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发酵床养殖技术与养殖业中的低碳经济

2010/3/12 13:08:15   文章来源:原创   作者:钟启平   浏览次数:11380
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发酵床养殖技术与养殖业中的低碳经济

1. 前言(传统养殖业中存在的碳排放问题)

1.1. 大规模集约化养殖业的污染问题迫在眉睫

    近年来,我国的畜禽养殖业发展迅猛,由于鼓励发展大规模集约化养殖的政策,一个不可忽视的副作用就是,所产生的排泄物集中且排放量大,已经对环境造成极大的污染压力。

     以养猪为例,一头出栏猪一生排泄量约为1.1吨,而一头母猪一年排泄量约为4吨,我国年出栏猪约6亿头,存栏母猪4500万头,其中规模养殖约占42%,则集约化猪场每年集中排泄量高达3.2亿吨。

     由于治理措施相对落后,对水资源、土壤和大气环境造成的污染已相当严重,其污染负荷已超过工业废水和生活污水的总和。据全国人大2003年对《中华人民共和国固体废弃物污染环境防治法》执行检查结果,我国规模化养殖场畜禽粪便产生量达17.3亿吨,是工业固体污染的2.4倍,COD(化学耗氧量)、BOD(生化需氧量)和SS(水中悬浮物)严重超标,仅COD含量就达7118万吨,是工业废水和生活废水排放总量中COD(1388万吨)的5.1倍。

     可见,养殖排泄物已成为生态环境污染的主要污染源之一。这不仅影响到畜牧业经济的可持续发展,对人类自身的健康和环境安全也造成了相当大的威胁因此,充分认识畜禽污染产生的原因,实施治理养殖业环境污染的应对措施,是保护生态环境、实现畜牧业乃至整个社会和经济可持续发展的重要保证。

 

1.2. 大规模集约化养殖场的碳排放也同样非常严重

    注:这里说的碳排放,其实也包括了氮的排放,因为氧化亚氮也是一种温室效应极高的温室气体,也是养殖业中的排放大户,但都归纳为碳排放,以下不再累述这一点;

    人类习惯以化学石油原料大规模消耗为基础的生活方式,造成二氧化碳等温室气体过度排放(即碳排放),造成全球气候暖化,这已成为国际社会关心的严重课题,但鲜为人知的是,大规模化的畜牧养殖也是全球气候暖化的一大原因。

      根据国际粮农组织(FAO)的统计,传统畜禽养殖活动产生的温室气体占全球温室气体排放总量的18%,其中氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)两种气体占总量的50~80%(视养殖动物不同而不同,其中以牛的氧化亚氮排放最高)以上,而N2O和CH4的“增温效率”分别是CO2的310倍和21倍。同时,中国一年畜牧养殖业的废水排放量超过100多亿吨,远远超过全国工业废水与生活废水排放量的总和。

      据专家统计,如果畜牧业认真采用高度水平的生态养殖模式,万头养猪场年减排温室气体就可相当于2万亩森林一年吸收的二氧化碳量。

 

1.3. 传统的养殖业中粪尿的处理模式已经无法从内因上解决这些问题

     哲学上问题的解决需要从内因和外因两个方面来考虑问题,外因可以通过外在的推动力或人为进行改进而得已解决,内因则应该从根本上来解决问题,或者说应该从原理上来解决问题。

    那么传统的养殖业的粪尿处理模式,主要指:

     ① 沼气池处理模式;

     ② 厩肥处理模式,或者说堆肥模式,两者相似,都是粪尿与秸秆等垫料堆积或放入发酵池中厌氧发酵而成;

     ③ 粪便发酵生产有机肥模式,指通过粪便发酵机械,间歇式地进行好氧和厌氧交替发酵而成,特点是相对厩肥和堆肥的时间更为短,可以集中化规模生产,并烘干成品,便于运输;

