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寒地养殖
Cold farming

我国规模化奶牛养殖污染物的特征及其资源化利用

摘自:黑龙江畜牧兽医杂志社发布时间:2018-02-05作者:admin浏览次数:478

       近年来,随着发展畜牧业政策的支持及畜产品市场需求的增大,我国畜禽养殖场的数量不断增加,集
约化、规模化程度不断提高。畜牧业产值在农业总产值中的比重逐年提高,规模化的畜牧业已经成为我国
农业和农村经济中最有活力的增长点和最主要的支柱产业,也成为了农民经济收入的主要来源之一。规
模化畜禽养殖场在《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596—2001)中具体规定了奶牛存栏≥ 100头即可认为是规模化奶牛养殖场。国家不断出台扶持政策支持奶牛规模化养殖,各级地方政府也普遍对规模化养殖实行税收优惠,并出台相应的行业政策[1]。新政策的出台大力推动规模化奶牛养殖场的建设,2013年《中国畜牧业年鉴》资料显示,2012年我国牛奶产量为3875.4万t,同比增长率为1.7%,达到历史高峰,奶牛年末存栏量为1493.9万头,同比增长率为3.7%,同时奶牛规模养殖比提高了17.1%。规模化奶牛养殖具有诸多优点,是市场经济的必然选择,但规模化养殖诸多优点的背后也存在巨大的安全隐患,其中环境污染和疫病控制是最主要的二个方面。大量规模化奶牛的养殖必然会造成大量的粪污集中排放,仅2013年全国奶牛粪污日产量为221万t,年产粪污量为8.07亿t。这些高浓度有机污染物势必会导致地表水、地下水、土壤及环境空气的严重污染。针对这样的问题,国家和地区均出台相关的法律法规以及相应的治理措施等,但是由于我国规模化奶牛养殖发展较快,部分企业只重经济效益而忽略污染物对环境的影响,一味地将这些粪便作为肥料,造成我国大规模奶牛养殖区污染严重。在2010年2月份发布的《第一次全国污染源普查公报》中,畜禽养殖业的化学需氧量(COD)和氨氮排放量分别为1268.26万t和71.73万t,占农业源COD和氨氮排放量的95.8%和78.1%,占全国COD和氨氮排放量的41.9%和41.5%。笔者在实地调研呼和浩特和林现代牧业、土左旗伊利牧业、托县蒙牛牧业等大型奶牛养殖场的基础上,分析了我国规模化奶牛养殖污染物的来源和特征,着重对规模化奶牛养殖污染物的治理模式和资源化利用途径进行了阐述和说明,最后提出了规模化奶牛养殖污染物资源化利用所面临的问题以及需要着重关注的方向。
       1 规模化奶牛养殖污染物的来源及特征
       1.1 污染物的产生
        规模化奶牛养殖场污染物主要是牛粪、牛尿、冲洗水和恶臭。通过分析发现,废水主要来源于生活废
水、冲洗废水(包括牛舍冲洗废水和挤奶厅冲洗废水)和牛尿三个方面;废气主要来源于粪尿和饲料等产生的恶臭和温室气体,以及食堂油烟和饲料生产线粉碎工段产生的饲料粉尘;固体废物主要为生活垃圾、牛粪、沼渣。
       1.2 废水的来源与特点
       生活废水、冲洗废水(包括牛舍冲洗废水和挤奶厅冲洗废水)和牛尿是养牛场废水的主要来源。研
究结果表明,牛尿每天产生量约为575kg/(100头),约占废水总量的14.9%,污水(生活废水、冲洗废水)每天产生量约为3288kg/(100头),约占85.1%,每天总计约3863kg/(100头)。通过对部分养牛场排放污水的调研可知,养牛场的冲洗废水中含大量粪便,在奶牛新鲜粪便中有机物占8.44% ~10.62%,主要是未消化的纤维素和蛋白质等,其中水溶性蛋白
