規(guī)模豬場(chǎng)排污系數(shù)研究

張 磊，姜樹林，婁 薇，徐桂花，陳海洪，李翔宏*，余華陽(yáng)*，吳志堅(jiān)，張國(guó)生，饒 輝，付師一，汪 江

（1.江西省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，江西 南昌 330046；2.江西生物科技職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330200）

我國(guó)是世界畜禽第一生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，生豬產(chǎn)業(yè)是我國(guó)畜牧業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)，生豬養(yǎng)殖量占世界總量的50%［1］。江西省是生豬養(yǎng)殖大省，生豬產(chǎn)業(yè)在畜牧業(yè)產(chǎn)值中占有重要的比重，2021年全省生豬出欄2910萬(wàn)頭，出欄量位列全國(guó)第10位。伴隨規(guī)?；B(yǎng)殖的快速發(fā)展，規(guī)模豬場(chǎng)糞污產(chǎn)生量占比越來(lái)越大，生豬排泄物的處理難度加大［2］，糞污因其自身特性而無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，農(nóng)田消納成為處理畜禽糞污的主要途徑［3］。部分地區(qū)糞污產(chǎn)出量過大導(dǎo)致區(qū)域土地難以實(shí)現(xiàn)種養(yǎng)平衡，對(duì)區(qū)域環(huán)境的影響也日益凸顯［4］。而畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)排污系數(shù)是科學(xué)評(píng)估和預(yù)測(cè)污染物排放總量的重要基礎(chǔ)，因此，在區(qū)域內(nèi)開展生豬排污系數(shù)研究對(duì)于核算該區(qū)域內(nèi)生豬污染物排放量、研究污染物排放規(guī)律、合理利用糞肥資源和優(yōu)化養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)等有著重要意義。

在國(guó)外，日本、丹麥等國(guó)頒布和制定了比較全面的畜禽產(chǎn)排污系數(shù)［5-6］。我國(guó)2008年開展了第一次全國(guó)污染源普查，據(jù)《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》表明農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為我國(guó)的主要污染源，畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、TN和TP的年排放量分別占全國(guó)污染物排放總量的41.87%、21.67%和37.90%，現(xiàn)為農(nóng)業(yè)源污染的重要組成部分［7］。至此，我國(guó)開始將畜禽養(yǎng)殖業(yè)納入核算體系，何志華等［8-11］在畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)方面分別進(jìn)行了不同方面的研究，還有一些學(xué)者研究提出了畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)的定義與計(jì)算方法，并結(jié)合影響畜禽產(chǎn)排污系數(shù)的主要因素構(gòu)建產(chǎn)排污系數(shù)核算體系［12-16］，發(fā)布了《畜禽養(yǎng)殖業(yè)源產(chǎn)排污系數(shù)測(cè)算實(shí)施方案》，規(guī)范了畜禽養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)排污系數(shù)測(cè)算方法［17］。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，我國(guó)部分省區(qū)已有生豬產(chǎn)排污系數(shù)的研究成果，但由于我國(guó)地域廣闊，南北方地質(zhì)條件、氣候差異較大，降水兩極分化，畜禽生產(chǎn)管理方式也不盡相同等原因，各區(qū)域的產(chǎn)排污系數(shù)差異很大［18］，因此區(qū)域外產(chǎn)排污系數(shù)對(duì)江西規(guī)模豬場(chǎng)產(chǎn)排污系數(shù)的參考作用有限，且目前有關(guān)江西規(guī)模豬場(chǎng)排污系數(shù)研究較少。為此，本研究旨在通過對(duì)規(guī)模豬場(chǎng)產(chǎn)生的糞污及其處理效果進(jìn)行周年四季定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，獲取規(guī)模豬場(chǎng)的排污系數(shù)，為江西乃至國(guó)家科學(xué)測(cè)算畜牧業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖場(chǎng)概況

研究區(qū)域?yàn)榻餍陆▍^(qū)某規(guī)模生豬養(yǎng)殖場(chǎng)，該場(chǎng)清糞方式以人工干精糞為主，糞便通過收集自然堆漚發(fā)酵后用作農(nóng)家肥，再用于周邊作物種植；污水通過專用管網(wǎng)進(jìn)入處理系統(tǒng)，采用“升流式固體厭氧反應(yīng)器(Upflow Solid Reactor，USR)+厭氧/好氧(Anoxic/Oxic，A/O)+膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactor，MBR)”組合工藝模式進(jìn)行處理后，約30%處理后水用于農(nóng)作物澆灌，其余約70%的水可達(dá)標(biāo)排放。

