張應(yīng)鵬，葉小梅，杜 靜，王 莉

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，江蘇 南京 210014；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心/ 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室，江蘇 南京 210014)

近年來，江蘇省奶牛養(yǎng)殖集約化、規(guī)?；斤@著提升，高標(biāo)準(zhǔn)牧場建設(shè)不斷提速。根據(jù)江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳統(tǒng)計，截至2020年末，全省奶牛存欄量12.9萬頭，其中300頭以上規(guī)模奶牛場比例達88.7%，100頭以上規(guī)模奶牛場比例已達97%以上，而全國存欄100頭以上的規(guī)模奶牛場比例為67%[1-3]。但規(guī)模養(yǎng)殖造成奶牛糞污大量集中產(chǎn)生，處理難度大，相關(guān)資料顯示，一頭500～600 kg成年奶牛每天排糞30～50 kg，排尿15～25 kg，產(chǎn)生污水15～20 L，相當(dāng)于10個豬當(dāng)量，每噸奶牛糞污中還含有37 kg COD、12.37 kg N、1.58 kg P以及多種病原微生物[4-5]。若未及時處理或處理不當(dāng)，將會對牧場周邊大氣、土壤、水體環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人畜健康，制約奶牛產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展[6-7]。江蘇省奶牛規(guī)模養(yǎng)殖占比位居全國前列，同時也是我國首批畜禽糞污資源化利用整省推進試點[8]，壓力更大、要求更嚴(yán)，是開展奶牛養(yǎng)殖污染控制與糞污處理利用的典型省份?；诖?，選擇江蘇省奶牛養(yǎng)殖典型區(qū)域，對規(guī)模奶牛場糞污處理利用現(xiàn)狀進行調(diào)研，摸清運行情況，分析薄弱環(huán)節(jié)并提出建議，以期為推進奶牛糞污處理利用提供指導(dǎo)借鑒。

1 調(diào)研內(nèi)容與方法

1.1 調(diào)研區(qū)域

據(jù)報道，江蘇奶業(yè)生產(chǎn)已逐步形成徐宿淮、沿海、揚泰3個奶業(yè)經(jīng)濟帶，其中徐宿淮奶業(yè)經(jīng)濟帶存欄奶牛約占全省年末總存欄量的40%[9]，是江蘇奶牛養(yǎng)殖重點區(qū)域。同時，江蘇在全省7個縣(市、區(qū))設(shè)立了奶牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系推廣示范基地。為此，結(jié)合奶牛養(yǎng)殖規(guī)模和推廣示范基地分布情況，筆者選擇了徐州、宿遷、淮安、鹽城、揚州、泰州等設(shè)區(qū)市下屬的睢寧、泗洪、沭陽、盱眙、大豐、廣陵、姜堰、興化、靖江9個縣(市、區(qū))為調(diào)研區(qū)域(其中6個為推廣示范基地)，涉及26家規(guī)模奶牛養(yǎng)殖場。

1.2 調(diào)研方法

采用問卷調(diào)查和座談交流相結(jié)合的方式展開調(diào)研。調(diào)研內(nèi)容涉及奶牛場基本信息以及糞污處理利用的全環(huán)節(jié)、全流程，包括養(yǎng)殖規(guī)模、飼養(yǎng)方式、清糞工藝、固液分離方式、糞污處理利用模式等，并對部分奶牛場糞污樣品進行采集檢測，進一步分析奶牛糞污性狀及處理利用效果。

1.3 監(jiān)測與分析方法

采用玻璃電極法測定樣品pH值；采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017)測定COD；采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法(HJ 636—2012)測定TN濃度；采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測定NH4+-N濃度；采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—89)測定TP濃度。采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)分析。