质的含量在1.17% ~1.23%,pH值为7.5,属于高浓度难降解的有机废水,含有大量有机污染物质以及氮、磷等营养物质,可生化性好,污染负荷很高;奶牛养殖的规模、养殖方式、污染处理模式和管理模式不同,使得水质水量变化较大;含有大量病原微生物、寄生虫卵以及孳生的蚊蝇,并伴有难以去除的恶臭[2]。
      1.3 废气的来源与特点
       废气主要来源于粪尿饲料等产生的恶臭、温室气体、食堂油烟及饲料生产线粉碎工段产生的饲料粉
尘。由于粪尿及饲料中所含有机物大体可分为碳水化合物和含氮化合物,在无氧条件下可以分解产生略
带酸臭的甲烷、有机酸、各种醇类和恶臭气体,如氨、硫酸、二甲基硫醚、硫化氢、甲胺、三甲胺等。规模化奶牛养殖场运动场和进食场都会产生大量的粪便和尿液,时刻在释放恶臭气体,属于典型的无组织排
放[3]。我国1993年颁布《恶臭污染物排放标准》(GB14554—93)中确定了8种恶臭物质,其中有6种与奶牛养殖业密切相关,即氨、甲基硫醇、硫化氢、二甲硫、二硫化甲基、三甲胺。
       1.4 固体废物的来源与特点
       固体废物主要为生活垃圾、牛粪、沼渣和病死牛等。奶牛养殖场的职工较少,存栏5000头的牧场职工人数约100人,生活垃圾所占比例较少,而且处理方法较为成熟。病死牛由于属于危险废物,而且国家也有相应的处理和处置标准和规定,养殖场相对比较重视。因此,奶牛养殖的废物主要是牛粪和沼气发酵后剩余的沼渣,二者都是较为优质的有机肥。牛粪中含有大量的钙、磷、钾等矿物质元素和丰富的有机质等营养物质,且其水分、粗纤维含量较多,因此分解慢、发热量低,发酵腐熟后可作为缓释性有机氮
肥[4]。沼渣是粪便经过发酵产沼后的固体物质,含有均匀丰富的有机质,氮、磷、钾的含量明显高于沼液,与猪粪为基质的沼渣相比,牛粪沼渣中有机质、全钾平均含量较高,而全磷、微量元素的含量较低。
        2 规模化奶牛养殖污染物的处理现状
        20世纪40年代初国外开始研究畜禽污染物的处理,20世纪60年代中后期大型规模化养殖场的畜禽粪便基本实现无害化处理,进入20世纪90年代后发达国家的奶牛养殖多以个体农场的生产方式进行,规模以中小型为主,配备一定规模的农场,因此将农业与畜牧业高度结合是发达国家治理畜禽污染物的主要方式。尽管我国对畜禽污染物处理的研究起步较晚,但是由于规模化养殖场的快速扩张,带来了极大的环境压力,促进了对污染物处理的研究,现阶段我国对畜禽养殖废水处理模式主要有二种,即资源化模式与能源化模式。资源化模式:畜禽养殖废水通过处理达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)进行农田灌溉的模式。该模式一般采用自然处理法与还田处理法相结合,处理后的废水符合农田灌溉水标准进行还田。该方法较适用于我国北方,有足够的土地消纳,排放口少,而且牧场规模较大,如内蒙古呼和浩特市土左旗伊利牧场,目前养殖规模为4990头奶牛,其中泌乳牛3900头,干奶牛300头,育成牛490头,犊牛300头,每天产奶总量约119.7t,其液体经过无害化处理后用于农田灌溉,最终将牧场粪污进行资源化综合利用,可以实现牧场粪污零排放。该处理模式的主要特点是投资少、耗能低,但占地面积大,受季节影响较大。
       能源化模式:指畜禽场产生的粪便储存或采用固体发酵池厌氧发酵生产沼气,发酵工艺一般选用完全
