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国内外牛粪生物质资源利用的现状与趋势袁立，王占哲，刘春龙近年来，随着奶牛养殖业规模化、集约化的迅速发展，奶牛场粪便集中排放造成的环境污染问题日益凸显。2007年全国奶牛存栏量1218.9万头，牛粪日排泄量高达20~30万t，尤其是规模化奶牛场，若缺乏有效处理手段，大量牛粪堆积容易造成严重的污染。牛粪在造成对土壤、水源、大气污染的同时，大量堆放占用奶牛场自身有限的生产场区，影响了奶牛场正常的生产秩序。随着对奶牛养殖小区及规模化新建奶牛场环保要求的提高，牛粪的出路及综合利用的研究迫在眉睫。一、牛粪养分情况牛粪本身是一种很好的生物质资源。同其他禽畜粪便一样，牛粪中也含有大量的矿物质元素（表1）和丰富的营养物质（表2）。牛粪质地细密，含水较多，分解慢，发热量低，属迟效性肥料。从养分含量来看，牛粪中的矿质元素和营养物质大部分含量均较其他畜禽粪便低，有机质含量与鸡粪相近，只有粗纤维、粗灰分以及无氮浸出物含量相对较高。但其产量高，总量大，因此矿物质元素和营养物质总量也相对较多。通过不同的处理技术和工艺，可生产出多种无害化、资源化、高效性的增值产品，在防治环境污染的同时也能获得良好的经济效益和社会效益。二、牛粪生物质资源利用的现状牛粪作为生物质资源处理的目的是将其无害化、减量化与资源化，最大限度地满足环境的可接受性及经济上的可行性。随着经济的发展和对环保要求的提高，目前，国内外处理畜禽粪便的方法很多，在生产中受到普遍欢迎的是那些投资少、运行成本低并能生产出高附加值产品的技术方法。1、牛粪生物质资源饲料化利用牛粪作饲料是将其综合利用的途径之一。由于牛粪各种养分含量丰富，经过适当处理后，可提高蛋白质的消化率和代谢能，同时还可杀死病原菌和改善适口性，可作为饲料来利用。目前将牛粪饲料化的处理方法主要有干燥法、分解法和发酵法等。①发酵法发酵法是在牛粪中加入某些微生物菌剂或酶制剂以及其他辅料，然后在适宜的温度下发酵，将所得产品用来喂猪、鸡、鱼等动物。例如将牛粪进行青贮发酵，只要有足够的水分和可溶性碳水化合物，牛粪即可同其他禽畜粪便与作物秸秆、饲草或其他粗饲料一起青贮。青贮时，粪便与饲草或其他饲料搭配比例最好是1:1。此法不仅可提高适口性和吸收率，防止蛋白质的过多损失，而且可将部分非蛋白氮转化成蛋白质，并杀灭几乎所有的有害微生物。另外，牛粪混合淀粉渣、米糠和一些酶类物质等经发酵后制作的猪饲料通过饲喂试验结果表明，一般能够节省30%～40%的常规饲料，而且猪喜欢食用，猪肉的质量也很好。脱水预处理后的牛粪分别在高低温两个温度下进行两次发酵，所得饲料中的粗蛋白含量较现有技术获得的提高23.9%，具有良好的营养价值。而且控制发酵温度的热源是采用发酵牛粪后剩余的牛粪经沼气池发酵获得的。实验证明，生物发酵牛粪饲料安全性。指出以15%的生物发酵牛粪饲料添加量效果最好，小鼠体重提高9.25%。试验也证明了生物发酵牛粪饲料无异味，适口性好，消化率高。②分解法分解法，又称昆虫法，是利用蝇、蚯蚓和蜗牛等低等动物分解粪便，达到既提供动物蛋白质又能处理粪便的目的。例如用牛粪养蚯蚓，据测算，每平方米培养基可收获鲜蚯蚓1.5~2万条，约30~40kg。生产的蚯蚓是优质的动物蛋白，用于钓鱼饵料，还可用于医药等行业；蚯蚓粪是高效的有机肥，可作为种植蔬菜、花卉、果树、烟草等的优质有机肥料，且对环境不产生二次污染。牛粪简单化处理后用来育蛆，然后再用蛆喂鸡，这既可提高鸡的增重，也可满足产蛋鸡所需的动物饲料蛋白。据统计，100只鸡每天可增加产蛋1kg，全年可增加产蛋量100kg，增加收入3000元，育蛆后的牛粪仍可作肥料施用，其肥效也不减。分解法比较经济，生态效益显著。但由于前期粪便灭菌、脱水处理和后期收蝇蛆、饲喂蚯蚓、蜗牛的技术难度较大，加上所需温度较苛刻，而且难以全年生产，故尚未得到大范围的推广。③干燥法干燥法分为自然干燥法和机械干燥法。