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張東1，徐甦1，2，陳斌1，張進1，單勝道1
(1.浙江農林大學環境與資源學院，浙江 杭州 311300；2.浙江商達環保科技有限公司，浙江 杭州 310016)
摘要：畜禽養殖業的迅速發展帶來了嚴重的環境污染問題，沼氣工程作為處理畜禽糞便的一種方法可以有效的解決其污染問題，綜述畜禽糞便沼氣工程處理技術進展及其制約因素并提出相應的措施。
隨著市場經濟的發展和人民生活水平的提高，對蛋、奶、肉等畜產品的需求量逐漸增多。我國主要的畜禽養殖種類有豬、奶牛、肉牛、蛋雞和肉雞。依據畜禽養殖組織模式的不同，分為規模化養殖場、養殖小區和養殖專業戶3類。畜禽養殖業的迅速發展帶來了嚴重的環境污染問題，沼氣工程作為處理畜禽糞便的一種方法可以有效的解決其污染問題。
1我國畜禽養殖業的主要特點
畜禽標準化規模養殖快速發展，散養戶逐年減少。近年來，在中央生豬、奶牛標準化規模養殖等扶持政策的推動下，各地標準化規模養殖加快發展，生豬和蛋雞規模化比重分別達60%和77%，已成為畜產品市場有效供給的重要來源。以陜西省為例，2008年底，全省生豬出欄100～3000頭養殖場戶17199個，出欄生豬411萬頭，占全省出欄的30%，比2002年提高3.5%；奶牛存欄5～100頭養殖戶16427個，存欄奶牛158705頭，占全省奶牛總存欄的27.8%，比2002年提高41.6%[1]。
在福建省2008年的普查中也顯示，規模化養殖場占所有普查對象的12.9%，而出欄量占59.6%[2]。
畜禽養殖業優勢區域布局初步形成。各地因地制宜，充分發揮地域優勢，畜牧業產業布局逐漸明顯。畜禽養殖業由改革開放初期的分散生產，逐漸向適宜生產區域集中。已基本形成了以長江流域、中原和東北為中心的生豬產業帶，以中原和東北為主的肉牛產業帶，以東部省份為主的禽肉產業帶和以東北、河北和河南等中原省份為主的禽蛋產業帶，以東北、華北及京津滬郊區為主的奶業產業帶。同時在各個省份又因地域特點形成一定的產業分布。
畜禽養殖業內部結構進一步優化，畜牧業逐步走上了一條適合我國資源狀況的節糧型道路。豬肉在肉類的總量中的比重由1995年的69.36%下降到2000年的65.81%，禽肉和牛羊肉的比重分別由18%和11.7%上升到19.7%和13.2%[3]。
2我國畜禽養殖業的發展趨勢
為深入貫徹中央經濟工作會議和2010年中央1號文件有關精神，農業部在農牧發[2010]6號《農業部關于加快推進畜禽標準化規模養殖的意見》中指出，力爭到2015年，全國畜禽規模養殖比重在現有基礎上再提高10～15個百分點，其中標準化規模養殖比重占規模養殖場的50%，畜禽標準化規模養殖場的排泄物實現達標排放或資源化利用，重大動物疫病防控能力顯著增強，畜產品質量安全水平明顯提升。同時兼顧與全國生豬、奶牛、肉牛優勢區域布局規劃相結合，與當地國民經濟與社會發展計劃、與種植業布局規劃相銜接。
3畜禽養殖的污染現狀
畜禽養殖糞便污水排放量和主要污染物排放問題急劇增加，成為我國一些以養殖為主要農業活動區域環境污染的重要污染源。在2010年2月公布的第1次全國污染源普查公報中，農業源普查對象為2899638個，其中畜禽養殖業1963624個，所占比重高達67.7%。畜禽養殖業主要水污染物排放量：化學需氧量1268.26萬t，總氮102.48萬t，總磷16.04萬t，銅2397.23t，鋅4756.94t。畜禽養殖業糞便產生量2.43億t，尿液產生量1.63億t。然而隨著畜禽糞便排放量的大增，畜禽糞便作為農業肥料的比例不斷大幅下降，而且大部分的糞便沒有經過無害化處理。據調查全國90%的規模化養殖場缺乏必要的污染治理設施，養殖小區和養殖專業戶對畜禽糞便的處理重視程度就更低，隨時隨地排放、堆棄，畜禽糞便對環境的污染逐年加大。畜禽養殖業已成為農業污染源之首，也是部分水體水質惡化的重要污染源，嚴重影響村鎮人居環境和人體健康。畜禽養殖業發展所造成的環境污染問題已經引起各級政府的高度重視，開展規模化畜禽養殖污染減排已納入國家“十二五”重點規劃。畜禽糞便對環境的污染主要表現在對大氣、水體和土壤的污染。
