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畜禽废弃物的处理技术与工艺探究

畜禽废弃物的处理技术与工艺探究

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  畜禽废弃物的处理技术与工艺探究

  聂伟1 刘立鹤1* 徐金鹏1 周哲2 王哲2 于学胜2 陈玉波2

  1武汉轻工大学动物科学与营养工程学院,武汉,430023

  2标优美生态工程股份有限公司,南京,210019

  摘要:我国畜禽养殖业经过数十年的迅猛发展,呈现出规模化、集约化和产业化的特征,但大量畜禽粪尿无法有效快速地处理,也带来了越来越严重的社会问题和环境污染。本文针对我国畜禽废弃物现状与存在的突出问题,深入分析了其对环境的影响与危害,并进一步总结探讨了畜禽废弃物处理技术与资源化利用工艺,以期实现我国禽畜废弃物处理多样化、专业化和商品化,既能实现变废为宝,又可减轻环境污染。

  关键词:禽畜废弃物;环境污染;处理技术与工艺

  我国经济经过三十余年的快速发展,人民生活水平日益提高,膳食水平和结构发生了明显的改变,动物性食品所占比重越来越大。尤其近十年,我国养殖业呈现出前所未有的发展势头,发展呈现出明显规模化、集约化、产业化等特征[1]。如今,我国畜禽养殖业生产能力已居世界第一。2010年,我国生猪存栏数为46,460万头,牛存栏量为10,626.4万头,羊存栏量为28,087.9万只,家禽存栏量为535,251万羽[2]。然而,规模化养殖业的快速发展也带来了前所未有的环境问题。畜禽粪尿因水分含量高、每天排泄量大,无法有效运输,及时腐熟等原因,不仅臭气熏天,造成当地土壤、水源污染,而且极易滋生蚊蝇,造成病害流行。因此,必需采用严格措施对畜禽废弃物进行无害化、减量化和资源化处理,成为当务之急。鉴于我国畜牧养殖业严重污染的现状,国务院于2014年1月1日正式颁发实施《畜禽规模养殖污染防治条例》 。本文针对畜禽废弃物的现状与存在的突出问题,试从畜禽废弃物的处理技术与工艺方面进行相应的探讨。

  1我国禽畜废弃物现状

  据2010年养殖统计数据测算,我国目前每年产生各类畜禽粪便约18亿吨,这还不包括养殖过程中所产生的污水、畜禽尸体及其它废弃物[3]。据《全国畜禽养殖污染防治“十二五”规划》污染源普查动态更新数据,2011年全国畜禽养殖业的化学需氧量达到1184万吨、氨氮排放量达到65万吨,分别占全国排放总量的45%、25%,分别占农业源排放量的95%、79%。

  1.1畜禽粪尿成分分析

  畜禽粪尿水分较高,成分因动物种类、食物来源,品质而有较大的差异,但畜禽粪便中富含有机质、氮、磷、钾养分及其他矿物元素,这均可作为农业循环利用的肥料资源[4],其成分平均值见表1、表2

  表1 各种家禽鲜粪内的肥分含量(%)

  种类

  水分

  有机物

  氮(N)

  磷(P2O5)

  钾(K2O)

  鸡

  50.0

  25.5

  1.63

  1.54

  0.85

  鸭

  56.6

  26.2

  1.10

  1.40

  0.62

  鹅

  77.1

  23.4

  0.55

  0.50

  0.85

  鸽

  51.0

  30.8

  1.76

  1.78

  1.00

  表2 主要畜禽粪尿中肥分的含量(%)

  种类

  水分

  有机物

  氮(N)

  磷(P2O5)

  钾(K2O)

