我國北方地區(qū)規(guī)模化奶牛場糞污污染防治模式評價

陳潤璐　馮晶　趙立欣　于佳動　姚宗路　李再興　羅娟

摘要 對我國北方地區(qū)規(guī)?；膛霾捎玫那胺蛛x墊料模式與能源化后分離模式進行技術(shù)經(jīng)濟性及種養(yǎng)平衡綜合評價，結(jié)果表明在能源化后分離模式下投資成本為1 749萬元，較前分離墊料模式增加了559.5萬元，獲得副產(chǎn)品種類更多，年利潤比前分離墊料模式提高了104.4萬元。前分離墊料模式最終生成的墊料產(chǎn)品中的養(yǎng)分含量為8.74 g/kg，肥水中的養(yǎng)分含量為3.89 g/kg;能源化后分離模式生成的沼渣肥中養(yǎng)分含量為11.36 g/kg，肥水中的養(yǎng)分含量為7.08 g/kg。2種模式相比，能源化后分離模式下養(yǎng)分損失較少。針對4種典型作物，在氮素平衡條件下能源化后分離模式下糞污消納所需農(nóng)田面積比前分離墊料模式提高102.7%。通過對2種模式的比較，進一步提出了模式適用性評價指標，旨在為規(guī)?；膛黾S污污染防治模式的選擇提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 奶牛養(yǎng)殖場;糞污利用模式;固液分離;經(jīng)濟效益;農(nóng)田消納

中圖分類號 X 173 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2020）23-0234-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.23.061

Evaluation on Prevention and Control Models of Manure Pollution in Large-scale Dairy Farms in Northern China

CHEN Run-lu1，2， FENG Jing1， ZHAO Li-xin3 et al

（1.? Institute of Rural Energy and Environmental Protection， Academy of Agricultural Planning and Engineering， Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Key Laboratory of Agricultural Waste Energy Utilization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Beijing 100125; 2.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei? 050000;3.Institute of Agricultural Environment and Sustainable Development， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100081）

Abstract The technical economy and breeding balance of pre-separation model and post-energy separation model used in large-scale dairy farms in northern China were comprehensively evaluated. The results showed that under the post-energy separation model， the investment cost was 17.49 million Yuan， which increased 5.595 million Yuan compared with the pre-separation model， and more by-products were obtained. The annual profit was 1.044 million Yuan higher than that of the post-separation model. The nutrient content in the final product of the pre-separation model was 8.74 g/kg， and that in the fertilizer water was 3.89 g/kg. The nutrient content in the biogas residue manure produced by the energy separation model was 11.36 g/kg and that in the fertilizer water was 7.08 g/kg. Compared with the two models， the nutrient loss in the post-separation model was less. For four kinds of typical crops， the area of farmland needed for waste removal under the post-energy separation model under nitrogen balance was 102.7% higher than that under the pre-separation model. Based on the comparison of the two kinds of models， this paper further put forward the evaluation index of the applicability of the model， so as to provide theoretical basis for the selection of the prevention and control model of fecal pollution in large-scale dairy farms.

Key words Dairy farm;Fecal pollution utilization model;Solid-liquid separation;Economic benefit;Farmland absorption

我國奶牛存欄量已達到1 618萬頭，產(chǎn)奶量位居世界第三，其中新疆、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江等北方地區(qū)奶牛存欄量占全國奶牛存欄量的71%以上，千頭牛場占比達20%，奶牛養(yǎng)殖集約化程度不斷提高。同時，奶牛糞尿及污水產(chǎn)量高達8.74億t，40%左右的糞污尚未有效利用，對于奶牛養(yǎng)殖、產(chǎn)奶環(huán)境均帶來污染隱患，提高糞污污染防治效率、提高糞污區(qū)域循環(huán)利用效率尤為重要[1]。