3.1對大氣的污染
畜禽糞便堆放期間在微生物的作用下，其中有機物質被分解而產生一些諸如甲烷、硫化氫、氨氣、甲硫醇等惡臭氣體。每年出欄10.8萬頭的豬場，每小時向大氣排放15.9kg氨、14.5kg硫化氫、15億個菌體、25.9kg粉塵，污染半徑可達4.5～5.0km[4]。規模化養豬生產中產生的惡臭有230多種，主要是以氨氣為主。排放的氨氣一部分揮發到大氣中形成酸雨，余下大部分被氧化成有害的硝酸鹽滲入地下水，嚴重污染了空氣、土壤和水源。以愛荷華州東北部距某規模化豬場半英里一所學校作為試驗組，對照組為10英里范圍內沒有規模化畜禽場的一所學校。結果試驗組患病率達19.7%，對照組患病率7.3%，而愛荷華州學生群體哮喘患病率約6.7%。
3.2對水體的污染
養殖場的畜禽糞便對水體的污染表現在對地表水和地下水的污染。畜禽養殖場排出的污水含有大量的有機物，其中化學需氧量濃度可高達12～15g·L-1，如不經處理直接排放，可使地表水化學需氧量含量遠遠超標，水體中氮磷等有機物的增加最終導致水體富營養化，危害水生生物生存，破壞水生態環境。根據王宣等對河南省3個具有一定代表性的規模化養殖場的研究，3個畜禽養殖場周圍的地下水中氨氮、高錳酸鹽指數、總大腸菌群、細菌總數4個監測因子均有超標現象，其中總大腸菌群和細菌總數超標現象十分嚴重，水位為9～130m深的地下水井均有超標現象，總大腸菌群超標率75%～100%，最大超標倍數為532倍，細菌總數超標率為25%～100%，最大超標倍數229倍[5]。
3.3對土壤的污染
養殖場糞污不經無害化處理直接進(施)入土壤，糞污中的有機物被土壤中的微生物分解，一部分被植物利用，一部分被微生物降解為二氧化碳和水，使土壤得到凈化或改良。如糞污進(施)入量超過了土壤的承受力(土壤自凈能力)，便會對土壤產生污染。據有關研究，盡管不同畜禽品種和不同區域會有所變化，但是一般每公頃土地能夠負荷的畜禽糞尿為30～45t，如果高出這一水平，就會帶來土壤的富營養化，對環境產生影響。在種養配套地區，我國畜禽糞便的總體土地負荷警戒值普遍超過環境脅迫水平(正常＜0.4)，很多養殖場周邊的土地已經無法消納畜禽養殖產生的沼液、沼渣和糞肥。另有研究發現，長期施用中、高量豬廄肥會明顯提高稻田土壤中鋅、銅和鎘的生物有效性，其有效態含量分別比對照組增加87.3%、65.8%和41.4%，砷的總量提高明顯[6]，最后通過植物鏈富集進入人體，危害人體健康。
4畜禽糞便的沼氣工程處理技術
為了減少畜禽糞便對環境產生的污染，必須經過一定的處理才能排放。畜禽糞便處理的方法主要分為2大類，一是直接利用，主要是作為肥料和飼料；二是考慮其資源特性使其能源化，主要是利用沼氣工程來解決畜禽糞便帶來的環境污染問題。沼氣法的原理是利用厭氧細菌的分解作用，將有機物(碳水化合物、蛋白質和脂肪)經過厭氧消化作用轉化為沼氣和二氧化碳。沼氣法具有生物多功能性，既能夠營造良性的生態環境、治理環境污染，又能夠開發新能源，為農戶提供優質無害的肥料，從而取得綜合利用效益。沼氣工程因其在處理畜禽養殖污染中的優勢，已經納入國家的“十二五”規劃。
4.1沼氣工程技術
