畜禽粪便能源化、肥料化及饲料化再利用

　　0 引言

　　近年来，随着农业结构的调整和农业产业的推进，各级政府部门高度重视畜牧业的发展，随之大规模畜禽养殖业出现，极大地满足了人们对肉、蛋、奶的需求，提高了人们生活的质量，同时也产生了大量的畜禽粪便污染物。畜禽粪便污染物已成为我国环境的重要污染源之一。长期以来，我国畜禽粪便大多未经处理而随意排放，引起了生态环境的恶化: 一方面是畜禽粪便经微生物发酵、氧化后产生亚硫酸、硝酸及亚硝酸等，加剧了局部酸雨的形成，且其发酵产生的沼气会加剧地球的温室效应; 另一方面是含有高浓度的有机物流入水体后，会严重污染地表水和地下水。因此，防止和消除畜禽粪便的污染、保护生态环境，需加强对畜禽粪便资源化利用及无害减量化处理，以推动我国农业可持续的发展，增强我国农产品市场竞争力。

　　1 畜禽粪便养分情况

　　畜禽粪便中含有大量的营养物质( 见表 1) 和丰富的矿物质元素( 见表 2) ，还含有 74% 的易挥发的有机物。其中，具有 15． 5% ～ 24． 5% 的蛋白质含量及18． 2% mg / kgVB12( 干质量) 经处理后可作为饲料具有可观的经济价值; 施于农田中有利于提高土壤有机物含量，进而促进农作物的生长。因此，通过不同的处理技术可生产多种高效性、资源化及无害化的产品，不仅防治了环境的污染，也能获得很好的社会效益和经济效益。

　　2 畜禽粪便能源化再利用

　　2． 1 乙醇化利用

　　Liao 等［1］研究表明: 牛粪中半纤维素的含量为12． 7% 、纤维素为 31． 9% 、木质纤维素为 55． 4% ，将畜禽粪便经过发酵处理后生成糖类物质，之后转变为酒精，即获得了以乙醇为主要的原料物质。李静等［2］研究表明: 超声波与碱联合预处理畜禽粪便能够强化预处理效果，还原糖得率明显高于碱单独预处理时得率，同时超声波与碱联合处理能够缩短反应时间，减少碱的用量。畜禽粪便是一种具有开发利用价值的宝贵资源，其中含有大量的纤维素。国内外已初步研究了畜禽粪便纤维素的乙醇化，然而我国仍未见报道。由于畜禽粪便纤维素具有结构紧密性，在微生物酶解乙醇化之前必须对纤维素进行预处理，进而提高酶解效率。

　　2． 2 热解化利用

　　畜禽粪便在缺氧或无氧条件下通过高温分解、直接液化和气化，最终可以生成经济价值较高的生物油、木炭及热解气等。K． S． ＲO 等［4］研究表明，碳化或低速高温分解能提高猪粪中木炭的转化率。尚斌［5］在研究畜禽粪便的热解中发现，温度为 450℃ 生物油产率最大，并且小于 1mm 的物料粒径对生物油的产率无影响。涂德浴等［6］利用热重 － 微商热重分析法研究畜禽粪便热解时的动力学参数，发现畜禽粪便具有良好的受热性能。崔益华等［7］处理畜禽粪便后产生了一种可燃气体，此种可燃气体即可以直接燃烧，也可以用于发电。韩磊等［8］验证了煤和畜禽粪便混合之比为 6: 4 可压缩成蜂窝煤，其硫含量低于原煤。

　　利用加入少量木屑的畜禽粪便可烧制成活性炭，作为生产火药、电池芯的优质原料，此方法比传统生产活性炭的方法大大减少了木材的使用量，既环保又经济。对畜禽粪便进行热解处理，不仅减轻了化石能源对环境的污染问题，也解决了燃煤能源短缺问题，因此对畜禽粪便生物质利用，在实际推广过程中具有十分重要的现实意义。