規(guī)模化奶牛場糞污污染防治分為糞污收集、輸送、處理與資源化利用四大環(huán)節(jié)[2]，每個環(huán)節(jié)可采用不同技術(shù)工藝，如目前常用的糞污收集技術(shù)為水沖清糞和干清糞等;糞污運輸技術(shù)可采用糞溝輸送、車輛輸送等;糞污處理環(huán)節(jié)可采用堆肥、厭氧發(fā)酵、好氧生物處理、蚯蚓養(yǎng)殖等方式[3-4];糞污處理后的資源化利用多采用沼氣發(fā)電、肥料化或達標排放等。不同環(huán)節(jié)不同技術(shù)間的組合可形成多種技術(shù)模式，如能源化利用模式[5]、肥料化利用模式、糞污循環(huán)利用模式等[6]。裴曉冬等[7]針對吉林市的養(yǎng)殖業(yè)及糞污處理現(xiàn)狀，提出了源頭減量、過程控制、末端處理利用3種技術(shù)模式。宣夢等[8]研究表明，東北平原地區(qū)的糞污治理模式主要以肥料化利用為主;污水利用以農(nóng)業(yè)利用為主，由于受溫度的影響，所以采用厭氧發(fā)酵方式的比例較低，采用生物發(fā)酵床養(yǎng)殖的比例較高。中部地區(qū)與東北地區(qū)相似，但對污水的處理大多采用厭氧和好氧的方式。張盛南等[9]以天津市3個典型的規(guī)?；膛鰹槔治隽苏託夤こ?、循環(huán)利用、納管排放3種糞污處理技術(shù)模式的優(yōu)缺點及適用范圍。但對于上述集成技術(shù)模式仍缺少物料衡算及污染物產(chǎn)排特性的定量分析，規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場選擇適宜的技術(shù)模式也缺乏可遵循的依據(jù)，導致技術(shù)模式的集成缺少科學分析及適用性評價。針對上述問題，筆者選擇我國北方地區(qū)典型規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場糞污污染防治模式，對糞污收集、輸送、處理與資源化利用環(huán)節(jié)進行技術(shù)經(jīng)濟性與環(huán)境效應(yīng)評價，以期為規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場糞污污染防治提供技術(shù)參考與支撐。

1 規(guī)模化奶牛場糞污污染防治主流技術(shù)模式

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場糞污處理遵循干濕分離原則，固液分離是糞污處理與利用環(huán)節(jié)的重要步驟。關(guān)正軍等[10]研究表明，經(jīng)固液分離后的牛糞，固形物質(zhì)可用于壓塊成型，為高寒地區(qū)沼氣工程冬季增溫保溫提供燃料;分離液用于厭氧發(fā)酵可以提高甲烷產(chǎn)率，縮短發(fā)酵水力停留時間。胡若漪[11]研究表明對牛糞進行發(fā)酵前固液分離可以降低物料黏度，有利于微生物的傳質(zhì)，并具有較好的產(chǎn)氣效果。按照固液分離環(huán)節(jié)在糞污處理技術(shù)路線的不同位置，可將北方地區(qū)規(guī)?；膛龅募S污資源化利用模式分為前分離墊料模式與能源化后分離模式。前分離墊料模式的主要特點是固液分離裝置安裝在清糞環(huán)節(jié)之后，牛舍內(nèi)糞污經(jīng)刮糞板清糞后直接進行固液分離，實現(xiàn)糞尿（污水）的分離;能源化后分離模式則是將固液分離裝置安裝在糞污處理環(huán)節(jié)后端。通過對牛糞污的固液分離，可根據(jù)物料特性靈活選擇糞污處理技術(shù)，可以縮短糞污處理時間，降低處理規(guī)模和成本[12]，同時也增加了資源化利用產(chǎn)品的種類。

