江西地區規模肉牛場涉水污染物排放基數研究

吳志堅，饒 輝，夏宗群，李翔宏，寧 財，林春斌，吳志勇

（江西省農業技術推廣中心，江西 南昌 330046）

隨著《畜禽規模養殖污染防治條例》的頒布和實施、《國務院辦公廳關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》等配套文件的出臺，畜禽養殖對環境的影響引起了全社會的高度關注。而畜禽養殖產排污基數作為環境領域重要的基礎數據，是污染狀況判斷、環境決策制定的重要依據，是科學評估和預測污染物排放總量的重要基礎，也是落實國務院“減排任務”，實現“減排目標”的重要保障。因此，開展畜禽養殖業源排污基數測算研究，具有重要的現實意義。

美國、日本、丹麥等西方發達國家均對畜禽養殖所產生的污染物進行了研究，并制定了完整的畜禽養殖業產排污系數，如美國農業工程師學會編制了動物糞便產生和特性參數標準[1]、日本在畜禽糞便特性和產排污系數方面構建了大量的基礎數據[2]、丹麥制定了糞便產排污系數手冊[3]。我國自2008年第一次污染源普查以來，諸多學者對畜禽養殖業污染物產排開展了大量的研究。董紅敏等[4]對畜禽產排污系數進行了定義，并提出了一些計算方法。莊犁等[5]對我國畜禽養殖業產排污系數研究進展進行了詳細的梳理，總結了畜禽業產排污系數研究一些典型的應用案例和改進方法。王國利等[6-7]對廣西地區雜交水牛的產排污系數和小規模生豬場排污系數進行了測定，得到了廣西地區的產排污系數。付敏等[8]對四川省丘陵地區肉牛糞尿的產排系數進行了研究。隋超等[9-13]在畜禽養殖業產排污系數方面也開展了不同程度的研究。另外，還有一些學者報道了奶牛產排污系數的測定[14-21]，已有研究很好地填補了各地畜禽養殖業排污基數的空白，但主要集中在生豬和奶牛，而規模肉牛場涉水污染物排放基數的研究報道則甚少。

近年來，隨著肉牛規模養殖比重的提高，規模肉牛場糞污產生量占比越來越大，2020年全國肉牛出欄4565.9萬頭，年末存欄7685.1萬頭，規模養殖占比為29.6%[22]。隨著肉牛規模養殖比重的提高，規模肉牛場糞污產生量占比也越來越大，肉牛養殖對環境的影響也日益凸顯，因此，研究規模肉牛場糞污和涉水污染物產生和排放情況十分必要。前述研究只有王國利等[6]測定了肉牛的總氮、總磷、有機質、COD、氨氮等污染物的排放系數，但其研究對象是廣西水牛，對規模肉牛場的排污基數參考作用有限，而且目前尚未有關于江西地區規模肉牛場排污基數研究的報道。本研究基于江西地區規模肉牛場肉牛養殖的實際情況，對肉牛排放的涉水污染物進行了測定，得到具有江西地區代表性的規模肉牛場涉水污染物排放基數，可以為構建江西肉牛排污基數、摸清江西乃至南方地區糞污排放量，以及全國制定新形勢下畜禽養殖污染源減排相關指標提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 試驗場的概況

選擇江西高安市某規模肉牛場，該場飼養品種主要為西門塔爾和本地黃牛雜交后代（西雜牛），固體糞便通過人工干清糞方式收集，運至干糞間自然堆積發酵，發酵后用于種植牧草、蔬菜和果樹等；污水通過專用管網進入處理系統，厭氧發酵后的沼液輸送至貯存池，用于種植牧草、蔬菜和果樹等，無污水外排。

糞便處理利用工藝流程：肉牛養殖→糞便→干清糞→自然堆積發酵→種植牧草、蔬菜、果樹等。處理環節為自然堆積發酵。

污水處理利用工藝流程：肉牛養殖→專用管網→收集池→厭氧發酵→沼氣池→貯存池→沼液運輸車→種植牧草、蔬菜、果樹等。處理環節包括厭氧發酵和沼液貯存。

1.2 研究方法

1.2.1 排污基數的定義 排污基數是在產污基數確定的基礎上，通過測定分析糞便收集率、污水處理效率、污水利用率、收集糞便利用率等參數計算而得。

糞便收集率是指飼養員人工清糞收集到的固體糞便量占肉牛實際產糞便量的比例，實際產糞量通過產污基數試驗測定獲得；糞便收集量是在正常的飼養管理條件下，選擇與試驗牛同樣的欄舍且飼養與試驗牛相近年齡和體重的牛，稱量日常清糞收集到的糞便量而獲得；污水利用率通過測定污水產生量和利用量計算而得；污水產生量和利用量測定采取在進水口和排水口安裝流量計而獲得；污水處理效率則通過測定污水在處理系統進水口和出水口取樣分析而獲得。

