畜禽粪污资源化利用国内外研究进展.pdf

China Swine Industry2023 年 第 5 期DOI：10.16174/j.issn.1673-4645.2023.05.026收稿日期：2023-06-29基金项目：铜仁市科技计划项目（铜市科研20226 号）；贵州省生猪产业技术体系建设专项（GZSZCYJSTX-06）；铜仁职业技术学院畜牧兽医专业群技术技能平台项目（202202 号）；贵州省科技计划项目（黔科合支撑20201Y038 号）作者简介：毛同辉（1979-），湖南武冈人，高级畜牧师，主要从事畜牧技术推广工作*通信作者：罗杰，博士，副教授，主要从事农业废弃物资源化利用、中兽医与中兽药的研究与推广工作畜禽粪污资源化利用国内外研究进展毛同辉1,3罗杰2,3,5*吴光松4罗晓玲2,3渊1铜仁市畜牧技术推广站袁 贵州铜仁 554300曰2铜仁职业技术学院袁 贵州铜仁 554300曰3农业废弃物资源化利用工程技术研究中心袁 贵州铜仁 554300曰4开阳县畜禽品种改良站袁 贵州贵阳 550300曰5国家民委中兽药重点开放实验室袁 贵州铜仁 554300冤摘要院 推进畜禽粪污资源化利用是我国发展低碳农业的必由之路袁 也是解决养殖污染问题的必要措施袁 其在实现农业农村碳达峰尧 碳中和中发挥着重要的作用遥 畜禽粪污资源化利用领域的新研究尧 新技术尧 新成果发展迅速袁 且具有不同的优缺点遥 本文简述了畜禽粪污的成分及危害袁 重点对目前正在应用或研究的国内外畜禽粪污资源化利用技术进行了综述袁 包括好氧堆肥发酵技术尧 异位发酵床技术尧 厌氧发酵沼气技术尧 水热碳化技术尧 热解技术尧 氧化塘技术尧 生态处理技术尧 厌氧氨氧化技术尧 饲料化利用技术袁 旨在为提升畜禽粪污资源化处理的关键技术尧 提高畜禽粪污资源化处理效果等提供参考遥关键词院 畜禽粪污曰 资源化利用曰 研究进展中图分类号院 S828曰X713文献标识码院 A文章编号院 1673-4645(2023)05-0118-04开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤袁扫一扫袁了解文章更多内容1 畜禽粪污成分及危害畜禽粪污是指畜禽养殖业中产生的畜禽粪便和养殖废水，这些粪污既含有营养成分，也含有残留药物、病原微生物等有害成分。畜禽粪污是养殖场的污染源，一方面，因其含有较多的病原体1，处理不及时可能造成疫病传播；另一方面，未经处理的粪便直接排入环境中，会造成环境严重污染，影响土质、危害农作物生长，导致水体富营养化；而且在露天环境下还会释放有害气体，易造成大气污染并影响环境安全。畜禽粪污污染会严重影响畜禽养殖产业发展，因此，畜禽养殖场粪污处理的资源化利用很有必要。2 畜禽粪污资源化利用技术2.1 好氧堆肥发酵技术好氧堆肥法利用需氧微生物的氧化效应，将畜禽粪污中的有机物分解、矿化，并经过腐化转变为腐殖质的生物化学反应过程。好氧堆肥过程中存在局部高温环境，能够杀灭活性种子及病原微生物，将粪污转化为有机肥。常见的好氧堆肥模式有静态垛式、条垛式、反应器式和槽式，其中，反应器式处理周期短、堆肥占地面积小、产能高，是较好的堆肥模式之一。经堆肥后得到的有机肥产品能够作为肥料，改善土质、促进植物生长、促进产能提升，实现种养循环2。环境保护Environmental Conservation118China Swine Industry2023 年 第 5 期传统的好氧堆肥处理技术目前仍存在许多不足，如有害气体排放量大、重金属残留、腐殖化程度较低、抗生素和兽药残留、养分损失过大等3。针对这些问题，学者们进行了很多相关参数优化研究。周海宾等4研究了筒仓式反应器，可提升堆肥中氮养分含量。李开发5研究发现堆肥过程中添加微生物菌剂，能够加快堆肥各个阶段的反应进程，同时改变不同时期菌落的组成结构和数量，进而影响整个堆肥过程。