智能化管理下的畜禽糞污資源化利用優(yōu)化

摘 要：隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；l(fā)展，糞污處理問題日益突出。傳統(tǒng)畜禽糞污處理方式存在資源利用率低與環(huán)境污染風(fēng)險高等缺陷。本研究探討了智能化管理技術(shù)在畜禽糞污資源化利用中的應(yīng)用潛力，分析了物聯(lián)網(wǎng)傳感與大數(shù)據(jù)平臺與人工智能決策等技術(shù)如何優(yōu)化畜禽糞污全流程管理。研究表明，智能化管理促進了畜禽糞污資源化利用產(chǎn)業(yè)鏈整合，打破傳統(tǒng)畜禽糞污處理技術(shù)局限，推動了種養(yǎng)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展，為實現(xiàn)畜牧業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供了科技支撐。

關(guān)鍵詞：畜禽糞污；智能化管理；資源化優(yōu)化

畜禽糞污作為養(yǎng)殖業(yè)主要廢棄物，蘊含豐富氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，合理利用可轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)寶貴資源，不當(dāng)處理則成為環(huán)境污染源。我國年產(chǎn)畜禽糞污總量超38億噸，其中豬糞占60%，禽糞占25%，牛羊糞占15%，對環(huán)境構(gòu)成巨大壓力。傳統(tǒng)畜禽糞污處理依靠人工經(jīng)驗，面臨監(jiān)測不精準(zhǔn)、效率低下及轉(zhuǎn)化率不高等問題。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，為畜禽糞污資源化利用帶來新機遇。智能化管理通過數(shù)字化、自動化與精準(zhǔn)化手段，打通糞污產(chǎn)生、處理與利用全鏈條，實現(xiàn)從“污染物”到“資源品”的轉(zhuǎn)變。分析智能化管理在畜禽糞污資源化利用中的理論基礎(chǔ)與技術(shù)特點及應(yīng)用模式，對推動畜牧業(yè)綠色轉(zhuǎn)型具有重要實踐意義。

1 智能化管理與畜禽糞污資源化利用的理論交融

畜禽糞污資源化利用與智能化管理融合形成了創(chuàng)新領(lǐng)域，將養(yǎng)殖廢棄物轉(zhuǎn)化為有機肥料與沼氣能源或飼料等資源，踐行循環(huán)經(jīng)濟理念。糞污資源化利用減輕養(yǎng)殖業(yè)面源污染，創(chuàng)造高附加值產(chǎn)品，促進種養(yǎng)循環(huán)。智能化管理通過物聯(lián)網(wǎng)感知、無線通信、云平臺存儲、大數(shù)據(jù)分析及人工智能控制構(gòu)建數(shù)字化架構(gòu)^[1]。從系統(tǒng)論視角，智能管理整合糞污產(chǎn)生、處理與資源化利用三個子系統(tǒng)；基于控制論實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)節(jié)；依據(jù)信息論提高決策精確性?！案兄治觯瓫Q策－執(zhí)行”的閉環(huán)模式推動糞污處理從經(jīng)驗型向智能型轉(zhuǎn)變，形成從單場監(jiān)管到區(qū)域協(xié)同的多層次應(yīng)用體系，為畜禽糞污資源化利用提供理論支撐以及技術(shù)保障。

2 畜禽糞污資源化利用的瓶頸與痛點

2.1 畜禽糞污特性復(fù)雜導(dǎo)致監(jiān)測困難

畜禽糞污成分的高度異質(zhì)性對精準(zhǔn)監(jiān)測形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。不同畜禽品種糞污特性差異顯著，豬糞通常含水率高且有機質(zhì)豐富，雞糞氮磷含量較高，牛羊糞則纖維素含量較大。這種復(fù)雜性特性使傳統(tǒng)監(jiān)測方法難以把握糞污質(zhì)量變化規(guī)律，影響后續(xù)處理工藝的選擇。同一養(yǎng)殖場的糞污成分可能因季節(jié)與飼料配方變化而波動，若監(jiān)測不及時或不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致處理效果不佳。傳統(tǒng)監(jiān)測方法的滯后性強，無法為處理工藝提供實時參數(shù)調(diào)整依據(jù)。例如，堆肥過程中溫度與濕度變化若得不到及時監(jiān)測，會影響有機物降解效率以及產(chǎn)品質(zhì)量^[2]。此外，糞污中重金屬與病原微生物等風(fēng)險因子的動態(tài)監(jiān)測也面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，限制了資源化產(chǎn)品的安全性保障。

2.2 處理工藝參數(shù)優(yōu)化缺乏科學(xué)依據(jù)