1.2.2 特性參數的測定 考慮到季節和穩定運行的影響，本研究按照春、夏、秋、冬4個季節，每個季節連續采樣3 d，采用周年監測的方法，對規模肉牛場涉水污染物排放特性參數進行測定。

1.3 采樣與檢測

1.3.1 糞便 對干糞間當天收集的糞便和自然堆積發酵后的糞便分別按照梅花形采樣法，各采集糞便5 kg，混合后采用四分法取樣，攪拌均勻后分成3個樣品，單個樣品重量為500 g。其中，1份樣品不進行預處理，用作含水率的測定；對另外2份樣品按照每100 g添加4.5 mol/L硫酸10 mL進行預處理，1份用于檢測，1份留樣，將樣品編號標注預處理等信息后，用保溫樣品箱加冰袋保存并及時送專門檢測機構進行檢測。

1.3.2 污水 分別在污水處理區的收集池、沼液池和貯存池按照對角線采樣法，各采取3個點位的污水，混勻后取出500 mL污水用50%硫酸將pH值調至2以下，將編號標注預處理等信息后一同送檢。

1.3.3 檢測指標與方法 測定的污染物參數及其測定方法見表1和表2。

表1 糞樣的檢測指標、檢測方法和方法標準

表2 污水樣的檢測指標、檢測方法和方法標準

1.4 統計分析和排污基數的計算

1.4.1 數據分析 運用WPS軟件進行數據整理，采用 SPSS 19.0軟件求總平均值和總標準差，數據用平均值±標準差表示。

1.4.2 處理效率 糞便或污水的處理效率則通過測定在處理系統處理前和處理后分別取樣分析獲得，計算公式如下：

式（1）中：Rt，j為該養殖場第t種處理工藝對j種污染物處理效率（%）；Ct1，j為糞便或污水第t種處理工藝處理前第j種污染物的濃度（%或mg/L）；Ct2，j為糞便或污水第t種處理工藝處理后第j種污染物的濃度（%或mg/L）。

1.4.3 排污基數的計算 排污基數除受糞尿產生量及其污染物濃度的影響外，還應考慮糞便收集率、利用率、尿液與未收集糞便共同形成的污水及污水的利用率和處理效率的影響[7]。本文采用董紅敏等[4]的畜禽養殖業排污系數計算公式：

式（2）中：FDj，k為每頭第j階段的肉牛第k種污染物的日排污基數（mg/d）；QFj為第j階段的肉牛糞便產生量（kg/d）；CFj，k為第j階段的肉牛糞便中第k種污染物的濃度（mg/kg）；ηF為糞便收集率（%）；QUj為第j階段的肉牛尿液產生量（L/d）；CUj，k為第j階段的肉牛尿液中第k種污染物的濃度（mg/L）；ηTk為第k種污染物處理效率（%）；ηW為污水利用率（%）；ηU為糞便利用率（%）。

2 結果與分析

2.1 糞便收集率

肉牛不同飼養階段、不同季節的糞便收集率見表3。犢牛、育肥牛、母牛糞便收集率的年均值分別為 94.6%、97.1%、97.4%，少量糞便因在收集過程中受試驗牛、收集器具及人為等因素的影響而造成了損失。

表3 肉牛不同養殖階段糞便收集率 %

2.2 糞便處理效率

糞便主要通過自然堆積發酵對污染物進行處理，從測試結果看，因季節和污染物種類的不同，其處理效率也不相同，含水率、TN、TP、NH4+-N、有機質在不同季節的處理效率見表4。各污染物的處理效率受季節的影響較大，由于自然堆積發酵工藝不翻堆、不曝氣，對含水率處理效果不明顯；TN、TP和有機質的處理效率均是夏季最高，銨態氮的處理效率則冬季最高；含水率、TN、TP、NH4+-N、有機質的全年平均處理效率分別為 1.71%、9.26%、21.63%、31.43%、9.55%。

表4 糞便自然堆積發酵前后各指標值變化情況及處理效率

2.3 污水處理效率

污水主要通過常溫厭氧發酵和沼液貯存2個工藝對污染物進行處理，從測試的結果分析，因季節、污染物種類的不同，其處理效率也不相同，COD、TN、NH4+-N、TP不同季節的處理效率見表5。各污染物的處理效率季節性影響較大，COD 的處理效率以夏季最高，冬季最低；TN和NH4+-N的處理效率以冬季最高，秋季最低；TP的處理效率以春季最高，夏季最低；COD、TN、NH4+-N、TP全年平均處理效率分別為 76.35%、73.19%、75.41%、55.69%。

表5 污水處理前后各指標值變化情況及處理效率

2.4 排污基數

糞污排出養殖場區邊界即認定為排放，本試驗牛場的污水在經過厭氧處理后，貯存在沼液池中用于種植牧草、蔬菜和果樹等，污水沒有排放；固體糞便經過自然堆積發酵后，用于種植牧草和蔬菜和果樹，固體糞便流失率為0，此種管理模式下測算得到排污基數為0。

