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畜禽粪便无害化处理技术研究进展

生泰尔健康养禽技术平台2018-04-15 15:18:28

导 读  


我国畜禽养殖业规模化、集约化发展迅速,畜禽粪便产生量逐年增加,畜禽粪便无害化处理已成为影响养殖业发展的重要因素。本文对畜禽粪便处理不当的危害以及国内外畜禽粪便的无害化处理方法进行了综述,并提出我国未来畜禽粪便处理的可行的发展模式,为提高我国畜禽粪便处理效率,促进养殖业健康快速发展提供参考。


来源:《家畜生态学报》2017年第1期



   背  景


我国是传统的农业大国,养殖业正向规模化、集约化快速发展,同时产生了大量畜禽粪便。算,2009年我国畜禽养殖业粪便产生总量为32.64×108t鲜重。目前,畜禽粪便主要靠耕地消纳,但畜禽粪便施用太多会导致耕地负荷粪便过载,造成土壤污染和作物减产。欧盟农业政策规定,粪肥年施氮(N)量的限量标准为170 kg/hm2。朱兆良等提出我国耕地的粪便年施氮(N)量应控制在150~180 kg/hm2 。杨飞等研究表明,2009年我国平均单位耕地面积的畜禽粪便氮负荷达138.13 kg/hm2 ,而四川等六省都已达到202.98 kg/hm2 以上。可知我国畜禽粪便产量存在区域差异,部分地区产量过大。因此畜禽粪便若无法得到有效处理,会严重影响环境卫生及制约我国经济发展。



1 我国养殖现状

我国是人口大国,对肉、奶、蛋的需求量逐年上升,这也促进我国养殖业的发展。由散养逐渐转化为集约化养殖,养殖规模也越来越大。2005年至2014年,国家统计局网站公布的数据显示,我国养殖业肉奶蛋的产量逐年增加(图1),肉类产量增加25.5%,牛奶产量增加35.3%,禽蛋产量增加18.7%。畜禽粪便产量随之增加,1999年我国畜禽粪便产量为19×108t,2009年畜禽粪便产量为32.64×108t。据估算,2020年全国畜禽粪便的产生量将达到42.44×108t。畜禽粪便引发的环境问题日益严重。





2 禽粪便处理不当的危害

畜禽粪便的化学成分随饲养水平、饲料成分、动物消化水平不同而变异很大。李书田等分析了我国20个省(市)主要畜禽粪便的养分含量,其平均值见表1。




畜禽粪便富含氮(N)、磷(P)、钾(K)等养分。2002年,我国畜禽粪便中N、P、K 产生量相当于同年施用化肥中氮(2157.3×10t)、磷(712.2×104t)、钾(422.5×104 t)的70.9%、89.8%和25.1%。但畜禽粪便含大量病原菌、寄生虫及Zn、Cu 等重金属,未经处理或处理不当会对水体、空气、土壤造成污染。



2.1 对水体的污染


畜禽粪便含氮、磷及有机质,如果直接排放入水体中或施用后氮、磷流失,使水体富营养化。Edwards 等研究表明,粪便随雨水流失的流失物化学需氧量(COD)及悬浮固体(TSS)均比无机肥料高。粪便中的大量病菌、寄生虫及其虫卵会污染水源,引发传染病。养殖场排放的污水平均每毫升含有33万个大肠杆菌和69万个大肠球菌;每1000 ml 沉淀池污水中含有190多个蛔虫卵和100多个线虫卵。



2.2 对空气的污染


畜禽粪便能产生大量具有恶臭气味的气体,对空气产生严重污染,进而影响人类健康。这些恶臭气体种类繁多,目前已确定的约有168种。一般按化学性质分为4类,即含硫化合物、含氮化合物、挥发性脂肪酸及芳香族物质。恶臭气体会影响养殖场附近居民的身体健康。Avery 等研究发现臭气能抑制人的粘膜免疫功能,使唾液中的免疫球蛋白A的含量及其分泌效率都降低。



