豬場清糞工藝模式的綜合比較分析

黃峰，史金才，馮文謙，邱錦麟1，，練植嬋，楊奇亮，廖新俤，*

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家生豬種業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；3.溫氏食品集團(tuán)股份有限公司，廣東云浮 527400）

隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)向集約化規(guī)?；杆侔l(fā)展，產(chǎn)生了大量的糞便、廢水等廢棄物，這些廢棄物如得不到有效處理，不僅威脅到周邊生態(tài)安全，而且會(huì)制約養(yǎng)豬業(yè)的健康發(fā)展。清糞是豬場糞污收集處理過程的第一道工藝，不同清糞方式對源頭節(jié)水、勞動(dòng)效率、舍內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、后續(xù)糞污處理工藝的選取、參數(shù)設(shè)計(jì)等均具有一定的影響，尤其是清糞工藝的選擇，其直接關(guān)系到后端廢水的處理成本和處理效果。豬場清糞工藝主要包括干清糞、水沖糞和水泡糞等[1-2]，其中干清糞分為人工干清糞和機(jī)械清糞。目前的機(jī)械清糞技術(shù)主要為平板刮糞和V 型刮糞。不同的清糞工藝因具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而適用于不同類型和不同管理水平的豬場。因此，需要根據(jù)清糞工藝的技術(shù)特點(diǎn)、豬場的生產(chǎn)情況、配套土地及當(dāng)?shù)卣叩纫蛩兀C合考量選擇合理的清糞工藝。本文通過文獻(xiàn)綜述和生產(chǎn)調(diào)研的方式對現(xiàn)行主要清糞工藝的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情況進(jìn)行綜合比較分析，為今后清糞工藝的合理應(yīng)用及技術(shù)研究提供參考。

1 主要清糞工藝的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 平刮和V刮（機(jī)械清糞）

機(jī)械清糞工藝目前主要應(yīng)用于我國南方地區(qū)的規(guī)?；i場及北方地區(qū)個(gè)別環(huán)保要求較高、土地配套較少的規(guī)?；i場，其中采用平刮最普遍。采用平刮的豬舍設(shè)置漏縫地板，地板下方設(shè)置糞溝，糞溝一端設(shè)置集糞池，糞便、尿液和管理用水等通過漏縫地板掉到糞溝，再通過機(jī)械拉動(dòng)平形的刮糞板把糞污混合物收集到集糞池中，最后通過管道運(yùn)輸?shù)确绞竭M(jìn)入到環(huán)保區(qū)進(jìn)行處理。采用平板的豬場，所收集的糞便和污水會(huì)混合在一起，因此混合物中固形物（SS）和有機(jī)物（COD）含量較高。

V 刮是將糞溝底部做成V 形，并在V 形糞溝的底部設(shè)置縫隙，縫隙下是污水管；糞便及污水從漏縫地板落到V 形糞溝后，污水會(huì)通過縫隙流入下方污水管，最終匯流入廢水處理系統(tǒng)，糞便則由V 型刮板收集到集糞池中，最快實(shí)現(xiàn)糞便和污水的分離。與平刮相比，采用V 刮所收集的糞便含水率相對低，污水的有機(jī)物濃度降低，均利于后續(xù)的進(jìn)一步處理；然而，迄今V刮的現(xiàn)場施工仍然存在很大難度，施工質(zhì)量要求高、成本高，因此生產(chǎn)中仍然較少采用，現(xiàn)行使用的故障率也明顯比平刮高。

機(jī)械清糞（平刮、V 刮）的優(yōu)點(diǎn)是降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；缺點(diǎn)是需要設(shè)備投資，且有不同程度的故障率。

1.2 水泡糞工藝

水泡糞工藝（液泡糞）是在豬舍漏縫地板下設(shè)置一定坡度的糞池，糞池注有一定深度的水，水池底部設(shè)置有帶閥門的排污口，排污口連接排污管。糞便、尿液和沖洗水等通過漏縫地板進(jìn)入糞池，通常在糞池中貯存1～6 個(gè)月后（一般一批豬排空一次），打開閥門，將糞污通過排污管引入污水收集池中，供資源化利用。水泡糞工藝主要應(yīng)用于北方豬場及個(gè)別擁有足夠土地配套條件的南方豬場。此外，部分豬場也根據(jù)自身生產(chǎn)實(shí)際選擇水泡糞+機(jī)械清糞的模式，如在保育舍及分娩舍等相對管理要求較高的豬舍使用液泡糞工藝[3-5]，在育肥舍等使用機(jī)械清糞工藝。

