畜禽糞污能源化利用與存在問題

陳明波 汪玉璋

摘 要：近年來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；⒓s化快速發(fā)展，產(chǎn)生越來越多畜禽糞污，造成了不容忽視的環(huán)境問題。該文對畜禽糞污沼氣厭氧發(fā)酵處理技術(shù)及影響因素進行了綜述，分析了畜禽糞污對環(huán)境的危害和能源化利用存在的問題，提出了發(fā)展措施，以期為畜禽糞污處理提供參考。

關(guān)鍵詞：畜禽糞污；厭氧發(fā)酵；沼氣

中圖分類號 X713 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）22-0110-03

Abstract：The rapid development of large-scale and intensive livestock and poultry farming has brought serious environmental problems. The paper analyzes the environmental hazards of livestock and poultry manure，summarizes the anaerobic fermentation technology and influencing factors，analyzes the existing problems and puts forward the development measures，in order to provide reference for the use of this technology to treat livestock and poultry manure.

Key words：Livestock and poultry manure；Anaerobic fermentation；Biogas

近年來，在國家標準化規(guī)模養(yǎng)殖等扶持政策的推動下，我國畜牧業(yè)快速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模、數(shù)量持續(xù)增長，規(guī)?；?、集約化程度不斷提高，極大豐富了消費市場。與此同時畜禽糞污的產(chǎn)生量也在逐年增加，許多畜禽糞污未得到及時處理，造成了不容忽視的環(huán)境問題，不僅影響了畜牧業(yè)的健康發(fā)展，也危及到人民群眾的身體健康。如何快速有效地處理規(guī)模龐大的畜禽糞污，避免將資源變成污染源，已成為擺在各級政府面前的迫切課題。2016年12月，中央財經(jīng)領(lǐng)導小組第十四次會議提出，要加快推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，力爭在“十三五”時期基本解決大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場糞污處理和資源化問題。2017年中央一號文件提出，要大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式，加快畜禽糞便集中處理，推動規(guī)?；笮驼託饨】蛋l(fā)展。沼氣工程作為處理畜禽糞污的一種有效手段，集環(huán)保、能源、資源再利用于一體，是規(guī)模化養(yǎng)殖場處理畜禽糞污的一種有效方法[1-2]，近年來在工程實踐中取得了較好的效果。

1 我國畜禽糞污治理狀況

根據(jù)《中國畜牧業(yè)年鑒》提供的有關(guān)數(shù)據(jù)，2017年我國畜禽糞污排放總量約38億t，真正被還田消納利用的不足60%，有近14%的糞污排入水體和土壤，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染[3]。目前畜禽糞便處理的方法主要有飼料化利用、肥料化利用和能源化利用。飼料化利用主要是在畜禽日糧中添加一定比例經(jīng)處理的糞便作為畜禽的日糧。肥料化利用是畜禽糞便的一種傳統(tǒng)處理方法，可直接施用或做堆肥。堆肥是糞便在微生物的作用下，使有機物礦質(zhì)化、腐殖化和無害化而變成肥力更好的腐熟肥料的過程。在此過程中，蛋白質(zhì)的氮、磷被分解成可被植物利用的有效態(tài)氮、磷，且產(chǎn)生腐殖質(zhì)，增加土壤肥力，同時堆肥過程殺滅了畜禽糞便中的病原菌、雜草種子等，進一步提高了肥料品質(zhì)[4]。能源化利用是將畜禽糞便通過一定的技術(shù)方法轉(zhuǎn)化為可利用的能源，包括燃燒產(chǎn)熱、沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣等。沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣主要是利用厭氧細菌的分解作用，將有機物經(jīng)過厭氧消化作用轉(zhuǎn)化為沼氣和二氧化碳，發(fā)酵產(chǎn)物沼液沼渣可作為優(yōu)良的有機肥料用于農(nóng)田。

