豬場(chǎng)糞便如何高效處理

吳 丹 ，王 凱 ，李 穩(wěn) ，蔡更元

（1.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東 云浮 527400；2.國(guó)家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642；4.新興縣溫氏慧農(nóng)豬業(yè)科技有限公司，廣東 云浮 527400）

畜禽的糞便是生態(tài)環(huán)境中的重要污染源，但又是一類現(xiàn)今尚未充分利用的資源，如果使用得當(dāng)，可以替代大量的化肥，如以豬糞為主原料生產(chǎn)的有機(jī)肥，每t售價(jià)可達(dá)450元以上。但是需要對(duì)畜禽糞便進(jìn)行科學(xué)管理以最大程度地降低其氣味，減少養(yǎng)分流失和排放，否則它將成為嚴(yán)重挑戰(zhàn)公共衛(wèi)生的問題。另外畜牧業(yè)的集約化方式導(dǎo)致產(chǎn)生的大量糞肥超出了本地需要，并且生產(chǎn)集中在特定的地點(diǎn)，帶來了糞便儲(chǔ)存、清除的嚴(yán)重壓力。其次，動(dòng)物糞便中含有多種微生物，可能對(duì)人類和動(dòng)物造成危害。這些微生物會(huì)引起食物污染和流行病傳播，因此對(duì)公共健康構(gòu)成威脅。實(shí)際上，世界上幾種食源性疾病已與糞便污染直接或間接相關(guān)，因此，為了面對(duì)與動(dòng)物糞便處理相關(guān)的一些挑戰(zhàn)，提倡可持續(xù)的糞便管理實(shí)踐和策略是動(dòng)物生產(chǎn)策略中不可或缺的一部分。

1 糞便的危害

近年來，全世界范圍內(nèi)越來越多的豬場(chǎng)趨向于密集型養(yǎng)殖，在狹窄局限的環(huán)境下，豬的排泄物和殘留的飼料等積聚在舍內(nèi)，易導(dǎo)致舍內(nèi)空氣質(zhì)量下降，讓動(dòng)物和勞動(dòng)者暴露于含有大量揮發(fā)性氣味化合物和影響身體健康的多種生物氣溶膠中。

細(xì)菌是豬舍生物氣溶膠的主要成分之一。豬舍內(nèi)的氣溶膠細(xì)菌病原體可能導(dǎo)致勞動(dòng)者和豬感染疾病，例如肺炎、哮喘、鼻炎等，這些致病源包括有生命的與無生命的。另外，由于抗生素在豬場(chǎng)中的濫用，導(dǎo)致病原對(duì)抗生素的耐藥性不斷增強(qiáng)，而豬舍內(nèi)空氣定期排出到外部環(huán)境，可能會(huì)給公共衛(wèi)生帶來嚴(yán)重問題。研究顯示，密閉豬舍中空氣傳播的大多數(shù)細(xì)菌都來自豬糞和骯臟的墊料[1,2]。試驗(yàn)證實(shí)，不同糞便清除系統(tǒng)的菌絲、放線菌和變形桿菌的相對(duì)豐度顯著不同。三種糞便清理系統(tǒng)中（包括帶板條的深坑糞便系統(tǒng)、深墊床系統(tǒng)、糞便刮除系統(tǒng)），帶板條的深坑糞便系統(tǒng)的豬舍生物氣溶膠細(xì)菌豐度為峰值。

2 糞便的產(chǎn)量

糞便產(chǎn)量主要取決于與動(dòng)物有關(guān)的許多因素，如飼喂方式、生產(chǎn)階段、生產(chǎn)系統(tǒng)的類型等。曾有相關(guān)統(tǒng)計(jì)[3]，全球動(dòng)物每年生產(chǎn)的糞便總量約為1.2億t，以453.6 kg（1 000磅）的豬為1單元，1 d所能產(chǎn)生的總糞便量為28.6 kg（63.1磅）。不同豬群間糞便的日/年產(chǎn)生量差異顯著，公豬糞便日產(chǎn)生量顯著大于其他豬群，哺乳仔豬糞便日產(chǎn)生量顯著小于其他豬群。按照傳統(tǒng)的養(yǎng)殖方法，每頭豬日產(chǎn)2～3 kg的糞便，每年出欄1萬頭肉豬就會(huì)產(chǎn)生7 300～10 950 t糞便，每年會(huì)向大氣排放氨氣38.16 kg，二氧化硫34.8 kg。