2 調(diào)研結(jié)果與分析

2.1 奶牛場基本信息

該研究調(diào)研的26家規(guī)模奶牛場總存欄量3.43萬頭，約占全省奶?？偞鏅诹康?6.6%。由表1可知，存欄量為101～500、1 001～2 000頭的奶牛場占比分別為30.8%和38.5%，是主要的養(yǎng)殖規(guī)模區(qū)間。奶牛飼養(yǎng)方式包括栓系飼養(yǎng)、散欄式臥床飼養(yǎng)以及發(fā)酵床飼養(yǎng)方式(表2)。從調(diào)研情況看，散欄式臥床飼養(yǎng)占比達76.9%，是目前應(yīng)用最廣泛的一種方式，而栓系飼養(yǎng)方式僅在個別奶牛場應(yīng)用，大部分奶牛場均已淘汰，其主要原因是栓系飼養(yǎng)限制了奶牛的活動自由與舒適度，動物福利差、生產(chǎn)性能低，而散欄式臥床飼養(yǎng)增加了奶牛的活動空間，動物福利好，能夠有效提高生產(chǎn)效率[10]。發(fā)酵床飼養(yǎng)方式具有減少糞污收集量、降低后續(xù)處理難度、減少養(yǎng)殖臭氣排放、改善養(yǎng)殖環(huán)境質(zhì)量、減少人工設(shè)備投入、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢[11]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，已有23.1%的奶牛場開展該方式的探索應(yīng)用，但由于奶牛發(fā)酵床飼養(yǎng)還處于起步階段，相應(yīng)的墊料配置、維護管理等技術(shù)措施尚不成熟，而泌乳牛體型大、排泄量大、生產(chǎn)要求高，所以當(dāng)前更多是在后備牛群中應(yīng)用(15.4%)，泌乳牛群中應(yīng)用較少(7.7%)。

表1 奶牛場存欄量調(diào)研情況

表2 奶牛場飼養(yǎng)方式調(diào)研情況

2.2 奶牛場糞污處理利用情況

2.2.1清糞工藝

由表3可知，奶牛場使用的清糞工藝主要是機械刮板清糞、吸糞車清糞和人工干清糞。進一步對不同存欄量奶牛場清糞工藝進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清糞工藝的選擇與奶牛存欄量密切相關(guān)。存欄1 000 頭及以上的奶牛場中，除14.3%的奶牛場采用吸糞車外，有85.7%的奶牛場采用機械刮板工藝，該工藝操作簡便靈活、清糞效率高，對奶牛影響小，但投資較大，所以在奶牛數(shù)量多、糞污產(chǎn)生量大的規(guī)模奶牛場普遍應(yīng)用。存欄1 000頭以下的奶牛場中，有83.3%的奶牛場采用人工干清糞或吸糞車工藝，這2種工藝往往在奶牛轉(zhuǎn)場或去奶廳擠奶時才方便作業(yè)，清糞頻次低，勞動強度大，清糞效果有限，但投資較小，所以在奶牛數(shù)量少、糞污產(chǎn)生量小的奶牛場普遍應(yīng)用[12-13]；此外，采用機械刮板和水沖糞的奶牛場占比均為8.3%。

表3 奶牛場清糞工藝調(diào)研情況

2.2.2固液分離

奶牛糞污含水量和養(yǎng)分濃度高，既對周邊環(huán)境造成較大污染隱患，也不利于后期儲存和處理利用[14]。固液分離可將糞污中固體部分和液體部分分開，既有效減少糞水中懸浮固體，降低污染物濃度，減輕糞水處理壓力，又可以減少糞渣含水率，便于進一步處理利用[15]。表4列出了奶牛場采用的糞污固液分離工藝情況。結(jié)果表明，有69.1%的奶牛場采用了螺旋擠壓固液分離工藝，該工藝應(yīng)用最廣泛。其中2家奶牛場采用了多級固液分離工藝，工藝組合分別為螺旋擠壓機+微濾機以及二級鏡面壓榨分離+螺旋擠壓機，同時也有26.9%的奶牛場未進行固液分離。