自然干燥法是将新鲜牛粪单独或掺入一定比例的糠麸拌匀后，摊在水泥地面或塑料布上，随时翻动，让其自然风干、晒干，然后粉碎，掺到其他饲料中饲喂。此法成本较低，操作简便，但受天气影响大，且易造成环境污染。机械干燥法是采用相关设备进行干燥，可达到去臭、灭菌等目的，也是目前应用较广泛的干燥法。此外，新型微波处理动物粪便也是较有效的饲料化处理技术。2、牛粪生物质资源能源化利用①热解化利用在草原地区，牧民们收集晾干的牛粪作燃料直接燃烧，用来取暖或者烧饭，这是粪便直接作能源的最简单方法，但是利用不够充分，且易造成二次空气污染。对于集约化养殖场产生的大量粪便，由于含水量高，干燥比较困难，必须对其进行转化，才能用作燃料。当牛粪和煤混合比小于4:6时可压缩成蜂窝煤，其含硫量明显低于原煤。这既解决了燃煤的能源短缺问题，又减轻了燃烧化石能源对环境的污染问题，而且对牛粪的生物质利用也是一种新的尝试，在实际推广应用过程中有着很重要的现实意义。牛粪经过处理后产生一种可燃气体，这种可燃气体既可直接燃烧，也可用于发电。此工艺用于处理牛粪，不仅可以将牛粪进行有效的处理，而且充分利用了能源，牛粪经过此工艺处理后每吨干牛粪可产生1000m3可燃气体，废弃物极少，且均为固体物，体积小，是一种环保处理工艺。此外，还有利用牛粪添加少量木屑，烧制出活性炭，成为生产电池芯、火药的优质原料。此方法只需极少的木材，比传统方法生产活性炭节约木材97.5%，既经济又环保。②乙醇化利用牛粪含有丰富的纤维素资源，Liao等的研究表明，牛粪中纤维素含量为22%、半纤维素为12.5%。将畜禽粪便中的木质纤维素进行预处理，然后转化为糖，进一步发酵成酒精，可作为乙醇化的原料。李静等研究指出，在碱预处理条件下，牛粪的还原糖率达到17.65%，而超声波与KOH联合预处理能使牛粪的还原糖率达到21.47%，比KOH单独预处理时高3.82%。牛粪的乙醇化利用可替代粮食生产酒精，进而创造巨大的经济效益，但是目前还未见投入工业化生产的相关报道。③氢气化利用Fan等首次报道了通过牛粪堆肥将麦秸废弃物有效转化为生物氢气的方法。他们利用未经处理的麦秸和经过盐酸预处理后的麦秸两个不同处理生产氢气。结果表明，预处理后的麦秸在牛粪堆肥转化为氢气的过程中起到了关键作用。处理126.5h后氢气的收益率是未经处理麦秸产氢量的136倍。Fan等还进行了初底物浓度和pH值对牛粪堆肥中产氢厌氧菌孢子萌发的最优化研究。试验结果表明，堆肥产生氢气的最佳底物浓度和pH值分别为4.0±0.5g蔗糖/L和5.4±0.2。在产氢厌氧堆肥中芽孢杆菌属起主导作用。牛粪氢气化利用的方法在国内还未见报道。④沼气化利用厌氧消化工艺获得沼气是目前研究最多、最具发展前途的牛粪处理方式之一。牛是草食类反刍动物，其瘤胃中存在较多的沼气微生物，食物在牛体内经过反刍消化，使沼气细菌大量繁殖，在排出的粪便中菌种丰富，再经过一段时间的堆沤，产沼气细菌会更加富积。另外，由于牛粪中含纤维素较多，入池后很容易被沼气生物吸收利用，加之牛粪碳氮比为25:1，也正符合沼气发酵碳氮比的要求。所以利用牛粪能使新建沼气池快速启动使用。这种工艺已经成熟，很多地方都已建立了沼气池。如美国一热能工厂，每天以500t牛粪作原料生产沼气44800m3，输入煤气管道，源源不断地供给城市居民使用。为优化发酵条件和提高沼气产量，国内外进行了多方面相关牛粪沼气发酵的研究。汪婷等进行了牛粪沼气发酵过程中物质转化、微生物生理群变化及产甲烷菌多样性研究。指出在发酵启动初期，好氧细菌是引起有机质转化的主要类群，这个阶段的主要产甲烷菌类群为甲烷短杆菌属、甲烷螺菌属、甲烷微菌属、甲烷粒菌属以及未可培养的瘤胃甲烷菌属。在盛产期，产沼气的基质主要来自易分解的有机质，此阶段的主要产甲烷菌类群为甲烷杆菌属、甲烷八叠球菌菌属以及甲烷粒菌属。在发酵后期，产甲烷的基质一部分来自易分解的有机质，一部分来自于纤维素分解，产甲烷的主要类群为甲烷杆菌属、甲烷粒菌属、甲烷袋状菌属和鬃毛杆菌属。傅建辉指出根据牛粪的特点采用中温二步发酵工艺——将酸化和甲烷化阶段分别在两个不同的装置中进行。