选择逐步由污染防治为重点转向资源化利用。2019年农业农村部和生态环境部印发了《关于促进畜禽粪污还田利用依法加强畜禽养殖污染治理的指导意见》（农牧发〔2019〕84号），明确了粪污资源化利用向推进粪肥还田利用转型。本研究数据表明，目前中国的规模养殖场普遍采用了粪便堆沤肥、粪水贮存、厌氧发酵等处理利用方式。但由于畜禽养殖区域、养殖规模、经济发展水平存在较大差异，畜禽粪污处理利用方式还比较粗放，技术选择还不合理。如养殖场建设沼气工程后不具备发电上网或生物天然气并入燃气管网的条件，经济效益不高，造成无法持续稳定运行，未起到粪污治理作用；有的养殖场采用污水处理达标排放的昂贵技术，养殖场难以承受，设施未正常运行。建议加强技术指导，引导养殖场因地制宜推广适宜技术装备及集成模式，指导超大型规模养殖场严格按照环境保护要求开展污染防治设施和运行，指导中小规模养殖场在推广简单实用技术基础上，进一步提升粪污无害化和臭气控制水平。

3.2 处理设施装备建设运行

随着畜禽粪污资源化利用的深入推进，大部分养殖场已经配套了粪污处理和利用设施，这些设施的防渗、防雨、防溢等功能基本具备，但部分设施与养殖规模不匹配，臭气污染问题仍然严重，粪污处理的产物如沼气等无法有效利用，造成资源浪费和环境污染。因此，粪污处理设施进一步升级改造空间仍然较大，特别是粪肥质量不高、臭气污染、沼气排空等问题尚未有效解决。同时，畜禽粪污处理设施运行管护存在不规范的问题，也影响了粪污处理利用效果。建议进一步加强对堆沤肥、贮存发酵、粪肥还田等技术和装备的研发，完善粪污处理和利用相关标准体系，指导各地研究制定适宜当地的地方标准，提升粪污处理和利用标准化水平。

3.3 粪肥还田利用情况

调研结果显示，还田利用已成为粪肥的主要出路。中国部分养殖场配套了与养殖规模相适应的消纳农田，一些养殖场建设了粪肥输送管网或田间储存池，配置了运输车、撒肥车等，还田利用逐步规范。但目前大部分养殖场消纳农田面积仍不匹配，粪肥（特别是粪水）还田量主要靠经验判断，普遍缺乏跟踪监测，更没有考虑作物养分需求、粪肥养分含量、农田土壤质地等因素精确计算还田量，存在施用过量造成环境污染的风险。Dong等对有机肥生产和施用成本进行了分析，玉米、蔬菜、苹果有机肥施用成本明显高于化肥。粪肥还田施用成本较高，粪肥施用的服务主体少、机械化施肥水平低等问题也限制了粪肥还田。另外，畜禽粪肥生产施用过程中，重金属累积和农用风险也需要关注。建议加强粪肥还田利用监测和指导，结合不同区域、不同作物、不同粪肥类型，明确施用量、施用时间、施用方式，加强粪肥还田机械研发和推广应用，重点推广经济作物小型固肥施肥机械和大田作物大型液肥施用机械，通过粪肥还田技术普及和机械装备应用，可进一步推动粪肥高效利用和种养结合发展。

4 结 论

本研究基于中国畜禽粪污资源化利用情况调研，从粪污收集方式、粪污处理技术和粪肥还田利用等环节，对畜禽粪污资源化利用技术路径及设施建设情况进行了深入分析。

1）中国畜禽规模养殖场清粪方式以干清粪为主，小部分生猪养殖场采用水泡粪或水冲粪工艺。

2）固体粪便普遍采用堆沤处理，堆（沤）肥设施符合规范的比例为80.35%，但存在发酵过程调控不规范的问题，影响了粪污处理效果。

3）液体粪污处理主要采用厌氧发酵处理和贮存处理技术，约40%的厌氧发酵池容不符合规范要求。采用贮存处理技术的，粪水贮存时间较短，仅有31.30%的养殖场设施的贮存时间可高于6个月，约21.4%的异位发酵床不符合面积要求。

4）粪肥还田利用以水果蔬菜等经济作物为主，大田作物占比仍然不高。固体粪肥和液体粪肥平均施用量分别为48.3和130.5 t/hm，整体水平偏高，可能存在不当施用的问题，机械施肥水平仍不高。

综上所述，推进畜禽粪污资源化利用，急需提升粪污处理设施建设和粪肥还田利用标准化水平，提高粪污处理和粪肥施用设施装备水平，应加强对施用粪肥的农田土壤进行跟踪评估，继续引导规模养殖场按照种养平衡的要求配套消纳土地，提高粪肥还田利用水平。

本次调研和数据获取得到农业农村部畜牧兽医局畜禽粪污资源化利用第三方评估项目支持，调研过程得到畜禽粪污资源化利用领域专家和各地畜牧主管部门的支持和协助，在此表示感谢！