表4 奶牛場糞污固液分離調(diào)研情況

進一步對不同存欄量奶牛場固液分離工藝進行比較，發(fā)現(xiàn)存欄1 000頭以上的奶牛場中，有92.9%進行了固液分離；而存欄1 000頭以下的奶牛場中，僅有50.0%進行了固液分離。這說明奶牛場是否進行糞污固液分離與養(yǎng)殖規(guī)模有一定關(guān)系。根據(jù)相關(guān)文獻報道，在常見的固液分離技術(shù)工藝如重力沉降、篩分、壓濾以及沉淀離心中，采用壓濾技術(shù)的螺旋擠壓固液分離工藝具有分離效率較好、操作便捷、性價比高的優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛[16]；重力沉降技術(shù)工藝簡單、費用低廉，但占地面積大，分離效果不佳；篩分技術(shù)對大顆粒物質(zhì)的去除效果好，但分離后固相含水率偏高；離心技術(shù)可以提高營養(yǎng)物質(zhì)的去除率，但成本高昂，推廣應(yīng)用受到了限制[17]。調(diào)研結(jié)果與文獻反映的情況基本一致，值得注意的是，調(diào)研發(fā)現(xiàn)與糞污單級固液分離相比，多級固液分離顯著改善了分離效果，但目前只有個別存欄2 000 頭以上的奶牛場采用，其應(yīng)用前景好、推廣空間大，可能是后續(xù)固液分離優(yōu)化研究的重要方向。

2.2.3糞污處理利用模式

奶牛場糞污處理利用模式及設(shè)施設(shè)備配套統(tǒng)計情況見表5～6。建設(shè)有堆糞廠房/棚、氧化塘/貯存池、黑膜發(fā)酵池、水生植物凈化塘、達標(biāo)處理系統(tǒng)的奶牛場占比分別為100%、92.0%、36.0%、11.5%、11.5%。為足量處理糞便或糞水，部分奶牛場會同時采用2種技術(shù)模式。奶牛糞便處理利用技術(shù)模式包括堆肥利用、墊料回用和蚯蚓轉(zhuǎn)化利用，其中糞便堆肥利用占比達88.5%。奶牛糞水處理利用技術(shù)模式包括還田利用和達標(biāo)排放，其中糞水還田利用占比達76.9%。采用還田利用模式的奶牛場會配套建設(shè)黑膜發(fā)酵池、氧化塘、沼液貯存池等設(shè)施，采用達標(biāo)排放模式的奶牛場一部分會配套水生植物凈化塘、UASB、A/O等系統(tǒng)裝備，一部分則委托第三方進行處理。

糞污處理利用模式的選擇與養(yǎng)殖規(guī)模有關(guān)，其中存欄1 000頭以下的奶牛場，糞便處理利用模式為堆肥利用和蚯蚓轉(zhuǎn)化利用，糞水處理利用模式主要是還田利用；存欄1 000頭以上的奶牛場，糞便處理利用模式主要為堆肥利用和墊料回用，糞水處理利用模式主要是還田利用和達標(biāo)排放。出現(xiàn)上述情況的原因可能是不同養(yǎng)殖規(guī)模導(dǎo)致糞污產(chǎn)生量、清糞工藝不同，進而影響后續(xù)技術(shù)模式選擇。存欄1 000頭以下的奶牛場以人工干清糞和吸糞車為主，糞污量小，收集的糞便適合養(yǎng)殖蚯蚓；存欄1 000頭以上的奶牛場以機械刮板清糞為主，糞污量大，一般先進行固液分離處理，分離后的固體部分適合作為牛床墊料，減少大規(guī)模奶牛場購買墊料投入，而分離后的液體部分體量仍然很大，在還田利用基礎(chǔ)上補充達標(biāo)排放模式可以很好地緩解壓力。

調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，糞水還田利用的奶牛場均流轉(zhuǎn)了農(nóng)田或與周邊種植戶簽訂了沼液消納協(xié)議，但根據(jù)《畜禽糞污土地承載力測算技術(shù)指南》，若種植稻麥，1頭奶牛約需配套0.1 hm2農(nóng)田，則千頭奶牛場需要配套100 hm2農(nóng)田，而大部分奶牛場農(nóng)田配套面積不足[18]。此外，大多數(shù)奶牛場不清楚糞水還田利用的適宜方式和用量，主要根據(jù)經(jīng)驗習(xí)慣作業(yè)，容易出現(xiàn)過量施用的情況，進而對作物生長和土壤環(huán)境造成不利影響。

