我國集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治全鏈條技術(shù)模式評價

于佳動，趙立欣，姚宗路，李佩琪，馮 晶，羅 娟，葉炳南

1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125

2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081

0 引言

習(xí)近平總書記指出，畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理和資源化，關(guān)系6 億多農(nóng)村居民生產(chǎn)生活環(huán)境，關(guān)系農(nóng)村能源革命，關(guān)系能不能不斷改善土壤地力，治理好農(nóng)業(yè)面源污染，是一件利國利民利長遠(yuǎn)的大好事。當(dāng)前，我國畜禽養(yǎng)殖集約化程度越來越高，在提高規(guī)模化程度、管理水平、生產(chǎn)效率的同時，畜禽糞污污染綜合防治也更加注重成熟的處理技術(shù)、成套的技術(shù)模式和成體系的生態(tài)循環(huán)。近年來，我國奶牛養(yǎng)殖水平總體保持穩(wěn)定，2015—2020年，年均存欄約1 000 萬頭，糞污年產(chǎn)量約4 億噸[1]。從養(yǎng)殖場糞污物理組成上分析，含固率15.00%～25.00%的固體糞便與尿液、奶廳沖洗廢水間的比例約5∶3∶2[2]；從糞污化學(xué)成分上看，固體成分中含有30.00%～50.00%的木質(zhì)纖維素；從糞污微生物組成證明，糞污中含有大量的產(chǎn)甲烷菌、硝化菌、反硝化菌及各類致病菌等。這些客觀性質(zhì)均表現(xiàn)出奶牛糞污處理難度大、轉(zhuǎn)化效率低、污染風(fēng)險(xiǎn)高等問題[3，4]。如何更加全面、準(zhǔn)確、高效的提高集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治水平，突出糞污資源化利用、污染物減排并提高集約化養(yǎng)殖場“全鏈條”糞污處理的運(yùn)行效益，仍需對糞污污染綜合防治過程作進(jìn)一步剖析和評價，因地制宜提高奶牛糞污污染綜合防治水平。

根據(jù)《中國奶業(yè)年鑒（2019）》，我國奶牛養(yǎng)殖場主要集中在北方地區(qū)，占全國總量的95.00%以上。其中，存欄量排在前6 位的省份包括新疆、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江、山東、河南，約占全國奶牛存欄量的71.00%。通過調(diào)研和文獻(xiàn)分析，奶牛養(yǎng)殖場規(guī)模分為（100～1 000 頭）、中型（1 001～3 000 頭）和大型（3 000 頭以上）3 個區(qū)間[5，6]。近年來，3 000 頭以上的集約化奶牛養(yǎng)殖場數(shù)量增長迅速，加大了糞污區(qū)域處理的難度[7]。國外在養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治研究方面主要針對種養(yǎng)結(jié)合緊密地區(qū)，提出了基于養(yǎng)分循環(huán)的糞污處理方式，如德國科隆大學(xué)、慕尼黑工業(yè)大學(xué)等建立了以土地承載力為基礎(chǔ)的糞污區(qū)域還田應(yīng)用體系[8]，美國建立了針對不同作物生長周期的糞污處理標(biāo)準(zhǔn)化還田方法[9]。國內(nèi)也開展了糞便堆肥、厭氧發(fā)酵和糞水貯存等糞污資源化利用關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化提升，研發(fā)了智能裝備，提高了糞污處理效率，如糞污厭氧發(fā)酵效率普遍提升了80.00%～150.00%，容積產(chǎn)氣率提升到2.0～3.0 m3/m3·d；堆肥周期也普遍縮短了5～10 天[10，11]。另外，2017年國家出臺《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用的意見》（國辦發(fā)〔2017〕48號），明確在加強(qiáng)畜禽糞污資源化利用技術(shù)集成方面支持糞污污染綜合防治和糞污資源化利用工作；“十三五”期間，國家每年出臺政策支持糞污資源化利用整縣推進(jìn)，加強(qiáng)了技術(shù)模式的落地應(yīng)用，也更加強(qiáng)調(diào)成體系的技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境評價。但是，目前國內(nèi)外的研究多集中在糞污處理某個單項(xiàng)環(huán)節(jié)技術(shù)研發(fā)，缺少包含糞污收集、運(yùn)輸、處理及利用等全鏈條技術(shù)集成與模式評價，涉及成套技術(shù)模式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益評價體系也尚不完善，技術(shù)模式未得到進(jìn)一步優(yōu)化，特別是對糞污污染防治技術(shù)模式在全國的適用性無法給予準(zhǔn)確判斷。

