北京市規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場糞便和污水監(jiān)測及承載力估算

石 奧,張建淼,王重慶,郭海濤,張 聞(北京市畜牧業(yè)環(huán)境監(jiān)測站，北京 102200)

近年來，由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，畜禽養(yǎng)殖規(guī)模受到一定的控制，但仍然保持著很大的存欄基數(shù)，據(jù)統(tǒng)計，2015年北京市共有規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場2000余家，存欄豬165.6萬頭、禽212.84萬只、奶牛12.42萬頭、肉牛5.1萬頭。畜禽養(yǎng)殖中產(chǎn)生大量的畜禽糞便和污水對周圍的水源、土壤、空氣可造成嚴重的環(huán)境污染問題，對畜禽養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量安全構(gòu)成威脅。隨著人們生活水平的改善和生活品質(zhì)的提高，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展已成為人們普遍關(guān)注的問題。為此，2016年對北京市36家規(guī)?；笄輬龅男笄菁S便和污水狀況進行監(jiān)測，根據(jù)GB 18596-2001 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準[1]、NY/T 388-1999 畜禽場環(huán)境質(zhì)量標準[2]、GB/T 25246-2010 畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范[3]的要求，運用單因子污染指數(shù)法、等標污染負荷法等對畜禽糞便和污水進行監(jiān)測與評價，并采用氮/磷平衡的理論對北京畜禽污染物的承載能力進行估算，以期為畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境預(yù)警相關(guān)政策的制定提供基礎(chǔ)科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點

監(jiān)測點分布于通州、房山、大興、延慶、昌平、密云、懷柔、順義、平谷9個區(qū)(縣)，每個區(qū)(縣)4家；其中雞場13家、牛場10家、豬場13家。畜禽場污水糞便處理方式見表1。

1.2 監(jiān)測指標

畜禽污水監(jiān)測指標：化學(xué)需氧量(CODcr)、生化需氧量(BOD5)、氨氮、總磷、懸浮物(Ss)、糞大腸菌群(Fc)、蛔蟲卵；畜禽糞便監(jiān)測指標：含水率、總氮、總磷、有機質(zhì)、銅、鋅、砷、蛔蟲卵、糞大腸菌群。

1.3 樣品采集

畜禽污水的采集和保存參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[4]所示方法，畜禽糞便的采集和保存參照GB/T 25169-2010 畜禽糞便監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[5]所示方法，樣品采集位置見表1。樣品采集時間為2016年10月。

1.4 檢測方法

畜禽污水監(jiān)測指標參照GB 18596-2001 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準要求檢測，畜禽糞便監(jiān)測指標中含水率、蛔蟲卵、糞大腸菌群參照GB 7959-2012 糞便無害化衛(wèi)生[6]要求；總磷、總氮、有機質(zhì)參照NY 525-2012 有機肥料[7]；銅、鋅參照GB/T 17138-1997 土壤質(zhì)量 銅、鋅的測定 火焰原子吸收分光光度法[8]；砷參照GB/T 22105.2-2008 土壤質(zhì)量 總汞、總砷、總鉛的測定 原子熒光法 第2部分：土壤中總砷的測定[9]。

表1 畜禽場污水糞便處理方式和樣品采集位置Table 1 The wastewater and animal manure treatment mode in livestock and sample collection location

1.5 評價方法

1.5.1 單項污染指標評價

Pi=Ci/Si*

(1)

式中：Pi為環(huán)境中污染物的單項污染指標；Ci為環(huán)境中污染物 的實測值；Si為污染物 的評價標準；Pi≤1，未超標，判定為合格；Pi>1，超標。*表示當實測值應(yīng)小于評價標準時，采用公式(1)計算。當實測值大于評價標準時，采用公式Pi=Si/Ci計算。實測值為未檢出時，以檢出限的1/2計。

1.5.2 等標污染負荷和等標污染負荷比

(2)

(3)

式中：Pi表示第i種污染物的等標污染負荷；Ci為第i種污染物的排放濃度；Coi為第i種污染物的評價標準；Qi為第i種污染物的排放流量；Ki為第i種污染物的等標污染負荷比。