表5 奶牛場糞污處理利用模式調(diào)研情況

表6 奶牛存欄量與糞污處理利用模式的關(guān)系

2.2.4奶牛場養(yǎng)殖生產(chǎn)用水情況

奶牛場養(yǎng)殖生產(chǎn)用水主要包括飲用水、擠奶廳用水和降溫噴淋水，其中飲用水占比最高[19]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，泌乳牛飲水量為108～131 L·頭-1·d-1，而飲水槽清洗水量為2.5～3.1 L·頭-1·d-1，且基本直接從水槽底部排出與牛舍糞尿混合。擠奶廳用水主要包括擠奶臺和地面沖洗水、擠奶管道和奶罐清洗水、消毒水等，占奶牛場生產(chǎn)用水的比例達到24.5%～32.5%，是污水的主要來源之一[20]，泌乳牛在擠奶廳的耗水量達27 kg·頭-1·d-1[21]，則一個有500頭泌乳牛的奶牛場擠奶廳用水量可達13.5 t·d-1，但擠奶廳污水屬于低濃度污水，可以單獨處理后回用[22]。而調(diào)研發(fā)現(xiàn)，73.1%的奶牛場將擠奶廳污水與牛舍糞尿全部收集后混合處理，15.4%的奶牛場配套了小型氧化塘或沉淀池單獨處理，僅有11.5%的奶牛場將擠奶廳污水部分或全部循環(huán)利用。降溫噴淋水僅在夏季使用，用水量約18～26 L·頭-1·d-1[20-21]，且大部分奶牛場使用普通噴淋裝置，無法根據(jù)牛只距離控制噴淋頭的開啟或關(guān)閉?？傮w來看，飲水槽清洗水直排、擠奶廳污水與糞尿混合以及使用普通噴淋裝置的方式，都會增加奶牛場糞污量，加劇處理壓力。

2.3 奶牛場糞水處理效果

奶牛場糞水體積大、儲存困難、運輸成本高，其處理利用一直是糞污處理的難點和痛點。為摸清不同處理工藝、不同處理環(huán)節(jié)下奶牛場糞水理化性狀變化情況，在調(diào)研期間選擇了6家奶牛場進行采樣檢測，具體技術(shù)工藝包括固液分離+厭氧發(fā)酵+沼液貯存、固液分離+厭氧發(fā)酵+沼液貯存+水生植物凈化、固液分離+絮凝沉淀+UASB+A/O、固液分離+離子澄清+SMBR+脫色。按照處理流程在各位置采樣，檢測結(jié)果見表7。

從表7可知，奶牛場集污池的原漿液濃度非常高，其中COD、TN、NH4+-N、TP質(zhì)量濃度分別為 33 186～54 594、1 510～3 060、1 048～2 288、144～513 mg·L-1。經(jīng)過固液分離，污染物濃度初步降低，糞水中COD降至20 776～40 164 mg·L-1，TN質(zhì)量濃度降至1 109～2 493 mg·L-1，NH4+-N質(zhì)量濃度降至795～1 835 mg·L-1，TP質(zhì)量濃度降至125～399 mg·L-1，且隨著固液分離級數(shù)增加，糞水中COD、TN、NH4+-N、TP去除率均有不同程度提升，分別從最低的14.70%、9.35%、10.16%、7.04%提升至最高的38.85%、26.56%、24.16%、27.43%。根據(jù)相關(guān)文獻報道，固液分離一般不能有效去除NH4+-N[19]，該研究出現(xiàn)這種情況可能是因為實地采樣時，集污池與固液分離機有一定距離，且集污池都是敞口式，因此糞污水在集污池暫存和輸送期間可能出現(xiàn)氨揮發(fā)造成損失。經(jīng)過厭氧發(fā)酵和沼液貯存，糞水濃度明顯下降，其中COD去除率為69.53%～78.98%，TN去除率為51.45%～61.02%，NH4+-N去除率為54.36%～62.26%，TP去除率為42.83%～54.07%。進一步采用水生植物末端凈化處理，COD、TN、NH4+-N和TP平均去除率可分別達98.48%、95.54%、96.42%和96.53%以上；若采用UASB、A/O、SMBR等達標(biāo)處理方式，糞水中主要污染物平均去除率達99%以上。