混合式厌氧反应器(CSTR)或推流式厌氧反应器,污水经厌氧反应处理,产生的沼液、沼渣不直接排入自然环境,而是作为农作物浇灌的处置模式,该模式适用于畜禽养殖场周边有足够的农田或人工湿地,能够完全消纳经厌氧(沼气)发酵后的沼渣、沼液,使畜禽养殖成为生态农业园区的纽带。目前“能源生态型”模式已经成为比较成熟、适用的以综合利用为主的畜禽养殖污染防治模式。这种工艺遵循了循环农业原则,具有良好的经济、环境和社会效益。该模式的主要特点是运行成本低,可产生沼气,但对氮、磷未去除,寒冷地区需要采取保温措施。
      3 规模化奶牛养殖污染物的资源化利用
       国家鼓励和支持采取粪肥还田、制取沼气、制造有机肥等方法对畜禽养殖废弃物进行综合利用。新
建牧场应依据种植与养殖相结合的原则消纳利用畜禽养殖废弃物,促进畜禽粪便、污水等废弃物就地就
近利用;同时,建设沼气制取、有机肥生产以及沼渣、沼液输送、施用和沼气发电等相关配套设施。对已
经建成的奶牛养殖场产生的污染物,选择合适的组合工艺,在控制污染的同时实现粪污的最佳处置与资源
化利用,响应国家的政策。目前奶牛养殖污染物的资源化方式主要有饲料化、能源化和肥料化等途径。
      3.1 饲料化利用
      牛粪中除含有大量氮和粗灰分外,还含有粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和各种微量元素,经过适当处理后
可作为饲料利用。牛粪可通过干燥法、分解法和发酵法制作饲料,目前国内干燥法、分解法的研究应用较
少,发酵法应用较多。邹德松等[5]研究结果表明,经生物发酵后的牛粪浸出液对小鼠无毒,适度的饲料添加量有利于小鼠增重。郭献岭等[6]研究结果表明,60% 的牛粪再添加一些淀粉、米糠、动物血和复合酶制剂经过发酵也可作为饲料,可节约30% ~40% 的规饲料。另外,由于发酵后的沼渣无病原微生物,含有大量的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、粗纤维,适宜作为饲料,但沼渣中金属镉、铅、铜、汞含量较日常饲料高些,添加量的控制方面十分重要,因此牛粪发酵后的沼渣作为饲料的研究相对较少。
      3.2 能源化利用
      奶牛养殖污染物能源化利用是重要的污染物治理方法,包括热解化、乙醇化、沼气化等能源化方法。
     3.2.1 热解化利用 由于牛粪含水率较高,需先进行转化才能作为燃料。郭木金等[7]将75% 的牛粪与25% 的原煤粉制成生态蜂窝煤,具有无尘、卫生、价格低、燃烧时间长的特点。黄雅曦等[8]研究结果表明,牛粪生物质固体燃料能降低型煤的加工成本,再加入20%左右的牛粪,相对燃烧速度达到最大值。
     3.2.2 乙醇化利用 牛粪及沼渣中存在大量纤维素,可以用来制作生物乙醇,但目前还未见投入工业化生产的相关报道。凌娟等[9]首先将粪便中的木质纤维素转化为糖,然后通过发酵产生乙醇,说明粪便作为生物乙醇原料具有可行性。卢宝卿[10]在酿酒的过程中加入适量沼渣,达到了较好的效果,不仅各项指标达到老窖标准要求,而且生化指标可达百年以上的老窖泥指标。
     3.2.3 沼气化利用 厌氧发酵产沼气是处理规模化养牛场污染物应用较广的技术之一,该技术既可以处理固体污染物牛粪又可以处理部分废水,同时提供有机肥料和新能源。为了高效利用粪便产沼气,学者们从发酵条件、沼产气量、粪污量等多方面进行了研究。潘云霞等[11]研究结果表明,以发酵20d的沼液作为接种物发酵系统,COD处理效率最高、产气量最大。李荣平等[12]研究结果表明,牛粪和厨余废物比例为1∶1时发酵系统稳定性良好,甲烷产率和COD去除率较牛粪单独消化时可分别提高76.0%和26.4%。