因此，本文依據(jù)集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標(biāo)體系[12]，合理確定指標(biāo)權(quán)重，深入研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)環(huán)境特性，科學(xué)劃定評分標(biāo)準(zhǔn)，建立奶牛糞污污染綜合防治評價方法，優(yōu)化凝練技術(shù)模式并開展評價，對“十四五”我國集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治高質(zhì)量發(fā)展提供理論支撐。

1 評價標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建

1.1構(gòu)建方法

本文基于集約化養(yǎng)殖場糞污污染綜合評價指標(biāo)體系[12，13]，邀請技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保領(lǐng)域?qū)＜腋?0名，進(jìn)一步對指標(biāo)間的重要性進(jìn)行科學(xué)性、系統(tǒng)性評價，對分級指標(biāo)相互關(guān)系重要性進(jìn)行判定，為評價指標(biāo)體系賦予權(quán)重，從而確定評分標(biāo)準(zhǔn)。

綜合評價指標(biāo)體系按照層次分析法分為三級，第一級包括技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)3 個指標(biāo)；第二級包括技術(shù)的穩(wěn)定性、技術(shù)的適應(yīng)性、項(xiàng)目成本、經(jīng)濟(jì)效益、資源化利用、污染物排放6 個指標(biāo)；第三級包括技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性、年平均運(yùn)行時間、區(qū)域適應(yīng)性、運(yùn)行管理難易程度、占地面積、工程總投資、運(yùn)行成本、內(nèi)部收益率、投回收期、養(yǎng)分回收利用率、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放15 個指標(biāo)，評價指標(biāo)體系框架如圖1所示。

圖1 集約化畜禽養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)綜合評價指標(biāo)體系[12]

1.2 構(gòu)建原則

1.2.1 賦值原則

對東北、華北、西北地區(qū)3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場開展實(shí)地調(diào)研，采用問卷調(diào)查、專家咨詢、樣本檢測、數(shù)據(jù)分析等方法對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)賦值。其中，技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性、區(qū)域適應(yīng)性、運(yùn)行管理難易程度、占地面積、內(nèi)部收益率等指標(biāo)采用實(shí)地調(diào)研與專家咨詢方法進(jìn)行賦值。本文共調(diào)研北京、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江、山東、河南、新疆等7 ?。ㄊ小^(qū)）60 余家3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場，按照“優(yōu)、良、中、差”四級標(biāo)準(zhǔn)對收集、運(yùn)輸、處理等“全鏈條”環(huán)節(jié)的指標(biāo)進(jìn)行賦值；年平均運(yùn)行時間、工程總投資、運(yùn)行成本等指標(biāo)采用問卷調(diào)查方法，將問卷所得到的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行分檔賦值；投資回收期、養(yǎng)分回收利用率、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放等指標(biāo)采用分析測試等方法賦值。

1.2.2 賦分原則

定性指標(biāo)依據(jù)“優(yōu)、良、中、差”四級標(biāo)準(zhǔn)的賦分范圍，將分?jǐn)?shù)平均賦予四級標(biāo)準(zhǔn)，并分別給予糞污收集、運(yùn)輸、處理環(huán)節(jié)20.00%、30.00%和50.00%的權(quán)重，通過折權(quán)重、加和確定最終賦分結(jié)果。

定量指標(biāo)基于賦值結(jié)構(gòu)，按照數(shù)據(jù)離散程度對數(shù)據(jù)進(jìn)行分檔，檔內(nèi)按數(shù)值上下限線性取分[14，15]，確定賦分。其中，年平均運(yùn)行時間、內(nèi)部收益率、養(yǎng)分回收利用率等3 項(xiàng)指標(biāo)為正向指標(biāo)，賦分結(jié)果與賦值呈正相關(guān)；占地面積、工程總投資、運(yùn)行成本、投資回收期、農(nóng)田消納面積、臭氣排放、固體廢棄物排放、污水排放為負(fù)向指標(biāo)，賦分結(jié)果與賦值呈負(fù)相關(guān)。

結(jié)合定性、定量指標(biāo)的賦分原則，提出評分標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 技術(shù)模式集成