     所有上述三种模式,都存在着碳排放过大的缺点,内因是由于厌氧发酵的结果,造成排放气体中氧化亚氮、甲烷等“高增温效应”气体排放比例过高,前面已然说过,传统养殖业中的碳排放占全球温室气体排放量的18%、其中氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)两种气体占总量的50~80%以上,只有不到20%是二氧化碳(CO2)气体,而N2O和CH4的“增温效率”分别是CO2的310倍和21倍。

      换句话说,由于传统养殖业采用的是以厌氧发酵处理粪便的内因,造成传统养殖业的排放以氧化亚氮(N2O)和甲烷(CH4)两种气体为主的局面,造成其碳排放就象看显微镜一个放大数十倍。

      除非改变传统养殖业中粪便的处理模式,否则这个内因永远无法解决,但无论是沼气池,还是堆肥,它们甚至是我国农民几千年传承下来的养殖文化,要改变这些模式谈何容易。

 

1.4.以沼气池为例,传统粪尿处理模式存在很多问题

      养殖场的动物粪尿可以通过沼气池产生效益是无可置疑的,但绝对不是从根本上解决动物粪便对环境的污染和对空气的碳排放难题,其主要因素为:

     ① 一个养猪场大量冲洗栏舍的粪水不可能全部流入到沼气池,否则就会粪少水多造成沼气池产气下降或死池;

     ② 沼气池的容量是永远有限的,养殖场源源不断的粪尿流入很快就会溢出,溢出的水还会造成轻度污染,沼气池溢出等的地方对地下水造成再次污染;

     ③ 一个养殖场产生的沼气无法利用完,因为不可能每一个养殖场(100头以上的猪规模)都建立沼气发电配套什么的,造成沼气浪费,多余的沼气仍然排放到空气中,而让沼气池变得意义不大;

     因为沼气的主要成份就是“高增温效应”的甲烷,以及氧化亚氮,他们的增温效应是二氧化碳的21~310倍,其对空气造成的温室效应可想而知。

     ④ 使用过沼气池的人都知道,其实沼气池上方散发出大量难闻的有害气体(氨气、硫化氢等)本身也是一种污染。

 

2.  粪便处理模式如何变革

2.1.传统养殖方法的粪便处理模式中,以氧化亚氮、甲烷为主要排放形式难以改变

     传统粪便处理模式显然以厌氧发酵为主,这为产生氧化亚氮和甲烷创造了先决条件,氧化亚氮的产生过程原理如下:

     畜禽粪便所含有的有机氮在进行堆肥处理过程中,经过微生物的矿化(mineralization)或者说是分解作用,生成NH 4 +, 在氧存在下由硝化作用將NH 4 +(氨)转变成NO 2 -(亚硝酸盐) 及NO 3 -(硝酸盐), 但在氧气受到极大限制时(或者说在厌氧密封状态下)才会产生氧化亚氮,或在厌氧状态时,经反硝化细菌的脱氮作用才会生成氧化亚氮,例如, 成熟的堆肥在搬运过程中,及施用于农田时,经土壤中的反硝化细菌的脱氮作用才会生成和释放氧化亚氮。

     由此可知,氧化亚氮主要是在反硝化细菌(主要存在于土壤中)的作用下,在相对厌氧的条件下,还原硝酸盐或亚硝酸盐,释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O)的过程中产生的。少量是在氧气受到极大限制时,在硝化细菌的硝化过程中产生的。

     可见,在传统的沼气池中,和堆肥生产过程中,最容易产生氧化亚氮和甲烷,而事实上,情况也确实如此,这两种气体在传统模式下占总排放的50~80%以上。而且这种情况难以改变。

 

