北京市奶牛粪污管理及资源化利用技术现状

徐永洞，王子涵，路永强，郭江鹏，刘志丹＊

1 中国农业大学水利与土木工程学院环境增值能源实验室，北京 100083

2 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083

3 北京市畜牧总站，北京 100101

0 引言

当前我国乳制品消费量巨大。2020年，新冠肺炎疫情（简称“疫情”）背景下，国家卫生健康委发布了《新型冠状病毒感染的肺炎防治营养膳食指导》，其中科学饮食成为防控新冠肺炎的重要途径。牛奶在提高人体免疫力功能方面受到广泛的关注。2020年，居民乳制品购买意愿显著提高[1]。据农业农村部食物与营养发展研究所动物食物与营养政策中心测算，2020年全国奶类产量3 544.00 万吨（图1），全年奶类表观消费量达到5 406.00 万吨，同比2019年增长8.0%，人均乳制品消费量达38.30 kg，同比2019年增长7.8%，消费增幅处于历史高位[2]。

图1 2012—2020年我国牛奶产量

图1 2012—2020年我国牛奶产量

乳制品需求的大幅增长为全国的乳制品生产提供了机遇和挑战[3]。然而，奶牛养殖是一个高污染行业，近年来，在中央加快推进生态文明建设的大背景下，奶牛场污染控制受到较大的关注。奶牛粪污管理落后会导致疾病多发，奶产品质量下降，产量降低，饲料和防控药物成本增加。尤其在疫情背景下，各奶牛业从业人员在保护自身安全的前提下，更应该加强牛场管理，防止交叉感染或者奶牛场产生其他疫情。在奶牛场管理中，粪污处理是重要环节。奶牛场大量粪尿，剩余饲料等污物会对土壤、大气和水体造成严重污染[4]。奶牛粪污中含有大量细菌、病毒、致病寄生虫卵，危害畜禽健康和环境安全，甚至威胁人类健康。奶牛粪污中的布鲁氏分枝杆菌、结核分枝杆菌、大肠杆菌、牛生殖道弯曲菌、钩端螺旋体、朊病毒（疯牛病病毒）、戊型肝炎病毒等，可以导致人类感染，对食品安全、社会卫生安全造成巨大的威胁。

北京是全球大都市，人口密集。在疫情期间，保障大城市的饮食和环境安全十分重要，乳制品在提高人体免疫力、控制疫情方面的作用受到认可，因此，做好乳制品供给尤为重要。近年来，在疏解非首都功能、促进产业转型升级背景下，北京市现存奶牛场的重要性不言而喻，加强北京市的奶牛牧场粪污管理，具有显著的示范意义和模式效应。因此，本文以北京市为例，对奶牛场畜禽粪污管理模式和技术进行总结，并对高值化利用奶牛粪污的前沿技术进行介绍。

1 北京市奶牛养殖现状

近年来，在疏解非首都功能、促进产业转型升级背景下，北京市奶牛产业作为污染较重的产业，从2015年开始向河北进行疏解[5]。截至2020年底，北京市有奶牛场49 家，其中顺义区10 家，密云区5 家，通州区6 家，大兴区2 家，房山区5 家，平谷区1 家，延庆区15 家，昌平区5 家。养殖总量68 445头，各区的奶牛存栏量如图2所示。

2 北京市畜禽粪污管理和资源化利用技术

近年来，我国畜禽养殖业向集约化、规模化快速发展，环境威胁日益加重。当前畜禽粪污管理已经成为畜禽养殖持续健康发展的关键因素。与其他畜禽相比，奶牛的粪污排放量大且养分浓度高。奶牛每天的粪污产生量为60～95 kg/头，个体生命周期粪便排放量是生猪的13.47 倍[6]。当前北京市的畜禽粪污管理模式为源头减量、过程控制、后端利用三个方面（表1）。

表1 2020年底北京市奶牛存栏量、粪污处理及利用现状

2.1 粪污减量

粪污源头减量是提高粪污处理水平、降低处理难度的重要途径[7]。在奶牛场一般通过雨污分离、干清粪工艺、固液分离降低粪污的产量。奶牛养殖污水处理难度较高，雨水会显著增加养殖污水的体积，增加生产成本。2021年，北京夏季降雨量较往年有显著增大。在调研的49 家北京奶牛场，46 家配备了雨污分流设施，减少了牧场污水的产生量和处理难度。采用干清粪工艺，可以大大减少冲洗用水，降低污水的处理量。干清粪一般通过刮粪铲、推车和集粪箱组成，工艺简单。除降低污水产量外，与水冲粪和水泡粪相比，干清粪工艺可以减少投资成本。在调研的49 家奶牛场中，47 家采用干清粪工艺，2 家未采用干清粪工艺的牧场位于密云区，养殖规模分别为10 000和2 435 头。固液分离是降低污水体积的重要途径。通过干湿分离机，污水和固体粪便分别得到富集并进行针对性的处理。

续表1

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2.2 无害处理

发酵床技术是指在垫料中加入粪污降解微生物菌剂，通过翻抛等实现奶牛排泄物的混合，在牛舍内实现粪污的无害化降解，可以实现粪污的无害化处理[7，8]。氧化塘法可用于各种规模奶牛场的污水处理，其结构简单、造价低、便于管理、利于废水综合利用和达标排放；但易受土地资源的限制，尤其在用地紧张的大型都市地区推广较难；受气候、天气的影响较大，容易滋生蚊虫，产生大量的恶臭气体，引起周围大气污染。