水泡糞優(yōu)點(diǎn)：與水沖糞工藝比較，節(jié)約用水；與人工清糞比，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率；與機(jī)械清糞比，運(yùn)行更穩(wěn)定、維護(hù)成本低，也減少清糞過程對動(dòng)物的影響。水泡糞的缺點(diǎn)：舍內(nèi)環(huán)控措施不配套的情況下，糞池產(chǎn)生的有害氣體會(huì)影響動(dòng)物健康[6-7]。水泡糞工藝本應(yīng)與后端資源化利用配套使用，然而長期以來，我國采用水泡糞只考慮其在生產(chǎn)端的優(yōu)點(diǎn)，而忽略了后端糞污的出路，即沒有同步進(jìn)行資源化利用，而是采用了深度處理。采用液泡糞工藝時(shí)，長期混合的糞污會(huì)顯著增加后端固形物和污水分離的難度，而且污染物濃度顯著提高，采用深度處理會(huì)大幅增加污水處理的壓力和代價(jià)，并且這種情況會(huì)隨著泡糞時(shí)間延長而加劇，因此在生產(chǎn)上出現(xiàn)不得不將泡糞時(shí)間縮短的現(xiàn)象。

1.3 人工清糞與水沖糞

與機(jī)械清糞相同，人工清糞可以最快實(shí)現(xiàn)糞便與尿液、污水的有效分離，也可以更好地保留糞污中的養(yǎng)分，這一方面有利于后續(xù)的資源化利用[8]，另一方面可明顯減少后端糞污處理的壓力和成本。人工清糞具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括節(jié)省用水、投資成本低、不存在設(shè)備故障、糞便和污水分離效果好、污水的污染物濃度低、產(chǎn)生的污泥少等，但由于人工清糞和收集后的糞污在舍內(nèi)外轉(zhuǎn)運(yùn)的勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，在現(xiàn)行的規(guī)?；i場中基本不推行，主要存在于中小規(guī)模的傳統(tǒng)豬場。

水沖糞工藝是通過沖洗器放水將糞溝中的糞污沖入集糞池中，按生產(chǎn)情況設(shè)定每日的沖洗頻率，再通過管道把糞污抽到環(huán)保區(qū)。水沖糞的優(yōu)點(diǎn)：減少勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率；能及時(shí)清洗舍內(nèi)糞污，改善豬舍環(huán)境。缺點(diǎn)是用水量大，一方面浪費(fèi)水資源，另一方面由于糞便污水混合大幅增加了后續(xù)污水處理的難度和成本。由于水資源的緊缺和環(huán)保壓力的增加，水沖糞工藝已逐漸從規(guī)?；i場中淘汰。

2 清糞工藝模式對糞污產(chǎn)生的影響

通過以上的總結(jié)可知，我國規(guī)模化豬場目前使用較多的清糞工藝主要有人工干清糞、V 型刮糞、平板刮糞和水泡糞，其中使用水泡糞工藝的豬場通常會(huì)配套消納土地，糞污經(jīng)無害化處理后還田利用，較少產(chǎn)生另外需要處理的固體糞污和廢水。因此，本部分主要針對人工清糞、V 型刮糞和平板刮糞工藝的糞污產(chǎn)生情況進(jìn)行比較。

2.1 清糞工藝對固體糞污產(chǎn)生的影響

調(diào)研的112個(gè)規(guī)?；i場的清糞情況中，31個(gè)豬場采用人工清糞，58 個(gè)豬場采用平板刮糞，23 個(gè)豬場采用V 型刮糞。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，V 刮收集到的固體糞污量最大，達(dá)到18 t·d-1（每存欄1 萬頭母豬），其次為人工清糞，可收集到15 t·d-1，平板刮糞收集到的固體糞污量最少，僅有9 t·d-1，這說明V 刮和人工清糞能夠更好地收集固體糞便，即與V刮、人工清糞相比，平刮多出6～9 t 的固體糞污進(jìn)入廢水處理系統(tǒng)，增加了后續(xù)廢水的處理難度。就固體糞污的含水率來看，V 刮收集到的固體糞污含水率為85%，平刮（經(jīng)固液分離后）和人工清糞分別為80%和75%，可見在沒有固液分離之前，平刮收集的固體糞污含水率最高，其次是V 刮和人工清糞。較高含水率的固體糞污也會(huì)影響后續(xù)堆肥發(fā)酵及其他方式的處理利用[9-10]。