沼氣工程是以農業廢棄物和有機垃圾的厭氧消化為主要技術環節，集污水處理、沼氣生產、資源化利用為一體的系統工程。根據沼氣工程中厭氧發酵干物質的含量不同，沼氣工程發酵技術可以分為干法發酵和濕法發酵。濕法技術的底物干物質含量一般小于8%，是液態有機物的處理方法。在對畜禽糞便預處理時將固液進行調漿使其完全混合，然后進入發酵裝置；干法技術的底物干物質含量一般在20%以上，是固態有機物的處理方法。用該法處理畜禽糞便時需要將固液分離，分離出來的干物質進入發酵裝置，液體進行好氧處理。干法發酵因其水分停留時間較短，所需的發酵裝置體積只有濕法發酵的一半，其成本投資也只有后者的一半，但是后者的產氣量卻是前者的4倍，通過沼氣發電帶來的效益遠遠超過干法發酵[7]。
沼氣工程技術包括戶用和大中型沼氣工程2類。戶用沼氣主要集中在亞洲，以中國水壓式沼氣池和印度浮罩式(哥巴士)沼氣池為典型代表。
發酵的主要原料為人畜糞便、污水等。中國戶用沼氣工程技術從20世紀90年代以來，在農業生產方面的應用呈現快速發展的局面，結合各地具體條件，建立了“三結合”、“四位一體”、和“五配套”等多種以沼氣技術為紐帶的生態農業應用模式。其核心是將種植、養殖、沼氣發酵等有機結合，實現物質良性循環和能量梯級利用。
大中型沼氣工程主要用于處理農業廢物、工業廢水、城市有機垃圾、污泥等生物質廢棄物并回收能源。我國沼氣工程的發酵原料主要是畜禽糞便，豬糞最多，牛糞次之，雞糞最少。目前還沒有能源植物或能源植物與其他有機物混合發酵的沼氣工程。歐洲農場沼氣工程則采用完全混合式厭氧反應器、推流式反應器或其組合工藝[8]。以德國為代表的歐洲沼氣工程技術以高濃度有機廢棄物聯合消化工藝為主，絕大多數配備熱電聯產系統，即使在冬季環境氣溫低至-20℃，沼氣工程仍然良好運行，中溫裝置產氣率1.5～1.8m3·m-3·d-1，高溫裝置產氣率2.0～3.0m3·m-3·d-1，經濟效益顯著。在歐洲，大約有94%的農業廢棄物沼氣工程采用混合原料發酵，混合原料以禽畜糞便為主，比例約50%～80%；能源植物(以玉米、青草為主)及其收割殘余物、有機副產品、農產品食品加工廢棄物等作為最常用的發酵補充原料，從原料產氣率角度分析，玉米、甜菜等的干物質產氣率可達600～1000m3·t-1，遠遠高于動物糞便的產氣率[9]。這對于提高我國沼氣工程產氣率研究方面有一定的借鑒作用。
隨著近年來我國標準化規模畜禽養殖的迅速發展，對大中型沼氣工程研究也越來越多，工程工藝技術已日趨成熟，配套設備已達到或接近國際先進水平。在沼氣工程的配套技術方面，可根據豬糞、雞糞、牛糞等原料的特性的不同，對預處理系統、厭氧發酵系統、沼氣輸配系統、制肥系統、消化液后處理系統進行差異化的設計；在發酵工藝方面，生物厭氧發酵機理研究、不同糞便高效能發酵工藝的制定、沼氣工程產氣率、化學需氧量去除率已居國際領先水平；在配套設備方面，我國已研制出純燃沼氣發電機組，制罐、自動控制、脫硫脫水、固液分離等裝置已形成標準化成熟產品[10]。除此之外，我國根據經濟實力和具體國情，還開發出了2套以完全混合厭氧消化器和臥式推流厭氧消化器為主的“能源生態型”和以高效厭氧消化器和好氧處理相結合為主的“能源環保型”的典型處理工藝。
4.2沼氣工程技術發展的制約因素
近年來在國家的大力支持下，我國的沼氣工程發展迅速。據農業部2009年統計，自2003年起，中央累計投入190億元資金用于農村沼氣建設，支持建設1406萬戶農村戶用沼氣、1.3萬處養殖小區和聯戶沼氣工程、1776處大中型養殖場沼氣工程和6.36萬個服務網點。截至2009年底，全國農村戶用沼氣已達到3050萬戶，各類農業廢棄物處理沼氣工程3.95萬處，年產沼氣約122億m3，可替代1850萬t標準煤，生產沼肥約3.85億t，每年可為農戶增收節支150億元。然而沼氣工程中的戶用沼氣池和大中型沼氣工程的發展仍然受到很多因素的限制。
4.2.1戶用沼氣池