为解决传统的好氧堆肥处理技术中氮素损失及二次污染，功能膜法好氧堆肥技术近年来受到关注。孙晓曦等6研究发现功能膜法好氧堆肥技术作为一种改良型的强制通风、静态垛式好氧堆肥模式，解决了传统条垛式、槽式发酵空间不均匀、产排大量臭气等问题，相较传统技术，具有能耗低、有害气体逸散少、发酵程度高和周期短、效率高等优点，成为越来越重要的发展方向。同时，近年还研究出超高温好氧堆肥、分子膜堆肥、智能分子膜覆盖堆肥技术等新型工艺7。2.2 异位发酵床技术异位发酵床技术相较于传统接触式发酵床养殖技术，在技术上可实现粪污“零排放”。其原理是通过人工构建的高效发酵系统，利用活性微生物复合菌群，长期、持续、稳定地将集中收集的畜禽粪尿在发酵床中完全降解为有机肥和能量，从而达到粪污无害化处理的目的8。该方法将畜禽养殖和粪污处理有效分开，在实现养殖粪污持续消纳的同时，可高效转化氮、磷等营养元素为可利用的有机肥，实现粪污的资源化利用9,10。李念等11以蜂窝体的概念为基本模型，以木屑、稻壳和秸秆残渣为基质，添加复合微生物菌剂制成微生物反应堆。将适量的粪水喷洒到微生物反应堆中，粪水中所包含的氮和碳大分子有机物都会被微生物菌群循环分解，慢慢转化成一些易被植物吸收的物质，如氨态氮、腐殖酸、硝酸盐氮等，并且在发酵过程中还会释放大量热能。整个反应堆存在大量微生物，将粪水固形物连续分解消纳吸收，同时产生热量，在高温下实现液体蒸发，适时补充垫料和微生物菌剂，从而实现畜禽养殖粪水循环清理。2.3 厌氧发酵沼气技术厌氧发酵沼气技术是畜禽粪污资源化利用的主要途径。它是将多种有机物质（如粪污、植物残渣等）经厌氧消化，获得沼气、沼液和沼渣的技术12。目前，国内厌氧发酵技术的推广和应用符合我国国情，发展迅速。该技术能实现农作物废物与畜禽粪污的高效、绿色、安全综合利用，成为当前的重点研究与应用技术热点之一。而且，农业和养殖业废弃物等通过发酵形成的副产品，含有大量的营养物质及活性物质，成为了可直接还田的有机肥13。2.4 水热碳化技术水热碳化是将适当比例的粪污和水置于密闭的反应器中，在一定的温度和压力下生成富碳固体产物的过程14。畜禽粪污经水热碳化后，原料中的无机成分主要存在于液相中，具有较高的应用潜力，可应用在土壤改良、生物能源、功能型材料辅料，吸附除杂等方面；但水热碳化技术也存在重金属含量高的缺点，会影响应用前景，要解决这一难题，需要利用微波炉快速加热，使重金属快速反应分解，达到降低重金属含量，提高畜禽粪污资源化利用的目的15。2.5 热解技术生物质热解是指在缺氧或者低氧状态下，通过高温将生物质分解为焦炭、生物油、可冷凝液体和气体产物的反应过程，具有周期短、效率高、抗病原能力强等特点。王立华等16以畜禽粪污为原料，对热解工艺进行了优化研究，提升了热解技术的应用程度。但该技术由于能耗较高，对推广应用造成了一定的限制。2.6 氧化塘技术氧化塘技术是利用水中的微生物、藻类对畜禽污水进行生物处理，以实现污水净化。此方法具有使用成本低、投资价格少及副产物种类少等优点，具有良好的经济效益。畜禽污水经过此方法处理后，可用于水肥一体化施用，可实现粪污全量还田，还可利用处理后的废水养鱼、养鸭等，具有广阔的应用前景。近年来，随着科学技术的迅速发展，通过氧化塘技术改进，调整氮磷添加量、光照时长和强度、氧化池结构、曝气设备、搅拌方式、增加水体微生物活性等方法，氧化塘处理粪污技术也得到了较大的发展，粪污处理效率也得到了较大提升，在实践中的应用得到较大发展，养殖主体的接受程度也越来越高。近年来，针对不同的粪污，已有 4 种氧化塘类型，分别为好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气池17；根据不同技术处理，氧化塘可分为高效藻类塘、超深厌氧环境保护Environmental Conservation119China Swine Industry2023 年 第 5 期塘、移动式曝气塘、水生植物塘等18，其中属高效藻类塘发展优势最大，高效藻类塘是利用好氧细菌将池塘中的有机物进行降解，产生二氧化碳，进而促进池塘中藻类进行光合作用吸收养分，实现能量转化的过程。