我国畜禽养殖粪污资源化利用装备现状与展望

Current status and developing trends of equipment for the resource utilization of livestock and poultry manure in China

摘要

畜禽养殖规模化比例的增加使得畜禽粪污集中排放量几何倍增，畜禽粪污及时处理已成为解决农业面源污染的焦点问题。在畜牧业快速发展下，传统堆沤处理方式已经无法满足畜禽粪污处理需求，大规模畜禽粪污快速处理技术与装备应运而生。为了解畜禽粪污资源化利用装备的应用前景并分析其不足之处，本研究基于中国学术期刊网络出版总库（CNKI），检索和梳理共获得2 663相关文献，并从固液分离装备、厌氧发酵装备、好氧堆肥装备和施肥装备4个方面论述了相关装备的应用现状与发展趋势。结果表明：1）固体粪便的处理以好氧堆肥为主，多以条垛式处理，机械化与环保性较差；2）液体粪污的处理以厌氧发酵还田为主，黑膜沼气池在我国养殖场应用较多，厌氧发酵资源化产品利用较差限制了反应器装备应用；3）施肥装备的市场化程度较低，多为传统撒肥机，精准施肥装备缺乏。此外，当前我国在畜禽粪污资源化利用方面存在设施落后、装备缺乏以及配套性差等问题，堆肥质量不佳、臭味重及高人工成本等成为粪便还田的关键限制。最后，本研究提出了升级改造养殖场堆肥设施、发展精准施肥机械等对策，认为畜禽粪污资源化利用设备未来发展方向为实现国产设备替代进口、提高设备稳定性与运行效率以及向高端市场发展等。

Abstract

The increase in of livestock and poultry farming scale has led to a geometric increase in the concentrated discharge of livestock and poultry manure， and timely treatment of livestock and poultry manure has become a key issue in solving agricultural non-point source pollution. With the rapid development of the animal husbandry industry， traditional composting methods can no longer meet the demands for livestock and poultry manure treatment giving rise to large-scale and rapid processing technologies and equipment. This study was based on the China National Knowledge Infrastructure （CNKI）， from which 2 663 relevant articles were retrieved and analyzed. The application status and development trends of relevant equipment were discussed from four aspects： solid-liquid separation equipment， anaerobic fermentation equipment， aerobic composting equipment， and fertilization equipment. The results indicate that： 1） The treatment of solid manure primarily relied on aerobic composting， mostly using windrow treatment， which was less mechanized and environmentally friendly. 2） The treatment of liquid manure mainly involved anaerobic fermentation for field application， with black membrane biogas digesters being widely used in livestock farms in China. However， the poor utilization of anaerobic fermentation by-products limited the application of reactor equipment. 3） The marketization of fertilization equipment was relatively low， mostly consisting of traditional manure spreaders， and there was a lack of precision fertilization equipment. Currently， the resource utilization of livestock and poultry manure in China faces issued such as outdated facilities， lack of equipment， and poor integration. Key limitations to manure field application include poor compost quality， strong odor， and high labor costs. Finally， this study proposed countermeasures such as upgrading composting facilities on farms and developing precision fertilization machinery. The future development direction of equipment for the resource utilization of livestock and poultry manure includes replacing imported equipment with domestically produced equipment， improving equipment stability and operational efficiency and advancing towards high-end markets.

Graphical abstract

关键词

畜禽粪污 / 规模化养殖场 / 处理装备 / 现状与展望

Key words

livestock and poultry manure / large-scale farms / equipment / current status and developing trends

据2016年农业部统计，我国每年产生畜禽粪污约40亿t，综合利用率虽达到76%，仍有超过9亿t畜禽粪污未得到有效处理，被排向周边环境之后引发环境污染问题^［1-3］。但导致该问题的关键不是缺乏畜禽粪污处理意愿，虽然我国规模化养殖场畜禽粪污处理装备配套率已高达93%，但畜禽粪污资源化利用效果仍不理想，当前的资源化利用装备技术存在发展落后、匹配性差的问题^［4］。这一现状导致养殖场畜禽粪污不当处理，恶臭或异味问题成为被环保投诉的主要原因。据生态环境部《2018—2020年全国恶臭/异味污染投诉情况分析》^［5］阐明，2020年畜牧业投诉所占比例为12.7%，居于全国各行业首位，现有粪污处理技术与装备亟需改进，提升处理效能和环境友好度。

《“十四五”全国畜牧兽医行业发展规划》^［4］预测，规模化养殖场率将从2020年67.5%增至2025年78%，规模化养殖场畜禽粪污处理设施是解决我国畜禽粪污处理的关键所在。目前，固体粪便主要通过肥料化利用（95.52%）处理，其中：堆沤还田占89.44%，商品有机肥利用占6.08%，其他方式占4.49%；液体粪污则通过厌氧发酵等方式处理，其中包括厌氧发酵沼液还田（41.59%）、贮存发酵（39.09%）、异位发酵床（1.86%）、达标排放（2.04%），但多数处理方式未能达到理想的无害化标准^［6］。

随着国家对于畜禽粪污资源化利用的愈发重视，陆续出台政策支持相关企业的发展，产业发展迅速，全国从事畜禽粪污资源化自用装备生产的厂家已超过1 000家，但市场目前主要由外国产品占据高端市场，国内资源化利用装备依赖进口和仿造^［7］。如大型固态肥抛洒机与大型液态肥抛洒机市场多为外资企业占据^［8］。有些资源化路径尚未打通，如厌氧发酵装备投资较大，但所产生沼气发电入网困难^［9］。目前仍缺少对畜禽粪污资源化利用装备的研究进展与应用情况分析，鉴于此，本研究为深入探讨我国畜禽粪污处理装备现状及其面临的问题，拟通过文献计量学与文献综述的方法，从固液分离装备、好氧发酵装备、厌氧发酵装备、施肥装备4个方面，重点分析效率、可靠性、成本控制及技术配套等关键挑战，并探索可能的改进策略与我国畜禽粪污资源化利用装备的未来发展方向，以期为提升畜禽粪污处理效能、促进畜禽粪污资源化利用提供参考。

1　数据收集与关键词分析

1.1　数据来源及处理

为综合反映近年来国内畜禽养殖粪污资源化利用装备的研究进展与应用情况，本研究选取中国知网（CNKI）核心论文数据库中的文献源。

在CNKI中选用高级检索方式，主题＝“粪便+畜禽废弃物+畜禽粪便+畜禽粪污+粪污+猪粪+牛粪+鸡粪+羊粪+有机肥+粪肥+液体肥+固态肥+液态肥”，主题＝“固液分离+压滤机+筛分机+离心机+螺旋挤压”，主题＝“设备+装备条垛+槽式+反应器+翻抛机+筒仓+滚筒+箱式+含固率+化学需氧量”，主题＝“施肥机+撒肥机+抛肥机+排肥机+施肥器+撒肥器+抛肥器+排肥器”，时间选取为2000—2024年，检索时间为2024年5月26日，对重复文献和无效文献进行筛选，最终确定2 663篇相关文献。

利用可视化软件VOSviewer对检索到的文献数据进行分析，绘制文献关键词共现网络图，通过关键词对畜禽粪污资源化利用装备的研究利用现状与进展进行总结和归纳，并探讨畜禽粪污资源化利用设备的未来发展方向。

1.2　关键词分析

由图1可知：国内畜禽粪污资源化利用的研究方向以肥料化为主；资源化利用装备的研究方向主要集中在固液分离装备、好氧发酵装备、厌氧发酵装备和施肥装备等方面。

2　固液分离装备

畜禽粪便的处理可分为物理学处理、生物学处理和化学处理3类^［10］。固液分离是物理学处理的一道工序，也可作为改善生物学处理和化学处理的预处理工序。国外从上世纪70年代开始就已经有采用机械物理分离的固液分离装备，我国从上世纪80年代起逐渐从国外引进^［11］。国外对于固液分离装备有着很多的研究经验，目前，国内与国外常见装备的自动化程度差异较大，国内有关用于粪便的固液分离装备的生产研究较少，很多分离机为直接引进国外装备或仿制，国内的粪污固液分离装备仍有待研发。固液分离装备主要分为筛分式、压滤式和离心式3种类型^［12］。

