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畜禽糞便無害化處理技術研究進展

發布日期:2018-01-11 作者: 點擊:

萬盛源生物控股.jpg

我國畜禽養殖業規?;?、集約化發展迅速,畜禽糞便產生量逐年增加,畜禽糞便無害化處理已成為影響養殖業發展的重要因素。本文對畜禽糞便處理不當的危害以及國內外畜禽糞便的無害化處理方法進行了綜述,并提出我國未來畜禽糞便處理的可行的發展模式,為提高我國畜禽糞便處理效率,促進養殖業健康快速發展提供參考。


我國是傳統的農業大國,養殖業正向規?;?、集約化快速發展,同時產生了大量畜禽糞便。據估算,2009年我國畜禽養殖業糞便產生總量為32.64×108t鮮重。目前,畜禽糞便主要靠耕地消納,但畜禽糞便施用太多會導致耕地負荷糞便過載,造成土壤污染和作物減產。歐盟農業政策規定,糞肥年施氮(N)量的限量標準為170 kg/hm2。朱兆良等提出我國耕地的糞便年施氮(N)量應控制在150~180 kg/hm2 。楊飛等研究表明,2009年我國平均單位耕地面積的畜禽糞便氮負荷達138.13 kg/hm2 ,而四川等六省都已達到202.98 kg/hm2 以上??芍覈笄菁S便產量存在區域差異,部分地區產量過大。因此畜禽糞便若無法得到有效處理,會嚴重影響環境衛生及制約我國經濟發展。


1 我國養殖現狀

我國是人口大國,對肉、奶、蛋的需求量逐年上升,這也促進我國養殖業的發展。由散養逐漸轉化為集約化養殖,養殖規模也越來越大。2005年至2014年,國家統計局網站公布的數據顯示,我國養殖業肉奶蛋的產量逐年增加(圖1),肉類產量增加25.5%,牛奶產量增加35.3%,禽蛋產量增加18.7%。畜禽糞便產量隨之增加,1999年我國畜禽糞便產量為19×108t,2009年畜禽糞便產量為32.64×108t。據估算,2020年全國畜禽糞便的產生量將達到42.44×108t。畜禽糞便引發的環境問題日益嚴重。



2 禽糞便處理不當的危害


畜禽糞便的化學成分隨飼養水平、飼料成分、動物消化水平不同而變異很大。李書田等分析了我國20個?。ㄊ校┲饕笄菁S便的養分含量,其平均值見表1。



畜禽糞便富含氮(N)、磷(P)、鉀(K)等養分。2002年,我國畜禽糞便中N、P、K 產生量相當于同年施用化肥中氮(2157.3×104 t)、磷(712.2×104t)、鉀(422.5×104 t)的70.9%、89.8%和25.1%。但畜禽糞便含大量病原菌、寄生蟲及Zn、Cu 等重金屬,未經處理或處理不當會對水體、空氣、土壤造成污染。


2.1 對水體的污染


畜禽糞便含氮、磷及有機質,如果直接排放入水體中或施用后氮、磷流失,使水體富營養化。Edwards 等研究表明,糞便隨雨水流失的流失物化學需氧量(COD)及懸浮固體(TSS)均比無機肥料高。糞便中的大量病菌、寄生蟲及其蟲卵會污染水源,引發傳染病。養殖場排放的污水平均每毫升含有33萬個大腸桿菌和69萬個大腸球菌;每1000 ml 沉淀池污水中含有190多個蛔蟲卵和100多個線蟲卵。


2.2 對空氣的污染


畜禽糞便能產生大量具有惡臭氣味的氣體,對空氣產生嚴重污染,進而影響人類健康。這些惡臭氣體種類繁多,目前已確定的約有168種。一般按化學性質分為4類,即含硫化合物、含氮化合物、揮發性脂肪酸及芳香族物質。惡臭氣體會影響養殖場附近居民的身體健康。Avery 等研究發現臭氣能抑制人的粘膜免疫功能,使唾液中的免疫球蛋白A的含量及其分泌效率都降低。