     3.3 肥料化利用奶牛养殖污染物中沼渣、牛粪、沼液及废水的有机质丰富,含有较高的氮、磷、钾及微量元素,是很好的有机肥原料。沼液及沼渣经过发酵只要符合《沼肥施用技术规范》中重金属、病原菌和寄生虫卵等有害物质的标准,就可以当作肥料直接利用,而且均具有不错的保肥效果。刘经荣等[13]研究结果表明,与单施化肥相比,沼肥和化肥混合使用时同一植物产量和养分积累效果差异不大,但配施沼肥节省了1/3化肥投入,同时还能保持土壤肥力。武志峰等[14]研究结果表明,50% 的沼渣+50% 的牛粪配合施用与单独施用牛粪或沼渣为肥料相比肥效相差不大,但二者配合施用有效抑制了真菌病害的发生。目前,牛粪作为肥料是其资源化利用的一个重要方面,可以直接施用也可以经过高温好氧发酵及蠕虫发酵后制作肥料。牛粪直接施用作为肥料操作方便简单,但大量施用容易造成环境二次污染,不适合粪便产量大的规模化养牛场。目前发酵主要有高温堆肥发酵和蠕虫发酵。高温好氧堆肥是目前研究最多、应用较广泛且最具前景的方法,其基本过程是利用好氧微生物在适宜的条件下(合适的水分、温度、pH值、碳氮比和氧气量)进行微生物发酵,分解有机物而产生高温,杀死其中的病原菌,并使有机物达到稳定化。仓龙等[15]研究指出,赤子爱胜蚓同时处理未腐熟牛粪、未腐熟猪粪及未腐熟鸡粪和药渣混合物时,在未腐熟牛粪中繁殖性最强,在未腐熟猪粪中生长速度最快。郑金伟[16]研究指出,牛粪经蚯蚓堆制处理养分指标高于自然堆制,10% ~60% 的奶牛粪蚯蚓堆制物可以促进生菜植株生长。需要注意的是,将畜禽粪便、污水、沼渣、沼液等用作肥料时,应当与土地的消纳能力相适应,并采取有效措施,消除可能引起传染病的微生物,防止污染环境和传播疫病。
      3.4 其他利用
      3.4.1 作为栽培食用菌的基质 牛粪和沼肥中氮、磷、钾元素及木质素纤维素含量丰富,而且没有毒害性,是栽培食用菌良好的基质。李晶等[17]研究结果表明,用40% 的快腐牛粪培育的双孢蘑菇产量、还原糖及蛋白质含量较高。高爱英[18]研究结果表明,在金针菇的培养料中用沼渣代替30% 的棉籽壳,其产量提高34%。固态的牛粪与沼渣有机质含量高、养分全面、来源广泛、质地疏松,可以作为今后开发利用的主要方向。
     3.4.2 制作吸附剂 沼渣和牛粪都可以制作吸附剂,李清彪等[19]以沼渣作为原料制备的氨氮吸附剂具有成本低廉、吸附性能优良等优点。
     4 规模化奶牛养殖废物资源化利用的趋势目前,奶牛养殖粪污处理及资源化利用研究较为广泛,其处理及利用方式主要是饲料化、能源化和肥料化。饲料化的研究主要针对固体,如牛粪、沼渣。适量比例牛粪、沼渣作为饲料无异味、无毒害、动物增重理想,但是饲料不适宜长期利用,而且过程需及时监测,以防牛粪和沼渣中重金属及抗生素在动物体内积累。众多研究结果表明,粪污肥料化是较理想的处置方法,其处理费用低、效果好受到世界各国的普遍青睐[20],其中研究较多的是牛粪和沼渣、沼液的利用,养殖废水还田,目前未发现相关应用性研究。肥料化处理可以有效地去除粪便的危害,回收其中营养
元素,生产有机肥。粪污的能源化主要是沼气化,也是处理和再利用粪污的主要手段,沼气化既可以处理
牛粪和污水,又可以产生数量可观的沼气,剩余的沼液、沼渣可以作为肥料还田,是一种既节能又环保的
方式,但是寒冷环境中沼气系统的稳定运行是急需解决的问题。在规模化奶牛养殖污染物的处理以及资源化方面,有几个方面在今后的研究中应该引起重视:1)适用于规模化奶牛养殖场废气处理的模式及工艺;2)奶牛养殖废水还田利用以及还田后的生态学评价;3)奶牛粪便肥料化和饲料化的风险评价,如粪便中的残余抗生素、重金属、激素等物质的富集与环境效应;4)规模化奶牛养殖废物的大规模综合利用新方法、新技术的开发。
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