在華北、東北、西北地區(qū)等奶牛養(yǎng)殖優(yōu)勢區(qū)域，分析存欄量3 000 頭以上集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污綜合防治關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)類型，參照已有技術(shù)模式，對集約化奶牛糞污污染綜合防治技術(shù)模式開展“全鏈條”優(yōu)化集成。

1.4 技術(shù)模式評價

根據(jù)構(gòu)建形成的集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)，對集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式進(jìn)行評價，并對集成的技術(shù)模式打分。通過比較技術(shù)模式得分，總結(jié)出適宜華北、東北、西北等地區(qū)的技術(shù)模式。

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)體系權(quán)重

根據(jù)實(shí)地調(diào)研和專家咨詢結(jié)果，確定集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)綜合評價指標(biāo)體系各個指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，技術(shù)指標(biāo)權(quán)重最高，占總權(quán)重的59.36%，是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的2倍、環(huán)境指標(biāo)的4 倍。其中技術(shù)成熟度、技術(shù)可靠性與運(yùn)行管理難易程度權(quán)重較高，對最終的評分結(jié)果具有重要的影響作用。

表1 評價指標(biāo)體系權(quán)重表

2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 賦值結(jié)果

依照賦分原則，將定性指標(biāo)分為“優(yōu)、良、中、差”四個等級，賦值結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，我國北方地區(qū)收集、運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)行管理難易程度較差，賦值結(jié)果以“中、差”為主，只有西北地區(qū)管道運(yùn)輸技術(shù)為“優(yōu)”。而我國北方地區(qū)奶牛糞污收集運(yùn)輸處理利用的技術(shù)成熟度較好，僅東北地區(qū)的運(yùn)輸技術(shù)、處理利用技術(shù)有“差”。技術(shù)可靠性指標(biāo)中，西北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術(shù)與管道運(yùn)輸技術(shù)、華北地區(qū)的刮糞板清糞收集技術(shù)與糞溝運(yùn)輸技術(shù)獲得了“優(yōu)”，處理利用技術(shù)賦值“良、中”分布平均。區(qū)域適應(yīng)性指標(biāo)中，各環(huán)節(jié)“優(yōu)、良、中、差”分布均衡。

表2 奶牛糞污污染防治定性指標(biāo)賦值表

定量指標(biāo)特性如圖2所示。東北地區(qū)冬季溫度較低且時間較長，因此運(yùn)行的時間相對較短，且需添加曝氣及加熱裝置，導(dǎo)致工程投資較高，內(nèi)部收益率較低，凈利潤較少，投資回收期相對較高；華北地區(qū)溫度適宜，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行能力較強(qiáng)，年平均運(yùn)行時間330～365 天，然而華北地區(qū)運(yùn)行時間較長，運(yùn)行能耗較高。厭氧發(fā)酵過程中，而西北地區(qū)工程占地面積較大，設(shè)備投資高于東北和華北地區(qū)，能耗、人工成本以及折舊比華北地區(qū)運(yùn)行成本增加約67.00%。

圖2 奶牛糞污污染防治定量指標(biāo)特性

東北地區(qū)土地肥沃，消納營養(yǎng)豐富的糞水/沼液時單位糞肥還田量較低，所需的農(nóng)田消納面積顯著高于西北和華北地區(qū)，平均達(dá)到9.6 畝/頭，而華北、西北地區(qū)土地承載力相對較高，養(yǎng)分回收率相對較低，農(nóng)田消納面積分別為6.0 畝/頭和4.6 畝/頭。

2.2.2 評分標(biāo)準(zhǔn)確定

對每個賦值范圍進(jìn)行賦分，其中定性指標(biāo)根據(jù)實(shí)際情況在所對應(yīng)的分值區(qū)間內(nèi)選擇分?jǐn)?shù)。集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)

2.3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式

基于集約化養(yǎng)殖場現(xiàn)有的技術(shù)模式，結(jié)合糞污污染綜合防治收集、運(yùn)輸、處理利用等“全鏈條”技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，凝練出6 種技術(shù)模式，如圖3所示。

圖3 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式

“干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”模式具有原料處理量大、厭氧發(fā)酵單位容積產(chǎn)氣效率高和沼渣可直接生產(chǎn)墊料、有機(jī)肥等特點(diǎn)。

“糞污濕發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+糞水儲存還田利用”模式具有糞污一并厭氧發(fā)酵，操作簡單，沼渣營養(yǎng)物質(zhì)含量高和制肥時間短等特點(diǎn)，可把糞污轉(zhuǎn)化為沼氣、有機(jī)肥和墊料進(jìn)行資源化利用。