1.5.3 豬糞當量系數(shù)和豬糞當量

(4)

(5)

Mi=X(Y)×Qi

(6)

式中：X為各畜種糞便以N或P計豬糞當量系數(shù)；Di為各畜種糞便中N或P含量，mg/kg；D為豬糞中N或P含量，mg/kg；Y為各畜種污水以N或P計豬糞當量系數(shù)；Ei為各畜種污水中N或P含量，mg/kg；式中：Mi為各畜種污水或糞便以N或P計豬糞當量，104t；Qi為各畜種污水或糞便年排放量，104t。

1.5.4 可施肥用地氮(磷)承載量

SN/P=I×A×B×50%×10-2/K

(7)

式中：SN/P為可施肥用地N(P)承載量，10 kt；I為每100 kg作物營養(yǎng)元素N(P)的需要量，kg；A為作物產(chǎn)量，t/hm；B為可施肥土地面積，104hm2；K為N(P)利用率，N以0.35計[10]，P以0.10計[11]；50%為假定作物N(P)50%來自畜禽糞便糞污；10-2為換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 畜禽糞便指標值

本次試驗采集的畜禽糞便沒有經(jīng)過無害化處理或簡單無害化處理(人工或機械翻拋)，只做簡易堆放，未經(jīng)處理而自用或出售。具體監(jiān)測指標值見表2。由表2知，所檢畜禽糞便中含有大量的糞大腸菌，畜禽糞便的糞大腸菌群值均超標，超過限值的103～106倍，糞大腸菌中可能含有一些腸道致病菌(沙門氏菌、志賀氏菌等)，未經(jīng)無害化處理排放到環(huán)境中，會造成環(huán)境污染，最終通過食物鏈對人畜健康帶來潛在的危險。畜禽糞便中極少有蛔蟲卵檢出，蛔蟲卵死亡率都≥95%，不存在蛔蟲卵污染的風(fēng)險。這是因為在規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場，一般以籠養(yǎng)或圈養(yǎng)為主而非散養(yǎng)，畜禽很少能接觸到昆蟲，很少吃到帶有蟲卵的昆蟲，因此體內(nèi)很少會出現(xiàn)蛔蟲，糞便里幾乎不攜帶蛔蟲卵。因此，在畜禽糞便的無害化處理中，糞大腸菌是主要的監(jiān)測指標。

畜禽飼養(yǎng)過程中常會在飼料中添加微量重金屬[12]，如銅、鋅、砷等，適量的微量重金屬能夠補充動物營養(yǎng)需求的不足，有效改善動物的生產(chǎn)性能和胴體品質(zhì)，但現(xiàn)在常存在過量添加的現(xiàn)象，而飼料中所添加的重金屬只有極小部分被吸收，大部分隨畜禽糞便排出，進入環(huán)境造成污染。本次檢測中發(fā)現(xiàn)在豬糞中銅、鋅相對與雞糞、牛糞的高，豬糞中銅含量是雞糞、牛糞的6倍，鋅是2～4倍，其中有九份豬糞銅、鋅都超標，另有兩份豬糞銅超標，六份雞糞鋅超標，總體而言，畜禽糞便中豬糞的重金屬污染問題最嚴重，銅鋅超標率超過70%，雞糞次之，鋅超標率46%，牛糞的重金屬污染的問題不明顯。

糞便含水率對于畜禽糞便堆肥有重要影響，過高或過低都不利于堆肥處理。參照NY388-1999《畜禽場環(huán)境質(zhì)量標準》的要求，豬糞、雞糞、牛糞的含水率應(yīng)分別控制在70%～80%、65%～75%、65%～75%，由表1可知，豬糞、雞糞、牛糞中分別有6份、8份、7份不符合要求，除了1份雞糞和1份牛糞含水率偏低，其他含水率都是偏高。新鮮畜禽糞便的含水率較高，在堆放過程中應(yīng)經(jīng)常翻拋，有效降低糞便的含水率，以利于堆肥處理，但堆放時間不宜過長，使得含水率降低過多，會加大處理的難度。