　　2． 3 沼气化利用

　　沼气化发酵技术是在厌氧细菌的同化作用下，有效地把畜禽粪便中的有机质转化，最后生成具有经济价值的甲烷及部分二氧化碳，即可作为燃烧及发电使用，且沼渣可以作为动物饲料或土地肥料，沼液还可以作为农作物的营养液。因此，沼气化利用是具有多种功能、生物质资源循环利用一种生物技术，不仅适合于工厂化大规模生产的畜禽，而且适合于小规模的家庭养殖。D． Z． Masse 等［9］研究了猪粪在批式反应器中低温厌氧消化过程中营养物质的分布情况，表明磷氮营养物质含量会逐渐上升。Ｒene Alvarez 等［10］研究了利用不锈钢反应器畜禽粪便产生气体的性能，表明进料负荷为 0． 069% ～ 0． 135% 时，甲烷产气量为46． 5% ～ 56% 。张翠丽等［11］指出了畜禽粪便最优氧化温度为 25 ～35℃之间。赵国明等［12］研究了混推式高效畜禽粪便沼气系统。王真真等［13］研究表明，添加7． 4% 的活性炭纤维的牛粪进行厌氧消化反应，可明显提高化学需氧量( COD) 的去除率和反应器中沼气的含量。周岭等［14］研究表明，用 NaOH 溶液处理过的牛粪反应效果比水处理组产气量增加 34% 。畜禽粪便进行厌氧发酵处理，实现了能源物质的转换，减少了化石能源燃料的利用，并具有消除污染物、促进能源和资源的循环利用等优点。

　　3 畜禽粪便肥料化再利用

　　畜禽粪便中具有大量的有机质及矿物质元素，直接还田或经过堆肥发酵制成肥料还田后，能起到比化肥更好的作用效果。其不仅能提高土壤的肥力和有机质，而且能改善土壤的物理化学环境。

　　3． 1 直接施用

　　畜禽粪便直接还田是一种传统而又经济简便的方式。刘会强［15］研究表明，巧施牛粪可治茄子根腐病。夏立忠等［16］研究表明: 生长牧草的土壤长期施用牛粪，会使土壤对磷的吸收附点位数量明显低于施用化肥; 而畜禽粪便的直接还田对农作物会产生一定的毒害［17］，且其水分含量较高，大量施用时不方便。因此，在施用前需要一定的堆肥处理。

　　3． 2 腐熟堆肥法

　　堆肥化技术是目前应用最多、最广泛的一种畜禽粪便的处理方法，采用良好的堆制技术，能在较短的时间内使粪便脱水、减量和无害化。畜禽粪便堆肥是在人工控制条件下，按照堆肥要求水分、物料颗粒大小、碳氮比及通风量等条件，使物料混合均匀堆积，依靠细菌、放线菌及微生物的作用，可进行生物化学反应，将畜禽废弃物中不稳定的、复杂的有机成分加以分解，进而转变为稳定的简单的有机质成分。同时，随着温度的升高可消灭堆肥原料中的蛆蛹、虫卵及病原菌等，因而经过处理后的物料可以作为一种良好的有机肥施用。陈志宇等［18］研究表明，通风、温度、含水率、碳氮比、填充料和 pH 值是堆肥过程中主要影响因素。刘伟等［19］提出牛粪颗粒化有机肥，解决了贮藏和运输不便的问题。Gong 等［20］研究表明，芽孢杆菌是堆肥过程中起主要作用的堆肥微生物，且当温度上升50℃ 时，病原细菌会迅速死亡。Sunberg 等［21］等研究表明，pH 值小于 6 时会抑制堆肥反应的进行。Huang等［22］研究表明，采用通风的堆肥方式有利于加快堆肥的腐熟; 腐熟堆肥营养丰富、肥效持久、处理时间短，并且处理设备成本低，对环境不会造成二次污染，有助于改良土壤的结构。堆肥处理技术是一种资源化循环再利用和及废弃物处理于一体的好方法。

