北京市規(guī)?；膛黾S污綜合管理模式分析
——以北京延慶區(qū)大地群生養(yǎng)殖專業(yè)合作社為例

陳春琳，徐永洞，王子涵，耿鐵煥，劉志丹＊

1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

3 北京大地群生養(yǎng)殖專業(yè)合作社，北京 102104

0 引言

北京是中國奶牛養(yǎng)殖的傳統(tǒng)優(yōu)勢區(qū)域之一，也是都市奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的典型代表[1]。近年來，在“疏解北京非首都功能”政策下，北京市奶牛存欄量大幅下降，但也在資金、人才和技術(shù)支持下，奶牛養(yǎng)殖的規(guī)?；潭群湍膛Ｄ陠萎a(chǎn)水平大幅提高。據(jù)調(diào)研，北京現(xiàn)存欄超過100 頭的奶牛奶牛場共49家；據(jù)北京市奶業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，截至2019年12月底，奶牛養(yǎng)殖北京市奶牛存欄5.68 萬頭，其中成母牛存欄3.29 萬頭，年產(chǎn)牛奶26.4 萬噸。

然而，由于北京特殊的政治、文化和經(jīng)濟(jì)特性，北京地區(qū)奶牛養(yǎng)殖業(yè)面臨養(yǎng)殖成本高、環(huán)保壓力大的局面，奶牛的存欄量和原料乳產(chǎn)量在全國地位有所下滑；且隨著規(guī)?；?、集約化奶牛養(yǎng)殖迅速發(fā)展，規(guī)?；膛鰧ΜF(xiàn)代化、智能化、信息化、機(jī)械化融合的精細(xì)化飼養(yǎng)、畜舍管理和糞污管理提出了更高要求。作為國家重點(diǎn)扶持的大城市郊區(qū)乳業(yè)優(yōu)勢發(fā)展地區(qū)，北京地區(qū)奶牛產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對我國其他大城市郊區(qū)乳業(yè)發(fā)展起到引導(dǎo)和推動作用。

北京市延慶區(qū)大地群生養(yǎng)殖專業(yè)合作社（簡稱“大地群生”）是北京郊區(qū)典型的規(guī)?；膛?，本文以該場為例，對其牧場管理、糞污綜合利用及能效管理進(jìn)行分析和討論，以期為京津冀都市型奶牛場管理模式提供參考。

1 大地群生基本情況

大地群生是北京市延慶區(qū)香營鄉(xiāng)孟官屯村一家現(xiàn)代化奶牛場，該場占地110 畝，現(xiàn)存欄奶牛數(shù)量1 145 頭，其中泌乳牛400 頭，干奶牛120 頭，青年牛170 頭，育成牛265 頭，犢牛150 頭，圍產(chǎn)期牛40頭，日產(chǎn)生鮮乳約16 噸。該場共有7 個(gè)牛舍分區(qū)，分設(shè)8 個(gè)運(yùn)動場區(qū)域，如圖1。

圖1 大地群生奶牛場平面圖

2 科學(xué)管理模式

飼養(yǎng)管理和糞污治理是奶牛場科學(xué)管理的重要環(huán)節(jié)，良好的飼養(yǎng)管理模式直接影響奶牛場效益，并對科學(xué)糞污管理具有重要意義。下文將對大地群生部分牛場養(yǎng)殖管理模式進(jìn)行闡述。

2.1 犢牛網(wǎng)箱養(yǎng)殖設(shè)備

犢牛期（0～6月齡）是培育奶牛的關(guān)鍵時(shí)期，又可細(xì)分為初生期（出生～10 天）、哺乳期（初生期后～2月齡）和斷奶期（哺乳期后～6月齡）[2]。犢牛免疫力低下，消化系統(tǒng)發(fā)育不完全，對外界環(huán)境適應(yīng)力差。據(jù)報(bào)道，我國奶牛死亡50.00%～60.00%發(fā)生于犢牛階段[3]，這也說明犢牛的飼養(yǎng)和環(huán)境管理需要更加嚴(yán)格。目前，規(guī)?；膛龅臓倥ｐB(yǎng)殖常采用舍內(nèi)群養(yǎng)、舍內(nèi)單欄飼養(yǎng)和舍外犢牛島飼養(yǎng)[2]。