  猪粪

  82.0

  16.0

  0.60

  0.50

  0.40

  猪尿

  94.0

  2.5

  0.40

  0.05

  1.00

  牛粪

  80.6

  18.0

  0.31

  0.21

  0.12

  牛尿

  92.6

  3.10

  1.10

  0.10

  1.50

  马粪

  75.0

  23.2

  0.55

  0.31

  0.33

  马尿

  75.0

  23.2

  0.55

  0.31

  0.33

  羊粪

  68.0

  29.0

  0.60

  0.30

  0.20

  羊尿

  87.5

  8.0

  1.50

  0.10

  1.80

  2禽畜废弃物对环境的危害

  由于我国畜禽废弃物治理缺乏有效的治理技术、治理成本高、资源化利用程度低,加之缺乏长效运行模式,既无有效的政策机制和立法保障,亦无资金政策支持,畜禽养殖污染已触目惊心,成为最主要的农业污染源,对环境造成生诸多危害。

  2.1污染大气

  禽畜粪便中往往含有大量的有害气体,据分析,禽畜废弃物中含有臭味化合物168种,其中含量最多的是硫化氢、二氧化碳、氨气、酚类、粪臭素、甲烷、硫醇类等。这些气体很容易逸散出来对空气造成污染。尤其实在温度高的夏天,在高温下,由于畜禽粪便发酵和含硫蛋白质分解产生大量氨、硫化物、甲烷等有毒、有害气体。如不及时清除或处理,将产生甲基硫醇、二甲基二硫醚、甲硫醚、二甲胺及多种低级脂肪酸等恶臭气体,造成空气污浊度升高,这些污染物除引起人们的厌恶感外,对人和动物有刺激性和毒性,有的物质还会损害肝脏、肾脏,长时间吸入恶臭物质可改变神经内分泌功能,降低代谢机能和免疫功能,甚至导致人和动物死亡[5]。

  因此,禽畜粪便如果处理不及时会在圈舍内蓄积,养殖场及附近的空气会有严重的恶臭,不仅会严重影响畜禽的健康生长发育和养殖厂工作人员的身心健康,而且会影响到周边的居民生活和环境卫生[6]。

  2.2污染水体和土壤

  畜禽粪及污水中含有大量N、P化合物,污染负荷高。若随意排入水体或随意堆放,势必造成大量的氮、磷流失。据调查估计,畜禽废弃物中氮、磷的流失量已大于化肥的流失量,约为化肥流失量的122%和132%[7]。大量数据和研究表明,我国水体富营养化的一个重要原因即是农业生产流失的氮、磷等养分,而畜禽养殖是农业源氮和磷重要来源[8]。高浓度畜禽废弃物排入江河湖泊中造成水体富营养化,富营养化的后果,首先是破坏水资源,使水质蜕变,水体发黑、变臭,降低水的使用价值,人长期饮用被污染的水源还可能诱发癌症等疾病[9]。另外,畜禽废弃物中往往还带有生产中大量使用的促长剂—金属化合物以及细菌、病毒及其它微生物等,它们进入水源和土壤,消耗作物根际土壤中的氧并造成作物“烧苗”现象,污染地下水系,也会对人畜造成危害[10]。严重时,还会出现水体发黑、变臭,造成持久性的有机污染,水体和土壤一旦遭到有机污染将很难治理和恢复。

  2.3传播病菌,危害人畜健康

  人畜共患疾病是指那些由共同病原体引起的人类与脊椎动物之间相互传染的疾病,据报道[11]:全世界约有人畜共患疾病250多种,中国有120种,其中可由猪传染的25种,由禽类传染的24种,由牛传染的26种,这些人畜共患疾病的载体主要是家畜废弃物。据化验分析[12],畜牧场所排放的每毫污水中平均含有33万个大肠杆菌和66万个肠球菌;沉淀池每升污水中蛔虫卵和毛首线虫卵分别高达199.3个和106个。禽畜废弃物极易发酵产生硝酸盐,高浓度的硝酸盐会导致白血病、癌症、呼吸道疾病等[13]。畜禽废弃物容易滋生蚊蝇,往往会造成人、畜传染病的蔓延,尤其是人畜共患病时。若得不到妥善处理,可能引起疫情发生,危害人畜健康。

  2.4危害农田生态

  高浓度的畜禽养殖污水长期用于灌溉,会使作物陡长、倒伏、晚熟或不熟。造成减产,甚至导致作物大面积腐烂。此外,高浓度污水可导致土壤孔隙堵塞,造成土壤透气、透水性下降及板结,严重影响土壤质量[14]。若把未腐熟的堆肥投入农业利用时,将消耗作物根际土壤中的氧和烧伤作物根系,同时还会引入低分子质量的有害物质与各种病原菌[15],危害农田生态健康。