調(diào)研的13 個(gè)采用機(jī)械清糞+水泡糞工藝的豬場固體糞污收集情況中，3 個(gè)豬場采用V 刮+水泡糞的清糞工藝，10 個(gè)豬場采用平刮+水泡糞的清糞工藝。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，V 刮+水泡糞工藝收集到的豬糞量為22 t·d-1（每存欄1 萬頭母豬），高于平刮+水泡糞工藝（8 t·d-1）。調(diào)研結(jié)果同樣說明V 刮可以收集到更多的糞便，可以更好地保留糞便的養(yǎng)分且便于后續(xù)處理。除豬糞外，廢水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的污泥也是當(dāng)前養(yǎng)豬場最難處理的固廢。調(diào)研發(fā)現(xiàn)V刮+水泡糞工藝產(chǎn)生的污泥量為6 t·d-1，明顯低于豬糞產(chǎn)生量（22 t·d-1），而平刮+水泡糞工藝所產(chǎn)生的污泥量高達(dá)18 t·d-1，遠(yuǎn)高于豬糞產(chǎn)生量（8 t·d-1），這極大地增加了后續(xù)固廢的處理利用難度。

2.2 清糞工藝對廢水產(chǎn)生的影響

通過調(diào)研分析112 個(gè)規(guī)模化豬場的廢水產(chǎn)生情況（表1）發(fā)現(xiàn)，使用人工清糞的豬場廢水產(chǎn)生量最高（先清后沖洗），達(dá)到700 t·d-1（每存欄1萬頭母豬），其次為平刮和V刮。從豬場廢水水質(zhì)來看，人工清糞的廢水污染物濃度低于平刮和V刮工藝的廢水，采用平刮的廢水CODCr、懸浮物、氨氮和總磷的濃度最高。對13 個(gè)采用機(jī)械清糞+水泡糞工藝的豬場廢水水質(zhì)進(jìn)行分析（表2）發(fā)現(xiàn)，V 刮+水泡糞工藝產(chǎn)生的廢水CODCr、氨氮和總磷濃度均低于平刮+水泡糞工藝的廢水濃度，同樣說明V 刮的廢水污染物含量低于平刮。在目前的清糞工藝中，人工清糞可最大程度地避免糞便進(jìn)入污水，有效控制污水中有機(jī)物等濃度；平板刮糞將糞便和污水混合在一起，產(chǎn)生的廢水有機(jī)物、氨氮、總磷等濃度最高。

表1 廢水產(chǎn)生量及污染物濃度（每存欄1萬頭母豬）Table 1 Wastewater production（per 10 000 sows）and pollutant concentration

3 清糞工藝模式對新型污染物的影響

更多研究關(guān)注的是豬場糞污中有機(jī)物、氮、磷、獸用抗生素和重金屬等物質(zhì)，并用以評價(jià)糞污的產(chǎn)生、處理及利用情況[11-13]。但有研究也表明，糞污中還存在抗生素抗性基因和微塑料等一些新型污染物[14-16]，這些新型污染物同樣影響著糞污的安全處理和利用，而且其會(huì)對周邊生態(tài)環(huán)境和公共安全造成威脅，然而目前對糞污中新型污染物的重視還不夠。為此，本文初步探討了不同清糞工藝對抗生素抗性基因及微塑料等新型污染物的影響。

表2“機(jī)械+水泡糞”工藝廢水水質(zhì)情況（每存欄1萬頭母豬）Table 2 The wastewater quality from the"mechanical+water submerging"process（per 10 000 sows）