如圖2，大地群生對犢牛采取舍內(nèi)單欄立體網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式，對于初生期犢牛（出生～10 天），采取舍內(nèi)單欄飼養(yǎng)模式，定時(shí)喂奶，牛舍內(nèi)鋪設(shè)約10 cm厚的干燥墊料，保證牛犢舒適的環(huán)境，如圖2（a）所示。渡過初生期后，犢牛將轉(zhuǎn)移至鏤空網(wǎng)箱（2.0 m×1.2 m×1.5 m）中進(jìn)行單欄飼養(yǎng)，網(wǎng)箱距地面約1.0 m，網(wǎng)箱上、前、后三面采用管材圍擋，下、左、右采用網(wǎng)格式設(shè)計(jì)，如圖2（b）所示。該網(wǎng)箱既保證牛犢頭部可自由出入網(wǎng)箱進(jìn)行飲食活動，也可保證個(gè)體相對獨(dú)立，且其糞尿可通過網(wǎng)箱流至地面，后通過網(wǎng)箱下的刮板清糞進(jìn)行清潔，此模式可有效管理犢牛舍糞污，避免犢牛受到糞污污染，并保證良好的通風(fēng)，大大改善了犢牛生存環(huán)境的衛(wèi)生條件。

圖2 大地群生犢牛養(yǎng)殖設(shè)施模式圖

2.2 運(yùn)動場管理

運(yùn)動場是奶牛運(yùn)動、反芻、休息的場所，是奶牛福利的重要環(huán)節(jié)和奶牛生產(chǎn)力的重要影響因素。據(jù)調(diào)研，大地群生奶牛場不僅為牛舍配置了8 個(gè)對應(yīng)的運(yùn)動場（圖1），保證了充足的運(yùn)動場空間，并且運(yùn)動場全部安裝擋雨棚，配套雨污分離槽，有效避免雨季造成的運(yùn)動場潮濕、積水等問題，便于運(yùn)動場糞污管理；運(yùn)動場均采用硬化地面并鋪設(shè)牛糞再生墊料以提升運(yùn)動場舒適性。此外，運(yùn)動場內(nèi)糞污實(shí)行定期清理和鋪設(shè)新的牛糞再生墊料，確保干凈舒適的運(yùn)動場環(huán)境。

2.3 臭氣治理

奶牛糞污排放量大，在多種微生物作用下釋放出氨氣、硫化氫和甲硫醚等臭味物質(zhì)，且極易滋生蚊蠅，成為奶牛場環(huán)境衛(wèi)生和生物安全的重要隱患。大地群生場內(nèi)雙管齊下，一方面采用生物除臭技術(shù)，防止了臭味物質(zhì)產(chǎn)生和擴(kuò)散以及蚊蠅滋生；另一方面配置了智能霧化除臭設(shè)備，定期噴灑植物型除臭劑以降低場內(nèi)氨氣、硫化氫及糞臭異味，為奶牛場糞污除臭和蚊蠅問題提供示范。

3 廢棄物資源化模式

3.1 墊料化利用

大地群生采用固液分離+好氧發(fā)酵系統(tǒng)處理糞污。奶牛養(yǎng)殖糞尿產(chǎn)生量大，按照大地群生牧場結(jié)構(gòu)，按徐鵬翔等[4]方法進(jìn)行估算，該場年產(chǎn)4 500 噸糞便，1 800 噸尿液，糞尿產(chǎn)生量巨大。同時(shí)，場內(nèi)用于清洗的污水排放量巨大，為畜禽糞污處理增加難度。固液分離是繼堆肥、氧化、厭氧發(fā)酵等方法的畜禽糞污處理替代辦法。

牛床墊料是奶牛場主要的支出項(xiàng)目之一，傳統(tǒng)墊料通常是稻殼、稻草等，在鋪設(shè)過程中容易引起揚(yáng)塵現(xiàn)象并引發(fā)奶牛呼吸道疾??；稻草、稻殼本身吸水性較差，奶牛躺臥潮濕感增加[5]；此類墊料需要在干燥環(huán)境大量儲存，增加了運(yùn)營成本。據(jù)報(bào)道，牛糞再生墊料是良好的傳統(tǒng)墊料替代品：（1）其粒徑分布適合用作墊料（＜1.0 mm占34.81%，1.0～2.0 mm占38.42%，＞2.0 mm占26.77%）；（2）質(zhì)地疏松，持水性強(qiáng)，且經(jīng)再生墊料設(shè)備處理后的牛糞纖維充分軟化，牛床舒適性增加[6]。