2.2.活力发酵床养殖模式,创造了一个全新的低碳排放的粪便处理模式

     活力发酵床养猪的技术,是指在猪圈地面垫上一层厚达40~80公分的以惰性原料为主的垫料(如木屑、锯末、刨花、谷壳等),垫料中加入高活力的人工微生物菌种,猪排泄的粪和尿直接进入垫料中,先被垫料吸附,然后被吸附在垫料缝隙中的微生物所分解利用,必须强调的是,这种一种彻头彻尾的好氧发酵过程,利用粗细搭配的垫料缝隙,通过自然对流、猪的翻拱、人工辅助性翻拌来补充和进入氧气,粪便中的碳水化合物和氮素在好氧发酵过程中,被彻底和直接分解成为二氧化碳,以及合成菌体蛋白,基本不存在产生氧化亚氮、和甲烷的内因和过程。

     所以,为什么说它是一种全新的粪便处理模式,就是因为它是彻头彻尾的好氧发酵过程而定义的。

 

2.3.各种粪便处理模式中不变的是碳总量,变革的是碳排放形式

     粪例处理模式中的变革与不变:无论是传统养殖中的粪便处理模式,还是全新的活力发酵床养殖模式,在它们的粪便处理过程中,有一个是不变的,即排放到空气中的碳氮的总量是不变的。

     以猪为例,只要人类要吃猪肉,就必须养猪,养猪就必须排泄,这种排泄的总量是由人类对猪肉的需求量而定,无论是何种养殖模式,它都是固定的,除非人类减少对猪肉的消费,排泄量才会减少。

     还有一点是不变的,即猪排泄出来的粪尿,最终都会被自然界中的微生物分解成各种碳和氮的形式,挥发到空气中去,最终参与地球的碳循环过程或氮循环过程;你不能说我的养殖技术非常高,我养的猪排泄的粪便不会被分解和排放到空气中去,我养的猪排泄的粪便中的碳和氮不参与地球的碳循环和氮循环,这是不对的,是违反自然规律的,任何动物的尸体和排泄物最终都是要参与地球的碳循环,都要变成各种温室气体排放到空气中去的,只是时间早晚的问题,除非你人为地把排泄物封存起来,或采用技术把产生的碳气体或氮气体收集和封存起来(可这又是为何呢?);

     既然粪便量是固定的,排放到空气中的总碳量,和总氮量也是不变的,则唯一可以改变的是碳或氮最终排放到空气中的模式,猪排泄物中碳和氮的最终排放的主要形式有:

     ① 二氧化碳;

     ② 氧化亚氮;

     ③ 甲烷;

     ④ 氨气;

     ⑤ 其他微量成分;

    前面已经知道传统养殖业中猪排泄物的碳氮主要排放形式是氧化亚氮和甲烷,占50~80%以上,而发酵床养猪的排泄物的碳氮主要排放形式是二氧化碳,极少量氨气和其他气体。如下图:

 

     所以说,活力发酵床养殖技术实际上是开创了一个全新的碳或氮排放形式,其排放的碳是以二氧化碳为主的排放形式,至于氮,则基本上被分解和同化成为微生物的菌体蛋白质,部会被猪以蛋白补充料的形式吃掉了,这绝对是一个质的进步。

3.活力发酵床对减少碳排放的贡献究竟有多大

3.1.为什么发酵床养殖技术的主要排放形式是二氧化碳

     相信用过发酵床的养殖户都很惊奇这样一个现象,用了一年的发酵床,并没有因为猪粪的积累而水涨船高,一年当中如果不补充一两次垫料,反而会下沉,垫料用了一年,还是表面干干爽爽的,深挖的结果,也是干散的垫料,你不禁要问,这一年本来要排泄的33吨粪便究竟到哪里去了呢?这里指一个15~20平方米的猪栏,饲养10头猪的排泄量,一年养三批为例;按常人的想象,排泄的33吨粪便岂不是要堆成大山了,但实践中它们就是不见了。

     这显然不能用传统养猪中的堆肥或厩肥理论来解释,唯一的解释是,它是一种极佳的好氧发酵过程,而且是一通过猪的拱翻和人工辅助性翻拌的十分充分的好氧发酵过程,好氧发酵的特点就是充分分解物料,粪便中的碳水化合物几乎都被人工微生物以氧化磷酸化的形式充分发酵利用,释放能量(热量),碳骨架最终以二氧化碳的形式排放出去,释放到大气中,最终消失于无形中;