2.3 对土壤的污染


畜禽粪便是良好的有机肥料,被微生物分解后为土壤提供大量的腐殖质,改良土壤结构和肥力。但是粪便施用过多时,使土壤盐分增加,土壤结块,不利于作物生长。饲料中的抗生素可随粪便残留到土壤中。Xu 等研究表明,长期施用猪粪的土壤会残留抗生素和增加抗生素抗性,且施用时间越长残留量越大。研究表明,我国农田土壤中69%的Cu,51%的Zn 来自于畜禽粪便。畜禽粪便已成为土壤重金属污染的重要来源。



3 畜禽粪便的无害化处理技术


由于畜禽粪便处理不当会引发多种环境问题,对其进行无害化处理意义重大。我国畜禽粪便利用率不足50%,其中规模养殖业产生的畜禽粪便经无害化处理的不足10%。目前畜禽粪便无害化处理的方法主要包括饲料化、肥料化、能源化等。



3.1 饲料化


粪便含有一定的营养成分,可作为饲料资源。Manjeli 等在仔猪日粮中添加10%~20%的牛粪对仔猪无不良影响,随牛粪含量增加采食量下降。新鲜粪便中含有残留药物、病原菌、重金属等会影响动物健康。因此粪便需经过一定的处理后代替动物的部分日粮。Caswell 等将粪便在150℃下保持20min,有很好的灭菌效果。Messer 等用环氧乙烷处理鸡粪,同样取得很好的灭菌效果。程文定等用沸石生物处理剂处理畜禽粪便后,各项卫生指标均符合国家有关饲料卫生标准,有效降低饲料成本10.31% ~12.04%,饲料转化率提高3.73%~5.16%。畜禽粪便不但本身可直接作为饲料,而且可以饲养蛆虫作为饲料资源。用鸡粪饲养的蝇蛆粗蛋白高达61.4%,富含精氨酸、赖氨酸、蛋氨酸等必须氨基酸。


畜禽粪便可直接饲喂或经有效处理后饲喂动物。但粪便中的残留药物,重金属等可能引发安全问题。



3.2 肥料化


畜禽粪便是传统的有机肥料,可直接施用和堆肥。堆肥是粪便在微生物的作用下,使有机物矿质化、腐殖化和无害化而变成肥力更好的腐熟肥料的过程。在此过程中,蛋白质的氮、磷被分解成可被植物利用的有效态氮、磷,且产生腐殖质,增加土壤肥力。堆肥能杀灭畜禽粪便中的病原菌、杂草种子等,同时减小粪便体积和降低臭味,便于运输。堆肥过程复杂,受含水量、温度、碳氮比(C/N)、微生物等多种因素影响。



3.2.1 含水量


微生物活动需要适宜的水分维持,粪便含水量会直接影响堆肥过程物理及生物学变化。堆肥的适宜水分在50%~60%。水分高于60%时氧气活动被抑制,微生物活动转为厌氧活动。水分达到70%时,堆肥中温度下降快,微生物活性低,堆肥效果不佳。在堆肥期间,大量水分蒸发,需要适当添加水分湿润堆肥粪便,使水分处于微生物活动所需的最佳含量。



3.2.2 温度


堆肥是温度持续性变化的过程,温度先由常温逐渐升温至一个最高温度,再逐渐下降至常温。温度能显著影响微生物的代谢活动及酶的活性。过低的温度抑制微生物活动,延长堆肥腐熟的时间,而过高的堆温(>70℃)将对堆肥微生物产生有害影响。堆肥最佳温度一般保持在45℃~55℃,此时粪便中微生物活动旺盛,纤维素、脂肪、木质素等被快速分解。



