奶牛糞污資源化利用模式推廣

高 雁，曾 軍，霍向東，孫 建，李鳳鳴，劉建成，陳開旭，林 青

1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所/新疆特殊環(huán)境微生物實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830091

2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830011

0 引言

奶牛糞污是指奶牛場產(chǎn)生的廢水和固體糞便的總稱[1]。隨著我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；?、集約化發(fā)展，奶牛場所產(chǎn)生的有機(jī)固體廢棄物、臭氣、高濃度有機(jī)廢水量也在逐漸增加[2]。奶牛糞污與生豬和家禽排泄的糞污相比，排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于豬和雞，平均可產(chǎn)生糞污60～95 kg/頭·天，是生豬糞污排放量的13.47 倍[3]；以每頭奶牛日產(chǎn)尿15 kg、糞33 kg來計(jì)算，其每天的污水產(chǎn)量達(dá)100 kg[4]，對(duì)自然環(huán)境造成巨大危害。奶牛糞污中富含粗纖維，合理處理不但可以作為牛床墊料回用，也是一種利用價(jià)值較高的資源。另外，在國家“碳減排，碳中和”政策的強(qiáng)勁推動(dòng)下，各地區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局都在積極引導(dǎo)當(dāng)?shù)剞r(nóng)企業(yè)開展一系列的雙碳減排措施，探索出一條低碳生態(tài)養(yǎng)殖的發(fā)展道路。為此，本文對(duì)奶牛場糞污資源化利用模式進(jìn)行歸納總結(jié)，為合理利用奶牛糞污，保護(hù)環(huán)境提供參考。

1 奶牛糞污的危害與利用價(jià)值

1.1 對(duì)自然環(huán)境的污染

1.1.1 對(duì)大氣的污染

奶牛在養(yǎng)殖過程中，其排泄物在貯存過程中，會(huì)排放和散發(fā)出許多有害氣體?；趷撼粑廴九欧艠?biāo)準(zhǔn)和惡臭物質(zhì)氣味活度值，氣相色譜-質(zhì)譜法分析得出氨氣、硫化氫、甲硫醚是其排泄的主要致臭物質(zhì)[5]，這些物質(zhì)不僅會(huì)降低養(yǎng)殖場及周邊環(huán)境的空氣質(zhì)量，還會(huì)引發(fā)臭氣污染，促進(jìn)全球變暖[6]。

1.1.2 對(duì)土壤環(huán)境的污染

從奶牛糞污的化學(xué)成分來分析，糞污中除了含有豐富的有機(jī)質(zhì)外，還含有（40±10）%的木質(zhì)素、纖維素[7]以及金屬離子和細(xì)菌、病毒、寄生蟲等病原體。若直接倒入田間或土壤內(nèi)，奶牛糞污會(huì)影響土質(zhì)，破壞土壤環(huán)境，進(jìn)而造成農(nóng)作物減產(chǎn)，品質(zhì)降低，而某些病原體可在土壤中存活較長時(shí)間，會(huì)影響土壤菌群豐度或數(shù)量，進(jìn)而改變土壤正常功能。

1.1.3 對(duì)水質(zhì)環(huán)境的污染

奶牛糞污中污水含量較多，若直接排入到地表或地下水內(nèi)，污水中富含的氮、磷等元素可直接增加水體濃度，造成地下水參數(shù)超標(biāo)，影響地下水質(zhì)量。若奶牛糞污直接排向河流，會(huì)導(dǎo)致其中的懸浮物增多，若水體中的磷含量超過0.2 mg/L則易引發(fā)藻類過度繁殖[8]，進(jìn)而破壞河流內(nèi)的生態(tài)環(huán)境。

1.2 奶牛糞污的利用價(jià)值

1.2.1 肥料價(jià)值

奶牛糞污富含營養(yǎng)物質(zhì)，是農(nóng)作物種植所需的天然肥料。飼料中的養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)分別以80%和40%的糞污形式排出；氮、磷、鉀分別以75%、80%、85%的糞污形式排出；若飼喂量充足的牛場，其糞污中的營養(yǎng)價(jià)值含量更高[9]。若將牛糞和玉米秸稈以2∶3比例混合，堆肥發(fā)酵第三天可升溫達(dá)55 ℃，且該溫度能持續(xù)23 天，發(fā)酵過程中最高溫度可達(dá)69.7 ℃[10]。持續(xù)的高溫可殺滅其中的病原體，堆肥發(fā)酵制成的有機(jī)肥，可以與少量化學(xué)肥料配合使用，作為農(nóng)作物播前整地的基肥。這種有機(jī)、無機(jī)配施體系可以提高土壤微生物的固氮能力、氮素水平和化肥氮的利用率[11]。而從農(nóng)作物和植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收來講，奶牛液體糞污的營養(yǎng)成分吸收水平要高于固體糞污，因此奶牛場合理的保存奶牛尿液也是提高肥料利用效率的途徑之一。