3 糞便的用處

糞便的用處很大，其不同組成成分起著不同的作用，詳見表2。另外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同階段的豬，每頭和每年生產(chǎn)的糞便中發(fā)現(xiàn)的典型植物營(yíng)養(yǎng)素的平均重量存在較大差異，詳見表3。糞便中的營(yíng)養(yǎng)來自動(dòng)物食用的飼料，本質(zhì)上，動(dòng)物食用的大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)最終都來自肥料。肥料中的養(yǎng)分含量取決于肥料的類型及其處理方式，其養(yǎng)分是無機(jī)和有機(jī)形式的混合物，肥料中的許多無機(jī)養(yǎng)分與商業(yè)化肥相同，這些營(yíng)養(yǎng)素包括氨、氮、可溶性磷酸鹽和鉀鹽，它們?nèi)苡谒?，植物可以立即利用它們。肥料營(yíng)養(yǎng)的有機(jī)形式來自糞便中的植物組織，細(xì)胞和細(xì)菌的殘留，被稱為緩釋營(yíng)養(yǎng)素，因?yàn)橹参锸菬o法立即利用它們的。當(dāng)肥料在土壤中腐爛并釋放出養(yǎng)分后，這些緩慢釋放的養(yǎng)分就可以被植物利用。液體肥料和固體禽畜肥料含有大量易于溶解的無機(jī)營(yíng)養(yǎng)素，尤其是氮。其他固體肥料中的大多數(shù)氮是有機(jī)的，并呈緩慢釋放。土壤中的微生物分解了肥料中的有機(jī)物，這會(huì)將氮和其他養(yǎng)分釋放為迅速溶解的無機(jī)形式，肥料的種類和環(huán)境決定了氮的釋放速度。

表1 不同糞便清除系統(tǒng)的豬糞細(xì)菌分布情況

表2 糞便不同部分的作用

表3 每天和每年產(chǎn)生的牲畜糞便中發(fā)現(xiàn)的典型植物營(yíng)養(yǎng)素的平均重量

4 合理采用糞便管理系統(tǒng)

動(dòng)物糞便管理系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)廢物管理系統(tǒng)的重要組成部分。糞便管理很重要，因?yàn)樗梢源蟠鬁p少與糞便處理和利用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。高效的糞便管理系統(tǒng)是限制或防止糞便或其成分進(jìn)入大環(huán)境的重要保障?？茖W(xué)合理的糞便管理有助于健康、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。在不同的生產(chǎn)系統(tǒng)下飼養(yǎng)的動(dòng)物會(huì)影響所采用的糞便管理系統(tǒng)和策略。當(dāng)前已經(jīng)確定了糞便管理系統(tǒng)的幾種方法。每個(gè)糞便管理系統(tǒng)也都有其自身面臨的挑戰(zhàn)，尤其是在養(yǎng)分管理方面。氮、磷和鉀是影響動(dòng)物糞便的主要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谕寥乐械闹匾?。由于土地有限，并且缺乏營(yíng)養(yǎng)測(cè)試來確定肥料施用前的要求，通常施用肥料的土壤往往含有過量的氮和磷，因此必須全面管理與糞便管理系統(tǒng)相關(guān)的肥料生產(chǎn)、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)移和利用的基本功能，以最大程度地減少養(yǎng)分流失，防止出現(xiàn)污染和其他潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5 糞便處理的不同策略

動(dòng)物糞便可以根據(jù)其稠度或水分含量分為液體糞肥（固形物含量最高為5%）、漿料和半固態(tài)糞肥（固形物含量為5%至25%）和固態(tài)糞肥（固形物含量超過25%）。通過利用物理、生物或化學(xué)等方式可以達(dá)到減少糞便量、提高其適用性和提高肥料價(jià)值的目標(biāo)。處理形式包括脫水、固液分離、厭氧和好氧污水貯留池、營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化、制粒、堆肥、精制和沼氣池等。下面重點(diǎn)介紹幾種糞便處理方式。