　　3． 3 生物处理法

　　王志凤等［23］研究利用蚯蚓处理过的畜禽粪便有机肥施用与农田中，与未利用蚯蚓处理的有机肥相比，农田土壤中 P、K 会增加。在国外，如美国、日本、巴西等已成立蚯蚓养殖场地作为畜禽粪便处理的互补，进而解决畜禽粪便的污染问题。周东升培育出北方寒地耐低温蚯蚓品种，用于处理粪便，得到蚯蚓堆制多功能有机肥，保障了土壤肥力资源的的持续利用。Sang wan 等［24］研究表明，蚯蚓堆肥可以作为一种滤泥转变为土壤肥料的处理技术。Tripathi 等［25］研究通过蚯蚓处理牛粪和厨房垃圾混合物，会降低碳氮比。BYM 研究了一种新型生物制剂［26］，包含自然界中分离出的有益微生物( 酵素菌、丝状菌及细菌) ，在发酵过程中，多种有益菌快速增值，分泌出多种活性分解酶，其具有很强的催化分解能力，可催化农作物废物、畜禽粪便等有机物，形成腐殖质。

　　4 畜禽粪便饲料化再利用

　　畜禽粪便中含有丰富的矿物质、维生素及大量的营养物质，但病原菌微生物、寄生虫及其虫卵同时也存在于其中，需通过高温、膨化及微生物处理等手段来消灭潜在的病菌及有害成分后，作为饲喂畜禽的饲料。在饲喂过程中，饲喂量要控制好，并且禁止使用畜禽治疗期的粪便做饲料或屠宰前畜禽作饲料。如此经过适当处理的畜禽粪便可以作为动物饲料的添加剂。目前，畜禽粪便作为饲料及其添加剂也是综合利用畜禽粪便的重要途径之一。

　　4． 1 直接喂养

　　直接饲喂法主要用于鸡粪，鸡所食大部分营养物质没有消化而排出体外，排出的鸡粪中含有 25% 的粗蛋白。其中，氨基酸的含量大于谷物饲料中的含量，还含有大量的矿物质元素，所以可利用鸡粪来代替部分饲料进行饲养牛、猪。然而，此方法存在许多问题，如鸡粪中的病菌、寄生虫易造成疾病的传播，但加入一定的化学试剂处理，进而消灭病原微生物，再饲喂牛、猪，效果良好。在美国，鸡粪混合垫草直接饲喂奶牛的方式已被普遍使用，混入上述粪草饲喂奶牛，其结果与饲喂豆饼的饲料效果相同。此方法简单易行，效果较好，但是鸡粪中含有病原微生物、寄生虫等，必须做好卫生防疫工作。潘国言等［27］利用鸽粪饲养生猪，结果表明: 添加 8． 5% ～12． 5% 鸽粪的饲料可以加快猪的生长速度。

　　4． 2 干燥法

　　干燥法是在常温或高温条件下对畜禽粪便进行脱水处理的方法。干燥法分为生物干燥、自然干燥及机械干燥等。生物干燥法是美国科学家 Jew 最早提出干燥畜禽粪便的方法，目的是采用微生物在堆肥过程中分解有机物的作用，使粪便中的水分减少; 而在堆肥过程中添加适量的处理剂，可以提高粪便的温度，利于其水分的挥发。自然干燥法将畜禽粪便添加适量的麦麸搅拌均匀，摊在空旷通风的场地上，利用太阳光的照射和人为地翻动，让其达到干燥的目的，最后机械破碎加入到饲料中饲喂畜禽。虽然此法投资少、易处理，但受天气影响较大，占地面积大，并对病原菌、寄生虫及虫卵处理效果不明显。机械干燥法通过压滤机或离心机对畜禽粪便强制脱水，可达到干燥的目的［28］，此方法可以达到防疫和生产商品饲料的要求。新型的微波处理畜禽粪便也是有效的畜禽粪便干燥处理技术［29］，其在保留畜禽粪便有机质的前提下，利用高频电磁波辐射，达到快速干燥除臭的目的，可以采用连续进料的方式进行批量的处理，此技术方法效率高，但成本投资也高。

