畜禽粪便资源化处理的研究进展

郭佳俐，郑 蕾，朱立新，李子富，＊

1 北京科技大学能源与环境工程学院，北京 100083

2 南京资源生态科学研究院，江苏南京 211500

0 引言

随着全球人口和社会经济的发展，全球畜禽养殖业进入快速发展阶段。伴随着畜牧业的发展，畜禽粪便的排放量也显著增加。中国是畜禽养殖大国，同时也是畜禽粪便产生大国。21世纪初，中国畜禽粪便的排放总量为31.88 亿吨，是1980年的2.37倍。据2016年原农业部统计，我国每年产生的畜禽粪便已达到38.00 亿吨，综合利用率不到60.00%，无害化率不足50.00%[1，2]。对比2010年，2020年我国畜禽粪便的总排放量增长26.90%，总污染量增长31.20%，单位耕地面积的畜禽粪便的污染量增长32.80%[3]。

畜禽粪便产生量大，有机物含量高，同时含有氮、磷、病原微生物、抗生素、激素、重金属等，还会释放氨气、硫化氢、粪臭素和硫醇类等恶臭气体，如果得不到及时有效的处理和利用，则会导致地下水、空气及土壤质量等受到污染，生态环境严重恶化，不仅严重影响畜牧业的发展，还威胁到人类的健康[4～7]。

针对畜禽粪便的特性，依据“减量化、资源化、无害化”的原则，可采用不同的工艺和技术，将畜禽粪便转化为可直接或间接利用的有用资源。及时有效的处理畜禽粪便可以降低环境负荷，在减少环境污染的同时，还可以产生一定的经济效益，有利于环境友好型发展。畜禽粪便的资源化处理技术按照用途分类，主要包括饲料化、肥料化和能源化处理技术[8，9]。

1 畜禽粪便的饲料化处理技术

1.1 直接投喂

将畜禽粪便中含有的没有被吸收的营养成分，通过杀菌处理后作为畜禽饲料进行二次利用，可以提高畜禽的消化率和蛋白质代谢。直接投喂法主要针对一些特定的废弃物，如利用含有高蛋白的鸡粪养猪、养牛等。

但采用直接饲喂法还是存在诸多问题，如鸡粪中的寄生虫、病原体等会造成疾病的传播，采用化学试剂进行预处理，可有效消除病原微生物的危害，降低传染病风险。鸡粪混合垫草去直接饲喂牛的方式在美国已被普遍使用。此方法效果较好，简单易行，但是鸡粪中因含有大量的致病微生物，必须做好卫生防疫处理工作。

1.2 干燥法

干燥法是将畜禽粪便在室温或高温下进行脱水的一种方法。干燥处理，可以更好的实现畜禽粪便的杀菌、除臭和消毒效果。

干燥法分为生物、物理和化学干燥。生物干燥法是美国科学家Jew最早提出的畜禽粪便干燥方法，利用微生物的分解来降低粪便中的水分。物理干燥法是通过自然干燥、高温干燥、离心、沉淀、机械挤压或微波技术等物理手段对畜禽粪便进行脱水处理。化学干燥法是通过絮凝的方法进行脱水处理，FeCl3和Al2（SO4）3是常用的絮凝剂。

采用干燥法处理畜禽粪便的效率较高，设备简单，且投资小。畜禽粪便经过干燥处理后可转变成鸡朊粉以做成高蛋白饲料。相关研究表明[2]，鸡粪在干燥过程中，含水率可由70.00%～75.00%下降至8.00%以下。

然而，由于鸡粪在夏天很难保持新鲜，处理时有臭气产生，处理臭气和产品的成本较高，杀死病原菌的效果也较差，而且干燥法不适合其他饲料化价值较低的畜禽粪便。因此，限制了该方法的推广和应用。

1.3 热喷法

热喷法是将畜禽粪便装入热喷机内，向机内通入热饱和蒸汽，形成高温（150～200 ℃）和高压（4～10 Bar）的环境，进行热蒸和喷放处理，使畜禽粪便熟化并且变得蓬松，改变其化学成分和结构，通过消毒和除臭处理后，使畜禽粪便变成有价值的饲料[10，11]。

此法处理后的畜禽粪便，可除去臭味、消灭病菌，有机质消化率可提高10.00%。热喷法是由特殊的热喷装置及特有的工艺流程来实现的，因此，操作管理要求较高，应用范围受到限制。

2 畜禽粪便的肥料化处理技术

2.1 直接施肥

由于畜禽粪便中含有大量没有被吸收的营养成分，因此，可以被直接作为肥料使用。在传统农业中，畜禽粪便作用于农田的方式主要有直接施肥、堆肥处理和干燥后做成有机肥[10，11]。