以上結(jié)果表明：(1)相比一級固液分離，糞污多級固液分離的效率更高，降解效果更好。(2)厭氧發(fā)酵+沼液貯存是處理高濃度奶牛糞水的重要技術(shù)手段，但沼液中仍含有大量COD、N、P等，高于GB 5084—2021《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》限值，這可能與奶牛場糞水濃度高以及發(fā)酵、貯存時間不足有一定關(guān)系，需要進一步延長處理時間，完全發(fā)酵、陳化并且稀釋后才能還田利用。(3)利用蓮藕、水芹等水生植物進一步處理沼液效果明顯，其凈化方式主要包括植物吸收、微生物轉(zhuǎn)化、底泥吸附、揮發(fā)等[23]。另外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)該工藝應(yīng)用時沼液會與灌溉水混合注入，停留時間至少達到45 d以上，因此稀釋作用也是沼液濃度下降的原因。由于水生植物塘規(guī)模較大，且蓮藕、水芹成熟后需要及時收獲、刈割才能保證持續(xù)的凈化能力，所以在管理上有更高要求。(4)利用UASB、A/O、SMBR等系統(tǒng)處理對糞水的降解效果最好，但調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些系統(tǒng)運行成本高昂，普遍要達到20～30元·t-1，大多數(shù)奶牛場無法承受，同時處理過程需要使用化學(xué)絮凝劑，配制絮凝劑溶液需要消耗大量水資源，增加污水量，同時絮凝劑殘留組分還可能對后續(xù)糞水安全利用造成影響。

表7 調(diào)研的奶牛場糞水理化性狀

3 討論

根據(jù)對調(diào)研結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)目前江蘇省奶牛糞污處理利用還存在一些薄弱環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在糞水的處理利用上，包括：奶牛養(yǎng)殖生產(chǎn)過程用水量大，但缺少有效的節(jié)水管理技術(shù)措施，增加了污水量，加大了處理難度；奶牛場廣泛使用的螺旋擠壓固液分離工藝效率有限，糞水厭氧發(fā)酵無害化程度不夠；規(guī)模奶牛場糞水還田壓力大，普遍根據(jù)經(jīng)驗習(xí)慣施用，安全施用量不清，種養(yǎng)平衡尚未實現(xiàn)。圍繞上述環(huán)節(jié)，后續(xù)可從以下幾方面開展技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)優(yōu)化提升。

3.1 加強糞污減量技術(shù)措施的研究與應(yīng)用

一是對奶牛場養(yǎng)殖生產(chǎn)用水規(guī)律進行監(jiān)測分析，有針對性地采取相應(yīng)的節(jié)水措施，如飲水槽清洗水收集后作為灌溉水、擠奶廳廢水作為沖洗水循環(huán)利用，采用智能感應(yīng)降溫噴淋系統(tǒng)，實行用水總量考核制等；二是推廣糞污多級固液分離技術(shù)工藝，研發(fā)高效安全低本的天然、生物絮凝劑產(chǎn)品，并與固液分離技術(shù)耦合應(yīng)用；三是糞水儲存、處理設(shè)施做好必要的防雨措施，建議采用黑膜覆頂式或全黑膜式儲存池，也可為氧化塘配套擋雨棚，避免雨水灌入增加糞水量；四是推行奶牛發(fā)酵床養(yǎng)殖原位降解糞污技術(shù)模式，在相關(guān)管理技術(shù)措施的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化上開展科研攻關(guān)，減少糞污收集量。

3.2 加強糞水水生植物凈化工藝的研究與應(yīng)用

從調(diào)研監(jiān)測情況看，水生植物塘用于沼液的深度凈化效果良好，沼液消納量高、施用次數(shù)多、施用方便，可作為沼液還田利用的補充方式推廣，緩解還田壓力，同時水生植物塘出水可以灌溉農(nóng)田，但需要加強生產(chǎn)管理，及時收獲、刈割。建議后續(xù)強化對植物生長和環(huán)境影響的運行監(jiān)測，同時積極探索水生植物立體復(fù)合配置凈化奶牛糞水工藝，在植物配置方式、安全消納濃度、周年穩(wěn)定運行等方面開展進一步研究。

3.3 加強糞水安全還田管理技術(shù)的研究與應(yīng)用

種養(yǎng)結(jié)合仍然是解決奶牛場糞水處理問題的最優(yōu)選擇，后續(xù)應(yīng)完善基于不同養(yǎng)殖規(guī)模、土壤條件、種植制度、糞水理化性狀下的奶牛糞水農(nóng)牧耦合技術(shù)模式，規(guī)范還田時間、還田方式、還田量等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，加強糞水還田作業(yè)的監(jiān)管與監(jiān)測，做到精準(zhǔn)、科學(xué)、合理施用。