1.2 研究?jī)?nèi)容與方法

1.2.1 排污系數(shù)定義排污系數(shù)是指在測(cè)定產(chǎn)污系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過綜合糞便收集率、收集糞便利用率、污水處理效率、污水利用率計(jì)算而獲得。糞便收集率是指糞便收集量占豬只實(shí)際產(chǎn)糞量的比值，其中實(shí)際產(chǎn)糞量是通過產(chǎn)污系數(shù)試驗(yàn)測(cè)定獲得；糞便收集量是在該試驗(yàn)場(chǎng)正常飼養(yǎng)條件下，從試驗(yàn)豬同一批豬舍中，選擇稱量5個(gè)由飼養(yǎng)員按照正常人工干清糞方式收集起來(lái)的欄舍糞便量獲得。收集糞便利用率是糞便利用總量占糞便收集量的比值。污水處理效率是污染物處理后與處理前指標(biāo)值的比值，各指標(biāo)值通過在處理系統(tǒng)進(jìn)口和出水口取樣測(cè)定分析獲得。污水利用率是污水利用量與產(chǎn)生量的比值，污水產(chǎn)生量和利用量通過在進(jìn)水口和排水口安裝流量計(jì)測(cè)定而得。

1.2.2 測(cè)定方法試驗(yàn)在春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)開展，每個(gè)季節(jié)連續(xù)采樣3 d，采用周年監(jiān)測(cè)的方法對(duì)規(guī)模豬場(chǎng)保育豬、育肥豬、母豬3個(gè)飼養(yǎng)階段生豬產(chǎn)生的糞便、尿液進(jìn)行全量收集；對(duì)不同工藝處理的糞便和污水進(jìn)行取樣，測(cè)定其相關(guān)特性參數(shù)；在污水進(jìn)水口和排水口安裝流量計(jì)，用于每天定時(shí)讀取污水的產(chǎn)生量和排出量。

1.3 采樣和檢測(cè)

1.3.1 糞便對(duì)當(dāng)天收集的鮮糞和堆積的發(fā)酵糞分別進(jìn)行采樣，采樣點(diǎn)由底部自下而上每20 cm取樣500 g，裝入樣品混合盆中，混勻后采用四分法采樣500 g。每次采3個(gè)樣品，其中1份樣品不進(jìn)行預(yù)處理，直接用于含水率的測(cè)定，另外2份樣品按照每100 g添加4.5 mol/L硫酸10 mL進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固定處理，一份用于檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)，一份留樣。樣品采集后填寫好樣品標(biāo)簽信息，用保溫樣品箱加冰袋保存并及時(shí)送檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。

1.3.2 污水在污水處理區(qū)分別對(duì)固液分離、USR、A/O和MBR各級(jí)工藝處理后出水進(jìn)行采樣，用采樣器每次取3次污水樣進(jìn)行混勻，混勻后取出500 mL污水用50%硫酸調(diào)節(jié)pH值至2以下，樣品采集后填寫樣品標(biāo)簽信息，并送檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。

1.3.3 檢測(cè)指標(biāo)和方法糞便、尿液、污水檢測(cè)指標(biāo)及檢測(cè)方法見表1。

表1 糞樣的檢測(cè)指標(biāo)、檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)號(hào)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)測(cè)定獲得的數(shù)據(jù)運(yùn)用Excel 2007軟件進(jìn)行整理，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行顯著性分析，數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

1.5 排污系數(shù)計(jì)算

排污系數(shù)是指在正常生產(chǎn)和管理?xiàng)l件下，單個(gè)畜禽每天產(chǎn)生的原始污染物經(jīng)處理設(shè)施消減或利用后，或未經(jīng)處理或利用而直接排放到環(huán)境中的污染物量。其計(jì)算公式為：

其中：FD(j,k)為第j階段每頭生豬第k種污染物的排污系數(shù)(mg/d)；QFj為第j階段每頭生豬糞便產(chǎn)生量(kg/d)；CF(j,k)為第j階段每頭生豬糞便中第k種污染物的濃度(mg/kg)；ηF為糞便收集率(%)；QUj為第j階段每頭生豬尿液產(chǎn)生量(L/d)；CU(j,k)為第j階段每頭生豬尿液中第k種污染物的濃度(mg/L)；η(T,k)為尿液與未收集糞便共同形成的污水中第k種污染物的處理效率(%)；ηW為尿液與未收集糞便共同形成的污水的利用率(%)；ηU為糞便利用率(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)的糞便產(chǎn)生量及有關(guān)污染物濃度