1.1 前分離墊料模式

該模式下牛舍內(nèi)清糞技術(shù)采用鏟車或刮糞板清糞，糞尿被推送至舍內(nèi)糞溝，用來自氧化塘的糞水和奶廳廢水沖糞進入固液分離系統(tǒng)，糞污不出牛舍即實行固液分離。固液分離后的糞便經(jīng)專用糞車運至墊料場，利用BRU墊料生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)墊料。此外，舊墊料還可以混合20%牛糞進行好氧堆肥生產(chǎn)有機肥，用于養(yǎng)殖場配套農(nóng)田使用。固液分離后的液體糞污經(jīng)雨污分離管道排入糞污暫存池，并按照2次/d的頻率向氧化塘排放，在氧化塘停留約7 d。經(jīng)氧化塘處理后的糞污向設(shè)在牛場外田間的梯級沉淀池排放，梯級沉淀池設(shè)3級，停留30 d。經(jīng)過梯級沉淀池處理后的糞水符合農(nóng)田排放標準后灌溉農(nóng)田，部分糞水回流至舍內(nèi)糞溝沖糞。該模式的工藝流程如圖1所示。

固液分離后的固體牛糞通過晾曬的方式風干水分并對其進行消毒處理，待水分含量在50%以下即可作為牛床墊料使用。液相需自然存放在儲存池2個月后運送到田間作為肥料使用。該模式利用了奶牛糞便纖維素含量高、質(zhì)地松軟的特點，用牛糞代替沙子和土為墊料，節(jié)省了購買牛床墊料的費用，降低了糞污后續(xù)處理的難度[13]。

1.2 能源化后分離模式

該模式采用舍內(nèi)刮板干清糞、沼液回沖、管道輸送、全混厭氧發(fā)酵、固液分離、三沼綜合利用的處

理模式。牛舍糞污經(jīng)刮糞板收集入舍內(nèi)糞溝，用來自奶廳和

沼液回流的混合污水沖糞，糞污呈流體態(tài)經(jīng)雨污分離管道運送至勻漿池，再經(jīng)過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣環(huán)節(jié)，出料經(jīng)固液分離環(huán)節(jié)，固體經(jīng)晾干、后處理后制成有機肥，用于果蔬種植，液體30%回流沖糞，70%經(jīng)梯級沉淀池處理灌溉農(nóng)田。厭氧反應(yīng)器為氣膜式臥室結(jié)構(gòu)，主體為混凝土結(jié)構(gòu)砌成池狀，與氣膜固定連接，產(chǎn)氣時氣膜鼓起。勻漿池每日向濕法厭氧發(fā)酵反應(yīng)器輸送500 m3糞污，含固率約5%，水利停留時間為20 d，厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)無攪拌系統(tǒng)，依靠出料形成的倒吸推流作用，使進料端物料向出料端移動，在移動過程中實現(xiàn)攪拌和降解的作用。該模式的工藝流程如圖2所示。最終生成的沼氣可供牛場和周圍居民使用，沼液沼渣固液分離后生產(chǎn)固態(tài)和液態(tài)有機肥，有機肥可施用于農(nóng)田或進行商品化出售，形成了“牛場糞污—沼氣或天然氣—有機肥—農(nóng)業(yè)生產(chǎn)”的農(nóng)業(yè)廢棄物資源化循環(huán)利用模式[14]。

2 技術(shù)經(jīng)濟性分析

技術(shù)經(jīng)濟性分析包括對奶牛糞污污染防治過程中設(shè)施設(shè)備投資、人工及折舊成本等以及產(chǎn)生具有利用價值的副產(chǎn)物收益進行綜合分析，評判模式效益。根據(jù)規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場建設(shè)需要，以存欄4 000頭規(guī)?；膛鰹槔?，對前分離墊料模式與能源化后分離模式從投資成本、收益以及利潤3個方面進行分析。