     粪便中的氮元素(总量远小于碳总量)则大部分转化成菌体蛋白质,部分被猪采食,极少量变成氨气挥发掉,部分残留和固定在垫料中,被有机化于垫料中,对垫料环境的渗透压环境影响不大,由于垫料中相对充分的好氧环境,所以,绝不可能进行还原反应变成氮气挥发掉,至于氨气的挥发量其实也不大,这一点在实践当中就可以感觉得到,即发酵床的养殖场中基本闻不到臭味,一些管理良好的活力发酵床猪场,就是捧上一把垫料也闻不到臭味,对于这一点,业界已没有任何异议,不仅如此,据南京农业大学李娜的研究,空气中的PM10浓度(10微米以下的颗粒物,又称为可吸入颗粒物或飘尘)只有0.254mg/m3,低于畜禽舍环境质量标准293.7%,氨浓度为0.893mg/m3,远低于传统畜禽舍。

     所以,总结的结果就是,活力发酵床养猪,其碳排放的形式基本上就是二氧化碳,在无论采用何种养殖方法,都存在碳排放总量不变的情况下,这几乎就是最低的碳排放量了。

 

3.2.活力发酵床比之传统养猪模式,约能减少多少碳排放呢?

     在各种养殖模式最终碳氮排放总量是固定不变的情况下,活力发酵床的排放气体几乎都是二氧化碳CO2,而传统养殖模式的排放量中有50~80%是以氧化亚氮N2O和甲烷CH4的排放形式,而N2O和CH4的“增温效率”分别是CO2的310倍和21倍。

    所以,这就很容易计算发酵床对减少排放的贡献量了,因为碳氮排放总量不变,变化的只是形式,传统养殖排放的气体是发酵床排放的气体的温室效果大21~310倍,考虑到传统养猪生产中(养牛则以氮化亚氮为主),排放以甲烷为主,氧化亚氮和二氧化碳次之,所以,可以估计发酵床养猪排放的“温室效应的排放量”只有传统养猪的至少十分之一,或者说只有传统养猪的10%。这样的贡献应该说已经不小了。

 

4.政策减排

     个人认为,我们的政策应该至少应该坚持两条脚走路,即不能一味鼓励大规模集约化养猪生产模式,这种养猪模式虽然提高了效率,却造成了极大的污染和碳排放,也不能充分利用民间的资金来扩大生猪生产,上世纪的千家万户农民养猪的情况已不复存在了,这对我国的养猪文化其实是一大损失,千家万户养猪模式即可以稳定市场,又解决了部分三农问题,同时,也农民也可以充分利用各家各户的农副产物、田间猪草、剩饭剩菜、糟渣资源等来养猪,并且也是保持我们地方特色猪种的一种好的基因库,减少对豆粕、玉米等粮食作物的依赖,最大的特点也极大地减少了碳的排放,并为田间提供充足的有机农肥。

    鼓励发展发酵床养猪模式,虽然现阶段对发酵床养猪的争议仍然非常大,但随着发酵床技术的推广和发展,最终回到政策推广环节也是指日可待。

 

参考文件:

⑴、《规模化养猪场饲料和粪便中铜含量分析及高铜猪粪对土壤的影响》  山东农业大学   苏秋红。

⑵、《发酵鸡粪样品中大肠埃希氏菌与沙门氏菌的检测》  贵州大学   王开功等。

⑶、《猪场贮存污水温室气体排放研究》   中国农业科学院农业环境和可持续发展研究所  李娜

⑷、《猪排泄物中氮、磷、铜对周围环境的影响及其营养调控措施 》  湖南农业大学动物营养与饲料科学    谭新

⑸、《畜禽业》1999年3期  利用微生物菌体开发饲料蛋白资源(之一)   钟启平   宜春强微高新技术专利产品开发中心

⑹、《猪用发酵床的研究》  李娜    南京农业大学


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