畜禽粪便直接还田是一种简单并且成本低廉的传统方法，但仅有7.12%的畜禽粪便用于制造有机肥，大部分的畜禽粪便未被利用[10]。畜禽粪便的直接还田因其水分含量较高，大量施用不方便操作，若超过农田负载量，将会造成耕地土壤的污染[12]。

2.2 堆肥处理

畜禽粪便堆肥处理是在人工控制的条件下，调控水分、碳氮比、通风量及物料颗粒大小等因素，通过曝气、搅拌等功能，使物料均匀混合，依靠微生物的作用，进行生物化学反应。按照是否有氧参与，堆肥可分为厌氧堆肥和好氧堆肥两种。

畜禽粪便经过堆肥处理后可以增加土壤有机质和土壤肥力，同时还可消灭堆肥原料中的病原微生物、寄生虫卵等，降解残留的抗生素和降低重金属活性[13，14]。畜禽粪便经过堆肥处理后基本可以实现无害化，但由于堆肥占地面积大、臭气控制难等问题，在一定程度上限制了堆肥技术的推广使用。

2.3 生物处理

生物技术是借助生物促使粪便发酵，使其成为有机肥。目前大多采用蚯蚓和蝇蛆对畜禽粪便进行分解，形成有机肥。蚯蚓堆肥被认为是新型的、有前景的、符合可持续发展的一种生物处理法。通过将生物与传统堆肥相结合的方式对畜禽粪便进行处理，利用蚯蚓吞食过腹消化和微生物的分解作用，最终形成养分全面的蚓粪[15]，可作为优质有机肥应用于农业生产中。

蚯蚓养殖技术应用在畜禽粪污处理上，蚯蚓活动可以改善发酵粪肥堆体结构，降低粪污中重金属含量，不仅可以作为高档有机肥，还可以抑制恶臭气体排放[16]。为了解决畜禽粪便的污染问题，美国、巴西、日本等国家建立了蚯蚓养殖场地作为畜禽粪便处理的互补措施。也有研究发现，蚯蚓堆肥可以作为一种滤泥，继而转变为土壤肥料[17]。

2.4 青贮法

畜禽粪便中碳水化合物的含量低，不宜单独青贮，常把畜禽粪便和饲草、秸秆等物质混在一起，从而提升饲料的利用效率，同时也能够使其中的高蛋白得到有效的转化。

青贮的饲料具有酸香味，可以提高其适口性和吸收率，防止蛋白损失，将部分非蛋白质转化成蛋白质，营养价值高，同时可杀死粪便中病原微生物、寄生虫等。Viaene等[18]研究发现通过共青贮可以改善牛粪产品的稳定性和肥力值。

3 畜禽粪便的能源化处理技术

3.1 厌氧发酵

厌氧发酵是指有机物质，如人畜家禽粪便、秸秆、稻壳等，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。沼气可作为燃料用于燃烧或发电，沼渣可以作为动物饲料或土地肥料，沼液可以作为农作物的营养液。厌氧发酵技术，以能源生产为目标，可最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用（图1）。

图1 日处理30 t牛粪的厌氧发酵产沼气工程

厌氧发酵处理适用范围广，大中小规模的畜禽养殖场都适用。Massé等[19]通过研究猪粪低温厌氧发酵过程中营养物质的分布变化情况，发现沼液中氮磷等营养物质含量随着厌氧反应的进行逐渐上升。畜禽粪便进行厌氧发酵处理后，实现了“变废为宝”，转换为可利用的能源物质，可替代化石燃料，具有消除污染物、促进能源再生和资源的循环利用等优点。

3.2 乙醇化利用

畜禽粪便中含有大量的纤维素，利用微生物的酶解作用，可生成糖类物质，之后转变为酒精，最终获得以乙醇为主的物质。因为纤维素结构紧密，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。

Azevedo等[20]对牛粪乙醇化生产的生命周期评价进行了研究，观察到牛粪乙醇化生产消除了对粪便预处理的需要，同时在生物燃料生产中使用废弃物作为原料，减少了对环境污染的影响。畜禽粪便的乙醇化利用可替代采用粮食生产的酒精，进而创造出巨大的经济效益。

3.3 燃料

致密成型燃料技术是指对畜禽粪便进行脱水干燥处理后，在一定温度和压力作用下，将其加工成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料。

畜禽粪便致密成型，提高了能源密度，解决了收集、运输、储藏的问题，形成商品能源，替代煤炭、天然气、液化气等不可再生能源作为新型能源。但缺陷是脱水处理的成本较高，同时由脱水产生的废液会给环境造成二次污染。因此，该项技术并没有被广泛使用。