2.3 對土壤的污染


畜禽糞便是良好的有機肥料,被微生物分解后為土壤提供大量的腐殖質,改良土壤結構和肥力。但是糞便施用過多時,使土壤鹽分增加,土壤結塊,不利于作物生長。飼料中的抗生素可隨糞便殘留到土壤中。Xu 等研究表明,長期施用豬糞的土壤會殘留抗生素和增加抗生素抗性,且施用時間越長殘留量越大。研究表明,我國農田土壤中69%的Cu,51%的Zn 來自于畜禽糞便。畜禽糞便已成為土壤重金屬污染的重要來源。


3 畜禽糞便的無害化處理技術


由于畜禽糞便處理不當會引發多種環境問題,對其進行無害化處理意義重大。我國畜禽糞便利用率不足50%,其中規模養殖業產生的畜禽糞便經無害化處理的不足10%。目前畜禽糞便無害化處理的方法主要包括飼料化、肥料化、能源化等。


3.1 飼料化


糞便含有一定的營養成分,可作為飼料資源。Manjeli 等在仔豬日糧中添加10%~20%的牛糞對仔豬無不良影響,隨牛糞含量增加采食量下降。新鮮糞便中含有殘留藥物、病原菌、重金屬等會影響動物健康。因此糞便需經過一定的處理后代替動物的部分日糧。Caswell 等將糞便在150℃下保持20min,有很好的滅菌效果。Messer 等用環氧乙烷處理雞糞,同樣取得很好的滅菌效果。程文定等用沸石生物處理劑處理畜禽糞便后,各項衛生指標均符合國家有關飼料衛生標準,有效降低飼料成本10.31% ~12.04%,飼料轉化率提高3.73%~5.16%。畜禽糞便不但本身可直接作為飼料,而且可以飼養蛆蟲作為飼料資源。用雞糞飼養的蠅蛆粗蛋白高達61.4%,富含精氨酸、賴氨酸、蛋氨酸等必須氨基酸。


畜禽糞便可直接飼喂或經有效處理后飼喂動物。但糞便中的殘留藥物,重金屬等可能引發安全問題。


3.2 肥料化


畜禽糞便是傳統的有機肥料,可直接施用和堆肥。堆肥是糞便在微生物的作用下,使有機物礦質化、腐殖化和無害化而變成肥力更好的腐熟肥料的過程。在此過程中,蛋白質的氮、磷被分解成可被植物利用的有效態氮、磷,且產生腐殖質,增加土壤肥力。堆肥能殺滅畜禽糞便中的病原菌、雜草種子等,同時減小糞便體積和降低臭味,便于運輸。堆肥過程復雜,受含水量、溫度、碳氮比(C/N)、微生物等多種因素影響。


3.2.1 含水量


微生物活動需要適宜的水分維持,糞便含水量會直接影響堆肥過程物理及生物學變化。堆肥的適宜水分在50%~60%。水分高于60%時氧氣活動被抑制,微生物活動轉為厭氧活動。水分達到70%時,堆肥中溫度下降快,微生物活性低,堆肥效果不佳。在堆肥期間,大量水分蒸發,需要適當添加水分濕潤堆肥糞便,使水分處于微生物活動所需的Z佳含量。


3.2.2 溫度


堆肥是溫度持續性變化的過程,溫度先由常溫逐漸升溫至一個Z高溫度,再逐漸下降至常溫。溫度能顯著影響微生物的代謝活動及酶的活性。過低的溫度抑制微生物活動,延長堆肥腐熟的時間,而過高的堆溫(>70℃)將對堆肥微生物產生有害影響。堆肥Z佳溫度一般保持在45℃~55℃,此時糞便中微生物活動旺盛,纖維素、脂肪、木質素等被快速分解。