1.2.2 飼料價(jià)值

奶牛糞便中氮元素主要以蛋白和非蛋白形式存在，含量較高；灰分、纖維素含量也較高，還有許多在奶牛消化系統(tǒng)中合成的維生素，因此，奶牛糞便回收和合理加工，可以作為動(dòng)物飼料，如將牛糞和乳酸菌、地衣芽孢桿菌、酵母菌混合，在發(fā)酵池內(nèi)密封發(fā)酵（夏季3～7 天，冬季10～15 天）并精加工制成的魚蝦和禽鳥等動(dòng)物飼料[12]，可以降低動(dòng)物養(yǎng)殖成本，并實(shí)現(xiàn)奶牛糞便的循環(huán)利用。

1.2.3 能源價(jià)值

奶牛糞污的能源利用應(yīng)用較早，如牛糞發(fā)酵過程中可產(chǎn)生甲烷用于家庭取暖。由于奶牛糞污發(fā)酵過程產(chǎn)生的甲烷氣體是一種“綠色天然氣”，合理利用不僅滿足家庭天然氣的使用，還能作為再生資源為熱電廠提供豐富的電能、熱能。如現(xiàn)代牧業(yè)集團(tuán)利用牛糞尿進(jìn)行沼氣發(fā)電，年產(chǎn)沼氣發(fā)電量達(dá)4 300 萬度，占全年總用電量35%以上。

2 奶牛場糞污資源化利用模式

2.1 糞污全量收集還田利用模式

2.1.1 模式介紹

糞污全量收集還田利用模式是一種主要針對(duì)農(nóng)田利用的糞污處理方式，即將奶牛場養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的尿液、糞便和生產(chǎn)中的污水進(jìn)行全部統(tǒng)一收集，然后通過管道流入到氧化塘內(nèi)，這些糞污在氧化塘經(jīng)過貯存和處理，可以將其中的液體糞肥作為農(nóng)田水肥一體化的肥料，還可以通過糞肥撒播機(jī)進(jìn)行高效還田[13]。奶牛糞污的氧化塘有兩種類型，分別為敞開式和覆膜式，處理后的糞污可與吸納環(huán)節(jié)進(jìn)行下一步對(duì)接。

2.1.2 模式優(yōu)點(diǎn)

一是成本低。奶牛糞污的收集、處理操作便利，奶牛場只需要配備自動(dòng)刮糞回沖工藝即可完成糞便的收集。同時(shí)氧化塘的建造成本較低，奶牛通過自然氧化所耗費(fèi)的費(fèi)用更低。二是養(yǎng)分利用含量高。糞污全量收集還田利用模式是將奶牛養(yǎng)殖中的所有糞尿和污水進(jìn)行全量收集，所有養(yǎng)分均在氧化塘內(nèi)，因此可利用的養(yǎng)分含量高。

2.1.3 模式缺點(diǎn)

一是周期長，占地面積大。該模式下糞污的貯存時(shí)間至少為6 個(gè)月，因此氧化塘的面積要足夠大才能保障奶牛糞污的收集，這就需要奶牛場建址和布局時(shí)保留足夠的土地面積用于建設(shè)氧化塘。二是需要專業(yè)設(shè)備。該模式需要配備專業(yè)的攪拌機(jī)、農(nóng)田管網(wǎng)、糞肥播灑機(jī)及配套機(jī)械設(shè)備，且農(nóng)田距離氧化塘的距離不能太遠(yuǎn)，以防增加額外的肥料運(yùn)輸費(fèi)用。