3.4 热化学利用

热化学方法是指在一定的热力学条件下，将低价值的有机物转化为高价值生物能源的技术，包括燃烧、热解、水热处理、气化处理等。燃烧是最简单的热化学方法。水热处理包含水热气化、水热液化和水热炭化，是生物质在一定压力和温度条件下转化为液体、气体和固体炭产物的技术。热解处理将生物质在缺氧或者无氧的条件下转化成非冷凝气体和冷凝气体、生物原油和生物炭[21，22]。气化处理则将生物质转化为高热值的富氢混合气体[23]。

热化学方法具有效率高、周期短、占地面积小的优点。燃烧适用于处理含水率较低的动物粪便，但不适合规模化畜禽养殖场中含水率相对较高的畜禽粪便的处理。通过调整热解、水热处理、气化处理的不同工艺条件，得到不同的高值产品。热化学转化技术能够借助高温杀死粪便中的病原体，显著降低体积，并可获得增值产品和高值能源，但目前研究尚处于对热解条件及其产品特性的探讨。

总体而言，畜禽粪便的处理技术有很多，各自有其优缺点，见表1。畜禽粪便的饲料化技术的安全性还有待进一步研究完善。传统畜禽粪便处理方式如堆肥、厌氧发酵、生物处理、乙醇化处理等技术存在周期长、效率低、存在污染物残留等问题。对比其他技术，采用热解技术处理畜禽粪便，不仅具有处理效率高、周期短、可以快速杀死和分解粪便中的有害成分、有效降低环境负荷的特点，且低成本的畜禽粪污处理后还可以获得高附加值的生物能源，从畜禽粪便能源化、高值化利用的角度，采用热解技术处理畜禽粪便具有较好的发展潜力，因此，得到人们的广泛重视。

表1 畜禽粪便的资源化处理技术优缺点比较

4 畜禽粪便热解处理

畜禽粪便含水率较高，水分会极大地影响热解反应的进行、热解产物的分配和质量以及整个系统能耗。因此，畜禽粪便在进行热解工艺处理之前都先采用干燥技术进行预脱水处理。

4.1 畜禽粪便干燥脱水技术研究

畜禽粪便常用的物理干燥手段有自然晒干、沉淀、烘干干燥、机械干燥、微波辐射干燥、红外干燥、超声波干燥、电凝干燥等。自然晒干和沉淀是两种最为简单的干燥方式，成本低廉，易处理，只需要依靠自然温度和重力作用进行脱水干燥，但其脱水过程耗时长，并且受天气影响较大，处理效率低，占地面积大，不适于处理大批量的畜禽粪便。同时也因其对病原菌、寄生虫及虫卵处理效果不明显而受到限制。烘干干燥和机械干燥都是在人工控制下，分别通过提高温度和机械压滤或离心进行强制脱水处理，以达到干燥的目的[24～26]。此方法可以达到采用畜禽粪便生产商品饲料和防疫的要求。微波干燥也是有效的畜禽粪便干燥处理技术[27，28]，其在保留畜禽粪便有机质的前提下，利用高频电磁波辐射，从而达到快速干燥的目的。微波干燥可采用连续进料的方式进行批量处理，虽然此方法的处理效率高，节约时间，但其投资成本也较高。北京科技大学自主研发了一套采用微波干燥技术处理畜禽粪便的中试装置（图2），平均干燥速率可达43 g/min[29]。红外干燥、超声波真空干燥和电凝干燥等技术是前沿的新型干燥处理技术[30～32]，目前正处于研究阶段。

图2 微波干燥中试装置[29]

化学干燥主要是添加絮凝剂、膨化剂、表面活性剂和酸化剂等化学物质[33～35]，增强畜禽粪便的沉淀速率，促进固液分离，使畜禽粪便达到脱水的效果，FeCl3和Al2（SO4）3是常用的絮凝剂。投加化学试剂时要注意剂量，才能达到比较好的效果。Giorgia等[34]对猪粪进行加酸化剂处理，研究发现，酸化可以减少氨的排放，促进固液分离，可以改善田间有机营养的分布。采用化学方法对畜禽粪便脱水的成本比较高，一些化学试剂还可能存在生态安全隐患。

粪便的生物干燥（Biodrying）一词最早是由美国Cornell University科学家Jewell等[36]于1984年提出的，其原理是利用粪便在堆肥过程中，微生物分解有机物时会产生很多热量，从而加快粪便中水分的蒸发，以起到干燥脱水的目的。Yang等[37]对影响生物干燥的因素进行了广泛的研究，还对反应器结构、运行方式等进行了综述，讨论了生物干燥过后产物的健康和环境风险评估。相对于物理和化学干燥，生物干燥具有养分损失少、产物安全性高、肥效高、成本低等优点。因此，生物干燥方式也被人们越来越多的用于畜禽粪便的干燥处理。