筛分式分离装备工作原理主要因畜禽粪污中固液密度不同以完成固液分离，以斜板筛分离机应用最为广泛，但筛分式分离装备的挤出物含水率仍在80%~90%，增加了后端处理压力^［13］。压滤式分离机主要可分为带式、筛网压辊式和螺旋挤压式3种，螺旋挤压固液分离机的应用较为广泛^［14］。液体在挤压过程中通过筛网流出，停留在筛网内部的物料输送的过程中不断被挤压，脱水后的物料被输送到卸料端排出。螺旋挤压机和筛分式分离机都不能有效地将粪便中的细小颗粒截留，但如果将絮凝剂和螺旋挤压机结合使用则能大大提高对氮磷元素的分离效果。在离心式分离机中，卧式螺旋沉降离心机发展速度较快，具有处理能力大，分离效果好等特点，分离后固相TS浓度可达40%，但耗电量巨大，通常为压滤式分离机的2~5倍^［15-16］。

3种固液分离装备的特点如表1所示^{［13，17-20］}。可见：斜板筛分离机装备成本与运行成本低，但除水效率受限，增加固相好氧发酵处理脱水压力，且筛孔容易堵塞，产生额外的人工成本，因此在我国畜牧养殖领域推广缓慢^［21］；卧式螺旋离心机的发展速度最快，但由于其装备昂贵，并且运营成本较高，在我国规模化养殖场普及率较低；螺旋挤压式分离机具有操作简单、耗能低和维修管理费用低等优点，在我国养殖领域中应用较为广泛^［10］。

3　处理装备

3.1　好氧发酵装备

养殖废弃物的清粪一般有干清粪、水冲粪、水泡粪等出粪方式，比如鸡粪、鸭粪等主要是干清粪，猪粪、牛粪主要是水冲粪、水泡粪，这些湿的粪污就要经过固液分离，分离成固体粪便和尿液^［22］。固体畜禽粪便是生产有机肥的主要原料。目前处理固体畜禽粪便常用的好氧堆肥工艺主要有：条垛式、槽（仓）式和反应器^［23］。

条垛式堆肥是将混合好的原料排成条垛，通过翻抛机械定期进行翻抛以加速发酵。翻抛频率大约为每周1~2次，整个发酵过程持续30~60 d。槽式堆肥一般在长而窄的被称作“槽”的通道内进行，在槽壁上方安装翻抛机，对物料进行翻搅，槽的底部铺设有曝气管道进行通风供氧，将强制通风与定期翻堆相结合^［24］。两者都是开放式堆肥，堆肥方式都相对简单，其中翻抛装备是2种堆肥方式中最重要的装备，翻抛效果的好坏直接影响堆肥的好坏^［25］。条垛式翻抛机按照行走方式可分为牵引式和自走式等；槽式翻抛机根据工作原理可分为螺旋式、轮盘转子式、链板式和拨齿式等，各式功能特点对比详见表2^［26-27］。可见：条垛翻抛机中，牵引式翻抛机相较于自走式翻抛机价格便宜，但需要牵引设备，适用于小型或中型规模堆肥翻抛，自走式翻抛机价格较高，效率较高，适用于大规模堆肥翻抛。槽式翻抛机中，螺旋式翻抛机对物料翻抛更有效，但对于粘性大的物料翻抛效果不理想，适用于中小规模堆肥翻抛^［28］；轮盘转子式翻抛机能够覆盖较大作业宽度，可翻抛粘性大湿度高的物料，但能耗较高，适用于大规模堆肥翻抛；链板式翻抛机工作效率较高，但结构复杂，维护要求较高，适用于大规模堆肥翻抛；拔齿式翻抛机耐用性较高，更适用于处理硬质和粘性物料^［29］。