畜禽糞污資源化利用處理工藝參數(shù)的優(yōu)化長期依賴經(jīng)驗判斷，缺乏數(shù)據(jù)驅(qū)動的科學(xué)支撐。在好氧堆肥過程中，溫度、濕度、pH值與通氣量等參數(shù)的調(diào)控多依靠人工經(jīng)驗，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制；厭氧發(fā)酵中，不同畜禽糞污的最佳配比、停留時間以及溫度控制等關(guān)鍵參數(shù)往往難以優(yōu)化，導(dǎo)致沼氣產(chǎn)量低或不穩(wěn)定，資源化利用效率受限。畜禽糞污資源化利用處理工藝參數(shù)設(shè)定主要依賴經(jīng)驗判斷，在堆肥以及厭氧發(fā)酵過程中各項參數(shù)間的復(fù)雜交互作用難以通過簡單經(jīng)驗把握，導(dǎo)致資源轉(zhuǎn)化效率不高。工業(yè)化處理設(shè)施中，進料速率與攪拌頻率等參數(shù)的調(diào)整多采用固定模式，無法根據(jù)入料特性變化進行動態(tài)優(yōu)化。

2.3 資源化產(chǎn)品質(zhì)量控制不足

畜禽糞污經(jīng)資源化利用處理后轉(zhuǎn)化的有機肥料與生物燃?xì)獾荣Y源化產(chǎn)品面臨質(zhì)量控制不足的問題。有機肥料中重金屬含量與病原微生物殘留等安全指標(biāo)監(jiān)測不到位；沼氣質(zhì)量不穩(wěn)定影響能源利用效率；糞污液體肥料的養(yǎng)分含量波動大，導(dǎo)致施用效果不確定。這些質(zhì)量問題制約了畜禽糞污資源化產(chǎn)品的市場認(rèn)可度以及經(jīng)濟價值實現(xiàn)。資源化產(chǎn)品缺乏完整的質(zhì)量溯源以及標(biāo)準(zhǔn)體系，產(chǎn)品生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)難以追蹤，影響市場信任度^[3]。特別是傳統(tǒng)資源化工藝對產(chǎn)品質(zhì)量的控制能力有限，如有機肥中的氮磷鉀含量穩(wěn)定性差，沼氣中甲烷濃度波動大。質(zhì)量控制的技術(shù)手段落后也是制約因素，缺乏在線監(jiān)測以及自動調(diào)控設(shè)備，難以對生產(chǎn)過程實施精準(zhǔn)干預(yù)。

2.4 畜禽養(yǎng)殖規(guī)模與資源化處理能力不匹配

隨著畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；厔菁觿?，糞污處理能力滯后問題日益突出。單個養(yǎng)殖場糞污產(chǎn)生量急劇增加，而現(xiàn)有資源化處理設(shè)施容量有限，導(dǎo)致處理能力與產(chǎn)生量不匹配。特別是在畜禽養(yǎng)殖密集區(qū)，糞污處理設(shè)施規(guī)劃滯后，區(qū)域內(nèi)糞污資源化處理能力嚴(yán)重不足，加劇了環(huán)境風(fēng)險。小型養(yǎng)殖場因經(jīng)濟實力有限，難以投入大型資源化處理設(shè)施，處理能力不足問題更為突出。區(qū)域性資源化處理協(xié)調(diào)機制缺失，糞污資源化處理呈現(xiàn)分散化與低效化特征。農(nóng)田消納能力與養(yǎng)殖規(guī)模不匹配，區(qū)域內(nèi)糞污負(fù)荷已遠(yuǎn)超植物需求量，造成糞肥供過于求的結(jié)構(gòu)性矛盾。

3 智能化賦能畜禽糞污資源化利用的創(chuàng)新突破

3.1 構(gòu)建畜禽糞污特性精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)

精準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)通過多參數(shù)傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)畜禽糞污特性的實時監(jiān)控。在規(guī)?；B(yǎng)殖場內(nèi)部署總固體量、氮磷鉀含量與pH值等參數(shù)的在線傳感器陣列，建立糞污特性的數(shù)字化表達(dá)模型。物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)可將糞污監(jiān)測從傳統(tǒng)的定期采樣分析轉(zhuǎn)變?yōu)閷崟r在線監(jiān)測，實現(xiàn)豬、雞、鴨及牛羊等不同畜禽糞污特性的精準(zhǔn)把握^[4]。智能采樣系統(tǒng)可根據(jù)養(yǎng)殖周期以及環(huán)境變化自動調(diào)整采樣頻率，解決傳統(tǒng)監(jiān)測方法滯后性強的問題。邊緣計算技術(shù)對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理以及特征提取，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。云平臺整合養(yǎng)殖場糞污監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建完整的畜禽糞污特性數(shù)據(jù)庫，為處理工藝調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 開發(fā)畜禽糞污處理工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)