表2 北京36家畜禽場糞便和污水的監(jiān)測情況[1-3,6]Table 2 Monitoring of manure and wastewater in 36 Beijing livestock farms

2.2 畜禽養(yǎng)殖污水指標值

研究結(jié)果表明，畜禽養(yǎng)殖污水主要來源于畜禽尿液、圈舍沖洗水等，由于雞舍沖洗頻率較低，本次監(jiān)測未采集到雞場的污水，污水主要來自豬場和牛場。

干清糞在畜禽場得到普及，但在沖洗圈舍時，畜禽糞尿容易淋溶進入水體，造成水體渾濁，發(fā)黃、惡臭難聞[13]，富含大量的含碳、氮、磷的有機物質(zhì)，在微生物作用下，消耗大量的溶解氧，使水體失去自凈能力；當水中溶解氧消耗完，水體中的有機物會在微生物的作用下進一步發(fā)生厭氧反應(yīng)，產(chǎn)生多種惡臭物質(zhì)，使水體發(fā)黑，水質(zhì)進一步惡化。因此，將畜禽污水排入周邊水源以及淋瀝進入地下水，會使水體中溶解氧急劇下降，水生生物過度繁殖，造成水體的富營養(yǎng)化。由表2可知，CODcr、BOD5指標說明水體中有機物污染的狀況。豬場污水中的CODcr、BOD5值多數(shù)超標，超標率高出牛場的20%，均值比牛場的高出近一倍。氨氮、總磷指標說明的是水體中含氮、磷有機物污染的狀況。豬場污水中氨氮、總磷值高于牛場污水，其中牛場污水中氨氮未有超標場家?？傮w而言，豬場污水有機污染程度高于牛場污水。

懸浮物是指懸浮在水中的固體物質(zhì)，包含不溶于水的無機物、有機物、微生物等，是衡量水污染程度的指標。懸浮物過高，不僅加大了污水處理的難度和成本，也易造成農(nóng)田土壤的板結(jié)，阻礙作物生長。本研究表明，豬場污水的懸浮物全部超標，均值超過限值近八倍，牛場污水的懸浮物只有兩家超標，均值未超過限值。豬場污水的懸浮物明顯高于牛場。畜禽污水中糞大腸菌群嚴重超標，而蛔蟲卵未檢出，情況類似于畜禽糞便相關(guān)指標。

2.3 畜禽污水污染負荷評價

在進行畜禽污水評價時，需綜合考慮畜禽種類、污染物危害程度、污水總量等因素，對不同畜禽種類的污水或不同類型的污染源的污染能力進行比較，通過等標處理[14]，確定主要的污水類型和污染物。由于畜禽污水未經(jīng)處理，所測糞大腸菌群值均嚴重超標，等效污染負荷占比過大，失去討論的意義；而蛔蟲卵均未檢出，不存在污染負荷，故兩項參數(shù)不計入污染負荷評價指標中。從表3可以看出，豬場污水的污染負荷比是牛場污水的5.1倍，是主要的畜禽污水種類。除去主要的畜禽污水污染指標糞大腸菌群，其他幾項污染指標污染強度有強到弱的順序是：懸浮物>BOD5>CODcr>氨氮。懸浮物的污染負荷比是0.377，也是較強的畜禽污水污染指標。在畜禽污水處理和排放中，需要重點關(guān)注糞大腸菌群和懸浮物。

表3 北京36家畜禽場畜禽污水污染負荷Table 3 Wastewater pollution load for 36 Beijing livestock farms