5.1 厭氧消化

糞便的最常用處理技術(shù)是厭氧消化，糞便的厭氧消化是糞便產(chǎn)生能量的過程，該過程是在沒有氧氣的情況下，厭氧細(xì)菌將有機(jī)廢物中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷（CH4），將其用于發(fā)電。動(dòng)物糞便在儲(chǔ)存過程中會(huì)釋放出大量的N2O和CH4，可以通過冷卻，使用固體覆蓋物，從漿液中機(jī)械分離固體或捕獲排放的CH4來減少糞便中甲烷的排放量[4]。此外，厭氧消化過程會(huì)產(chǎn)生潛在有價(jià)值的副產(chǎn)物。

愛爾蘭國(guó)立大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)[5]，反應(yīng)器內(nèi)的青貯飼料與豬糞以1∶1的比例共同消化，可以在一定程度上提高甲烷產(chǎn)量。當(dāng)反應(yīng)器每日每立方米的有機(jī)負(fù)荷率高達(dá)3 kg揮發(fā)性固體，并且青貯飼料的揮發(fā)性固體比例為40%時(shí)，甲烷的產(chǎn)量是非常穩(wěn)定的，每日高達(dá)501 m3。在中試中，混合使用糞便+青貯飼料的揮發(fā)性固體去除率比單獨(dú)使用糞便從41.4%提高到53.9%，表明豬糞與青貯飼料混合消化比單獨(dú)消化的效果要顯著。

5.2 好氧消化

好氧消化也是糞便處理的常用技術(shù)之一，可用于處理液體肥料以減少氣味、化學(xué)需氧量（COD）和生化需氧量（BOD），以及控制病原體。好氧處理通常是分批或半連續(xù)（分批進(jìn)料）處理，在分批處理中，所有未處理的物料都從設(shè)備中移出，然后再重新填充未處理的漿料，而分批進(jìn)料則會(huì)將未處理的物料添加到消化器中，從而將某些處理過的物料置換掉。1 kg糞便大概含63.7 g粗蛋白，2.1 g總氮，0.9 g總磷，1.1 g總鉀，1.8 g鈣，0.7 g鎂，0.3 g硫，37.6 mg銅，137.2 mg鋅，6.0 g鐵，425.5 mg錳，9.2 mg硼，1.0 mg鉬等，經(jīng)過合適的處理，大量糞便轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料在經(jīng)濟(jì)上是可行的，并且對(duì)于環(huán)境也是有益的[6]。

豬場(chǎng)建議用3種方式管理糞便：牧場(chǎng)管理、堆肥和清除。其中對(duì)于將豬飼養(yǎng)在舍內(nèi)或混凝土地面上的農(nóng)場(chǎng)來說，堆肥是一種選擇，因?yàn)榧S便很容易被鏟起并轉(zhuǎn)移到堆肥區(qū)域。大型商業(yè)養(yǎng)豬場(chǎng)在大的污水貯存池儲(chǔ)存糞尿，利用細(xì)菌將糞尿分解為固體和液體，然后將其作為燃料或肥料出售。貯存池設(shè)置的地點(diǎn)需遠(yuǎn)離住宅及考慮當(dāng)?shù)氐匦魏蜌夂?。可以選擇露天堆肥，為了減少異味，需要將儲(chǔ)存罐圍起來，并在其上面放一個(gè)罩子，還可以在儲(chǔ)存罐周圍種植茂密的灌木，例如一些生長(zhǎng)快速的雜交澳大利亞柳樹，以幫助交換氣體并捕獲氣味。一般來說，1頭體重90.7 kg的豬每天可排泄5.9 kg的糞便，一年可排泄2 150 kg的糞便，豬場(chǎng)農(nóng)戶可選擇相關(guān)的堆肥機(jī)器和有機(jī)肥設(shè)備來生產(chǎn)糞便生物有機(jī)肥，經(jīng)過堆肥處理后，糞便作為土壤添加劑是非常安全的。