生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)的糞便產(chǎn)生量及TN、TP、NH3-N含量見表2。保育豬產(chǎn)糞量秋、春季間差異不顯著，但兩者均顯著高于夏、冬季的，且夏、冬季間無(wú)顯著差異；保育豬糞便的TN含量在夏、秋、冬各季節(jié)間差異均不顯著，但三者均顯著高于春季的；其TP含量以冬季的最高，但與秋季的差異不顯著，冬、秋季的顯著高于夏季的，夏季的顯著高于春季的；其NH3-N含量在冬、秋、春季節(jié)間差異不顯著，但冬、秋季的均顯著高于夏季的，春季的與夏季的差異不顯著。育肥豬產(chǎn)糞量秋季的顯著高于夏季的，其他各季節(jié)間差異均不顯著；育肥豬糞便的TN含量以秋季的最高，顯著高于夏、冬、春3個(gè)季節(jié)的，且此3個(gè)季節(jié)間差異不顯著；其TP含量以秋季的最高，但與冬季的差異不顯著，秋、冬季的均顯著高于夏季的，夏季的顯著高于春季的；其NH3-N含量以秋季的最高，顯著高于冬、春、夏季的，冬、春季節(jié)間差異不顯著，但兩者均顯著高于夏季的。母豬產(chǎn)糞量以冬季的最高，但與春季的差異不顯著，冬、春季的均顯著高于秋季的，秋季的顯著高于夏季的；其TN含量各季節(jié)間無(wú)顯著差異；其TP含量以秋季的最高，顯著高于冬季的，冬季的顯著春季的，春季的顯著高于夏季的；其NH3-N含量以秋季的最高，顯著高于冬季的，冬季的顯著高于春、夏季的，春、夏季間差異不顯著。保育豬、育肥豬、母豬糞便產(chǎn)生量均值分別為0.65、1.31、1.91 kg/(頭·d)；TN含量均值分別為4.22%、3.73%、2.37%，TP含量均值分別為3.95%、4.00%、5.25%，NH3-N含量均值分別為0.65%、0.60%、0.39%。

表2 生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)的產(chǎn)糞量及各項(xiàng)指標(biāo)值

2.2 生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)的糞便收集率

生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)的糞便收集率見表3。保育豬、育肥豬、母豬糞便收集率年均值分別為 96.4%、98.1%、98.6%，少量糞便因在收集過程中受供試豬、收集器具及人為等因素的影響而造成了損失。

表3 生豬不同飼養(yǎng)階段每頭的糞便收集率 %

2.3 生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)尿液產(chǎn)生量及污水中污染物含量

生豬不同飼養(yǎng)階段不同季節(jié)尿液產(chǎn)生量及污水中COD、TN、TP、NH3-N含量見表4。保育豬產(chǎn)尿量以冬季最高，顯著高于夏、春季的，夏、春季間差異不顯著，但兩者均顯著高于秋季的；保育豬尿液中COD含量冬季顯著高于秋、夏季的，秋、夏季間差異不顯著，但兩者均顯著高于春季的；其NH3-N含量以春季的最高，顯著高于夏、冬、秋這3個(gè)季節(jié)的，夏、冬、秋季間差異不顯著；其TN含量以冬季的最高，但與春季的差異不顯著，顯著高于夏、秋季的，春季與夏季的差異不顯著，但顯著高于秋季的，夏季與秋季間差異不顯著；其TP含量春、秋季間差異不顯著，但均顯著高于冬、夏季，冬季與夏季間差異不顯著。育肥豬產(chǎn)尿量在冬、夏、春季間差異不顯著，但三者均顯著高于秋季的；育肥豬尿液中COD含量在冬、春、秋季間差異不顯著，但冬、春季的顯著高于夏季的，秋、夏季間差異不顯著；其NH3-N含量以夏季的最高，顯著高于春季的，春季的顯著高于秋季的，秋季的顯著高于冬季的；其TN含量春季的顯著高于秋季的，其他各季節(jié)間差異均不顯著；其TP含量以冬季的最高，顯著高于秋季的，秋季的顯著高于春、夏季的，春季與夏季間差異不顯著。母豬產(chǎn)尿量以冬季的最高，但與夏季的差異不顯著，顯著高于春季的，夏季與春季間差異不顯著，但顯著高于秋季的；母豬尿液中COD含量以春季的最高，顯著高于冬季的，冬季的顯著高于秋季的，秋季的顯著高于夏季的；其NH3-N含量以夏季的最高，顯著高于秋季的，秋季的顯著高于春季的，春季的顯著高于冬季的；其TN含量以春季的最高，顯著高于秋、冬季的，秋、冬季間差異不顯著，但秋、冬季的均顯著高于夏季的；其TP含量在秋、冬、春季間差異不顯著，但三者均顯著高于夏季的。保育豬、育肥豬、母豬尿液產(chǎn)生量均值分別為1.93、3.74、5.21 L/(頭·d)；COD含量均值分別為13843.33、12955.50、11275.17 mg/L，TN含量均值分別為4020.10、8355.67、5987.33 mg/L，TP含量的均值分別為73.47、154.55、207.15 mg/L，NH3-N含量的均值分別為1367.30、3642.73、1320.70 mg/L。