2 畜禽糞污對環(huán)境的危害

畜禽糞污由水、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、非蛋白含氮物質(zhì)、礦物質(zhì)、病原微生物、寄生蟲等組成，這些組成成分決定了其既是資源也是污染物。糞便作為資源可以帶來財富，作為污染物可污染水體、空氣、土壤，直接或間接危害食品質(zhì)量安全和人類健康[5]。畜禽糞污含有大量的氮、磷及有機質(zhì)，如不經(jīng)處理直接排放，可使水體中COD超標，氮磷等營養(yǎng)元素過量，最終導致水體富營養(yǎng)化，危及水生生物生存，破壞水生態(tài)環(huán)境[6]。畜禽糞便中的有機質(zhì)在堆放時可分解產(chǎn)生一些諸如甲烷、硫化氫、氨氣、甲硫醇等惡臭氣體，對空氣產(chǎn)生嚴重污染，進而影響人類健康。畜禽糞便是良好的有機肥料，被微生物分解后為土壤提供大量的腐殖質(zhì)，可有效改良土壤結(jié)構(gòu)和肥力。但是糞便施用過多也會導致土壤鹽分增加，土壤板結(jié)，不利于作物生長。飼料中的抗生素以及鋅、銅、鎘等重金屬可隨糞便殘留在土壤中，長期施用后可能造成土壤抗生素超標及重金屬污染。據(jù)《第一次全國污染源普查公報》，畜禽養(yǎng)殖污染源化學需氧量、總磷、總氮排放量分別占農(nóng)業(yè)源污染物排放總量的96%、56%和38%，畜禽糞污污染已經(jīng)成為我國流域性水體污染、土壤污染和空氣污染的主要來源。

3 畜禽糞污能源化利用技術(shù)

當前畜禽糞污能源化利用技術(shù)主要包括燃燒產(chǎn)熱和沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，由于燃燒產(chǎn)熱利用很少，目前畜禽糞污能源化利用主要是指沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣。沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)利用厭氧細菌的分解作用生產(chǎn)沼氣和有機肥，是一種有效處理農(nóng)業(yè)廢棄物的途徑。其關(guān)鍵技術(shù)是厭氧發(fā)酵，主要包括水解、酸化、乙酸化和產(chǎn)甲烷4個階段，發(fā)酵過程受原料成分、溫度、pH值等多種因素影響。

3.1 原料成分 微生物的生長繁殖需要一定數(shù)量的養(yǎng)分，原料成分主要包括脂類、蛋白質(zhì)及纖維素。脂類物質(zhì)能為厭氧發(fā)酵提供大量的碳和氫，利于甲烷生成，但含量不宜過高，否則抑制甲烷的生成[4]。蛋白質(zhì)等有機氮經(jīng)厭氧發(fā)酵后大部分轉(zhuǎn)化為氨，并以NH3和NH4+兩種形態(tài)存在，其中NH4+是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)也是新陳代謝的酶所必需的，但是當原料中蛋白質(zhì)含量過高時，氮含量過高會導致過多的游離氨生成，對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生氨抑制，不利于發(fā)酵過程進行[7]。纖維素主要是通過影響原料的碳氮比而影響微生物的生長活動。在碳氮比上，含碳量高的原料發(fā)酵慢，含氮量高的原料發(fā)酵快，應(yīng)合理搭配[8]。碳氮比過低，pH值過高，發(fā)生氨抑制，不利于甲烷菌的生存；碳氮比過高，pH值過低，會發(fā)生脂肪酸的積累，不利于甲烷的產(chǎn)生[9]。畜禽糞便如雞糞等是富氮原料，其碳氮比為2.5∶1[10]，碳氮比比較低，實際應(yīng)用中需加入農(nóng)作物秸稈等纖維素含量高的原料，以調(diào)節(jié)碳氮比，一般認為發(fā)酵原料的碳氮比以（20～30）∶1效果較好。

3.2 溫度 沼氣厭氧發(fā)酵與溫度密切相關(guān)，溫度主要影響微生物的生長速率和基質(zhì)的代謝速率，是影響沼氣日產(chǎn)氣量和沼氣厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率高低的重要因子。適宜溫度條件下微生物活力強、繁殖旺盛，發(fā)酵原料分解和甲烷生成的速度快，產(chǎn)氣多。根據(jù)微生物對溫度的適應(yīng)性，沼氣發(fā)酵區(qū)分為常溫發(fā)酵區(qū)10～26℃、中溫發(fā)酵區(qū)28～38℃、高溫發(fā)酵區(qū)46～60℃。秦文弟等研究認為不同發(fā)酵原料對厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率受溫度的影響較大。氣溫、發(fā)酵裝置內(nèi)溫度與日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率均呈正相關(guān)，產(chǎn)氣高峰期氣溫越高，日產(chǎn)氣量和日產(chǎn)氣率也越高[11]。

3.3 pH值 pH值是沼氣厭氧發(fā)酵的一個重要影響因素，會影響產(chǎn)氣效率、消化程度等處理效果。不同的微生物對pH值的耐受范圍不同，沼氣發(fā)酵適宜的pH值為6.5～7.5，pH值過高或過低均對發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，影響沼氣發(fā)酵。導致pH值變化的因素主要有發(fā)酵原料的pH值、發(fā)酵料液的濃度、甲烷菌的數(shù)量和發(fā)酵罐負荷等。畜禽養(yǎng)殖場沼氣發(fā)酵原料為畜禽糞污，一般情況下發(fā)酵過程中pH值有一個自然平衡過程，不需要進行調(diào)節(jié)。只有在原料配置不當或缺乏正常操作管理的情況下才會出現(xiàn)揮發(fā)性酸大量積累、pH值過低的現(xiàn)象，需要及時采取調(diào)節(jié)措施使之恢復正常發(fā)酵。工程實踐中常用的調(diào)節(jié)方法主要有停止進料、加濃度2%左右的石灰水澄清液、加草木灰和適量濃度5%左右的氨水等。