為獲得江西地區有普遍參考意義的排污基數，本文分“污水厭氧發酵后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”（模式1）和“污水厭氧發酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”（模式2）2種模式，根據測定數據并引用產污基數的相關數據[23]，用排污基數計算公式計算，得到肉牛不同生長階段的排污基數，結果見表6。

表6 肉牛不同飼養階段不同管理模式排污基數 mg/（頭·d）

由表6和圖1可以看出，模式2相比模式1僅增加沼液貯存工藝，但對減少污染物排放的效果十分顯著，模式2中3個飼養階段的COD、TN、NH4

圖1 2種模式排放基數平均值對比

+-N、TP的排放基數平均值占模式1的比例分別為57.21%、50.53%、50.23%、84.10%。

2.5 排污基數與產污基數的對比分析

通過排污基數與產污基數比較分析，COD、TN、NH4+-N、TP的排放量占產生量的比例如圖2所示。由圖2可知，采用模式1，即“污水厭氧發酵后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基數占產生基數百分比分別為51.48%、23.65%、38.98%、3.82%；采用模式2，即“污水厭氧發酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”，其COD、TN、NH4+-N、TP的排放基數占產生基數的比例分別為29.57%、11.94%、19.57%、3.20%。模式1、2 TP的排放基數占產生基數的比例只有3.82%和3.20%，這是由于TP主要來自干糞，而干糞95%左右都被收集利用了。

圖2 2種模式排放基數與產生基數比例

3 結論與討論

排污基數是在產污基數的基礎上得來的，排污基數與糞污的處理工藝（如清糞方式、糞便處理工藝、污水處理工藝和糞便污水利用情況等）有直接的關系，各養殖場的養殖模式千差萬別，很難套用統一的排放基數。本研究提出了肉牛規模養殖場常用的糞便自然堆積發酵工藝、污水厭氧發酵工藝和沼液貯存工藝的處理效率計算方法，測算了2種不同模式的排污基數，該方法針對肉牛糞便和尿液是可利用資源這一特點，有利于準確地分析各種糞便、污水處理工藝對降低污染物排放的貢獻，為管理部門和肉牛養殖者選用或者改進糞污處理利用工藝模式提供參考和借鑒。

本研究結合規模肉牛場的實際，測算得到2種不同糞污處理模式的排污基數：“污水厭氧發酵后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”模式的犢牛、育肥牛和母牛3個階段的COD排污基數分別為37.81、74.79、47.42 g/（頭·d），TN排污基數分別為10.54、27.05、19.43 g/（頭·d），NH4+-N排污基數分別為7.42、20.69、16.74 g/（頭·d），TP排污基數分別為1.17、1.71、0.80 g/（頭·d）?！拔鬯畢捬醢l酵和沼液貯存后排放+干糞自然堆積發酵后全部利用”模式的犢牛、育肥牛和母牛3個階段的 COD 排污基數分別為22.12、42.32、27.10 g/（頭·d），TN排污基數分別為5.16、13.57、10.08 g/（頭·d），NH4+-N排污基數分別為3.67、10.34、8.52 g/（頭·d），TP排污基數分別為0.98、1.46、0.66 g/（頭·d）。

目前，肉牛排污基數的相關研究較少，表7為不同地區的幾種育成育肥牛排污基數，由此可知，不同地區不同糞污處理工藝條件下測得的排污基數相差較大。王國利等[6]研究得到的廣西成年水牛系數COD、TN、NH4+-N、TP分別為93.29、21.97、1.56、0.45 g/（頭·d），《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》的華東區肉牛排污系數[24]COD、TN、TP分別為157.27、52.37、3.26 g/（頭·d），欒冬梅等[15]報道的育成奶牛排污數 據COD、TN、TP分 別 為540.39、34.34、13.29 g/（頭·d）。本研究得到的模式1育肥牛的COD、TN排污基數與廣西地區水牛的較接近，但TP則差異較大，這可能是由于家畜的差異，以及本研究將干糞中的銨態氮進入污水部分計算在內的計算方法不同有關。2種模式下育肥牛的排污基數COD、TN、TP均較第一次全國污染源普查排污系數低很多，其中模式1的排污基數約為第一次全國污染源普查排污系數的50%，可能與清糞方式、糞便污水處理利用工藝、樣本數量和計算方式不同有關。

表7 排污基數對比 g/（頭·d）

由于排污基數受糞污處理工藝、天氣、溫度等諸多因素的影響，本研究受各種客觀條件的限制，未對肉牛養殖糞污的所有處理工藝的效果進行測定，也未考慮天氣、溫度等影響因素，因此，測定結果存在一定的局限性。同時，排放基數測定的指標還不夠全面，未將Cu、Zn等重金屬，以及抗生素等納入研究范圍。隨著國家對碳達峰碳中和的日益重視，建議適時開展畜禽養殖業的CH4、N2O等溫室氣體產排基數的測定和研究。