“干清糞墊料+糞肥農(nóng)田施用”模式墊料生產(chǎn)效率高、腐熟度高、微量元素含量豐富，可以把糞污資源化利用為墊料和有機(jī)肥。

“糞污厭氧發(fā)酵墊料+糞水儲存還田利用”模式具有生產(chǎn)過程產(chǎn)生沼氣可供養(yǎng)殖場內(nèi)部發(fā)電自用、溫室氣體排放減少等特點(diǎn)，可把糞污轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥和墊料進(jìn)行資源化利用。

“干清糞堆肥+全量還田利用”模式具有原料處理量大、容積產(chǎn)氣效率高、沼渣可直接生產(chǎn)墊料、有機(jī)肥等特點(diǎn)。

“糞污儲存+全量還田利用”模式具有糞污處理前期操作簡單、可根據(jù)施肥需要定量生產(chǎn)有機(jī)肥等特點(diǎn)。

2.4 集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治技術(shù)模式評分結(jié)果

東北、西北、華北地區(qū)6 種技術(shù)模式得分情況詳見表4～6。東北地區(qū)最優(yōu)技術(shù)模式為“干清糞堆肥+全量還田利用”模式，最終得分為83.81 分，在6 種模式中具有最高的技術(shù)可靠性；西北地區(qū)最優(yōu)技術(shù)模式為“干清糞堆肥+全量還田利用”模式，其以容易的運(yùn)行管理程度和成熟可靠的技術(shù)等優(yōu)勢最終獲得了93.25 分；“干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”模式在華北地區(qū)具有較好的適應(yīng)性，其運(yùn)行易管理、成熟度高、可靠性好、容易運(yùn)行管理等優(yōu)點(diǎn)在6 個模式中最為凸顯，最終得分為91.18 分。

表4 東北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

綜合分析，以肥料化技術(shù)為核心的模式具有適用地區(qū)廣、糞污污染防治適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于我國北方地區(qū)，更適用于西北地區(qū)，西北地區(qū)的“干清糞堆肥+全量還田利用”模式得到了93.25分。以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的模式顯示出較強(qiáng)的地區(qū)適用性差異，適宜在華北地區(qū)開展，在東北地區(qū)得分僅為華北的30.63%，在西北地區(qū)得分僅為華北的9.53%。以墊料技術(shù)為核心的模式適宜在東北和西北地區(qū)使用，且固液分離更適宜在糞污處理之前進(jìn)行。糞水儲存還田利用不適用于我國北方地區(qū)，在東北、西北、華北三個地區(qū)中評分均較低。

3 結(jié)論

3.1 建立綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)

基于現(xiàn)有的集約化養(yǎng)殖場畜禽糞污處理綜合評價指標(biāo)體系，采用實(shí)地調(diào)研、專家咨詢、數(shù)據(jù)測算、樣品檢測等方式對指標(biāo)進(jìn)行賦值與賦分，構(gòu)建了存欄量3 000 頭以上奶牛養(yǎng)殖場糞污污染綜合防治評分標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 污染防治技術(shù)模式提出

根據(jù)現(xiàn)有大型奶牛養(yǎng)殖場所用技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合不同地區(qū)集約化奶牛養(yǎng)殖場糞污污染防治特性，提出“干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用”“糞污濕發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+糞水儲存還田利用”“干清糞墊料+糞肥農(nóng)田施用”“糞污厭氧發(fā)酵墊料+糞水儲存還田利用”“干清糞堆肥+全量還田利用”“糞污儲存+全量還田”6 種奶牛糞污污染防治技術(shù)模式。

表5 西北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

表6 華北地區(qū)奶牛糞污污染防治技術(shù)模式得分表

3.3 不同地區(qū)適用模式

以肥料化技術(shù)為核心的干清糞堆肥+全量還田利用模式適用于西北地區(qū)耕地面積較大地區(qū)，干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用模式則適用于養(yǎng)殖規(guī)模程度高、集約化奶牛養(yǎng)殖場占比較高的華北地區(qū)。

以厭氧發(fā)酵技術(shù)為核心的模式，特別是干清糞干發(fā)酵氣肥聯(lián)產(chǎn)+沼渣肥農(nóng)田施用技術(shù)模式更適用于華北地區(qū)，其中以濕法厭氧發(fā)酵、糞污儲存為核心的技術(shù)模式不適用于寒冷的東北地區(qū)。