国外对翻抛装备的研究明显早于我国，翻抛装备的研发正向大型化、专业化、智能化方向发展^［29］。翻抛装备的设计多针对条垛式堆肥，且价格较高，国内规模化养殖场配套困难，如德国巴库斯公司研发了各种性能良好的翻抛机；美国边疆工业公司公司研发的AeromasterPT系列翻抛机^［30］。我国也自主研发了一系列不同类型的翻抛装备，如：南京农机化研究所研制的FP2500A型有机肥翻抛机；中国农业机械化科学研究院集团有限公司环境工程技术研究所研发的FZ系列翻抛机^［31］；北京沃土天地生物科技有限公司研发的VTS系列翻抛机等。国内对于槽式堆肥翻抛机研究较多，并且国内翻抛机价格较低，易于推广。

反应器堆肥是将物料置于密闭或半密闭的反应容器内，通过人工控制水分、C/N比和通风等条件，利用微生物的发酵作用，将有机废弃物转化为堆肥产品，考虑解决物料移动、出料的问题，最终达到提高发酵速率、缩短发酵周期，实现自动化生产的目的^［23］。目前，反应器堆肥在中小型规模的养殖场中应用较多，在大型养殖场仍是采用简单的堆肥方式。从反应器的结构上来看，主要可以分为卧式反应器和立式反应器2类^［32］，不同类型反应器特点如表3所示^［33］。可见：典型的立式反应器如中部Ecotec株式会社的筒仓系列反应器，反应器容积10~85 m³，日处理1.3~12.0 t/d，顶部进料，底部出料，内设有搅拌通风装置，在日本应用广泛；卧式反应器中应用最广是箱式与滚筒式反应器，卧式反应器属于倾斜式横向作业，自动进料、出料、搅拌，机械化程度高、土地占比大。1933年，丹麦的达诺公司研制开发了第1套滚筒系统，典型的卧式反应器如新西兰Hot Rot系列，反应器容积27~450 m³，日处理量0.3~10.0 t/d，滚筒反应器与筒仓反应器相比，耗能更少，但物料容易团聚结球^［34-35］。

条垛、槽式、反应器堆肥的特点对比如表4所示^{［24，36］}。可见：条垛和槽式因装备投资少且易于操作而应用较为广泛，反应器虽然具有占地面积小、不受气候和环境影响、臭气可收集等优点，但因初始时需要进行必要的装备投资而受限。随着无地集约化畜牧场的迅速发展以及人们对其空气质量影响认识的不断提高，反应器堆肥技术将越来越受到青睐。根据2018—2020年“全国生态环境信访投诉举报管理平台”接到恶臭或异味投诉举报信件的数量来看，2020年畜牧业的投诉占全国各行业首位，恶臭或异味污染主要来源于畜禽粪污，由于小规模养殖场和散养户堆肥设施不健全，且露天条垛堆肥臭气不易控制，环境影响大^［37］。占地面积较小、土建要求低、处理规模小的反应器堆肥适用于中小型规模化养殖场，土建要求高、占地面积大、处理量大的槽式堆肥适合大型规模化养殖场配套。目前，我国规模化养殖场的堆肥化处理仍以简单堆沤为主（89%），发酵温度较低，难以杀灭病原菌和杂草种子：李国学等^［38］发现畜禽粪便堆沤无害化效果差，堆沤45 d后发酵产物中残留大肠菌和粪大肠菌群数仍高出标准GB7959—2012《粪便无害化卫生要求》^［39］；周海滨等^［6］分析全国31省市2 589家规模化养殖场的调研数据发现，仍有20%左右的规模化养殖场堆肥设施不达标，其中东北地区不达标率为36%。未来堆肥设施与技术的完善都已是势在必行。