大地群生引入了一套螺旋式固液分離+牛糞好氧發(fā)酵牛糞再生墊料系統(tǒng)，如圖3。奶牛養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的糞污進(jìn)入集糞池后，集中提升至固液分離機(jī)中，經(jīng)螺旋擠壓過濾后水分被擠出進(jìn)入糞水池，固體部分則進(jìn)入好氧發(fā)酵裝置中，在較高溫度條件下（55～60 ℃）發(fā)酵，經(jīng)此設(shè)備發(fā)酵后的牛糞可將含水率控制在50.00%以內(nèi)，能夠有效去除常見致病菌如大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌及克雷伯氏菌等。經(jīng)此系統(tǒng)處理，奶牛糞污固體實(shí)現(xiàn)了場內(nèi)循環(huán)利用，糞污處理難度降低，此外，也降低了外購墊料成本。

圖3 大地群生奶牛場糞污資源化利用系統(tǒng)

3.2 還田利用管網(wǎng)系統(tǒng)

北京水資源歷來緊缺，人均水資源占有量僅為全國人均水資源1/7（285 m3），而且降水不均、豐枯交替[7]。而奶牛場用水量大，100 頭奶牛年均用水量約1 825 m3，為人均用水量10.5 倍[8]。因此，通過源頭控制養(yǎng)殖用水和末端資源化利用養(yǎng)殖污水為促進(jìn)科學(xué)用水、增產(chǎn)增收、發(fā)展綠色可持續(xù)奶牛養(yǎng)殖業(yè)具有重要作用。

如圖3，大地群生對場內(nèi)污水精細(xì)管理，分設(shè)了雨水池和糞水池，使用了相互獨(dú)立的雨水和糞污輸運(yùn)管網(wǎng)，用于配套飼料地的灌溉，此模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)了液體糞污和雨水的有效利用，既能減少雨水徑流污染，也能緩解旱季用水緊缺和節(jié)省用水開支。

4 綜合管理全鏈條分析

研究奶牛養(yǎng)殖過程的技術(shù)、相關(guān)農(nóng)業(yè)裝備、配套設(shè)施，進(jìn)行集成示范，提高規(guī)?；膛錾a(chǎn)力和糞污資源化利用率，形成較系統(tǒng)的全產(chǎn)業(yè)鏈養(yǎng)殖和糞污管理體系。本文針對糞污資源化管理、水資源管理和環(huán)境效益進(jìn)行分析。

4.1 糞污資源化管理分析

奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)是重要的面源污染控制對象，糞污處理是其中的重點(diǎn)控制環(huán)節(jié)，牛糞再生墊料模式是資源化處理的重要手段。盡管短期內(nèi)因設(shè)備購置費(fèi)造成成本較高，但從長期發(fā)展的角度看，牛糞再生墊料模式不僅可以推進(jìn)奶牛場糞污無害化處理和資源化利用，長期使用還可以降低奶牛場墊料成本并可期望獲得更高生產(chǎn)力[9，10]。

按大地群生奶牛結(jié)構(gòu)，日產(chǎn)糞尿共約35噸，經(jīng)再生墊料系統(tǒng)處理可滿足場內(nèi)墊料需求[4]。據(jù)目前市場供需關(guān)系，按每天需補(bǔ)充5噸墊料計(jì)，傳統(tǒng)稻殼墊料（市價(jià)420 元/噸）作為墊料每年墊料費(fèi)用約77 萬元，采用牛床再生墊料系統(tǒng)的墊料成本為280 元/噸（啟動成本+運(yùn)行成本），每年費(fèi)用為51 萬元，每年墊料成本可節(jié)省約26 萬元，并大大減輕了糞污處理難度[5，6]。

牛糞墊料化模式實(shí)現(xiàn)了奶牛場糞污產(chǎn)業(yè)化的長期示范和糞污場內(nèi)循環(huán)清潔回用，為推進(jìn)奶牛養(yǎng)殖廢棄物無害化的處理和綜合利用，促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此外，據(jù)《環(huán)境保護(hù)稅法實(shí)施條例》規(guī)定，此模式符合奶牛糞污綜合利用和無害化處理原則，無需繳納環(huán)境保護(hù)稅。