表4 生豬不同季節(jié)不同飼養(yǎng)階段的尿液產(chǎn)量及各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)值

2.4 污水處理效率

不同的處理工藝對(duì)污水中的污染物去除效果不同，致使污水處理效率也不一樣。本研究中污水經(jīng)USR+A/O、USR+A/O+MBR模式處理后各有關(guān)污染物指標(biāo)值變化及處理效率分別見表5、表6。經(jīng)USR+A/O組合工藝處理后，水中COD、NH3-N、TN、TP處理效率分別達(dá)到了66.10%、56.65%、48.18%、47.27%。再經(jīng)MBR處理后，水中COD、NH3-N、TN、TP含 量 均 值 分 別 為386.06、70.89、493.53、7.61 mg/L，處理效率分別達(dá)到了95.40%、91.41%、72.73%、95.89%。因此，該規(guī)模豬場(chǎng)污水采用USR+A/O+MBR組合工藝進(jìn)行處理后，污染物總體處理效率高，出水水質(zhì)能達(dá)到集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)水污染的最高允許排放標(biāo)準(zhǔn)。

表5 經(jīng)處理工藝后污水中污染物的濃度指標(biāo)值 mg/L

表6 各級(jí)處理工藝的污水污染物處理效率 %

2.5 排污系數(shù)

糞污排出養(yǎng)殖場(chǎng)區(qū)邊界即認(rèn)定為排放。本試驗(yàn)固體糞便經(jīng)自然堆積發(fā)酵后用于周邊作物種植，固體糞便利用率為100%；考慮到養(yǎng)殖場(chǎng)污水處理工藝的實(shí)際情況，并進(jìn)行比較分析，本案例污水處理分USR+A/O（模式1）和USR+A/O+MBR（模式2）2種方式，處理后均按約70%外排進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)排污系數(shù)計(jì)算公式和方法，得到養(yǎng)殖場(chǎng)生豬不同飼養(yǎng)階段的排污系數(shù)（表7）。由表7可知，模式1中的排污系數(shù)均大于模式2的，說(shuō)明不同污水處理工藝對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)的排污系數(shù)影響較大，處理效率越高，排污系數(shù)就越小。

3 討論

排污系數(shù)與該區(qū)域糞污的處理工藝如清糞方式、污水處理工藝和糞便污水利用情況等有直接關(guān)系，各養(yǎng)殖場(chǎng)的糞污處理工藝不同，測(cè)得的排放系數(shù)差異也較大［14］。本研究基于USR+A/O+MBR組合工藝處理污水的規(guī)模豬場(chǎng)，分別測(cè)算了USR+A/O和USR+A/O+MBR這2種模式不同污水處理工藝模式的排污系數(shù)，為管理部門和生豬規(guī)模養(yǎng)殖戶選用或改進(jìn)糞污處理利用工藝模式提供參考和借鑒。

由表7可以看出，本研究中保育豬、育肥豬、母豬COD的排污系數(shù)模式1和模式2均低于《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》（以下簡(jiǎn)稱《一污普》）中華東區(qū)域生豬的排污系數(shù)。污水經(jīng)模式2處理后，保育豬、育肥豬、母豬TN排污系數(shù)為《一污普》中華東區(qū)域的1.76、2.20、1.01倍；保育豬、育肥豬、母豬TP排污系數(shù)為《一污普》中華東區(qū)域的2.31、3.34、2.90倍；《一污普》中未涉及NH3-N產(chǎn)生量的內(nèi)容。這與董紅敏等［12］所得的北京市某豬場(chǎng)不同階段生豬的排污系數(shù)TN、TP的產(chǎn)生量高于《一污普》中TN、TP產(chǎn)生量的結(jié)論相符合。隋超等［9］得出山西晉中某規(guī)模豬場(chǎng)保育豬、育肥豬、母豬TN排污系數(shù)為《一污普》中華北地區(qū)的1.05、1.67、1.16倍，TP排污系數(shù)為《一污普》中華北地區(qū)的2.67、3.15、2.70倍，這與本研究中TN、TP倍數(shù)關(guān)系結(jié)論相接近。