4 畜禽糞污能源化利用存在的問題

4.1 沼液、沼渣的安全使用問題 為加快豬的生長速度、提高飼料利用率和預防疾病，飼料生產(chǎn)廠家常在飼料中添加大量含有銅、鋅、鐵、砷等微量元素的添加劑，同時一些養(yǎng)殖場養(yǎng)殖過程中過量使用抗生素，導致以畜禽糞污作為發(fā)酵原料的沼氣工程排出的沼液沼渣中時常存在重金屬、抗生素超標問題[12-14]。沼液沼渣中重金屬、抗生素的存在勢必影響沼肥的質(zhì)量，農(nóng)田長期大量施用后，會導致土壤耕層中有害物質(zhì)累積，存在污染農(nóng)產(chǎn)品和生態(tài)環(huán)境的潛在風險。

4.2 種養(yǎng)失衡，沼液、沼渣無法就近還田利用 在國家政策的支持下，近年來規(guī)?；B(yǎng)殖取得了快速發(fā)展，而種植業(yè)的規(guī)模化程度并沒有同步提高，導致種植業(yè)規(guī)模與養(yǎng)殖規(guī)模不相適應(yīng)。許多養(yǎng)殖場附近沒有規(guī)模化的種植業(yè)農(nóng)場來消納產(chǎn)生的大量沼肥。分散經(jīng)營的農(nóng)戶意見不一，部分農(nóng)戶由于用肥習慣等原因不愿意施用沼肥，一部分農(nóng)戶愿意使用沼肥但由于用量較小、難以產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)導致施用成本較高，最終致使規(guī)模養(yǎng)殖場沼肥很難實現(xiàn)農(nóng)田完全消納。加之部分養(yǎng)殖場規(guī)劃不合理，周圍缺乏配套的農(nóng)田，更增加了沼肥還田的難度。

4.3 沼氣工程裝備、沼氣提純凈化等配套技術(shù)尚需完善 在過去很長一段時間內(nèi)，我國對沼氣工程的研究重點都圍繞在沼氣發(fā)酵技術(shù)上，忽略了對沼氣工程裝備技術(shù)的研究和開發(fā)。目前市場上的沼氣工程裝備自動化程度低，裝備沒有統(tǒng)一的規(guī)格，距離形成產(chǎn)業(yè)化還有較大差距[15]。另外目前我國沼氣的提純、凈化，沼液沼渣的深度處理、合理使用等技術(shù)還需進一步完善[16]。

5 發(fā)展措施

沼氣工程技術(shù)通過沼氣厭氧消化過程產(chǎn)生沼氣和有機肥，集環(huán)保、能源、資源再利用于一體，是規(guī)模化養(yǎng)殖場處理畜禽糞污的優(yōu)選方式之一。針對存在的問題，在整體思路上應(yīng)遵循因地制宜、農(nóng)牧結(jié)合、種養(yǎng)平衡的原則，堅持生態(tài)循環(huán)的理念，采用發(fā)達國家普遍采用種養(yǎng)結(jié)合的模式[17-18]，以種定養(yǎng)，科學布局和合理規(guī)劃養(yǎng)殖業(yè)，鼓勵通過土地流轉(zhuǎn)等方式擴大種植業(yè)規(guī)模，為沼肥大規(guī)模利用提供經(jīng)濟可行的種植業(yè)基礎(chǔ)。結(jié)合沼氣工程產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，在工程裝備方面進一步提高原料預處理、沼氣發(fā)酵、氣體凈化、產(chǎn)品利用等環(huán)節(jié)裝備設(shè)計標準化、成套化水平，進一步提高沼氣工程裝備自動化水平，降低運行成本。在“三沼”綜合利用方面進一步加強沼渣沼液中有害物質(zhì)監(jiān)測、去除等方面研究，制定沼渣沼液農(nóng)田施用規(guī)范。從畜禽養(yǎng)殖源頭控制攝入品，堅持科學飼養(yǎng)，控制抗生素使用，嚴控飼料中重金屬上限，降低畜禽糞污經(jīng)處理還田后對土壤污染的風險。

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（責編：徐世紅）