2.1 投資成本分析

前分離墊料模式中的設(shè)施建設(shè)主要包括牛舍、奶廳、糞溝、固液分離、墊料生產(chǎn)、污水處理以及肥料配套設(shè)施的建設(shè)，而能源化后分離模式中的設(shè)施建設(shè)還包括厭氧發(fā)酵設(shè)施的建設(shè)。因此，能源化后分離模式的設(shè)施建設(shè)投資要高于前分離墊料模式，相應(yīng)的設(shè)備投資也高于前分離墊料模式。能源化后分離技術(shù)模式中場內(nèi)用電由沼氣發(fā)電提供，沼氣工程保溫增溫所需熱量由熱電聯(lián)產(chǎn)余熱回用供應(yīng)，工程運行能耗成本比前分離墊料模式降低了42.3%，但人工成本和折舊費用比前分離墊料模式提高了35.6%。2種技術(shù)模式的投資和成本對比如表1所示。

2.2 收益分析

前分離墊料模式中糞污資源化利用的產(chǎn)物可用于墊料、肥水和固體肥的生產(chǎn)，獲得收益297.75萬元。與前分離墊料模式相比，能源化后分離模式經(jīng)過厭氧發(fā)酵生成沼氣，沼氣發(fā)電帶來的收益為283萬元。2種技術(shù)模式的收益對比如表2所示，能源化后分離模式產(chǎn)生的收益比前分離墊料模式增加1.38倍。

2.3 利潤分析

經(jīng)投資成本及收益核算，2種技術(shù)模式的總投資、年成本、年收益及年利潤對比如表3所示。由表3可知，能源化后分離模式下投資成本顯著高于前分離墊料模式，但可獲得沼氣、沼渣、沼液等產(chǎn)品進一步補充生產(chǎn)有機肥及肥水，年利潤提高87.6%。但是，沼氣工程的控制運行是難點，特別在北方寒冷地區(qū)運行，產(chǎn)氣率得不到有效保障，產(chǎn)氣率降低30%～90%，應(yīng)結(jié)合規(guī)?；膛鲋苓吷鷳B(tài)環(huán)境組成特點科學選用技術(shù)模式。

3 種養(yǎng)平衡分析

3.1 糞污養(yǎng)分含量

分別對2種典型技術(shù)模式中糞污資源化利用主要環(huán)節(jié)的糞污樣品進行養(yǎng)分測試，結(jié)果分別如表4和表5所示。由表4可知，前分離墊料模式中糞污內(nèi)總養(yǎng)分含量為10.43 g/kg，糞污經(jīng)過糞溝運輸至勻漿池內(nèi)，糞污內(nèi)養(yǎng)分含量大幅降低，尤其是氮含量減少12.7%，這主要是由于在糞污露天輸送過程中糞污內(nèi)氨氮揮發(fā)較多所致[15]。此后，糞污經(jīng)過固液分離，其養(yǎng)分在固體糞便與液體糞污之間重新分配，其中N與P2O5在固體糞便內(nèi)的含量較高，分別比其在液體糞污內(nèi)的含量高60%和40%。利用固體糞便進行墊料生產(chǎn)，產(chǎn)生的墊料中養(yǎng)分含量進一步降低，墊料成品中總養(yǎng)分含量降至8.74 g/kg。在此過程中，P2O5與鉀含量略有增加，而氮含量大幅度降低，墊料成品比固體糞便中氮含量減少46.4%。這主要是因為與墊料生產(chǎn)屬于好氧發(fā)酵，糞便中的氮經(jīng)過發(fā)酵生成NH3、NOx等揮發(fā)性氣體散失至空氣中。固液分離后液體糞污經(jīng)過氧化塘處理后生成的肥水過程中，由于固體物質(zhì)沉降、養(yǎng)分揮發(fā)以及微生物發(fā)酵等原因，總養(yǎng)分含量降至3.89 g/kg。