  3目前常见的处理方法

  由于畜禽废弃物中一般含有较多有害微生物等,所以需要对畜禽粪便等废弃物进行处理后才可以利用。目前常见的处理方法如下:

  3.1 焚烧法

  畜禽粪便的主要固体物质是有机物、其中含有机碳高达25%~30%借用垃圾焚烧处理技术,在焚烧炉(800~1000℃)中充分燃烧成为废渣,产生的热量可用于发电等。这种方法可使畜禽粪便在较短时间内减量90%以上,并杀灭粪便中的有害病菌和虫卵。但投资大,处理费用昂贵,燃烧时释放大量CO和其它有害气体,对大气环境有不良影响一些有利用价值的营养元素被烧掉,造成再生资源的浪费,故极少应用。

  3.2干燥法

  干燥法在鸡粪处理中用得最多,也是常用的处理方法。干燥法可分为自然干燥和人工干燥。

  3.2.1自然干燥:主要用于小规模鸡场,掺入少量的砻糠和木屑到鸡粪中用小型搅拌机拌匀后在晒场或空地上晒干或风干。自然干燥对杀灭病菌和寄生虫卵及除臭效果不理想。优点是操作简便,缺点是对杀灭病菌和寄生虫卵及除臭效果不太理想。

  3.2.2高温快速干燥:目前许多国家采用快速干燥机(或称脱水机)进行人工干燥其优点是可充分保留畜禽粪中的养分,一般损失4%~6%,同时可达到除臭、灭菌、去杂草的作用。畜禽鲜粪中含水量为70%~75%。经过干燥机处理后,在短时间内(12s)受到500~550℃高温作用,鸡粪的含水量可降低到13%以下。但生产过程中产生的废气直接排入大气,对环境污染严重,且生产过程能耗高,产品只是表面干燥浸水后仍有臭味,施入土壤后发酵易烧根烧苗,还是作物土传病害的主要传染源。产品质量不可靠,设备投资大利用率低。

  3.2.3烘干法:将畜禽于烘干箱内,经70℃烘2h、140℃烘1h或180℃烘30min,可达到干燥、灭菌耐贮藏的效果。但同时快速十燥和烘干法能耗较大并且高温会使氮素以NH3形式流失,造成大气污染,也大大降低了堆肥养分;磷元素在烘干过程中转化为无机磷,也降低了肥料有效成分含量[13]。氮元素磷元素的大量损失,从而使堆肥的农业价值大大降低[16]。

  各种干燥法的比较见表3[17]

  表3自然干燥,高温快速干燥、烘干法优缺点比较

  种类

  优点

  缺点

  自然干燥

  (大棚自然干燥)养分没有被破坏,不怕雨淋,操作简单,投资小

  对杀灭病菌和寄生虫卵及除臭效果不理想

  高温快速干燥

  养分损失少,除臭、灭菌效果不错

  对含水量有要求,能耗较大

  烘干法

  干燥、灭菌、耐贮藏

  能耗较大,高温条件氮元素损失严重

  3.3生物发酵法

  畜禽废弃物经生物发酵转化为商品有机肥料符合废弃物治理减量化、资源化 无害化和生态化的原则[18]。将数量巨大的畜禽废弃物加以利用,变废为宝,可以产生巨大的经济效益。

  生物发酵法是微生物利用畜禽粪便中的营养物质在适宜的C/N、温度、湿度、通气量和pH等条件下活菌体大量生长繁殖。在好氧发酵过程中,好氧菌会大量消耗碳源和氮源,同时产生大量的热能使粪堆形成高温,称之为高温发酵;在厌氧发酵过程中,厌氧菌也会消耗碳源和氮源,但有机质的矿化程度不及好氧发酵,粪堆不易产生高温。杀灭病菌和寄生虫卵以及脱水效果不及好氧高温发酵。