3.1 清糞工藝對抗生素抗性基因的影響

不同清糞工藝收集的糞污中有機(jī)物、氮和磷等成分的含量不同，從而使糞污的微生物組成有所差異，而功能微生物組成的差異進(jìn)一步影響到糞污中物質(zhì)的分解和糞污理化性質(zhì)的差異。微生物群落和理化因子又是影響環(huán)境中抗生素抗性基因（ARGs）變化的重要因素[17-18]。因此推斷，不同清糞工藝會(huì)影響糞污中抗生素抗性基因的輪廓。YANG 等[19]對我國不同地區(qū)規(guī)?；i場的廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)人工清糞工藝收集的廢水中氨氮和有機(jī)物等的濃度顯著低于機(jī)械清糞中的濃度，進(jìn)而導(dǎo)致人工清糞工藝收集的豬場廢水中噬菌體抗生素抗性基因的數(shù)量低于機(jī)械清糞工藝中的數(shù)量。這些由于清糞工藝不同導(dǎo)致糞便和廢水中抗生素抗性基因殘留的差異，會(huì)影響到后續(xù)糞污的處理和利用。如有研究表明，抗生素抗性基因與廢水處理系統(tǒng)中氮轉(zhuǎn)化過程相關(guān)基因具有顯著的共現(xiàn)關(guān)系，并且氮轉(zhuǎn)化相關(guān)性菌群是主要的抗生素抗性基因宿主[20-21]，雖然仍不明確抗生素抗性基因與氮轉(zhuǎn)化之間的具體關(guān)系，但可以確定不同清糞工藝導(dǎo)致的廢水中抗生素抗性基因的殘留差異會(huì)進(jìn)一步影響到廢水脫氮處理。此外，不同清糞工藝導(dǎo)致的抗性基因殘留差異會(huì)隨著資源化利用進(jìn)入到土壤和植物中[22-23]，進(jìn)而威脅周邊環(huán)境安全。然而目前關(guān)于不同清糞工藝對抗生素抗性基因影響的研究較少，其影響過程及機(jī)理還需要進(jìn)一步的探明。

3.2 清糞工藝對微塑料的影響

2004 年，THOMPSON 等[24]在海洋及其沉積物中發(fā)現(xiàn)了微塑料，并首次提出了微塑料的概念，即直徑小于5 mm的塑料碎片及顆粒稱為微塑料。微塑料與普通塑料的最大區(qū)別是微塑料較小的體積，使其具有更大的比表面積，可以吸附更多的污染物，如抗生素、抗生素抗性基因和重金屬[25-26]，甚至病原微生物和耐藥微生物也可以在微塑料上吸附累積。這些污染物在微塑料上形成污染源，進(jìn)而造成更廣泛的污染風(fēng)險(xiǎn)[27]。WU 等[15]對中國19 個(gè)養(yǎng)殖場進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)這些養(yǎng)殖場的畜禽糞污中含有大量的微塑料，這些微塑料來源于養(yǎng)殖過程中使用的塑料工具，包括人工清糞的塑料掃把和塑料清糞刮板。在清糞過程中，塑料掃把和塑料刮板中的微小塑料會(huì)掉入到糞污中，從而對糞污的處理利用造成影響。微塑料是一種新型污染物，不同清糞工藝對微塑料污染的影響值得關(guān)注，需要探明清糞工具材質(zhì)、清糞強(qiáng)度和頻率等對微塑料的類型、形狀、大小和數(shù)量等特征的影響，以及所產(chǎn)生的微塑料對糞污處理利用的影響，為清糞工藝流程的優(yōu)化以及清糞設(shè)備的改良提供參考。

4 總結(jié)與展望

清糞工藝模式作為豬場糞污處理的第一道重要工藝環(huán)節(jié)，不僅關(guān)系到豬舍內(nèi)糞污收集率、用水量、舍內(nèi)環(huán)境、勞動(dòng)效率、投資和維護(hù)成本，而且因不同工藝的技術(shù)特點(diǎn)，還會(huì)影響到糞污的產(chǎn)量、特性，同時(shí)還關(guān)系到后續(xù)糞污的處理及利用。因此不同的清糞工藝有不同的應(yīng)用場景，清糞工藝應(yīng)與管理水平、末端糞污治理方式相匹配。

隨著豬場規(guī)模的發(fā)展及人工成本的增加，養(yǎng)豬業(yè)已逐步由傳統(tǒng)養(yǎng)殖向機(jī)械化養(yǎng)殖轉(zhuǎn)化，并逐步向智慧養(yǎng)殖的方向發(fā)展。目前，規(guī)模化豬場清糞工藝仍主要停留在機(jī)械化階段，未來必然逐步向自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展，從而能更高效、及時(shí)地清理舍內(nèi)糞污，同時(shí)可提供重要的糞污特性參數(shù)，便于后續(xù)處理利用參考以及保證豬舍內(nèi)環(huán)境的清潔和從業(yè)人員的健康。因此，數(shù)字化、智能化清糞工藝的研發(fā)，是未來新型清糞工藝的研究方向。此外，糞污中殘留的抗生素抗性基因和微塑料等新型污染物威脅著環(huán)境生態(tài)和公共健康，然而不同清糞工藝對這些新型污染物的影響仍不明確，值得更全面深入的研究。