3.2.3 碳氮比C/N


C/N是影響堆肥質量的重要因素。微生物活動需要適宜的C/N,糞便C/N較低而不利于微生物活動,如豬糞的C/N 只有11.3,并不能滿足堆肥需要。所以需要額外添加鋸末、木屑等調節C/N值。一般C/N在25~30較好。Gao等在雞糞好養堆肥中添加鋸末,結果顯示C/N為28時55℃以上的高溫期能持續3d,種子發芽指數達94%,C/N低的處理組效果不佳。黃國鋒等在豬糞中添加木屑使C/N達到29時Z好,比C/N為16時的堆肥早14d腐熟。但過高的C/N會使溫度上升緩慢,降低堆肥的Z高溫度且使高溫期縮短,影響堆肥品質。


3.2.4 微生物


僅由糞便土著微生物堆肥,周期長且養分損失大,堆肥效率低,而在堆肥過程中添加微生物制劑能促進堆肥腐熟,降低養分損失,提高糞便肥力。Liu 等將微生物接種至牛糞堆肥后,堆肥過程快于自然堆肥,堆肥的效果優于自然堆肥。Wang 等用能降解纖維素的青霉菌堆肥后,糞便腐殖質增加12%,纖維素分解增加57.5%。孫曉華等在豬糞發酵中添加纖維素分解菌黑曲霉,有利于快速分解有機物的有益菌種形成優勢群落,顯著提高發酵溫度,加快腐熟。


肥料化是一種傳統的使用畜禽糞便的方法。目前我國的畜禽糞便主要是直接還田。由于集約化養殖的發展,局部地區產生了大量的畜禽糞便,超出周圍耕地的負荷。多余的糞便堆肥后,經包裝運輸至糞便產生少的地區,可大大緩解畜禽糞便引發的環境問題。但糞便堆肥周期長,占用一定的土地資源。


3.3 能源化


能源化是將畜禽糞便通過一定的技術方法轉化為可利用的能源,包括燃燒產熱、厭氧發酵產氣等。


3.3.1 燃燒產熱


畜禽糞便具有很高的熱值,可直接燃燒獲取熱能。長期以來在高寒缺能的牧區糞便是主要的燃料。牦牛糞是我國西藏牧區主要的生活能源,占能源總消費的80%以上。畜禽糞便碳化后無異味易儲存,也可作為燃料使用。畜禽糞便碳化后進一步加工為活性炭后對重金屬的吸附作用優于市售活性炭。


3.3.2 厭氧發酵產氣


畜禽糞便厭氧發酵生產沼氣的潛力巨大,2009年我國畜禽糞便沼氣潛力約1200×108 m3,規?;B殖畜禽糞沼氣潛力約為472.1×108 m3 。將畜禽糞便用于厭氧發酵沼氣是一種有效的能源化方法。厭氧發酵一般分為四個階段:水解階段、產酸階段、乙酸化脫氫階段、產甲烷階段。每一個階段均由相應的微生物完成,所以能夠直接或間接地影響微生物活動的因素都能影響厭氧發酵過程。如原料成分、溫度、pH、微生物等。


1

 原料成分

原料成分影響微生物的生長,主要包括脂類、蛋白質及纖維素。脂類物質能為厭氧發酵提供大量的C和H而利于甲烷生成。Neves 等研究顯示,厭氧發酵中一定量的油脂有利于產氣,但高油脂含量時對產氣有很強的抑制作用。油脂含量高時,產生大量揮發性脂肪酸(VFA)和長鏈脂肪酸。而高濃度揮發性脂肪酸會抑制甲烷產生,同時降低發酵的pH,不利于微生物活動而抑制甲烷產生。長鏈脂肪酸的積累對微生物有毒性作用。蛋白質可降解為氨。當氨積累至高水平時抑制厭氧發酵過程。纖維素主要影響原料的C/N比而影響微生物的生長活動。畜禽糞便中的C/N比較低,實際中需加入農作物秸稈等以調節C/N比。厭氧發酵的適宜C/N比為20~30。大量研究表明,僅用畜禽糞便制取甲烷的效果并不好,產氣量低,可能是因為糞便本身C/N過低。加入高碳含量的原料共同發酵,如粗甘油、農作物秸稈等,均能顯著增加甲烷產量。