　　4． 3 发酵法

　　发酵法是在畜禽粪便中加入酶制剂或微生物菌剂以及其他辅料，在适宜的温度下进行发酵，将所得产品饲养猪、鸡、鱼等动物。皱德松等［30］研究表明，生物发酵牛粪的饲料无异味、消化率高、口性好。郭献岭等［31］利用添加米糠和一些酶类物质的牛粪，经发酵后制作猪饲料，能够节省 30% ～ 40% 的常规饲料，且猪肉质量也很好。肖兵南等［32］研究脱水处理的牛粪经两个高低温进行发酵，所得饲料中粗蛋白的含量大大增加，具有良好的营养价值。发酵法处理具有节约资源、成本低、易推广等优点，同时也具有灭菌除臭的功能。

　　4． 4 分解法

　　分解法通过蚯蚓、蜗牛和蝇对畜禽粪便进行，得到畜禽粪便的有机肥。可利用密闭的方式饲养蛆蝇，立体的模式套养蜗牛、蚯蚓，如此不仅提供动物蛋白质，而且能达到处理粪便的目的。日本学者已成功利用畜禽粪便制取单细胞蛋白，此方法经济、生态效益显着; 但是畜禽粪便需经前期的灭菌及脱水处理，后期的蚯蚓和蜗牛饲喂、蝇蛆采收等技术要求较高，并且温度要求较严格，还需要大量的人力物力，故未得到大范围的推广。在养殖场地喷除臭制剂，收获蝇蛆时利用光照射把蝇蛆分开，一些问题便可以得到相应的解决。

　　5 畜禽粪便栽培食用菌

　　畜禽粪便栽培食用菌是以经处理过的畜禽粪便作为培养基进行种植香菇、蘑菇等食用菌，使畜禽粪便达到无害化处理的目的。我国北方是食用菌的主要种植地，然而大多数种植户使用的培养基材料为玉米芯、棉籽壳及作物秸秆等，少数使用畜禽粪便。刘本洪［33］研究使用经处理过的鸡粪作为栽培蘑菇的培养基材料，生长的蘑菇整齐，且与作物秸秆作为培养基材料生长的蘑菇相比平均高出 4cm。王宇［34］研究表明，在香菇生长的培养基材料中添加 15% 的发酵后的牛粪，可以大大提高香菇的产量。畜禽粪便作为栽培食用菌的培养基，不仅可以带来额外的经济效益，而且使畜禽粪便得到无害化处理。

　　6 结语

　　我国畜禽粪便能源化再利用，主要方式是生产沼气，利用畜禽粪便生产乙醇还较少，热解化利用具有很好的发展前景。畜禽粪便的肥料化再利用主要有腐熟堆肥和生物处理堆肥，但存在堆肥周期长、生物难饲养的问题，因此需要进一步深入研究腐熟制剂，提高堆肥效率。畜禽粪便的饲料化再利用主要以鸡粪为主，利用干燥法达到除臭、杀菌的目的，需要进一步大力发展干燥机械设备。畜禽粪便栽培食用菌可以大力发展，可带来可观的经济环境效益。根据我国的国情和经济情况，处理畜禽粪便需几种方法综合起来，将会是我国未来处理畜禽粪便的发展方向。

　　参考文献:

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　　［2］ 凌娟，李静，刘茂昌，等． 畜禽粪便污染治理的新思维［J］．四川林业科技，2008，29( 4) : 99 －102．

　　［3］ 李静，凌娟，刘茂昌，等． 超声波和碱联合预处理对禽畜粪便畜禽化的比较［J］． 重庆师范大学学报，2008，25( 4) : 82－ 85．

　　［4］ K． S． Ｒo，K． B． Cantrell，P，G． Hunt，et al． Thermochemicalconversion of live － stock waster: Carbonization of swine sol-ids［J］． Bioresources Technology，2009，100: 5466 － 5471.