工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動模型實現(xiàn)畜禽糞污處理參數(shù)的動態(tài)調(diào)控。系統(tǒng)構(gòu)建包含溫度、pH值、含水率與有機質(zhì)等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字模型，實現(xiàn)處理過程的虛擬仿真。機器學(xué)習(xí)算法分析畜禽糞污處理的歷史運行數(shù)據(jù)，識別最佳工藝參數(shù)組合。自適應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)入料特性變化以及處理目標(biāo)自動生成最優(yōu)參數(shù)組合，通過自動控制系統(tǒng)執(zhí)行控制指令。對于好氧堆肥工藝，系統(tǒng)通過溫度與濕度的精準(zhǔn)控制，提升畜禽糞便中有機物的降解效率；厭氧發(fā)酵過程中，通過對進料比例與pH值的智能調(diào)控，提高沼氣產(chǎn)量以及質(zhì)量穩(wěn)定性。智能決策支持模塊提供多目標(biāo)優(yōu)化方案，平衡處理效率、能耗成本與環(huán)境影響。

3.3 建立畜禽糞污資源化產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系

質(zhì)量溯源體系通過區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建畜禽糞污資源化產(chǎn)品的全流程數(shù)字檔案。系統(tǒng)對糞污來源、處理工藝與產(chǎn)品檢測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行數(shù)據(jù)記錄，形成不可篡改的質(zhì)量鏈保證。智能終端設(shè)備對有機肥養(yǎng)分含量與重金屬含量等指標(biāo)進行實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動上傳至區(qū)塊鏈平臺，增強資源化產(chǎn)品的市場信任度。質(zhì)量預(yù)警模塊設(shè)置安全閾值，當(dāng)檢測到異常時可自動報警并觸發(fā)工藝調(diào)整。電子標(biāo)簽以及二維碼技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品全周期追溯，消費者可通過移動終端查詢產(chǎn)品生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)。通過體系實時監(jiān)控實現(xiàn)了沼氣質(zhì)量的動態(tài)監(jiān)控，確保甲烷含量穩(wěn)定；對糞污液體肥料的養(yǎng)分含量進行精準(zhǔn)標(biāo)識，解決施用效果不確定的問題。

3.4 發(fā)展區(qū)域畜禽糞污智能協(xié)同處理模式

區(qū)域協(xié)同處理模式依托大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)畜禽糞污資源優(yōu)化配置。系統(tǒng)構(gòu)建包含養(yǎng)殖場分布、糞污產(chǎn)生量與處理設(shè)施位置的區(qū)域數(shù)字地圖，實現(xiàn)資源可視化管理。智能調(diào)配算法基于設(shè)施分布以及處理能力優(yōu)化收運路徑，降低物流成本^[5]。區(qū)域內(nèi)形成“分散收集與集中處理”的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，小型豬場與禽場采用簡易預(yù)處理設(shè)施，大型場建設(shè)區(qū)域處理中心，提高糞污資源化處理設(shè)施利用率。共享平臺對接畜禽養(yǎng)殖場與種植基地，實現(xiàn)糞肥資源精準(zhǔn)匹配，縮短糞肥流通半徑，解決供需錯配問題。智能物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)區(qū)域糞污處理設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控與聯(lián)網(wǎng)管理，通過統(tǒng)一監(jiān)管平臺降低運行風(fēng)險。

結(jié)語

智能化管理為畜禽糞污資源化利用帶來質(zhì)的飛躍，解決了傳統(tǒng)模式下監(jiān)測不精準(zhǔn)、優(yōu)化缺依據(jù)及質(zhì)控不足等關(guān)鍵痛點。通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對不同畜種糞污特性的精準(zhǔn)感知，借助大數(shù)據(jù)平臺優(yōu)化處理工藝參數(shù)，依托人工智能技術(shù)提升決策科學(xué)性，畜禽糞污資源化利用呈現(xiàn)精準(zhǔn)化、高效化與綠色化的發(fā)展趨勢。未來，隨著5G與邊緣計算等新技術(shù)發(fā)展，畜禽糞污智能管理將進一步向智慧化、集成化與自主化方向演進。加強多源數(shù)據(jù)融合與深度挖掘，降低智能系統(tǒng)應(yīng)用成本，構(gòu)建區(qū)域性智能服務(wù)平臺，是推動畜禽糞污資源化利用提質(zhì)增效的關(guān)鍵路徑。智能化賦能畜禽糞污資源化利用，正在引領(lǐng)養(yǎng)殖業(yè)從傳統(tǒng)生產(chǎn)模式向循環(huán)生態(tài)模式轉(zhuǎn)變，為鄉(xiāng)村振興以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供新動能。

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收稿日期：2025-02-28

作者姓名：王憲（1979—），男，碩士研究生，畜牧師。研究方向：畜牧生產(chǎn)及畜禽糞污資源化利用。