3.2.3 碳氮比C/N


C/N是影响堆肥质量的重要因素。微生物活动需要适宜的C/N,粪便C/N较低而不利于微生物活动,如猪粪的C/N 只有11.3,并不能满足堆肥需要。所以需要额外添加锯末、木屑等调节C/N值。一般C/N在25~30较好。Gao等在鸡粪好养堆肥中添加锯末,结果显示C/N为28时55℃以上的高温期能持续3d,种子发芽指数达94%,C/N低的处理组效果不佳。黄国锋等在猪粪中添加木屑使C/N达到29时最好,比C/N为16时的堆肥早14d腐熟。但过高的C/N会使温度上升缓慢,降低堆肥的最高温度且使高温期缩短,影响堆肥品质。



3.2.4 微生物


仅由粪便土著微生物堆肥,周期长且养分损失大,堆肥效率低,而在堆肥过程中添加微生物制剂能促进堆肥腐熟,降低养分损失,提高粪便肥力。Liu 等将微生物接种至牛粪堆肥后,堆肥过程快于自然堆肥,堆肥的效果优于自然堆肥。Wang 等用能降解纤维素的青霉菌堆肥后,粪便腐殖质增加12%,纤维素分解增加57.5%。孙晓华等在猪粪发酵中添加纤维素分解菌黑曲霉,有利于快速分解有机物的有益菌种形成优势群落,显著提高发酵温度,加快腐熟。


肥料化是一种传统的使用畜禽粪便的方法。前我国的畜禽粪便主要是直接还田。由于集约化养殖的发展,局部地区产生了大量的畜禽粪便,超出周围耕地的负荷。多余的粪便堆肥后,经包装运输至粪便产生少的地区,可大大缓解畜禽粪便引发的环境问题。但粪便堆肥周期长,占用一定的土地资源。



3.3 能源化


能源化是将畜禽粪便通过一定的技术方法转化为可利用的能源,包括燃烧产热、厌氧发酵产气等。



3.3.1 燃烧产热


畜禽粪便具有很高的热值,可直接燃烧获取热能。长期以来在高寒缺能的牧区粪便是主要的燃料。牦牛粪是我国西藏牧区主要的生活能源,占能源总消费的80%以上。畜禽粪便碳化后无异味易储存,也可作为燃料使用。畜禽粪便碳化后进一步加工为活性炭后对重金属的吸附作用优于市售活性炭。



3.3.2 厌氧发酵产气


畜禽粪便厌氧发酵生产沼气的潜力巨大,2009年我国畜禽粪便沼气潜力约1200×103,规模化养殖畜禽粪沼气潜力约为472.1×103 。将畜禽粪便用于厌氧发酵沼气是一种有效的能源化方法。厌氧发酵一般分为四个阶段:水解阶段、产酸阶段、乙酸化脱氢阶段、产甲烷阶段。每一个阶段均由相应的微生物完成,所以能够直接或间接地影响微生物活动的因素都能影响厌氧发酵过程。如原料成分、温度、pH、微生物等。



1
 原料成分

原料成分影响微生物的生长,主要包括脂类、蛋白质及纤维素。脂类物质能为厌氧发酵提供大量的C和H而利于甲烷生成。Neves 等研究显示,厌氧发酵中一定量的油脂有利于产气,但高油脂含量时对产气有很强的抑制作用。油脂含量高时,产生大量挥发性脂肪酸(VFA)和长链脂肪酸。而高浓度挥发性脂肪酸会抑制甲烷产生,同时降低发酵的pH,不利于微生物活动而抑制甲烷产生。长链脂肪酸的积累对微生物有毒性作用。蛋白质可降解为氨。当氨积累至高水平时抑制厌氧发酵过程。纤维素主要影响原料的C/N比而影响微生物的生长活动。畜禽粪便中的C/N比较低,实际中需加入农作物秸秆等以调节C/N比。厌氧发酵的适宜C/N比为20~30。大量研究表明,仅用畜禽粪便制取甲烷的效果并不好,产气量低,可能是因为粪便本身C/N过低。加入高碳含量的原料共同发酵,如粗甘油、农作物秸秆等,均能显著增加甲烷产量。