與前分離墊料模式相似，能源化后分離模式在糞污資源化利用過程中糞污內(nèi)總養(yǎng)分含量也有大幅損失。舍內(nèi)牛糞與奶廳污水混合后經(jīng)過糞溝進入調(diào)節(jié)池內(nèi)，此時糞污內(nèi)總養(yǎng)分含量為10.69 g/kg。經(jīng)過厭氧發(fā)酵后，發(fā)酵剩余物內(nèi)總養(yǎng)分含量升高，達到13.22 g/kg，此后隨著厭氧發(fā)酵、固液分離等操作，糞污內(nèi)總養(yǎng)分含量持續(xù)降低。沼渣經(jīng)過好氧發(fā)酵、陳化后形成沼渣肥，沼渣肥的總養(yǎng)分含量達到11.36 g/kg。

值得說明的是，2種技術(shù)模式經(jīng)過固液分離后形成的沼液內(nèi)總養(yǎng)分含量相差不大，分別為7.29和7.08 g/kg。然而，前分離墊料模式中肥水經(jīng)過氧化塘處理與肥水儲存池穩(wěn)定處理后，其養(yǎng)分含量降低60%;能源化后分離模式中沼液內(nèi)總養(yǎng)分含量隨著儲存變化不大。前分離墊料模式形成的液體糞污內(nèi)含有大量易降解有機質(zhì)，在氧化塘與穩(wěn)定塘處理后，隨著有機質(zhì)的降解，氮可轉(zhuǎn)化為NH3、NOx等揮發(fā)性氣體，而磷則形成難溶性固體。糞污經(jīng)過厭氧發(fā)酵生成的沼液營養(yǎng)物質(zhì)豐富，并且沼液親水性更強，整體呈漿狀，較難通過沉降進行固液分離，其養(yǎng)分含量需要進一步有效利用。

3.2 糞污養(yǎng)分循環(huán)

以奶牛存欄為4 000頭的典型規(guī)模化奶牛場為例，對2種典型技術(shù)模式中糞污資源化利用的主要環(huán)節(jié)進行物料平衡計算，結(jié)果見表6。從表6可以看出，通過前分離墊料模式對糞污進行資源化利用處理的量多于能源化后分離模式，最終生成的墊料產(chǎn)量也較多。能源化后分離模式最終生成墊料和沼渣肥2種產(chǎn)品，產(chǎn)品種類多，與前分離墊料模式相比糞污資源化利用率更高。

以玉米、小麥、蔬菜（番茄）、水果（蘋果）4種典型農(nóng)作物，結(jié)合養(yǎng)殖場內(nèi)糞污養(yǎng)分含量測定結(jié)果，按照作物經(jīng)濟產(chǎn)量與養(yǎng)分平衡原則，對不同模式下糞污消納所需農(nóng)田面積進行了測算，結(jié)果見表7。由表7可知，2種模式相比，能源化后分離模式下4種作物的糞污消納所需農(nóng)田面積比前分離墊料模式增加了102.7%。以玉米種植為例，能源化后分離模式下，以N消納為準消納面積需要1 129.7 hm2，而前分離墊料模式下消納面積需857.8 hm2;以P2O5消納為準，能源化后分離模式消納面積需要2 752.0 hm2，前分離墊料模式消納面積需要796.9 hm2。

從主要消納限制因子來看，在前分離墊料模式下，除蘋果外的3種作物均表現(xiàn)為作物氮素需求的有機肥消納所需農(nóng)田面積最多，這表明在此模式下N是農(nóng)田消納的主要限制因子。在能源化后分離模式下，除番茄外的3種作物均表現(xiàn)為作物磷素需求的消納所需農(nóng)田面積最多，即此模式下P2O5是農(nóng)田消納的主要限制因子。