2.1.4 適用范圍

奶牛場糞污的總固體含量低于15%，奶牛場的糞污處理裝置為自動(dòng)刮糞回沖工藝，奶牛場周邊具有足夠面積的農(nóng)田。

2.2 糞污專業(yè)化能源利用模式

2.2.1 模式介紹

糞污專業(yè)化能源利用模式是一種能源可再生的處理方式，即規(guī)?；膛龌蛐^(qū)借助專門的糞污處理廠或企業(yè)，對(duì)奶牛糞污進(jìn)行統(tǒng)一收集，利用糞污處理廠的沼氣生產(chǎn)設(shè)備對(duì)糞污進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生沼氣、沼渣、沼液分別進(jìn)行專業(yè)化利用[14]。其中沼氣可以作為發(fā)電、生物天然氣原料；沼渣可用于生產(chǎn)有機(jī)肥；沼液可制成水溶肥或就近還田利用，未利用的沼液通過深度處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.2.2 模式優(yōu)點(diǎn)

一是運(yùn)行效率高。由于該模式借助專業(yè)的糞污處理企業(yè)進(jìn)行糞污的統(tǒng)一收集、集中處理，其專業(yè)化程度高，中小規(guī)模奶牛場可不再配套專業(yè)的糞污處理設(shè)施。二是能源化利用率高。可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，如果年發(fā)電量高，可獲得較為可觀的收入。

2.2.3 模式缺點(diǎn)

糞污專業(yè)化能源利用模式的前期投資和后期處理成本較高。前期需要糞污處理企業(yè)具備或投資建設(shè)大型的沼氣工程；后期由于沼液產(chǎn)量豐富，需要安裝專業(yè)且數(shù)量足夠的沼氣發(fā)電機(jī)組，以保障實(shí)現(xiàn)后期的上網(wǎng)發(fā)電。

2.2.4 適用范圍

大型規(guī)模奶牛場且具備沼氣發(fā)電上網(wǎng)或生物天然氣進(jìn)入管網(wǎng)條件的糞污處理企業(yè)。同時(shí)由于該模式一次性投資較高，需要政府給予資金支持。

2.3 糞便墊料回用模式

2.3.1 模式介紹

由于奶牛糞便富含粗纖維，奶牛場通過自動(dòng)刮糞板清理糞便，由地下糞污輸送溝將奶牛糞污統(tǒng)一收集到糞污貯存池或氧化塘內(nèi)，通過固液分離系統(tǒng)將固體糞便進(jìn)行好氧發(fā)酵，其可以作為奶牛養(yǎng)殖中的牛床墊料，而固液分離系統(tǒng)處理后的污水則在氧化塘內(nèi)進(jìn)行貯存，作為農(nóng)田作物灌溉施加水肥。

2.3.2 模式優(yōu)點(diǎn)

一是減少糞污后續(xù)處理難度。該模式生產(chǎn)的牛床墊料主要原料為牛糞，替代了先前的沙子、土塊等，減少了后續(xù)輸送的管道堵塞，也不易在貯液池底部沉積，減少了后期管道清理次數(shù)。二是節(jié)省牛床墊料費(fèi)用。固液分離系統(tǒng)處理后的牛糞一般經(jīng)過20 h左右的好氧發(fā)酵即可出料制成牛床墊料，生產(chǎn)速度快，墊料費(fèi)用低。三是墊料舒適度高。牛糞制成的墊料質(zhì)地柔軟，比橡膠墊料的舒適性高。牛糞臥床墊料厚度為15～20 cm，一般每周增加1 次，以保障牛糞墊料的厚度增加舒適度；若墊料上的糞污較多則需要及時(shí)更換[15]。

2.3.3 模式缺點(diǎn)

雖然發(fā)酵過程中的高溫處理可以殺滅牛糞中的多數(shù)病原微生物，但若不徹底，奶牛在接觸過程也可能會(huì)出現(xiàn)病菌感染癥狀。

2.3.4 適用范圍

具有一定規(guī)模的奶牛場；奶牛場糞污處理系統(tǒng)為固液分離系統(tǒng)。

2.4 異位發(fā)酵床模式

2.4.1 模式介紹

異位發(fā)酵床模式是指在奶牛場欄舍外建立的發(fā)酵床，鋪入墊料和微生物菌種，通過糞污輸送系統(tǒng)將糞污抽送到該發(fā)酵床內(nèi)，通過微生物菌種實(shí)現(xiàn)奶牛糞污的發(fā)酵分解和無害化處理，其發(fā)酵后的產(chǎn)物即為有機(jī)肥，可以用于農(nóng)作物種植。奶牛養(yǎng)殖中產(chǎn)生的尿液和污水量較多，造成奶牛糞污相對(duì)稀薄，需要將牛糞污、墊料和微生物菌種按一定比例進(jìn)行調(diào)制，以保障發(fā)酵床正常的發(fā)酵能力[16]。

2.4.2 模式優(yōu)點(diǎn)

一是促進(jìn)奶牛健康。與傳統(tǒng)的發(fā)酵床相比，異位發(fā)酵床模式是一種舍外（場外）發(fā)酵床，奶牛飼養(yǎng)與其糞污降解進(jìn)行分開處理，可以減少因糞污造成的地面潮濕、病原菌滋生和長時(shí)間臥床等問題，降低奶牛肢蹄病、乳房炎和寄生蟲病感染幾率。二是減少污染排放量。將奶牛糞污中的有機(jī)物分解成水、二氧化碳，減少氨氣、硫化氫等有害氣體的排放量。

2.4.3 模式缺點(diǎn)

一是發(fā)酵功能不易控制。由于奶牛糞污的含水量高，若含水量超過70%容易影響發(fā)酵床內(nèi)微生物生長，當(dāng)水分過多還會(huì)有糞污溢出，產(chǎn)生惡臭。另一方面，異位發(fā)酵床的發(fā)酵分解時(shí)間較長，適宜溫度在（55±10）℃，而我國北方冬季低溫低，會(huì)降低微生物的活性，影響發(fā)酵功能[17]。二是成本較高。異位發(fā)酵床模式需要足夠面積和厚度的墊料，該費(fèi)用成本較高。

2.4.4 適用范圍

南方規(guī)?；膛?；奶牛場糞污處理系統(tǒng)為刮糞板干清糞工藝。

2.5 污水肥料化利用模式

2.5.1 模式介紹

奶牛場將奶牛糞污經(jīng)過干清糞工藝分離成污水和固體牛糞。污水在厭氧發(fā)酵下可生產(chǎn)沼氣、沼液，也可在氧化塘貯存，借助壓力系統(tǒng)進(jìn)行農(nóng)田水肥一體化灌溉；固體通過就地發(fā)酵（制作腐熟農(nóng)家肥）或其他途徑利用。

2.5.2 模式優(yōu)點(diǎn)

在污水肥料化利用模式下，污水經(jīng)過厭氧發(fā)酵可以生產(chǎn)沼氣，若配套相應(yīng)消納面積的果園或農(nóng)田，不僅能減少糞污直接排放對(duì)土壤環(huán)境的污染，解決污水處理難度，還降低了農(nóng)作物化學(xué)肥料的使用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的無公害生產(chǎn)。

2.5.3 模式缺點(diǎn)

在污水肥料化利用模式下，北方適宜使用氧化塘貯存奶牛糞污，南方適宜厭氧發(fā)酵，但是都需要配套貯存設(shè)施；為實(shí)現(xiàn)水肥一體化還需要配置輸送管網(wǎng)。

2.5.4 適用范圍

奶牛場周邊具有足夠面積的農(nóng)田；奶牛場糞污處理系統(tǒng)為刮糞板干清糞工藝。

3 小結(jié)

隨著我國奶牛業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化的發(fā)展，糞污資源化利用是減少糞污環(huán)境污染和實(shí)現(xiàn)變廢為寶的主要途徑。奶牛場糞污處理需要做好“源頭減量”“過程控制”“末端處理””三個(gè)環(huán)節(jié)的把控，降低奶牛場糞污的排放量，減少糞污對(duì)大氣、土壤和水質(zhì)環(huán)境的破壞。奶牛場糞污資源化利用模式種類較多，不同模式的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)不同，奶牛場需要根據(jù)不同區(qū)域的奶牛業(yè)發(fā)展特點(diǎn)、飼養(yǎng)工藝和地區(qū)環(huán)境承載力選擇適宜的奶牛糞污資源化利用模式，對(duì)于奶牛規(guī)?；捷^高的地區(qū)可通過“糞便墊料回用”模式節(jié)約成本，而奶牛規(guī)?；捷^低可以通過“污水肥料化利用”模式實(shí)現(xiàn)肥水一體化施用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)奶牛養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的雙贏。