畜禽糞便資源及其利用

汪冬梅

(甘肅臨澤縣畜牧獸醫(yī)局，甘肅臨澤 734200)

1 我國畜禽糞便資源現(xiàn)狀

我國主要畜禽廢棄物的產(chǎn)生歸因于當(dāng)代畜牧業(yè)規(guī)?；酿B(yǎng)殖模式，豬、雞和牛是我國主要的畜禽，根據(jù)這些畜禽品種、體重、糞便排泄量等因素估算2007年的畜禽糞便能源發(fā)現(xiàn)，其糞便實(shí)物量為12.7億t，可開發(fā)量為8.84億t，其中豬、雞、牛糞分別為3. 39億t，0.80 億t，4.46億t，豬、雞和牛糞便的能量值分別為每千克12 545 KJ 、18 817 KJ和13 799 KJ，折算為年產(chǎn)能分別是3 934萬t、2 909萬t和4 139萬t(標(biāo)準(zhǔn)煤)，共計(jì) 1.0 983億t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。

2 養(yǎng)殖與畜禽糞便對環(huán)境的危害

畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)也對世界各國生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。無論是個(gè)體養(yǎng)殖，還是大中型規(guī)模養(yǎng)殖，產(chǎn)生的大量污水、糞便都難以用傳統(tǒng)的還田方式處理，如果處理不當(dāng)，則極易對環(huán)境、飲用水源和生態(tài)造成嚴(yán)重危害。畜禽糞便一般會造成以下幾類危害：(1)空氣污染。畜禽養(yǎng)殖場業(yè)排放的惡臭(包括有毒有害氣體，如氨、甲烷、含硫化合物等)、粉塵和微生物等各種污染物，不但危害人畜健康，還污染大氣環(huán)境[3]。(2)水體污染。養(yǎng)殖場產(chǎn)生的未經(jīng)處理的畜禽排泄物若浸入周邊地表徑流，會使得水體中的微生物數(shù)量增多、有機(jī)物和固體懸浮物含量增高，從而改變水體生化性質(zhì)，嚴(yán)重破壞生態(tài)平衡。(3)土壤污染。畜禽糞肥可以增加土壤養(yǎng)分、增強(qiáng)土壤微生物活性、降低污染土壤的重金屬物質(zhì)的毒性以及改善作物品質(zhì)等。當(dāng)未經(jīng)過無害化處理的動物糞便作為有機(jī)肥料直接施用于土壤，而土壤中這些物質(zhì)富集到一定數(shù)量，超過土壤自身的承載和自凈能力時(shí)，便會出現(xiàn)厭氧腐化和降解不完全等現(xiàn)象，使土壤性狀發(fā)生變化，造成土壤板結(jié)、土壤透水透氣性下降，損害土壤質(zhì)量，甚至使土地失去生產(chǎn)價(jià)值。另外，畜禽飼料及添加劑中往往添加一些能促進(jìn)動物生長的微量元素、抗生素等物質(zhì)，其在環(huán)境中可能會被生物緩慢修復(fù)、降解，但也會在土壤中積累，這些物質(zhì)被作物吸收后，最終富集于人體，威脅人類健康[4]。(4)傳播病菌。畜禽體內(nèi)的微生物通過消化道，以糞便為載體被排出體外，其中包括大量的病原菌和有害微生物。我國“人畜共患疾病”達(dá)120多種，其傳播途徑主要是通過患病動物的排泄物、廢水等污染物。如大腸桿菌、禽流感病毒、蛔蟲卵和球蟲卵等會從患病或帶病的家畜會隨糞便排出，如果糞便未經(jīng)處理而使用，將會成為危險(xiǎn)的傳染源，造成疫病傳播，不僅影響畜禽健康，有些病原體還會危害人類的健康。

3 畜禽糞便資源化利用方式

3.1 堆肥化

堆肥法是畜禽固體廢棄物肥料化及無害化方式中最常用的方法，其原理是利用堆肥化處理有機(jī)廢棄物。堆肥化是一種可控制的生物降解和轉(zhuǎn)化的過程，其關(guān)鍵步驟是分解難利用的木質(zhì)纖維素等物質(zhì)，木質(zhì)纖維素等物質(zhì)的分解速率是堆肥化進(jìn)程的重要決定因素[5]。近年來，對于堆肥接菌劑應(yīng)用的認(rèn)識意見不一，一些研究者們嘗試運(yùn)用接種微生物的方法提高堆肥效率與品質(zhì)[6]。這種方法可以豐富堆肥物料中微生物群體的種類、擴(kuò)大微生物群體的數(shù)量，使堆肥達(dá)到高溫的時(shí)間縮短、堆肥高溫持續(xù)時(shí)間加長，微生物的分解活性增強(qiáng)、木質(zhì)纖維素等有機(jī)物的分解速率加快，同時(shí)促進(jìn)堆肥材料的腐熟、縮短堆肥進(jìn)程，從而增強(qiáng)堆肥化的效率，提高堆肥質(zhì)量[7]。也有學(xué)者認(rèn)為接種微生物的方法不能有效的加速堆肥進(jìn)程或提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，因?yàn)槎逊试媳旧砗懈鞣N各樣數(shù)量龐大且繁殖速度較快的微生物，這些微生物在適宜的條件下會在很短時(shí)間內(nèi)快速繁殖，堆肥原料中的這些自身因素直接影響堆肥效率及堆肥產(chǎn)品質(zhì)量。另外，接種的微生物多在實(shí)驗(yàn)室條件下培養(yǎng)得到，除了存在對環(huán)境適應(yīng)性的問題，還存在與土著微生物競爭的問題。