4.2 水耗分析

奶牛養(yǎng)殖業(yè)是高水耗行業(yè)，貫穿飼養(yǎng)、清潔、防疫和動物福利等環(huán)節(jié)，有用量大、季節(jié)性強(qiáng)、功能多、利用效率不高等特點(diǎn)。如圖4，奶牛場用水主要包括奶牛飲水、噴淋用水（夏季）、擠奶廳用水、清潔和消毒用水，其中奶牛飲水消耗最高，其次是擠奶廳清洗用水和噴淋用水（夏季）[11]。此外，高輸入同時(shí)對應(yīng)高輸出，奶牛場污水排放量大、污染性高（N、P含量高），處理不慎將造成嚴(yán)重的面源污染。北京地區(qū)作為奶牛養(yǎng)殖優(yōu)勢區(qū)域，有大量科研機(jī)構(gòu)和資源為依托，同時(shí)作為水資源短缺區(qū)域，應(yīng)該積極探索環(huán)保節(jié)水養(yǎng)殖模式，因地制宜實(shí)行養(yǎng)殖設(shè)施改造和污水分類回收利用，如改善牛場飲水槽設(shè)計(jì)降低飲水浪費(fèi)，改善擠奶廳清洗模式、更換紅外感應(yīng)噴淋裝置等，實(shí)現(xiàn)奶牛場水資源高效利用，為全國發(fā)揮示范作用。

圖4 奶牛場水耗情況

4.3 環(huán)境效益

農(nóng)業(yè)農(nóng)村領(lǐng)域減排固碳既是我國碳達(dá)峰、碳中和的重要組成部分，也是潛力所在。畜牧業(yè)減排是農(nóng)業(yè)減排重要一環(huán)，2018年，中國畜牧業(yè)溫室氣體總排放量0.3 Gt CO2-eq（6.67%來源于奶牛養(yǎng)殖），占農(nóng)業(yè)溫室氣體總排放量46.88%，其中CO2，CH4和N2O是溫室氣體的主要貢獻(xiàn)者[14]。如圖5，奶牛養(yǎng)殖溫室氣體排放主要來自奶牛腸道、糞污和養(yǎng)殖過程中的能源消耗，綜合管理奶牛養(yǎng)殖全過程可以實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)。例如，進(jìn)一步提高規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖程度；在糞污管理過程中縮短糞污貯存時(shí)間并進(jìn)行無害化和資源化處理[15]，進(jìn)行固液分離-好氧發(fā)酵制備牛糞再生墊料[9]，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣[16]，作有機(jī)肥深耕還田[4]等。此外，利用牛場周邊飼料地進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)糞污處理和營養(yǎng)元素回收，也是減少溫室氣體排放的有效手段[17]。未來，在國家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的大背景下，奶牛養(yǎng)殖業(yè)將面臨更加嚴(yán)峻的碳排放挑戰(zhàn)，積極進(jìn)行碳減排從未來碳交易角度來看具有經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 奶牛場溫室氣體排放及減排

5 討論

政策扶持下迅速擴(kuò)張的規(guī)模化養(yǎng)殖提高了奶牛生產(chǎn)力，保障了國內(nèi)奶及奶制品的穩(wěn)定供應(yīng)，但也逐漸暴露出我國奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)在技術(shù)、裝備和管理方面的諸多問題。未來，奶牛養(yǎng)殖必將面臨更為嚴(yán)峻的水、土地和環(huán)境多重挑戰(zhàn)，發(fā)展高水平飼養(yǎng)管理、技術(shù)投入密集、產(chǎn)出效率高且綠色可持續(xù)的規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖業(yè)是必然趨勢。

首先，未來規(guī)模化養(yǎng)殖必定是科技的時(shí)代，行業(yè)從業(yè)者必須更新管理意識，長遠(yuǎn)布局，緊跟行業(yè)變革步伐，引進(jìn)專業(yè)人才、先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，充分利用科技力量。北京具有科研、人才和技術(shù)的先天優(yōu)勢，北京地區(qū)的奶牛養(yǎng)殖企業(yè)更應(yīng)多借助這些力量謀求創(chuàng)新發(fā)展。