實(shí)際生產(chǎn)中，推薦使用一系列在豬糞便有機(jī)肥生產(chǎn)過程中起到關(guān)鍵作用的裝備，包括固液分離器、用于堆肥和發(fā)酵過程的堆肥轉(zhuǎn)換器、用于糞便顆?；幚磉^程的有機(jī)肥料制粒機(jī)、用于篩選過程的篩網(wǎng)、旋轉(zhuǎn)干燥機(jī)、冷卻器和自動(dòng)包裝機(jī)等。

影響高效堆肥的因素很多（見表4），其中主要受4個(gè)因素影響：通風(fēng)、營(yíng)養(yǎng)平衡、水分含量、溫度。如果合理控制這4個(gè)因素，堆肥會(huì)非?？焖俚赝瓿伞Ｆ渲型L(fēng)是非常關(guān)鍵的因素，堆肥過程中需要很多氧氣，而空氣來源可以利用風(fēng)機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行攪拌或混勻[7，8]。

堆肥的方法有很多，其中畜牧業(yè)中最具實(shí)用性的兩種方法是：1）翻動(dòng)的條垛系統(tǒng)和注入空氣的垛。一般情況下，可使用被定期攪動(dòng)或翻動(dòng)的窄長(zhǎng)垛。垛的大小取決于給它們充氣的設(shè)備以及材料組成。如果條垛系統(tǒng)橫斷面過大，當(dāng)它被翻動(dòng)時(shí)，垛的中心會(huì)產(chǎn)生厭氧和難聞的氣味。如果條垛系統(tǒng)橫斷面太小，可能會(huì)快速丟失熱量，并且垛自身無法達(dá)到蒸發(fā)濕度、滅菌和除掉雜草種子的高溫（見表5）。強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛，是通過一條或多條管道給垛提供空氣，保持穩(wěn)定的空氣供應(yīng)，這個(gè)過程保證堆肥在3～5個(gè)星期完成處理并產(chǎn)生的氣味最少，不過該系統(tǒng)容易堵塞供氣管道[9]。

條垛堆肥是勞動(dòng)密集型工作，幾乎每天都需要跟蹤處理；相反，充氣垛只需要在堆肥建造或移動(dòng)的時(shí)候進(jìn)行人工處理，占用較少的土地并且糞肥很容易堆到屋頂。

5.3 營(yíng)養(yǎng)策略

降低畜禽糞便的產(chǎn)量和糞便管理的潛在排放量，也可以采取營(yíng)養(yǎng)策略進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)給豬只飼喂低蛋白日糧與高蛋白日糧相比，前者糞便產(chǎn)量較低，氮素輸出強(qiáng)度降低；另有研究表明用各種類型的明礬給豬補(bǔ)充氨基酸、添加酶等，可進(jìn)一步減少豬的氮排泄。這也意味著有較低的肥料和養(yǎng)分輸出，并減少了糞便對(duì)環(huán)境的潛在影響[7]。