  3.3.1自然堆沤发酵:这是一种较传统的生物发酵法,由于翻堆次数少,所以发酵不均匀不彻底,而且堆放时间长。

  3.3.2堆肥发酵:好氧高温发酵[19]具有对响机物分解快,降解彻底,发酵均匀。发酵温度高,一般在55~65℃,高的可达70℃以上。脱水速度快,脱水率高,发酵周期短经试验一般经15d左右高温发酵,畜禽粪便含水率即从70%~80%降至40%~50%,杀灭病菌、寄生虫卵和杂草种子及除臭效果好,但起始发酵适宜的粪料含水率为55%~65%。

  3.3.3好氧低温发酵:是德国一家公司开发的一种新型发酵法,其加工原理是用电脑控制的低温堆肥过程,发酵在密闭的反应器中进行,发酵温度控制在28~45℃,发酵结束前短期内使料温升至66℃以杀灭物料中有害细菌(如大肠杆菌),而让其它有益细菌(如可在土壤中由有机物产生腐植质的细菌)存活。发酵过程短(48h),对环境无污染,废气经生物滤器进行无害化处理,产品无毒无臭,能耗比滚筒干燥法减少35%,产品中可利用氮多15%、有益细菌的含量多95%对发酵物料的含水率要求较高,必须控制在55%。

  3.3.4厌氧发酵:利用厌氧或兼性厌氧微生物以粪料中的原糖和氨基酸为养料生长繁殖,进行乳酸发酵和乙醇发酵或沼气发酵,粪料含水量较低(60%~70%)的以乳酸发酵为主,粪料含水量高 (>80%)的则以沼气发酵为主。其优点是无需通气,也不需要翻堆,能耗省,运动费用低。但发酵周期长,占地面积大,脱水干燥效果差。

  3.3.5青贮发酵:采用青贮式发酵经济可靠,投资省,只需建造青贮窖或水泥池,能耗少,处理费用低。发酵前粪料需加调理剂,通常有草粉或秸秆粉和糠麸等,含水量调至50%~60%。发酵时间较长,人工接种乳酸菌,减少乳酸形成的时间,可缩短发酵周期,并能保证发酵质量。青贮式厌氧发酵养分损失少,杀灭病菌和害生虫卵效果较好,但脱水干燥效果差,产量低,适合于小规模畜禽养殖场,更适合于鸡场的鸡粪发酵。

  3.3.6沼气发酵:是由多种微生物在没有氧气存在的条件下分解有机物来完成的。不同发酵原料和条件下沼气微生物的种类会有所不同。主要有发酵细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌三大类。畜禽粪便是沼气发酵的主要和优质原料,分解速度相对较快,产气效果好沼气发酵适宜畜禽粪污水总固体浓度为5%~8%,适合于高水分粪污的处理。与好氧高温发酵相结合,基本上能用生物发酵方式减量化无害化处理畜禽养殖的粪便污水。沼气发酵残余物作为优质的有机肥料和饲料的功能,形成以沼气为纽带的“饲料 肥料 能源 环境”复合生态工程,具有较高的经济效益和生态效益[20]。

  3.3.7湿式厌氧发酵:是近年来开发出的一种新型厌氧处理技术,已在欧洲得到应用发展,是一种很有前途的厌氧技术。要求畜禽粪便含水量在85%,进行热水保温中温厌氧发酵,发酵周期18~20d,有机物分解率72%~77%。若进行高温厌氧发酵,发酵周期可缩至15d,有机物分解率达80%~85%。该技术自动化、资源化程度高,对环境污染小等优点,但投资、运行费用、工艺控制要求较高,适合大型养殖场应用。