4.2 畜禽粪便热解技术研究

上溯到3 万年前，人们利用热解所得到的焦炭来记录作画[38]。19世纪初，德国人F.Bergius开始将热解技术用在煤或煤焦油上以得到液体燃料。热解技术从刚开始的石油和煤炭热裂解等领域，逐渐走向各种多样化的热解对象，利用不同来源不同特性的物质进行热解。目前，热解原料以秸秆、木材、污泥等的研究较多[39～41]，近年来逐渐应用于畜禽粪便的热解。

国外，White和Taiganides[42]于1971年首次将热解技术应用到畜禽粪便的处理上，对鸡粪、牛粪、猪粪烘干粉碎后采用热解技术进行处理，并测定了在800 ℃的条件下得到的热解气体的热值。西弗吉尼亚大学的研究组研发了一套猪粪热解工艺，可以生产出“pig tar”，将其跟柴油混合后可以作为生物燃料使用[43]。Sanchita等[44]通过表面改性不同畜禽粪便热解制得的生物炭来增强土壤中铬酸盐的还原作用，研究证实了改良生物炭在Cr（VI）污染土壤修复中有着巨大潜力。Gascó等[45]研究了猪粪及其制得的生物炭对土壤中二氧化碳的排放和土壤酶的影响，结果表明，施用猪粪生物炭可以减少土壤的矿化。

国内于1998年就有关于畜禽粪便热解研究的报道，以生物质热解气化理论为基础，根据畜禽粪便的来源和能源价值，论证了畜禽粪便热解制气的可行性和发展潜力。2007年，尚斌[46]在实验室条件下，利用小型流化床进行了猪粪热解液化试验，分析了热解温度、热解时间、进料速率和猪粪粒径等对热解产物产率的影响。涂德浴[47]设计一套流化床实验装置，对猪粪展开了空气气化试验，总结给出建议的操作条件为：粒径0.5 mm，ER=0.15，起始温度300 ℃。2014年，简秀梅等[48]综合分析了畜禽粪便热解制得的生物炭应用于土壤修复的效果，展望了畜禽粪便生物炭的发展前景，为畜禽粪便生物炭技术的应用和推广提供了一定的思路。辛娅[49]和刘凯[50]针对牛粪热解气化制氢进行了研究，结果表明，湿牛粪是原位气化制氢很好的原料。

由于其加热方式的不同，热解分为微波热解和传统热解。传统热解通常都采用电炉、流化床或者固定床[51]对物料进行加热裂解，生产生物炭、油、气等。传统热解工艺流程简单，处理量大，一些较为成熟的应用已经在部分发达国家得到工程实践。但传统热解也存在样品颗粒内外温度梯度大、能源效率低、产生有毒害物质等缺点。与常规热源相比，微波热解具有加热均匀、升温快速等特性更具优势。微波热解可实现快速升温，在短时间内达到热解温度和热解效果，缩短整体的热解反应时间。目前新的更为高效绿色环保的微波热解技术主要用于生物质和污泥的处理和处置上[52]，其高效的技术特性引起了越来越多的关注和研究。

5 畜禽粪便资源化发展前景

畜禽粪便资源化利用和高效处理，对畜牧业的可持续发展和生态环境的安全尤为重要。近年来，采用热解技术处理畜禽粪便日益得到人们的广泛关注。虽然热解技术对畜禽粪便的处理效果显著，可以有效降低环境负荷，高效快速，同时得到的产物也具有较高的利用价值，遵循可持续发展的原则，是一种环境友好型技术，将其应用到畜禽粪便的处理上也绿色环保。但是目前国内外关于畜禽粪便采用热解处理还存在诸多问题，相关研究和实际应用还比较少，而且畜禽粪便的热解处理装置以及处理工艺上较为单一且效率较低。因此，对于现有设备的不足、分段式工艺的研究以及技术推广应用方面，仍需要进一步探讨。

采用新型的微波热解技术处理畜禽粪便的研究更少。因此，对畜禽粪便在微波热解下的热解特性、工艺参数、产品特性等进行深入探索显得尤为重要，可为降低畜禽废弃物给环境带来的污染问题提供新的技术手段，生产高附加值产品，为解决短缺的不可再生能源提供新的途径，构建完善的畜禽粪便资源化利用体系，实现畜禽粪便资源的高效、无害化利用，降低畜禽粪便对生态环境造成的破坏。