堆肥化是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，堆肥過程中微生物群體影響著環(huán)境的變化，如溫度、pH等，但堆肥中可利用的有機(jī)物質(zhì)及其環(huán)境條件，又決定了堆肥化過程中微生物群體的數(shù)量和種類，可以說每個(gè)階段的優(yōu)勢微生物種群，都是和該階段的特定有機(jī)物質(zhì)及溫度條件相對應(yīng)的。接種的外源微生物菌劑也可能與堆肥土著微生物之間存在競爭，致使二者均不能充分地發(fā)揮其作用。因此，微生物接種劑能否與土著微生物競爭而且繁殖，從而占優(yōu)勢是其發(fā)揮作用的關(guān)鍵。有些微生物雖然在單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)具有很強(qiáng)的分解活性，但在實(shí)際應(yīng)用中，易被土著菌抑制，發(fā)揮不到期望的作用，甚至是完全失效的。有機(jī)廢棄物分解腐熟過程是極其復(fù)雜的微生物代謝過程，要使微生物菌劑發(fā)揮作用，需要?jiǎng)?chuàng)建特定分解微生物種群，并具有穩(wěn)定的功能及特性，尤其要使添加的微生物菌劑在初期占據(jù)優(yōu)勢顯得極為重要。實(shí)際生產(chǎn)中，微生物接菌劑功能的穩(wěn)定性、抵抗外來雜菌污染能力、對特定環(huán)境的適應(yīng)性及可利用營養(yǎng)物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)適用性等特性是評價(jià)其利用價(jià)值的重要指標(biāo)，其中微生物接菌劑功能的穩(wěn)定性又是其發(fā)揮作用的基礎(chǔ)。

3.2 沼氣工程

利用畜禽糞便制作沼氣是畜禽糞便無害化和資源化利用最為理想的處理方式，其原理是利用厭氧發(fā)酵技術(shù)產(chǎn)生沼氣[8-9]。因?yàn)樾笄菁S便中含有大量的能量，通過厭氧發(fā)酵技術(shù)可以將糞便中的能量轉(zhuǎn)化成可燃?xì)怏w，不僅有效保留畜禽糞便中的肥分，為人類生活提供清潔能源，還減輕了環(huán)境污染，具有良好的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[10]。沼氣是在厭氧微生物降解過程中產(chǎn)生的以甲烷為主的混合氣體，經(jīng)提純和凈化后甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)97%以上，被認(rèn)為是替代天然氣比較可行的生物能源之一[11]。沼氣發(fā)酵是一個(gè)微生物作用的過程，它是各種有機(jī)質(zhì)(包括農(nóng)作物秸桿、禽畜糞便等)在厭氧及其他適宜的條件下，通過多種生理不同的微生物類群聯(lián)合作用，完成這個(gè)復(fù)雜的過程，最終轉(zhuǎn)化成沼氣。棄資源資源化和無害化的一種有效方式，其社會環(huán)境效益體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)通過對畜禽糞便進(jìn)行厭氧消化，可減少畜禽糞便對土壤、水體和空氣的污染，減輕對社會和環(huán)境的壓力。(2)厭氧消化的沼渣和沼液中不僅保留了有機(jī)物分解生所產(chǎn)生的氮、磷等多種養(yǎng)分，還含有一定量的生長素、維生素、有機(jī)酸、氨基酸等多種活性物質(zhì)，另外沼氣發(fā)酵過程中還殺死了絕大多數(shù)的有害生物，因此沼渣沼液適宜用做農(nóng)用灌溉、生產(chǎn)有機(jī)肥等，是沼液和沼渣利用和消納的有效方式[12]。(3)沼氣熱利用或沼氣發(fā)電可替代常規(guī)電力，減少有害氣體的排放，有利于減輕空氣污染。沼氣發(fā)酵原料為沼氣發(fā)酵微生物的正常生命活動供給了所需的營養(yǎng)及能量，是產(chǎn)生沼氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)廢棄物如秸桿、雜草、樹葉等，豬、牛、羊、雞等畜禽糞便都可以作為沼氣發(fā)酵的原料，尤其是秸桿資源，是沼氣發(fā)酵的最主要的原料之一。但在沼氣生產(chǎn)過程中，以秸稈為主要原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，如不進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，存在厭氧消化時(shí)間長、消化率低，產(chǎn)氣量少等問題[13]。因此，秸稈預(yù)處理是提高秸稈利用率和產(chǎn)氣率的一種有效手段[14]，成為目前秸稈沼氣利用研究的重要內(nèi)容[15-16]。目前預(yù)處理秸稈的方法主要有物理法、化學(xué)法、生物法，這與工業(yè)生產(chǎn)中木質(zhì)纖維原料預(yù)處理的原理類似。物理預(yù)處理包括切碎、研磨等方法，通過減小秸稈粒徑，增大纖維材料與降解微生物接觸的表面積，加快分解速度，提高沼氣產(chǎn)量，同時(shí)也利于沼氣池出料?；瘜W(xué)預(yù)處理包括酸堿處理、熱處理等。生物預(yù)處理包括添加菌劑、堆漚等。隨著微生物技術(shù)的發(fā)展，沼氣原料的生物預(yù)處理受到越來越多的關(guān)注。