并采用折流或塞流式等污泥滞留型的地面消化池，缩短水力滞留期，延长污泥滞留时间，提高池容负荷，牛粪的产气率可明显提高。中温条件下(35℃)年平均产气率达l.53m3/m3牛粪·d，甲烷含量达到60%以上。产气率比一步发酵提高2～3倍，甲烷含量提高16%左右。Rico等研究指出，在20℃下处理25d，沼气发酵过程中牛粪的水解和酸化阶段以连续的方式有节制地进行，但并没有观察到甲烷化现象。样品浓度为60gVS/L的上清液中的化学需氧量和挥发性脂肪酸浓度分别增加了30%和107%。而牛粪在35℃下处理后上清液的化学需氧量增加值与20℃的相近，但挥发性脂肪酸的增加量却相对比较高，为154%。在35℃的处理过程中，对于较低浓度（40和60gVS/L）的样品产甲烷菌在20～25d开始启动。王真真等研究指出，牛粪厌氧消化反应中添加7.5%的活性炭纤维载体，可显著提高反应器中的沼气产量和化学需氧量（COD）的去除率。周岭等[19]研究指出，用2.5%的NaOH溶液处理牛粪，反应效果相对较好，与水处理组相比，NaOH处理组产气量增加34%。厌氧发酵和鸟粪石沉降是牛粪处理回收沼气和磷素的两种有效途径。牛粪的厌氧发酵一般受纤维素的低降解率所限制，而鸟粪石沉降受磷酸盐的有效性所制约。Jin等利用微波加热的热化学预处理牛粪物料的方法，可同时提高厌氧发酵率（通过纤维素降解）和鸟粪石沉降率（通过增加磷的溶解）。并指出牛粪厌氧消化产沼气的最佳温度和加热时间分别为147℃和25.3min，磷酸盐释放的最佳温度和加热时间分别为135℃和26min。厌氧发酵工艺对畜禽粪便尤其是牛粪进行处理，不仅能提供清洁能源——沼气，解决我国广大农村燃料短缺和大量焚烧秸杆的矛盾，也解决了部分畜牧养殖场的粪便污染问题。沼气不仅是一种清洁能源，而且热能高，1m3的沼气相当于1.2kg的煤、0.5kg的液化气，其价格与液化气相比低30%。沼气产生的副产品沼渣、沼液可以通过科学手段进行综合利用，发酵原料或产物可以生产优质饲料，沼气发酵液可以用作农作物生长所需的营养添加剂。从而将牛粪与种植业、养殖业有机结合起来，形成一个多次利用、多层增值的生态系统。⑤发电利用除作为燃料之外，很多地方还利用牛粪厌氧发酵产生的沼气进行发电。如美国、以色列等国家就利用牛粪进行发电。他们先将牛粪作为厌氧菌肥料，经过处理产生甲烷气体，该气体被收集来燃烧并驱动发电机而产生电力。余下的液体废料浇灌到农田里，而固体废料仍将制成堆肥再次利用。日本岩手县2003年建起了一座牛粪发电厂，既解决了牛粪污染环境问题，又开发了新能源。据悉，1500头奶牛的粪便所发的电，足可供应330个家庭的日常用电。我国近几年也建设了牛粪发电厂，如2007年南京川田奶牛养殖场大型沼气发电工程正式投入使用，它每天处理牛粪100t，约发电1500kWh。同年，江苏省首个牛粪发电项目——总投资1.3亿元的维维集团万头良种乳牛场沼气发电工程建成投产，其日处理牛粪，产沼气1万m3/d，产电能2.2万kWh/d，每年可新增国税收入2100万元。3、牛粪生物质资源肥料化利用牛粪中有机质丰富，含有较高的N、P、K及微量元素，是很好的有机肥原料。牛粪直接还田或经过堆肥发酵过程制成肥料还田后，能起到化肥不可替代的作用，有利于提高土壤的有机质和肥力，改良土壤结构，改善土壤理化环境和微生物环境。①直接施用牛的粪尿是一种很好的有机肥料，可直接喷洒于田间，既可以为作物提供营养元素，又可以消除一些土壤中的病害。刘会强提出茄子巧施牛粪可治根腐病。李梓臣曾提出在苹果树花蕾显红时喷洒牛粪浸泡水能防治苹果花腐病。夏立忠等[23]研究表明，牧草生态系统土壤长期施用牛粪量大于100m3/ha.a时，0~10cm表层土壤活性铝含量降低，磷的储量增加，土壤易溶态磷含量增高；土壤对磷的吸附缓冲容量及吸附亲和力降低，对磷的吸附点位数量也明显低于施用化肥，尤其是高量施用牛粪（200m3/ha.a）的土壤，地表土壤磷容易随地表径流迁移。10~30cm土层也