反应过程中，配合紫外线照射，菌藻介导的 pH 值环境与氧气浓度可高效杀灭病原体，产生藻类生物，提升净水效果19。其具有占地面积少、净水效果好、运行费用低等优势，同时还能对藻类进行二次利用，深受广大养殖主体青睐。但氧化塘技术也存在一些问题，如塘内微藻、微生物、植物等受环境影响较大，易造成水分丢失、微生物流失等问题。2.7 生态处理技术昆虫可高效转化畜禽粪便，同时消减温室气体排放，并产生优质的虫体蛋白、脂肪和虫沙，实现养分流动循环和畜禽粪便资源化利用。以黑水虻为代表的昆虫生物转化畜禽粪便具有低耗能、低排放，保护社会生态环境、提高经济效益的优势，是治理畜禽粪便污染最有潜力的策略之一。黑水虻营腐生生活，幼虫阶段可利用粪污中的有机物，实现对畜禽粪污快速无害化处理，转化为蛋白、脂肪等营养物质，黑水虻的幼虫可作为动物饲料原料，有效提升了粪污的资源化利用效率20。已有较多的研究显示了其价值，王小波等21发现黑水虻在将猪粪转化为虫粪的过程中，畜禽粪污中重金属含量显著降低。Beskin 等22研究发现，黑水虻减少畜禽粪污中挥发性废弃物产量达 87%以上。由于黑水虻的繁殖对光照和温度要求较高，目前对其生长繁殖技术掌握不全23，此外，黑水虻蛹中含较多不饱和脂肪酸、几丁质，降低了其营养价值，因此，对黑水虻的养殖和利用技术有待完善24。2.8 厌氧氨氧化技术厌氧氨氧化技术是在厌氧条件下，以氨为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化为氮气的一个化学反应过程，具有高效低耗的特点，比硝化（氨氧化为硝酸盐）处理粪污节省 60%以上的供氧量，还可节省生物脱氮工艺中所需的碳源，对环境体系中碳氮循环尤为重要25。影响厌氧氨氧化工艺处理效果的因素有很多，例如污水的 pH 值、厌氧反应容器体积、氧含量、温度、基质浓度等。对处理养殖粪水而言，粪水中的氮浓度、氧含量对厌氧氨氧菌活性影响最大。Pekyavas 等26运用厌氧氨氧化技术对鸡场污水进行处理时发现，碳氮比对微生物组成影响较大。Miao 等27发现污水碳氮比从 1.1 调高到 1.5 时，厌氧氨氧化细菌脱氮能力增强，而碳氮比高于 2.5 时，会抑制厌氧氨氧化细菌，促进反硝化细菌的生长。Meng 等28发现水温在15以上，脱氮效果较好。Deng 等29用厌氧氨氧化菌与新型复合式厌氧好氧折流板反应器（HAOBR）处理猪场废水，发现可以有效去除其中的氨氮、总氮，实现对污水的净化。2.9 饲料化利用技术饲料化利用技术是指将畜禽粪便和饲料按照一定比例混匀后，使用青贮发酵的一种技术，该技术将粪便中的病原微生物杀死，能够改善饲料的适口性和提高饲料的粗蛋白水平。此技术在禽类粪便处理中被广泛使用，尤其是在鸡粪处理中尤为常见，将鸡粪经过处理后，制作成颗粒饲料，能够显著降低饲料成本。佟艳妍30研究表明，以鸡粪、豆秸、酒糟、花生秧等为原料，发酵处理后可作为精饲料饲喂肉牛。祁成年等31用发酵鸡粪饲料代替部分精料饲喂肉羊，发现可提高料肉比。3 结论目前，畜禽粪污资源化利用技术相关研究逐渐增多，但多数处于研究阶段，未投入应用。持续推进畜禽粪污治理，是我国畜牧业健康发展的必然要求，也是保障农产品供给的必然选择，是我国由农业大国迈向农业强国的必由之路。新时代引领新方向，需要优化好氧堆肥发酵技术、沼气工程等主流技术，关注氧化塘、生态处理技术、水热碳化技术等应用前景较好的技术，因地制宜选择畜禽粪污治理路径，科学推进畜禽粪污资源化利用，使有限的资源得到充分的利用。参考文献1 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