3.2　厌氧发酵装备

畜禽粪污厌氧发酵生产沼气，不仅可以实现无害化、资源化利用，而且沼气经过净化提纯后，可作为天然气的替代物，有望解决能源短缺的问题^［40］。厌氧发酵是固体粪污处理的重要方式之一，在处理液体粪污中应用较多，这可能与沼气产气率、发酵技术、投资成本有关。如黑膜沼气池因建设成本低、运行简单，在国内推广较多^［6］。畜禽粪污厌氧反应器大致可以分为2类：一类是处理以化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）为表征的悬浮物浓度（Suspended Solids，SS）较低的可溶性有机废水的反应器主要有升流式厌氧污泥床反应器（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket，UASB）、内循环厌氧反应器（Internal circulating，IC）；另外一类是用于处理高含固率（Total Solid，TS）有机废物的反应器主要有升流式厌氧固体反应器（Up-flow Anaerobic Solid Reactor，USR）、全混式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）、高浓度塞流式反应器（High Concentration Plug Flow Reactor，HCPF）等^［41］。

各类厌氧反应器的性能如表5所示^［42-43］。可见：UASB反应器更适用于可溶性有机废水处理，畜禽粪污可先进行固液分离，粪水经UASB达标处理后使用。同时UASB与其他工艺结合，可达到更好的处理效果。IC反应器与UASB的区别在于增加了回流管，实现了污水混合物的内部循环，极大地改善了污染物从液相到颗粒的传质过程，有极高的净化效率^［44］。在高含固率的畜禽粪便厌氧消化领域应用实践较多的反应器形式主要集中于USR、CSTR、HCPF这3种反应器^［45-46］。USR反应器用于鸡粪的中温厌氧消化，产气率高达4.9 kg/m³/d，非常适用于鸡粪、猪粪的消化处理^［42］。HCPF反应器根据依次进入、先进先出的原则使发酵更为彻底，同等条件下产气率更高^［47］。CSTR反应器在欧洲和国内的沼气工程中应用广泛，技术成熟，操作和运行维护简单，耐冲击负荷高，且已高度国产化。该型反应器是目前应用最多、适应性最广的反应器，广泛适用于猪、牛、鸡粪污的厌氧消化处理^［48］。

目前，厌氧发酵工艺中比较流行的有以UASB为代表的处理高浓度有机废水的厌氧反应器和以CSTR为代表的处理高含固率有机废物的反应器^［49］。虽然我国畜禽粪污厌氧发酵的潜力巨大，以1 t畜禽粪便干物质能量代替0.375 t标准煤计，2019年我国畜禽粪便可替代4.01亿t标准煤，沼气的产气潜力超过天然气消费量的50%，但沼气发电投资大、风险高，存在发电并网困难、沼液和沼渣利用率低的问题，比较适合中小规模生猪、肉鸡、蛋鸡养殖企业，用于企业自身照明取暖及饲料加工等用途^［9］。

4　施肥装备

施肥装备就是通过施肥机械将固体或液体肥料直接施入土壤。根据有机肥物理形态的不同，有机肥施肥机一般分为固体施肥机与液态施肥机2类。固体施肥机械主要分为肥料箱、动力传递装置、输肥装置、抛撒装置4部分。根据抛撒装置类型的不同可以分为多种类型，在实际应用中，离心圆盘式、桨叶式与锤片式应用比较广泛。液体施肥机主要用于林果业，一般由液体肥料罐、排肥分配器、施肥开沟器和覆土装置等组成，可分为叶面喷施肥机械、液体肥料滴灌机械与液体肥料深施机械^［50］。各类施肥装备的性能如表6所示^{［8，51-52］}。可见：离心圆盘式撒肥机工作效率较高，但施肥均匀性较差，不适合粘性较大的肥料，适用于大面积农田，需要高效、均匀撒肥的场景；桨叶式撒肥机肥料可以较为均匀地撒布，但维护和操作相对麻烦，适用于撒布颗粒或粉状肥料，对均匀性有较高要求的场景；锤片式撒肥机可以兼顾撒布和粉碎功能，但工作过程中能耗较高，适用于处理含有杂质的肥料或需要粉碎撒布的场景^［53］。

国外对施肥机械的研究最早开始于20世纪初，经过长时间的发展，发达国家施肥装备功能齐全，完全实现了机械化作业^［54］。目前国际上比较前沿的施肥技术包括变（精）量施肥、分层施肥、测土配方施肥等^［55-56］。近年来，美国大力推广测土配方技术，通过把每个农场数百个小区的播种量、施肥量、产量等结合分析，精确预测最佳经济投入量，仅就氮肥施用量就可降低24%~40%，在美国采用精准施肥技术的农民有60%盈利，10%亏损，30%收支平衡^［57］。由于我国特殊的国情使得我国农业具有高度分散和高强度开发的特点，导致我国的施肥机械化进程相对较慢^［58］。近年来，随着我国农业现代化程度的提高，我国施肥机械也相应得到了快速发展，正经历从传统施肥方式向精准施肥的转变。国内高校和研究院（所）做了大量的工作，研制出多种样机，在固体施肥机械方面，山东圣鲁研制的手扶式施肥机，吉林大学研制的自动变量施肥机械2BFJ-6，在液体施肥机械方面如张加清等研制出1KF-20型开沟施肥机，韩冰等研制的果园挖坑施肥机，均大大提高了肥料的利用效率^［59］。但国产机型在实际使用当中均存在着做工粗糙、排肥不稳定、工作效率不高等问题^［60］。由于我国施肥机械的发展相对比较落后，使得劳动投入大和投资成本高，也成为限制有机肥施用的重要因素。

5　展望

畜禽粪污的资源化利用是农业绿色发展的关键一环，随着规模化养殖率的不断提高，畜禽粪污处理装备在农业可持续发展中将会发挥更为重要的作用。本文论述了畜禽粪污处理的主要装备，包括固液分离、好氧发酵、厌氧发酵与施肥装备的性能参数与应用情况，旨在为农业绿色发展提供技术支撑和解决方案。

目前，我国畜禽粪污资源化利用装备主要存在堆肥设施落后、施肥装备缺乏、装备匹配性差等问题。我国畜禽粪便的主要出路是还田利用，但堆沤肥质量较差、臭味重难以利用，粪肥还田人工成本较高成为主要的限制因素。亟需升级我国规模化养殖场堆肥设施，提高处理工艺水平，对于中小规模养殖场而言，应优先考虑使用占地面积较小的密闭式反应器进行堆肥；对于大规模养殖场，建议配套槽式堆肥设施以生产高质量的有机肥料产品。并大力发展施肥机械替代传统手工撒肥作业，提高施肥精细化水平，打通有机肥与液体肥利用最后一环。而对于厌氧发酵装备，由于沼气发电投资大入网难，供热需求较小，难以形成发电、供热与沼肥的综合利用模式，更适于中小规模养殖场应用。

我国畜禽粪污资源化利用装备未来发展首先要配套相关产品及设施，如变量施肥机械等实现国产替代；其次，应该提高产品稳定性与运行效率，如翻抛机和密闭反应器的稳定运行与降低能耗，撒肥机排肥稳定；最后，向高端市场努力，大力开发生产固态肥抛撒机、液态肥撒施机、密闭反应器、辊压式固液分离机、大型筛分式固液分离机等产品，填补自主研发空白，打破主要依赖进口和仿造的局面。

畜禽粪污资源化利用装备的运用增强了农业“分解者”的功能，有利于协调植物生产与动物生产。本文强调了提升畜禽粪污处理设备技术水平和应用效率的重要性，以及其在促进农业绿色、可持续发展中的核心作用。未来，应通过技术创新和设备改进，解决现有问题，优化资源化利用路径，为农业生态环境保护和高质量发展提供坚实的技术和装备支撑。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42307436)

国家自然科学基金项目(32071552)