5.4 減少糞便臭氣的策略

盡管降低糞便產(chǎn)量是豬場(chǎng)糞污處理的重頭戲，但是豬場(chǎng)糞便的臭氣處理也需要密切關(guān)注。以下是關(guān)于豬場(chǎng)糞便臭氣處理的一些方法：1）相比到處散布糞便，注入型糞便可以減少50%～75%的氣味，成本大約是0.005 5元/L。2）日糧控制是相對(duì)較容易實(shí)現(xiàn)減少氣味的方式。研究發(fā)現(xiàn)，降低日糧中的粗蛋白水平和單體氨基酸可以減少20%的氣味。3）在室外種植一排較短的灌木/喬木。靠近建筑物種植一排較高的喬木，將有助于改善豬場(chǎng)氣味。實(shí)施過程中需要考慮耗費(fèi)的時(shí)間成本及樹木對(duì)自然通風(fēng)設(shè)施的影響[10]。4）覆蓋糞坑。無論是可透氣的（稻草、玉米秸稈、土工織物）或不可透氣的（高密度聚乙烯）的覆蓋物，覆蓋后有助于防止氣體逸出。透氣罩可減少40%～50%的氣味，成本 7.5～ 18.8元 /m2（10～ 25美分/平方英尺），不透水覆蓋物的成本更高，75.3～105.5元/m2（1～1.4美元/平方英尺），能減少70%～80%的氣味，但需要對(duì)覆蓋物上的積雪和雨水加以管理。5）漿料酸化是丹麥養(yǎng)豬生產(chǎn)中常用的一種方法，農(nóng)場(chǎng)主可以通過這種方法在很大程度上減少NH3和溫室氣體（GHG）的排放。據(jù)報(bào)道，當(dāng)酸化發(fā)生在室外糞肥儲(chǔ)存階段之前，減少量最大[11，12]。6）通過螺旋壓榨機(jī)機(jī)械分離漿料是另一種流行的處理方法。該工藝可返回液體和較少量的漿料固體成分，并通過在偏遠(yuǎn)的農(nóng)場(chǎng)中使用富含磷的固體成分來提高養(yǎng)分的再分配，同時(shí)減少糞便運(yùn)輸過程中的燃料消耗[13]。7）糞便刮除系統(tǒng)相對(duì)常規(guī)糞便清除系統(tǒng)，可顯著降低豬舍內(nèi)H2S和NH3的濃度和排放（降低了90%），而且刮除系統(tǒng)的每頭豬運(yùn)營(yíng)成本只需要9元，比改造豬舍的成本降低了35%。盡管目前正在采用旨在減少與豬糞管理相關(guān)的排放量的技術(shù)，但評(píng)估和提高其有效性非常重要[9]。

表4 快速堆肥的推薦環(huán)境

表5 所選方法和材料的典型堆肥次數(shù)

5.5 其他策略

5.5.1 采用人工濕地

在泰加斯莫爾公園建立的16個(gè)中等規(guī)模的綜合人工濕地系統(tǒng)（ICW），發(fā)現(xiàn)其中9個(gè)處理養(yǎng)豬業(yè)廢水的ICW系統(tǒng)的腸道指示劑細(xì)菌的數(shù)量減少，并在最終液體中未檢測(cè)到大腸桿菌、鏈球菌和沙門氏菌。但由于ICW需要耗費(fèi)大量土地，故限制其在養(yǎng)豬業(yè)的使用[14]。

5.5.2 采用生物濾池

生物濾池床可吸收氨氣、硫化氫和灰塵等，降低65%～80%的氣味，成本約為2.7元/每頭育肥豬，但需要加強(qiáng)濾池管理，特別是水分含量，確保生物濾池設(shè)計(jì)與通風(fēng)系統(tǒng)兼容。

NUI戈?duì)栱f實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的木屑生物濾池成功去除了豬糞中分離出的液體部分中的營(yíng)養(yǎng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響因素包括生物濾池規(guī)模、氣溫和降雨變化，中試規(guī)模的木屑生物濾池可減少多達(dá)54%的固體、80%的化學(xué)需氧量、93%的5日生物需氧量、86%的總氮和79%的總磷。在用不同化學(xué)方式處理濾池廢水時(shí)，硫酸鋁的效果要顯著好于石灰，其可去除廢水84%的渾濁度、76%的化學(xué)耗氧量以及99.6%的總磷。微生物學(xué)分析表明，沙門氏菌從未在生物濾池中出現(xiàn)，另外大腸桿菌和腸球菌在進(jìn)水中的含量始終低于出水檢測(cè)限度，并且大腸桿菌數(shù)量也減少了[15]。

6 總結(jié)

合理利用畜禽糞便是一個(gè)重要的環(huán)境問題，畜禽糞便通常被認(rèn)為是“廢物”，實(shí)際上根據(jù)它們的價(jià)值，可認(rèn)為是畜禽生產(chǎn)中的待“回收資源”。管理糞便可以讓生產(chǎn)者有第二次機(jī)會(huì)利用已經(jīng)支付但未被動(dòng)物充分利用的養(yǎng)分，而由于收集，控制和散布畜禽糞便帶來的額外費(fèi)用，可通過生產(chǎn)者將肥料用作資源時(shí)產(chǎn)生的作物增產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)累積方面進(jìn)行抵消。