  表4各种生物发酵法的优缺点比较

  种类

  适用范围

  优点

  缺点

  自然堆沤发酵

  不适合规模养殖场

  操作简单,几乎不需投资

  发酵不均匀,不彻底,堆放时间较长

  好氧高温发酵

  适合规模养殖场

  分解快,降解彻底,发酵周期短,杀菌灭虫卵效果较好

  对粪料含水量有要求,需要能耗。

  好氧低温发酵

  适合规模养殖场

  对环境无污染,能耗比滚筒干燥少,有益菌含量较高。

  发酵物料的含水率必须控制在55%

  厌氧发酵

  适合规模养殖场

  无需通气,无需翻堆,能耗省,运费低

  发酵周期长,占地面积大,脱水干燥效果差。

  青贮发酵

  适合于小规模

  畜禽养殖场

  投资省,能耗少,处理费用低

  发酵前需加调理剂,含水量量50%-60%,发酵时间较长。

  沼气发酵

  大小规模均适合

  分解速度相对较快,产气效果好。

  畜禽粪污水总

  固体浓度为5%~8%。

  湿式厌氧发酵

  适合大规模畜禽养殖场

  自动化、资源程度化高,对环境污染小。

  含水量85%,投资、运行费用、工艺控制要求较高。

  4畜禽废弃物处理的新思路与新技术

  畜禽粪便等废弃物是良好的资源,可以用于制造沼气、生产有机肥,适量适时的还田利用对于保障土壤有机质含量、保障农田生产力的可持续具有重要意义。因此,对禽畜废弃物的处理也出现一些新的思路。

  4.1加工鸡粪再生饲料

  鸡粪具有较高的营养价值,富含粗蛋白、矿物质及微量元素等,对家畜和水产养殖具有很好的营养作用。干燥鸡粪含粗蛋白23%~31%、粗脂肪8%~10%及各种氨基酸和大量维生素,是良好的饲料资源。主要处理方法有微波、高温干燥、生物发酵、青贮等。干燥处理多采用机械热烘于,通过高温、高压、热化、灭菌、脱臭等处理过程,将鲜鸡粪制成千粉状饲料添加剂[21]。鸡粪发酵处理是利用某些细菌和酵母菌通过好氧发酵,有效利用鸡粪中的尿酸,使其蛋白质含量达50%,氨基酸含量也大大提高。青贮方法是将鸡粪与适量玉米、麸皮和米糠等混台装缸或人袋厌氧发酵,使其具有酒香味、营养丰富,含粗蛋白20%和粗脂肪5.7%,高于玉米等粮食作物,是养牛、猪和鱼的廉价而优质的再生饲料。

  4.2 养殖蝇蛆和蚯蚓

  蝇蛆和蚯蚓都含有丰富的营养成分,是畜禽和高档水产养殖的优质高蛋白饲料,蛆粉和蚓粉可代替鱼粉。经分析干蛆代谢能0.46 M J/kg含粗蛋白59.39%~63%、粗脂肪12.6%;蚯蚓为常见的一种陆生环节动物,生活在土壤中,昼伏夜出,以腐败有机物为食,可以畜禽粪便为食,消除畜禽粪便的污染,变为蚓粪。蚯蚓体内含有丰富的蛋白质和氨基酸,且具有人和动物体内不能合成的必需氨基酸,营养价值高于普通的鱼粉,可用于饲料行业及特种养殖、水产养殖[22]。鲜蚓干物质含量为12%~21%,干蚓粉蛋白质含量为53%~65%,脂肪含量为43.6%~17.38%,糖元等碳水化合物11%~17.4%,灰分含7.8%~23%。饲用效果表明,利用鲜蛆、鲜蚓和蛆粉、蚓粉喂养鸡鸭,不但能促进生长,增强抗病和增重,饲料消耗减少,而且提高产蛋率;用蛆和蚓添加的饲料喂养鱼、蛙和甲鱼等,能缩短摄食时间,减少饲料的浪费,减轻水质污染,促进生长并改善和提高水产品的品质。

  4.3用畜禽粪便养殖藻类

  藻类能将畜禽粪便中的氨转化为蛋白质,而藻类可用作饲料[12]。螺旋藻的生产培养正日益引起人们的关注。

  4.4高温好氧热酶快速发酵

  这是一种快速解决畜禽粪便污染,极有潜力的发展方向。目前国内外都有相关企业在从事类似产业。例如标优美生态工程股份有限公司与新加坡Biomax合作,引进、消化、吸收Biomax全球领先的有机废弃物热酶化处理技术,有效实现有机固废的快速发酵制肥。其处理工艺如下: