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中国农业科技导报ꎬ２０１７ꎬ１９(１):３７－４２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 收稿日期:２０１６￣１２￣１６ꎻ接受日期:２０１６￣１２￣２２ 基金项目:国家重点研发计划项目(２０１６ＹＦＤ０５０１４００)资助ꎮ 作者简介:陶秀萍ꎬ研究员ꎬ博士ꎬ主要从事畜禽养殖环境控制与废弃物处理研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｔａｏｘｉｕｐｉｎｇ＠ｃａａｓ.ｃｎꎮ∗通信作者:董红敏ꎬ研究员ꎬ博士ꎬ主要从事农业生物环境工程技术研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｄｏｎｇｈｏｎｇｍｉｎ＠ｃａａｓ.ｃｎ畜禽废弃物无害化处理与资源化利用技术研究进展陶秀萍ꎬ 董红敏∗(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所ꎬ农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室ꎬ北京１０００８１)摘 要:畜禽废弃物中含有大量的有机物ꎬ也含有病原菌和抗生素残留物等有害物质ꎬ具有极大的环境污染风险ꎬ必需采取适当措施对其处理与利用ꎮ综述了国内外畜禽废弃物处理与利用技术ꎬ并对未来研究重点和技术趋势进行了展望ꎬ以期为解决我国当前畜禽废弃物环境污染问题提供借鉴和参考ꎮ关键词:养殖废弃物ꎻ屠宰废弃物ꎻ死畜禽ꎻ抗生素ꎻ资源化ｄｏｉ:１０.１３３０４/ｊ.ｎｙｋｊｄｂ.２０１６.７６４中图分类号:Ｘ７１３ 文献标识码:Ａ 文章编号:１００８￣０８６４(２０１７)０１￣００３７￣０６ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｎＡｎｉｍａｌＷａｓｔｅＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＲｅｃｙｃｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴＡＯＸｉｕｐｉｎｇꎬＤＯＮＧＨｏｎｇｍｉｎ∗(ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄＷａｓｔｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅꎻＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆ＳｕｓｔａｉｎａｂｌｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００８１ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｓｃｏｎｔａｉｎａｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｍｏｕｎｔｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｓꎬａｓｗｅｌｌａｓｐａｔｈｏｇｅｎｓａｎｄｖｅｔｅｒｉｎａｒｙａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｒｅｓｉｄｕｅｓꎬｗｈｉｃｈｐｏｓｅｔｒｅｍｅｎｄｏｕｓｔｈｒｅａｔｓｔｏｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｍｅａｓｕｒｅｓｍｕｓｔｂｅａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇａｎｄｒｅｃｙｃｌｉｎｇａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｓｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｓ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｖｉｅｗｅｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｆｏｒａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄｒｅｃｙｃｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｌｌｏｖｅｒｔｈｅｗｏｒｌｄꎬａｌｓｏｐｒｅｄｉｃｔｅｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｏｃｕｓｅｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄ.ＩｔｉｓｅｘｐｅｃｔｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｔａｃｋｌｉｎｇｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｓｓｕｅｓｉｎｃｕｒｒｅｄｂｙａｎｉｍａｌｗａｓｔｅｓｉｎＣｈｉｎａ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｎｉｍａｌｗａｓｔｅꎻｓｌａｕｇｈｔｅｒｈｏｕｓｅｗａｓｔｅꎻｄｅａｄａｎｉｍａｌꎻａｎｔｉｂｉｏｔｉｃꎻｒｅｃｙｃｌｉｎｇ 畜禽生产过程中不可避免地产生废弃物ꎬ畜禽废弃物的产生量随着养殖和屠宰总量的增加而增多ꎬ尽管产业发展和科技进步使畜禽废弃物的处理和利用水平逐步提升ꎬ但是畜禽废弃物的环境污染问题依然突出ꎮ据业内统计ꎬ全国每年产生３８亿ｔ畜禽粪污ꎬ综合利用率不到６０％ꎬ２０１４年规模畜禽养殖化学需氧量和氨氮排放量分别为１０４９万ｔ和５８万ｔꎬ占当年全国总排放量的４５％和２５％ꎬ占农业源排污总量的９５％和７６％ꎬ全国共有２４个省份的畜禽养殖场(小区)和养殖专业户化学需氧量排放量占到本省农业源排放总量的９０％以上[１]ꎮ畜禽废弃物的环境污染问题严重制约了我国畜牧业的可持续发展ꎮ发达国家曾经借助先进、实用技术的研发和应用使之得到妥善解决ꎻ相比之下ꎬ我国畜禽废弃物污染防治技术研究起步较晚ꎬ在当前严峻的环保形势下ꎬ亟需借鉴国外的技术经验ꎬ研究开发符合我国畜禽产业发展需求的畜禽废弃物无害化处理与资源化利用技术ꎬ为畜禽废弃物污染的有效防治提供技术支持ꎬ促进我国畜牧业可持续发展ꎮ１ 畜禽废弃物处理与利用技术研究现状畜禽废弃物包括养殖废弃物和屠宰废弃物ꎬ养殖废弃物主要有动物排泄物和死畜禽ꎬ屠宰废弃物则由屠宰副产物和污水组成ꎮ畜禽废弃物的形态及其特性有差异ꎬ因而其处理与利用技术也有所不同ꎮ１.１ 畜禽粪便处理和利用技术研究现状畜禽粪便是动物粪、尿与冲洗水的混合物ꎬ其中含有大量有机物和氮磷等养分、病原微生物(甚至人畜共患病原微生物)以及抗生素和重金属残留等ꎬ如果处理得当ꎬ可成为植物养分、土壤有机质和生物能源的重要资源ꎮ不同形态畜禽粪便(固体粪便、养殖污水和粪浆)的资源化利用技术也不尽相同ꎮ１.１.１ 固体粪便处理与利用技术 固体粪便最常用的处理技术是堆肥ꎬ利用好氧细菌、真菌等微生物的代谢产热所致高温(６０℃)有效杀灭病原体[２]ꎬ同时将有机物质分解成稳定的有机物ꎬ包括农作物生长所需要的大量氮、磷以及氨基酸、蛋白质和胡敏酸等有机成分[３ꎬ４]ꎬ对提高作物品质和改善土壤质量具有重要意义ꎮ日本开发了静态通气、槽式和塔式发酵等高效堆肥技术和设备[５ꎬ６]ꎬ对奶牛、肉牛和猪粪进行肥料化应用ꎮ堆肥过程中会产生大量有害气体ꎬ其中主要成分是氨气ꎬ氨气挥发不仅污染环境ꎬ而且使堆肥的肥料价值降低ꎬ为此ꎬ发达国家研究开发了化学、生物添加减排ꎬ以及生物质过滤和生物洗涤除臭等技术[７ꎬ８]ꎬ对堆肥过程中挥发气体进行控制和回收利用ꎮ对于水分含量较低的蛋鸡粪ꎬ荷兰和日本等国也通过直接干燥后生产有机肥[５ꎬ９]ꎬ或集中焚烧发电后飞灰用于肥料生产[１０]ꎬ由于鸡粪(干物质约６０％)焚烧的净热值低ꎬ加上不同养殖场鸡粪的能量密度有差别ꎬ因而实际大规模应用的效益低于预期ꎮ热解和气化是近年来粪便堆肥或固体粪便热化学转化新技术ꎬ热解将堆肥或粪便生物质转化成非冷凝气体和冷凝蒸汽、液体生物原油、固体生物炭或灰[１１ꎬ１２]ꎬ气化则将堆肥或粪便生物质转化为高热值的富氢混合气体[１３]ꎮ热化学转化技术能借助高温杀灭固体粪便中的病原体ꎬ使粪便体积显著降低ꎬ并获取有用能量和增值产品ꎬ但目前研究尚处于对热解条件及其产品特性的探讨ꎮ１.１.２ 养殖污水处理与利用技术 养殖污水中也含有有机物、氮、磷等成分ꎬ但是肥料价值低ꎬ对其主要采取深度处理、养分浓缩利用等方式ꎮ国内外养殖污水的深度处理有人工湿地净化、生物膜处理、以及厌氧－好氧组合处理等技术[１４ꎬ１５]ꎬ其中以厌氧－好氧组合处理技术最为常用ꎬ但该技术能耗高、处理过程中排放氧化亚氮ꎬ而且将可作为肥料利用的氮转化成氮气造成资源浪费ꎮ发达国家基于养分浓缩利用ꎬ开发了微滤、超滤、纳滤和反渗透等非生物膜技术[１６]ꎮ微滤和超滤分别截留污水中０.１~５μｍ以及０.００１~０.０５μｍ的分子和颗粒ꎬ纳滤膜能截留污水中分子量大于２００Ｄａ的有机分子和溶解盐ꎬ反渗透膜则可截留污水中所有溶解盐和分子量大于１００Ｄａ的有机分子ꎮ养殖污水中有机物大分子、铵和磷酸盐等被截留而浓缩ꎬ同时产生的高等级出水可回用于养殖场生产[９]ꎮ磷是不可再生资源ꎬ养殖污水中磷回收技术研究也备受重视ꎮ利用磷酸盐增溶真菌或激活微生物吸收磷酸盐ꎬ将其转变成肥料的生物除磷技术ꎬ其运行效率取决于真菌和微生物ꎬ难以获得稳定的去除效果[１７]ꎻ相比之下ꎬ鸟粪石结晶技术的研究和应用更为普遍ꎬ高浓度的铵离子、镁离子和磷酸根离子在１∶１∶１条件下结晶沉淀生产鸟粪石ꎬ可作为肥料循环利用[１８]ꎬ但是鸟粪石结晶的ｐＨ较高需要使用大量化学试剂ꎻ鸟粪石结晶易沉积在搅拌装置和管道上ꎬ影响系统稳定运行ꎻ鸟粪石在非酸性的正常土壤中肥效低ꎮ为此ꎬ近年来国外对基于铁离子吸收和解析的磷酸盐回收、氧化铁纳米管磷酸盐回收等技术进行了研究[１７]ꎮ１.１.３ 粪浆处理与利用技术 粪浆即为液体粪便ꎬ其固体物含量高于养殖污水ꎬ将其直接作为有机肥料进行农田利用是一种经济实用且相对简单的方法ꎬ被世界各国广泛接受和应用ꎮ美国提出的畜禽粪便综合养分管理计划(ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｎｕｔｒｉｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｌａｎꎬＣＮＭＰ)ꎬ将液体粪便贮存后直接进行农田利用ꎬ配套开发的液体粪便贮存、养分平衡、运输和农田施用等技术及设备ꎬ使其成为国际上液体粪便农田利用的成功典范ꎮ欧洲将液体粪便(主要为猪粪和牛粪)与能源作物混合厌氧发酵成沼肥进行农田利用[１９]ꎬ通过混合８３中国农业科技导报１９卷厌氧发酵沼气产生数学模型、高固体料液高效传质技术、沼气发电及余热高效转化技术等的开发[２０]、以及沼液浓缩技术和沼肥长期农田利用重金属累积效应研究[９ꎬ１９]ꎬ实现了畜禽粪便进行能源化和肥料化应用ꎮ由于液体粪便和沼肥在贮存过程中会挥发大量的臭气物质ꎬ其中以氨气为主ꎬ为了防止污染环境和液体肥料肥效降低ꎬ丹麦等欧洲国家提出了减少氨气挥发的粪浆酸化技术[９]ꎮ１.１.４ 畜禽粪便抗生素残留处理技术 兽用抗生素因治疗、疾病预防和控制、以及促生长的需要被广泛应用于畜禽生产ꎬ然而３０％~９０％的兽用抗生素以原形或初级代谢产物的形式随动物粪便和尿液排出体外[２１]ꎬ其中约７５％的四环素类抗生素以母体化合物形式排出体外[２２]ꎬ金霉素和磺胺甲嘧啶通过粪尿排泄比例分别为７５％和９０％[２３]ꎬ６０％的恩诺沙星和３０％的环丙沙星被直接排泄[２４]ꎮ兽用抗生素残留随着畜禽粪便进入环境后ꎬ最终通过食物链影响畜禽甚至人类健康ꎬ已成为备受关注的新型痕量污染物ꎮ已有的研究主要集中于测定方法建立和残留现状调查ꎮ国内外结合现代先进的仪器设备建立了气相色谱－质谱(ＧＣ￣ＭＳ)、超高效液相色谱－飞行时间质谱(ＵＰＬＣ￣ＴＯＦ￣ＭＳ)、液相色谱－飞行时间质谱(ＬＣ￣ＴＯＦ￣ＭＳ)、液相色谱－串联质谱(ＬＣ￣ＭＳ/ＭＳ)、超高效液相色谱－串联质谱(ＵＰＬＣ￣ＭＳ/ＭＳ)、荧光－高效液相色谱(ＦＤ￣ＨＰＬＣ)、二极管阵列－高效液相色谱(ＤＡＤ￣ＨＰＬＣ)、紫外－高效液相色谱(ＵＶ￣ＨＰＬＣ)和生物传感器等多种畜禽粪便抗生素残留测定方法[２５~２７]ꎬ其中以ＬＣ￣ＭＳ/ＭＳ和ＵＰＬＣ￣ＭＳ/ＭＳ方法最为多见ꎮ在此基础上ꎬ各国对畜禽粪便中兽用抗生素残留情况进行调查分析[２５ꎬ２８ꎬ２９]ꎮ研究表明ꎬ固体粪便堆肥[３０]、厌氧发酵[３１]、养殖污水生物膜技术和非生物膜技术以及人工湿地系统[３２]等对抗生素残留均具有降解作用ꎬ同时也发现抗生素或代谢产物对厌氧发酵等过程具有一定的负面作用ꎮ美国、英国、西班牙、丹麦、德国和中国等国家对兽用抗生素的生物转化、光降解以及高级氧化等去除技术进行了研究[２２ꎬ３２ꎬ３３]ꎬ目前尚处于实验室研究阶段ꎮ１.２ 死畜禽处理与利用技术研究现状国内死畜禽处理主要采取填埋、焚烧、化制和高温生物降解等方式[３４]ꎬ但各有利弊ꎮ填埋后的动物尸体所产生的降解化学产物对地表和地下水具有极大的污染风险ꎻ焚烧动物尸体不仅能耗高ꎬ而且会产生二恶英和呋喃等大气污染物ꎻ化制设施的投资高且处理过程中臭气污染严重ꎬ动物尸体收集运输存在疫病传播风险ꎻ高温生物降解将高温化制与生物降解相结合ꎬ在高温化制杀菌的基础上采用辅料对产生的油脂进行吸附ꎬ投资和运行成本相对较高ꎮ近年来ꎬ研究开发的死猪与猪粪一体化堆肥技术取得了较好的研究进展[３５]ꎮ国外死畜禽处理技术除填埋、焚烧和化制外ꎬ研究和应用最多的是堆肥发酵技术ꎬ该技术的研究始于２０世纪８０年代早期美国养禽业ꎬ之后很快应用于猪、牛等其他动物尸体处理ꎬ２００２－２００７年间美国奶牛尸体堆肥处理比例从７％升高到１７％[３６]ꎬ澳大利亚、新西兰、美国和加