表7 生豬不同飼養(yǎng)階段不同管理模式的排污系數(shù) g/(頭·d)

本研究中TN、TP的產(chǎn)生量遠(yuǎn)高于《一污普》中華東地區(qū)的檢測(cè)結(jié)果，這可能與《一污普》數(shù)據(jù)測(cè)定樣本采集時(shí)間為2008年，而當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)方式較為粗放有關(guān)。近年來(lái)江西規(guī)模豬場(chǎng)多采用高床節(jié)水養(yǎng)殖模式，污水實(shí)現(xiàn)了雨污分流、固液分離、飲污分離，從源頭減少了COD的產(chǎn)生量，從而降低了COD的排污系數(shù)；TN、TP的排污系數(shù)高于《一污普》中的系數(shù)，這可能與飼養(yǎng)品種、飼養(yǎng)方式的改變及飼料配比中N、P元素含量有關(guān)。同時(shí)，不同區(qū)域因采樣處理措施、污水處理工藝不同，區(qū)域間排污系數(shù)差異也會(huì)較大。

豬糞污中N、P含量較高，糞污產(chǎn)生的過量N已經(jīng)成為影響大氣、水體、土壤質(zhì)量的主要污染源［20］，其會(huì)導(dǎo)致光化學(xué)空氣污染，使可見度降低，導(dǎo)致同溫層臭氧損耗，產(chǎn)生酸雨和全球變暖等危害［21］。P是畜禽糞便中的重要養(yǎng)分，也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因子之一。有研究表明，當(dāng)P在水體的濃度為30 g/L時(shí)，藻類將急劇繁殖，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化［22-24］。污水處理方式的不同會(huì)導(dǎo)致其養(yǎng)分含量差異性較大，經(jīng)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的沉淀處理后水體養(yǎng)分含量相對(duì)較高，經(jīng)工業(yè)化處理后的終端污水則清潔度較高，其中的各種污染物的檢出率較低［15］。本研究結(jié)果與之基本一致，污水經(jīng)過模式1處理后，COD、NH3-N、TN、TP的去除率分別為66.10%、56.65%、48.18%、47.27%；污水經(jīng)過模式2處理后，COD、NH3-N、TN、TP的去除率分別為95.40%、91.41%、72.73%、95.89%。經(jīng)USR+A/O+MBR模式處理后得到的排污系數(shù)遠(yuǎn)低于USR+A/O模式的排污系數(shù)，說(shuō)明USR+A/O+MBR模式的處理效率更高。因此，建議規(guī)?；i場(chǎng)若周邊未配備足夠的土地消納污水，應(yīng)采用更加潔凈的污水處理方式，提高污水處理效率，減輕環(huán)境壓力。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)采用USR+A/O+MBR組合工藝處理污水模式的規(guī)模豬場(chǎng)糞污特性參數(shù)監(jiān)測(cè)，測(cè)算其2種不同組合處理工藝情況下的排污系數(shù)為：經(jīng)USR+A/O+MBR工藝處理模式的每頭保育豬、育肥豬和母豬3個(gè)階段的排放系數(shù)COD分別為0.87、1.57、1.89 g/(頭·d)，TN分別為6.71、15.46、14.38 g/(頭·d)，NH3-N分 別 為0.41、1.32、0.87 g/(頭·d)，TP分別為0.74、1.57、2.96 g/(頭·d)；經(jīng)USR+A/O工藝處理模式的每頭保育豬、育肥豬和母豬3個(gè)階段的排放系數(shù)COD分別為6.43、11.54、13.90 g/(頭·d)，TN分別為12.76、29.37、27.33 g/(頭·d)，NH3-N分別為2.26、7.28、4.81 g/(頭·d)，TP分別為9.48、20.09、38.00 g/(頭·d)。上述研究結(jié)果可為估算江西規(guī)模豬場(chǎng)糞污的產(chǎn)生量提供參考依據(jù)。