2
 温度

根据发酵温度,厌氧发酵可分为高温厌氧发酵(50~60 ℃)、中温厌氧发酵(30~40℃)和低温厌氧发酵(<30℃)。高温厌氧发酵最适温度为50~55℃,中温厌氧发酵最适温度为32~38℃。一般高温与中温适合微生物活动而有利于甲烷产生。所以高温和中温条件研究较多,低温条件研究相对较少。低温厌氧发酵的一些相关研究也取得了一定的成功。


3
 pH

pH是厌氧发酵的关键影响因素,主要通过影响水解作用和产酸的微生物菌群。由于发酵底物的成分有所差异,所以厌氧发酵的最佳pH有一定的变化。厌氧发酵适宜pH为6.5~7.5。Zhai 等用鸡粪和牛粪混合发酵产生甲烷,最适初始pH 为7.5。Kim 等认为pH为6.5时厌氧发酵的水解与产酸达到最佳。Zhang 等用猪粪与玉米秸秆混合高温发酵,最大产气量的pH为6.81。厌氧发酵过程中,CO2和VFA的积累会降低pH从而抑制甲烷产生。


4
 微生物

为了提高厌氧发酵效率,增加产气量,会对发酵底物进行预处理,包括机械处理、热处理及化学处理,但运用合适的微生物制剂也可取得显著的效果。甲烷的产生需要大量C和H。在厌氧发酵中,加入促进C和H 释放的微生物会显著提高降解率和产气量。Baji 等在猪粪厌氧发酵中添加产氢细菌使沼气产量增加160%~170%以上。Wei 等在厌氧发酵中使用半纤维素分解菌时,甲烷产量增加了53%。甲烷的生产是由产甲烷的细菌完成,加入产甲烷的菌剂可加快甲烷生成。王渝昆等运用产甲烷复合菌剂,可显著增加甲烷和沼气产量,并缩短了启动时间。




畜禽粪便能源化是经济有效的处理方法。但若操作不当,会引发环境问题。粪便燃烧时产生大量有害气体和温室气体。厌氧发酵后产生大量沼渣沼液,沼渣可作为肥料直接还田,沼液需经处理才能排放。Gerardo 等将膜过滤技术和Gong 等用缺氧-好养膜生物反应器处理沼液均取得良好效果。我国沼气池以中小规模为主,容积小,消化率低,平均池容量283m3,远低于德国的1000m3另外,国外已报道用畜禽粪便生产糖类物质和酒精的初步研究。目前国内并无相关的研究报道。



   4 展 望


畜禽粪便会引发环境问题,同时也是巨大的资源宝库。对于畜禽粪便的处理,发达国家早已提出并采用了种养结合模式。其养殖规模小,分散分布,畜禽产生的粪便足以被附近的耕地容纳。因此避免了畜禽粪便污染环境的问题。种养结合模式实现了物质循环和生态平衡,是一种生态养殖模式。我国养殖业发展应以此为目标。要实现种养结合,首先养殖场需合理布局,不能过于集中,且规模适中。目前,我国养殖规模大、集约化程度高,使局部地区产生了大量粪便,附近却没有足够的耕地容纳。由这样的现状到种养结合,需要一定的过度时期。在过度时期中,我国畜禽粪便的处理,应加大堆肥和厌氧发酵产气的比重。堆肥后的粪便运输至粪便产生少的地区,避免耕地负荷粪便过载。粪便经厌氧发酵产气后,即得到清洁能源,而且沼渣沼液也可还田。


养殖行业利润小,粪便处理需政府加大资金支持和管理力度。同时应从全局出发,追溯污染源头,并提高饲养水平,减少粪便产量和降低粪便中有害成分的含量。积极研究新的处理技术,将粪便更加充分的利用。畜禽粪便处理得当,将促进我国养殖业健康快速发展和环境友好型社会的建设。