2.3 资源利用

2.3.1 堆肥

固体粪污收集后，可以用于堆肥。当前北京市奶牛场多采用堆肥处理固体奶牛粪污。奶牛粪便中含有大量有机成分（如粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和无氮浸出物）可以被微生物降解利用。此外，牛粪中含有大量的纤维素降解菌。控制好湿度（常为70%）和发酵环境（有氧），微生物在大量繁殖的同时会将其中的有机物分解成无臭味、完全腐熟的有机物，从而还田利用。牛粪堆肥过程中的温度较高（常为65～70 ℃），可以杀死牛粪中部分有害微生物和寄生虫卵，达到无害化处理牛粪的目的，有效解决奶牛场牛粪卫生安全问题[8，9]。

2.3.2 生产沼气

厌氧发酵是指畜禽粪便、秸秆等农林有机废弃物，在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体的过程。牛粪中含有多种厌氧发酵微生物，具有较好的原料条件，能够实现高效的降解[10]。沼气发酵系统基于沼气发酵原理，以能源生产为目标，最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。北京目前有3 家场奶牛利用厌氧发酵处理粪污生产沼气。

2.3.3 牛床垫料

牛粪中含有较高的纤维素类物质，具有疏松透气等性能。粪污堆肥结束后经过晾晒和烘干，作为牛床垫料使用[8]。牛床垫料使用尤其需要注意垫料中的微生物尤其是致病菌的含量。

2.3.4 蚯蚓养殖

当前顺义区1 家奶牛场利用奶牛粪污养殖蚯蚓，实现粪污的高值化利用。利用蚯蚓处理粪污工艺简单，费用低廉，收获的蚯蚓具有较高的经济利用价值。当前粪污处理使用的蚯蚓品种为赤子爱胜蚓，具有食量大、适应性广、繁殖快、处理效率高的特点。蚯蚓养殖一般采用条垛式，温度控制在20～30 ℃，最适湿度在75%左右，最适接种密度为8～12 条/90 g干牛粪基质[10，11]。

3 新兴技术研究持续开展

当前北京市采用的畜禽粪污处理技术各有利弊。在探讨畜禽粪污常规利用的同时，开发粪污利用的新型工艺和技术，具有重要意义。本课题组近10 余年，针对畜禽粪污管理和资源化利用，在坚持开展工程实践的同时，持续开展了前沿技术的实验室和中试研究。微藻转化和水热转化技术研究的开展和应用，可以从本质上改变对畜禽粪污管理模式和畜禽粪污高值化利用途径。

3.1 微藻处理转化

经过厌氧发酵、氧化塘处理、厌氧氨氧化处理之后的废水中含有较高的氮磷物质和化学需氧量（COD）。微藻具有较高的光合效率、环境适应能力强且生长周期短，在污水处理、转化生物质产品中体现出显著的优势[12，13]。该方法的原理是：在氧化塘中养殖一定量的藻类，塘中的好氧细菌利用藻类光合作用产生的氧气生存，并分解塘中的有机物，起到很好的脱氮除磷作用。此外，微藻对重金属的吸附作用大大提高了沼液作为灌溉用水的安全性。收获的微藻生物质在生物柴油、生物乙醇、生物氢及其他生物质转化中具有较高的利用价值。

3.2 水热转化利用

水热转化技术是指在较高压力下的热转化过程，温度一般低于热解液化[14]。一般来说，生物质是在有溶剂和气氛存在以及反应温度200～400 ℃、反应压力5～25 MPa的条件下进行的生物质转化过程。该处理条件下，粪污中的有害微生物被彻底杀灭，并能把粪污转化为生物炭和生物原油。牛粪中含有较高的纤维素类物质，在水热炭化时，获得较高的生物炭产量。水热转化的生物炭在吸附性能、电池材料和土壤改良等方面具有重要的应用前景。水热液化获得的生物柴油，经过进一步处理后，在动力燃料应用方面具有较高的利用价值（图3）。

图3 微藻与水热转化耦合实现畜禽废弃物资源化

3.3 垫料利用关键技术

牛粪再生垫料不仅能实现奶牛场粪污的无害化处理和资源化利用，而且可增加奶牛舒适性，逐渐替代了传统垫料。但由于牛粪再生垫料的原料是牛粪，而新鲜牛粪中含有大量致病菌，因此，垫料产品的安全性受到广泛关注。本课题组采用国产滚筒发酵设备（装置见图4）生产牛粪再生垫料探究不同季节牛粪垫料生产及存放过程物料特性及乳房炎致病菌的动态变化规律，并认为滚筒温度和原料中总碳含量是致病菌数量变化的主要影响因素[15]。

图4 牛粪再生垫料系统装置图

4 小结

做好奶牛粪污管理具有重要意义，尤其在当前疫情背景下，做好奶牛粪污管理对疫情防控、保障乳制品质量、稳定市场供应具有重要意义。在粪污处理中，政府的监管和示范具有重要导向作用，各奶牛场应该结合自身特点、地区特色和安全生产要求选择适合的奶牛粪污管理模式，实现奶牛场的可持续发展。