3.3 畜禽糞便的飼料化技術(shù)

畜禽糞便含有大量未消化的蛋白質(zhì)和粗脂肪，一定數(shù)量的碳水化合物、礦物質(zhì)元素和B族維生素，特別是粗蛋白質(zhì)含量較高。雞糞精加工后可飼喂豬、牛和羊等。但由于畜禽糞便作飼料存在能量低，礦物質(zhì)含量較高及營養(yǎng)不平衡等問題，另外畜禽養(yǎng)殖過程中使用的各種添加劑，使畜禽排泄物中含有一些潛在的有害物質(zhì)，如藥物(抗蟲藥、磺胺等)、抗生素、重金屬(銅、鋅、砷等)、大量病原微生物及激素等[17-19]，這些有害物質(zhì)大部分殘留在糞便中，糞便再作為飼料使用時(shí)，可能會出現(xiàn)某些成分超標(biāo)甚至中毒問題，還極易造成畜禽交叉感染或傳染病的爆發(fā)。因此，歐美、日本等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家基本上已不主張用糞便作飼料，東歐和獨(dú)聯(lián)體國家主張糞水分離，固體糞渣無害化處理后用作飼料，液體部分用于生產(chǎn)沼氣或灌溉農(nóng)田。

4 畜禽糞便除臭技術(shù)

畜禽糞便發(fā)出的臭氣已成為世界環(huán)境公害之一，對人畜健康和生態(tài)環(huán)境會造成嚴(yán)重危害。畜禽糞便產(chǎn)生的臭氣包括惡臭氣體的種類多樣其種類多樣成分復(fù)雜，從其組成上可以分為以下五類：(1)含硫化合物，如硫化氫、硫醚類、硫醇類等；(2)含氮化合物，如氨、胺類、酰胺、吲哚類等；(3)鹵素及其衍生物，如氯氣、鹵代烴等；(4)烴類，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；(5)含氧組成的化合物如低級醇、醛、酮、脂肪酸。這些臭氣使人身體不適，嚴(yán)重危害養(yǎng)殖工作人員及周邊居民的健康。惡臭氣體還會導(dǎo)致動物應(yīng)激，影響畜禽的生長速度和料肉比，降低畜禽的抗病力，而且排放到大氣中后加劇空氣污染和引起地球溫室效應(yīng)，已經(jīng)成為一種環(huán)境公害，引起了全社會的廣泛關(guān)注[20]。臭氣治理主要采用物理法、化學(xué)法、生物法等多種技術(shù)。目前，國內(nèi)外主要的除臭技術(shù)有吸附法、除臭劑法、熱氧化法、洗滌法、生物過濾法和氧離子基團(tuán)除臭法等[21]。物理、化學(xué)法主要包括氣洗法、吸附法、催化氧化法、催化轉(zhuǎn)化器法、化學(xué)氧化法、脈沖電磁裝置法、中和法、掩蔽法等。一般來說，物化學(xué)法運(yùn)用的設(shè)備繁多、工藝復(fù)雜，二次污染后處理過程復(fù)雜，耗能大。生物脫臭法是上個(gè)世紀(jì)50年代后期發(fā)展起來的除臭新方法，是利用微生物降解惡臭物質(zhì)，從而使之無臭化、無害化的一種處理技術(shù)，它與物理、化學(xué)方法比較具有一些優(yōu)勢：成本低廉、脫臭效率高、裝置簡單；惡臭物質(zhì)被生物降解后的產(chǎn)物二次污染的可能性??；微生物的生長溫度接近常溫，條件溫和，能耗低[22]。故這種技術(shù)受到環(huán)保人士的歡迎，已成為當(dāng)前環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[23]。