2

 溫度

根據發酵溫度,厭氧發酵可分為高溫厭氧發酵(50~60 ℃)、中溫厭氧發酵(30~40℃)和低溫厭氧發酵(<30℃)。高溫厭氧發酵Z適溫度為50~55℃,中溫厭氧發酵Z適溫度為32~38℃。一般高溫與中溫適合微生物活動而有利于甲烷產生。所以高溫和中溫條件研究較多,低溫條件研究相對較少。低溫厭氧發酵的一些相關研究也取得了一定的成功。


3

 pH

pH是厭氧發酵的關鍵影響因素,主要通過影響水解作用和產酸的微生物菌群。由于發酵底物的成分有所差異,所以厭氧發酵的Z佳pH有一定的變化。厭氧發酵適宜pH為6.5~7.5。Zhai 等用雞糞和牛糞混合發酵產生甲烷,Z適初始pH 為7.5。Kim 等認為pH為6.5時厭氧發酵的水解與產酸達到Z佳。Zhang 等用豬糞與玉米秸稈混合高溫發酵,Z大產氣量的pH為6.81。厭氧發酵過程中,CO2和VFA的積累會降低pH從而抑制甲烷產生。


4

 微生物

為了提高厭氧發酵效率,增加產氣量,會對發酵底物進行預處理,包括機械處理、熱處理及化學處理,但運用合適的微生物制劑也可取得顯著的效果。甲烷的產生需要大量C和H。在厭氧發酵中,加入促進C和H 釋放的微生物會顯著提高降解率和產氣量。Baji 等在豬糞厭氧發酵中添加產氫細菌使沼氣產量增加160%~170%以上。Wei 等在厭氧發酵中使用半纖維素分解菌時,甲烷產量增加了53%。甲烷的生產是由產甲烷的細菌完成,加入產甲烷的菌劑可加快甲烷生成。王渝昆等運用產甲烷復合菌劑,可顯著增加甲烷和沼氣產量,并縮短了啟動時間。



畜禽糞便能源化是經濟有效的處理方法。但若操作不當,會引發環境問題。糞便燃燒時產生大量有害氣體和溫室氣體。厭氧發酵后產生大量沼渣沼液,沼渣可作為肥料直接還田,沼液需經處理才能排放。Gerardo 等將膜過濾技術和Gong 等用缺氧-好養膜生物反應器處理沼液均取得良好效果。我國沼氣池以中小規模為主,容積小,消化率低,平均池容量283m3,遠低于德國的1000m3。另外,國外已報道用畜禽糞便生產糖類物質和酒精的初步研究。目前國內并無相關的研究報道。


   4 展 望


畜禽糞便會引發環境問題,同時也是巨大的資源寶庫。對于畜禽糞便的處理,發達國家早已提出并采用了種養結合模式。其養殖規模小,分散分布,畜禽產生的糞便足以被附近的耕地容納。因此避免了畜禽糞便污染環境的問題。種養結合模式實現了物質循環和生態平衡,是一種生態養殖模式。我國養殖業發展應以此為目標。要實現種養結合,首先養殖場需合理布局,不能過于集中,且規模適中。目前,我國養殖規模大、集約化程度高,使局部地區產生了大量糞便,附近卻沒有足夠的耕地容納。由這樣的現狀到種養結合,需要一定的過度時期。在過度時期中,我國畜禽糞便的處理,應加大堆肥和厭氧發酵產氣的比重。堆肥后的糞便運輸至糞便產生少的地區,避免耕地負荷糞便過載。糞便經厭氧發酵產氣后,即得到清潔能源,而且沼渣沼液也可還田。


養殖行業利潤小,糞便處理需政府加大資金支持和管理力度。同時應從全局出發,追溯污染源頭,并提高飼養水平,減少糞便產量和降低糞便中有害成分的含量。積極研究新的處理技術,將糞便更加充分的利用。畜禽糞便處理得當,將促進我國養殖業健康快速發展和環境友好型社會的建設。


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