從不同作物類型來看，在前分離墊料模式下，以蘋果種植消納所需面積最大，為1 223.9 hm2（P2O5為主要限制因子），其中有機肥消納面積429.7 hm2，肥水所需消納面積為794.2 hm2。在能源化后分離模式下，同樣以蘋果種植消納所需面積最大，為4 226.3 hm2（P2O5為主要限制因子），其中有機肥消納面積238.1 hm2，肥水所需消納面積3 988.2 hm2。對于華北平原地區(qū)主流的奶牛養(yǎng)殖-玉米種植循環(huán)模式下，2種模式下所需的消納面積分別為857.8 hm2（N為主要限制因子）與2 752.0 hm2（P2O5為主要限制因子）。

從固體肥與肥水消納所需面積來看，2種模式下均表現(xiàn)為肥水或沼液消納所需面積遠高于固體肥消納所需面積，在固體肥與液體肥中養(yǎng)分分配上均表現(xiàn)為液體肥中含有更多養(yǎng)分，其中能源化后分離模式中，沼液中的養(yǎng)分含量比前分離墊料模式的肥水增加30.1%。

對上述2種模式種養(yǎng)平衡綜合分析表明，糞污污染防治模式的選取應(yīng)結(jié)合作物所需養(yǎng)分種類、種植面積、土壤質(zhì)量、氣候條件等綜合選取。西北干旱地區(qū)，土地面積廣、土壤養(yǎng)分貧瘠，華北地區(qū)氣候溫度適宜，地下水超采嚴重，適合推廣能源化后分離模式，沼液排放基本不受限制，是對作物養(yǎng)分、改良土壤質(zhì)量的有效補充;東北高寒地區(qū)，土壤有機質(zhì)含量豐富，水源地相對集中，適合采用前分離墊料模式，肥水經(jīng)氧化處理后還田，達到無害化處理的目的，促進污染防治效率的提高。

4 結(jié)論

（1）以4 000頭存欄規(guī)?；膛鰹槔?，經(jīng)投資成本及收益核算分析得到，能源化后分離模式總投資成本比前分離墊料模式總投資成本增加了559.5萬元，但同時其獲得的產(chǎn)品種類更多，且年利潤也比前分離墊料模式增加了104.4萬元，經(jīng)濟效益較好。

（2）在奶牛養(yǎng)殖場內(nèi)糞污資源化利用過程中，由于氮、磷、鉀元素的損失，使得2種模式下的糞污內(nèi)養(yǎng)分都存在較大程度的散失，對后續(xù)資源化利用有較大影響。其中，前分離墊料模式最終生成的墊料產(chǎn)品中的養(yǎng)分含量為8.74 g/kg，肥水中的養(yǎng)分含量為3.89 g/kg;能源化后分離模式最終生成的沼渣肥中的養(yǎng)分含量為11.36 g/kg，肥水中養(yǎng)分含量為7.08 g/kg，能源化后分離模式下的養(yǎng)分散失相對較少。經(jīng)測算，針對玉米、小麥、蔬菜（番茄）、水果（蘋果）4種典型農(nóng)作物，能源化后分離模式下糞污消納所需農(nóng)田面積要顯著高于前分離墊料模式?；谝陨戏治觯陴B(yǎng)殖場周邊有足夠消納耕地時，選用能源化后分離模式可獲得更高收益，在周邊耕地不足時，選用前分離墊料模式可以顯著降低所需耕地規(guī)模。

（3）該研究結(jié)果也表明，在糞污資源化利用過程中糞污中氮素與磷素經(jīng)過轉(zhuǎn)化后排放至周圍環(huán)境中，在糞污好氧或厭氧發(fā)酵過程中均有大量的CO2、CH4等溫室氣體產(chǎn)生，也往往伴隨臭氣產(chǎn)生，在下一步研究中應(yīng)開發(fā)綜合評價體系，將糞污資源化利用過程的環(huán)境效應(yīng)一并納入評價范圍。

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基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0800100）。

作者簡介 陳潤璐（1996—），女，河北衡水人，碩士研究生，研究方向：有機廢棄物資源化利用技術(shù)。*通信作者，研究員，博士，博士生導師，從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研究。

收稿日期 2019-12-24