2.4 北京畜禽糞便和污水承載能力評估

畜禽糞便和污水中富含作物生長所需的N、P等養(yǎng)分，用于還田不僅可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，還能提高土壤肥力，但對于規(guī)?；笄輬鲂笄菁S便和污水大量集中的排放，如果缺乏足夠的耕地承載，造成農(nóng)牧脫節(jié)，耕地承載過量的養(yǎng)分，一方面過剩的養(yǎng)分經(jīng)淋瀝下滲進入周邊水源或地下水，可能造成水體的富營養(yǎng)化，產(chǎn)生環(huán)境污染；一方面造成農(nóng)作物體內(nèi)積存大量營養(yǎng)成分，導(dǎo)致作物農(nóng)藝性狀惡化[15]，例如，高氮施肥條件下(138 kg/hm2)，水稻積存大量的氮素，水稻的空秕率增加6%，千粒重下降7.5%[16]。因此，耕地對畜禽糞污的承載能力是有限度的，可用氮/磷平衡的方法進行評估。耕地氮/磷平衡是基于物質(zhì)平衡原理中“盈余=輸入-輸出”的物質(zhì)守恒原理[17]，通過對影響耕地氮/磷的各個輸入和輸出項進行量化核算，利用計算結(jié)果了解其盈余或缺損的情況，從而判斷耕地營養(yǎng)成分是多是少的狀態(tài)。本文假定北京地區(qū)可耕地的氮/磷處于平衡狀態(tài)，氮/磷的輸入50%來源于畜禽糞污，輸出為農(nóng)作物生長所需氮/磷總量，同時考慮氮/磷的利用效率和耕地面積，估算北京地區(qū)畜禽糞污承載能力。

各類畜禽糞便和污水的肥力區(qū)別很大，在還田施肥中反映出來的耕地承載量也有很大的差異性，因此，采用豬糞當量提高其施肥效果的可比性，常以養(yǎng)分N或P統(tǒng)計豬糞當量。表4為2015年北京地區(qū)畜禽糞便和污水的排放總量統(tǒng)計表，2016年北京地區(qū)各類畜禽糞便和污水豬糞當量M按1.5.3計算的結(jié)果見表5?？梢?，雖然污水排放量大于糞便，但其豬糞當量遠小于糞便的豬糞當量，在考察各類畜禽糞便和污水的耕地承載量時，糞便是需要主要關(guān)注的對象。各類畜禽糞便和污水合計產(chǎn)生豬糞當量273.2×104t(以N計)，188.6×104t(以P計)，合計排放養(yǎng)分N 3.03×104t，P 2.66×104t。

表4 2015年北京地區(qū)畜禽糞便和污水排放量Table 4 Manure and wastewater discharge in Beijing in 2015 104 t

參考GB/T 25246-2010 畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范，以小麥為例，北京地區(qū)畜禽糞污承載能力按1.5.4式計算的結(jié)果見表6。從表6可見，從總量上看，畜禽糞便排放養(yǎng)分只占當年土地承載量的70.5%(以N計)、53.0%(以P計)，因此，北京耕地能夠承載消納2016年畜禽場產(chǎn)生的畜禽糞便和污水，保有現(xiàn)有的畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模是可行的，但是，需要通過優(yōu)化氮、磷的管理，確定合理的消納畜禽糞污的農(nóng)田面積和適宜調(diào)整畜禽養(yǎng)殖密度，才能規(guī)范畜禽糞污的合理使用。

3 小 結(jié)

通過對北京市9個區(qū)(縣)36家規(guī)模化畜禽場的畜禽糞便和污水的監(jiān)測分析，畜禽糞便中含水率是堆肥時需要控制的指標，糞大腸菌群是畜禽糞便中主要的污染指標，是畜禽糞便治理中主要的監(jiān)控指標。污水方面，豬場污水受污染的程度明顯高于牛場污水，污水中主要的污染指標是糞大腸菌群，其他污染指標中懸浮物>BOD5>CODcr>氨氮。由于糞大腸菌群嚴重超標，在畜禽糞便和污水的處理中，一定要經(jīng)過無害化過程，減輕其對環(huán)境的危害。畜禽污水的有機污染嚴重，超標率高，而且由于懸浮物的存在，處理難度較大。通過氮/磷平衡的理論估算，北京耕地能夠承載當年產(chǎn)生的畜禽糞便和污水。

表5 2016年北京地區(qū)畜禽糞便和污水的豬糞當量系數(shù)X、Y和豬糞當量MTable 5 The pig manure equivalent M and equivalent coefficient of pig manure X, Y of Beijing manure and wastewater in Beijing in 2016

表6 2016年北京土地畜禽糞便和污水承載能力估算Table 6 Carrying capacity estimation of animal manure and wastewater in Beijing in 2016

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