規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖應(yīng)尤其注意水耗、能源和糞污問題。水資源短缺是世界共性問題，作為高水耗行業(yè)，如何保證水資源最大化利用是可持續(xù)發(fā)展的必然要求。奶牛飲水和擠奶廳用水是奶牛場用水主要去向，約占80.00%[23]。奶牛飲水因品種、季節(jié)差異較大，夏季飲水較其他季節(jié)最多。犢牛飲水量最少，約7 L/頭·天；泌乳牛飲水最多，約114 L頭·天[24]。而因飲水池造成的奶牛飲水浪費(fèi)達(dá)到10.00%，故合理設(shè)計(jì)飲水池是降低飲水浪費(fèi)的重要措施。夏季的噴淋用水也是重要節(jié)水環(huán)節(jié)，采用紅外感應(yīng)噴淋器可降低50.00%噴淋水耗[12]。擠奶廳用水集中于清洗奶牛乳房、擠奶器、儲奶罐和待擠廳地面，且擠奶廳類型和養(yǎng)殖規(guī)模對此環(huán)節(jié)用水量影響重大，自動擠奶廳可以節(jié)省水耗[11，24]，分類回收擠奶廳清洗用水以及改變儲奶管道和儲奶罐的殺菌方式為高壓蒸汽滅菌都可有效節(jié)水[25]。此外，奶牛糞尿的管理也是水資源再利用的重要環(huán)節(jié)。

規(guī)?；B(yǎng)殖對末端糞污處理提出了更高的要求，不僅需要無害化，還需要資源化、能源化。結(jié)合環(huán)保問題考慮，以就地消納、能量循環(huán)、種養(yǎng)結(jié)合、綜合利用為主線，踐行固液分離-好氧發(fā)酵制備牛糞再生墊料模式、有機(jī)肥還田模式和厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣模式，實(shí)現(xiàn)糞污全量利用。此外，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境增值能源實(shí)驗(yàn)室提出引入快速資源化技術(shù)-水熱技術(shù)參與養(yǎng)殖糞污末端處理，具有以下優(yōu)勢。（1）水熱過程不僅可以破壞絮體結(jié)構(gòu)，減少原料表面親水性官能團(tuán)，促進(jìn)結(jié)合水向自由水的轉(zhuǎn)化，改善畜禽糞便脫水難的問題，還可短時(shí)間內(nèi)殺滅病原菌[21]。（2）糞污水熱轉(zhuǎn)換也是一種有效的碳匯途徑，能夠起到固碳減排的作用。（3）水熱轉(zhuǎn)換工藝是一種不受畜禽糞污含水率制約，全組分轉(zhuǎn)化有機(jī)成分制備高價(jià)值碳、油、水的糞污資源化處理技術(shù)，從三相產(chǎn)物綜合利用角度出發(fā)，可將生物原油提質(zhì)作為燃油的添加劑[21，26]；可開展畜禽糞便水熱炭在土壤改良[27]、固體酸催化劑、多孔炭及電極等領(lǐng)域的前沿研究[27～28]以及開發(fā)水熱水相制作微生物抑菌劑。

北京地區(qū)在資金、技術(shù)和科研上具有獨(dú)特優(yōu)勢，奶業(yè)發(fā)展起步早，近年來受到疏解北京非首都功能影響，其作為都市奶牛養(yǎng)殖的代表性更為突出。借助自身優(yōu)勢，著力開發(fā)和改進(jìn)適合規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的裝備、技術(shù)，如開發(fā)高效臭氣管理技術(shù)、糞肥科學(xué)還田技術(shù)、運(yùn)動場防雨排水技術(shù)，改進(jìn)固液分離和好氧發(fā)酵裝置等，并逐步輻射至京津冀乃至全國各地，解決當(dāng)前奶牛養(yǎng)殖行業(yè)所面臨的生產(chǎn)力和環(huán)境等共性問題。

6 結(jié)論

我國已成為世界第三大產(chǎn)奶國，規(guī)?；膛鍪钱?dāng)前我國生鮮乳商品化生產(chǎn)的主體。提高規(guī)?；膛鼍C合管理能力、改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)和裝備以促進(jìn)奶牛養(yǎng)殖業(yè)高效、綠色、可持續(xù)的發(fā)展是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的持續(xù)要求。大地群生的實(shí)踐為奶牛場現(xiàn)代化管理、分級管理、糞污管理的良好技術(shù)規(guī)范提供了技術(shù)支持，具有一定的借鑒價(jià)值。北京地區(qū)也應(yīng)借助自身資源優(yōu)勢，在技術(shù)、裝備和管理上做出示范，并逐步帶動京津冀地區(qū)乃至更廣泛范圍。