從技術本身來看，面臨著以下的技術問題。沼氣池進出料難的問題依然困擾著廣大農民，根據北京郊區的一份影響農村沼氣推廣的調查，13.19%農民覺得沼渣沼液提取難而導致已建好的沼氣池沒有正常使用[11]；原料產氣率需要進一步提高，單純的畜禽糞便產氣率低于混合進料的產氣率；全國大部分地區冬天溫度低于厭氧微生物正常發酵活動所需要的溫度，導致產氣率低甚至不能產氣，這是當前制約戶用沼氣發展的一大關鍵因素；隨著經濟的發展，越來越多的農民已經不養豬或其他畜禽了，沒有足夠的進料來維持沼氣池的正常運轉。
從政策層面看來，與農村沼氣建設相關的制度還不夠完善。對沼氣知識的宣傳力度跟不上當前建設速度，部分農民對沼氣的認識停留在原來的水平，缺乏對新技術的了解。管理服務機制不健全，重沼氣池建設，輕建后管護，沒有足夠的沼氣服務網點對沼氣池的運行與維護提供技術服務，缺乏一支專業沼氣生產和管理隊伍，影響了沼氣的長期有效使用[12]。對于沼氣池的建設，政府與農戶所持態度不同，在現有市場經濟條件下，農戶的經濟行為是自愿的，完全可以按自己的標準選擇從事某項經濟活動，甚至可與社會有某些差異；當運用成本效益分析法對沼氣池建設進行評價時，從農戶和社會的角度作出的分析會出現不同的結果，這是因為大部分環境效益和生態效益對農戶來說是外部效益，主要被社會獲得，因此，在進行經濟分析時，從社會角度看是可行的，從農戶角度看卻不可行，從而導致現實中政府和農戶對待建池態度和行為的不一致；受經濟利益的驅使，農民對建造戶用沼氣池的積極性不如政府高[13]；因而，政府采取一定的經濟補償有利于戶用沼氣池技術的進一步發展。
4.2.2大中型沼氣工程
配套設施不完善，整體技術水平低。配套設施不完善，而且設備質量堪憂，使用壽命短、故障率高是我國沼氣設備存在的普遍問題。同時沼氣產量低，我國沼氣工程平均池容量只有283m3，遠低于德國的1000m3，每處沼氣工程產氣量僅為314萬m3·a-1。而且熱電聯產比例低，每立方米沼氣產電量也低于國際先進水平，大多直接以沼氣作為能源，冬季正常運行存在問題，增溫保溫設備能耗較高。
種養脫節，發酵產物無法完全利用。沼氣工程厭氧發酵產生大量腐熟的沼渣和沼液。沼渣中有機質含量豐富，其他養分含量較高，而且也較全面，適合作底肥，可用于培肥改土，提高土壤肥力水平；沼液中速效養分含量較高，適合作追肥。另外，沼氣肥有抑制作物蟲害作用，可用于作物種子浸種以提高發芽率和作物產量[14]。但是隨著標準化規模養殖的發展，許多養殖場附近沒有足夠的農田來消耗產生的大量沼肥，如果直接排放，達不到排放標準，需要進行好氧處理后才能達標排放，如果遠距離運輸到其他的農田中施用，因其數量巨大，會產生高昂的費用，降低沼氣工程的經濟性。
配套政策不完善。由于規模化養殖場的沼氣工程基礎建設投資大，一般養殖企業很難承擔。我國在沼氣工程建設的用地、用電、稅收以及排污費收取等方面沒有優惠政策和措施。以沼氣發電為例，2000-2004年，德國政府連續出臺了《可再生能源優先法》、《生物質發電條例》等，鼓勵沼氣發電上網，而且對上網電價的基本補償和獎勵價格做了明確的規定。而我國對可再生能源發電上網電價只有一個籠統的規定，對沼氣發電上網，特別是農場廢棄物沼氣工程發電上網沒有額外補貼，就目前的上網電價而言，沼氣工程要想通過發電盈利還很困難。
5發展措施
加快沼氣工程建設已經納入國家“十二五”發展規劃，要實現既定的目標，必須解決好制約沼氣工程發展的諸多因素。
在技術方面，針對沼氣工程中主要存在的產氣率低與相關配套設備不完善的問題，重點加強對沼氣池保溫材料、保溫技術、高效厭氧發酵微生物以及提高發酵原料中成分的混合度的研究，同時加大對國外先進技術的引進與吸收，尤其是對沼氣工程配套的相關設備研究，開發出更加適合我國發酵成分特點的設備。
在政策方面，加大對沼氣工程優點的宣傳力度，提高人們對沼氣工程的認識。為沼氣工程設施的建設，設備的制造制定更加完善的行業標準，加強建設與運行的管理。加大財政補貼力度，制定更加具體的法律法規。
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