近年來我國畜禽養殖規?；焖侔l展,畜禽養殖糞污資源化利用也取得明顯成效,但依然有40%的糞污未能實現合理有效的利用。造成這種現狀的瓶頸問題主要體現在:養殖布局不合理,種養規模不匹配,糞污資源化利用難度大;養殖污染防治有效的成套技術少,尤其是經濟適用的技術少,許多技術存在成本過高或效率低下的問題。國家水體污染控制與治理科技重大專項(簡稱水專項)針對畜禽養殖污染防治技術的重點和難點,研發了一批實用技術,針對部分區域特點,研發了養殖污染防治成套管理技術,一定程度上解決了從源頭到資源化全循環中的問題,并形成10余項技術規范(指南),為我國畜禽養殖污染防治提供了較好的支撐。針對我國畜禽養殖規?；鶖荡?、分散養殖比例高、基礎設施及管理機制薄弱等問題,提出通過法律制度和分類施策管控養殖污染,強化畜禽糞污高效收集轉化與利用技術體系創建,推進標準化、規范化的種養結合技術模式研究,強化第三方社會化服務組織的培育及加強政策支持等對策建議。

2010年第一次全國污染源普查數據顯示[1],在我國主要污染物排放源中,農業面源污染物排放量已遠超工業與生活污染源,成為最主要的污染物排放源。近年來,農業面源污染狀況在我國局部區域有所好轉,但總體仍不容樂觀。畜禽養殖污染是我國農業面源污染的重要來源之一,對其進行有效處理與資源化利用對于保障水環境安全具有重要意義。研究表明,我國農業化肥中氮的流失率一般為8%~20%,磷的流失率約為5%,但畜禽糞便中氮、磷的流失率分別為化肥中氮、磷流失率的122%和132%,畜禽糞便進入水體的流失率高達25%~30%[2]。由于我國在過去很長一段時間只重視養殖生產,忽視畜禽糞污綜合治理,使畜禽糞污對環境的污染逐年加重,日益威脅水體的安全。如上海市黃浦江畜禽養殖污染負荷占總污染負荷的36%[3]。因此,加強對畜禽養殖污染的治理迫在眉睫。

1 我國畜禽養殖污染及防治現狀

中國是全球最大的畜禽生產國[4],據《中國畜牧獸醫年鑒》[5]最新統計,截至2016年底,全國生豬、牛、羊和家禽存欄量分別為43 503.7萬頭、10 667.9萬頭、30 112萬只和589 919.7萬羽,肉、蛋、奶產量分別為8 537.8萬、3 094.9萬、3 602.2萬t。畜禽養殖的產業體量和市場供給能力在帶動國民經濟進步、提高人民生活水平方面發揮著重要作用,但同時,畜禽養殖造成的污染也日趨嚴重。《第一次全國污染源普查公報》[1]顯示,我國畜禽養殖糞污排放量達38億t,排放的化學需氧量(COD)達1 268.26萬t,占農業污染源排放總量的96%。排放畜禽糞污的40%未被有效處理和利用,嚴重影響著生態環境,如造成水體生態系統惡化,加重溫室效應,使土壤結構失衡,影響作物生長等。畜禽養殖污染具有量大面廣、瞬時性強、構成復雜等特點,加上監管難度大,其防治與管控已成為當前我國環境領域的重大挑戰[6]。

經過近20多年的努力,我國畜禽糞污資源化利用已取得明顯成效。在政策支持和市場倒逼下,糞污處理設施不斷完善,治理機制逐步健全。2015年畜禽養殖的COD、氨氮排放量比2010年分別降低132萬和10萬t,降幅達11.5%和15.4%[7]。畜禽糞便經過減量化、無害化、資源化處理后轉換成肥料、飼料或能源,不僅可以消除其對環境的負面影響,也將產生較大的經濟價值和社會效益。

2017年2月,中共中央、國務院將畜禽養殖污染防治工作列入中央一號文件,明確指出推進農業清潔生產,加快畜禽糞便集中處理;2017年6月,國務院辦公廳印發了《關于加快推進畜禽養殖廢棄物資源化利用的意見》(國辦發〔2017〕48號)[8],明確提出到2020年我國將建立科學規范、權責清晰、約束有力的畜禽養殖廢棄物資源化利用制度,全國畜禽糞污綜合利用率達到75%以上,規模養殖場糞污處理設施裝備配套率達到95%以上。2019年9月,生態環境部、農業農村部聯合召開規范畜禽養殖禁養區劃定和管理促進生豬生產發展視頻會,明確表示通過科學制定種養循環發展規劃、健全標準體系、強化政策支持、加強技術推廣、建立市場機制等舉措,加快推進畜禽養殖糞污資源化利用,構建種養結合、農牧循環的可持續發展新格局[9]。目前我國畜禽養殖業正逐步向集約化、專業化方向發展,如何在確保畜禽養殖規模的前提下,加快推進污染防控、種養結合,實現糞污資源的有效利用是當前和未來一定時期內保障我國畜禽養殖業可持續發展亟需解決的重大現實問題。

2 我國畜禽養殖污染防治主要瓶頸問題

2.1 頂層設計不足導致種養失衡、糞污資源化利用難度大

我國畜禽養殖業在頂層設計上側重優良品種推廣、規?；洜I和標準化生產、疫病防控等,對于環境保護的設計通常直接套用工業化處理的模式,這導致長期以來基層政府對于養殖分區劃定標準不明確,甚至直接將養殖企業遷入工業園區與化工企業同步管理,導致局部地方養殖過于集中,十分不利于畜禽糞污的收集、處理和資源化利用。

由于我國在畜禽養殖規?；l展進程中缺乏種養結合的思路,針對養殖規模并沒有做出明確的限定,使得種養主體從規模和空間布局逐步分離,有些地區甚至為了招商引資或促進當地產業規模發展的需要,一味要求養殖企業做大做強[10]。過于龐大的養殖規模,產生遠超過生態承載力的糞污量,不僅造成嚴重的環境污染,也影響了周邊居民的正常生活。盡管許多養殖企業迫于形勢要求開始打造種養結合的生態農業,但是龐大的養殖規模需與大面積的農田相匹配,這對于人多地少的地區來講是非常困難的。此外,對于大型的規模養殖,每天產生的大量糞污如何按照作物需求高效輸送到農田,且不造成資源浪費和二次環境污染,也是目前面臨的難題。糞污從貯存、輸送到灌溉等的每一個環節,在現實操作中都存在技術難點。

2.2 成套技術少且技術研發與應用難以統一

與工業污染治理不同,畜禽養殖污染治理涉及的環節和影響因素較多,不僅受到地域、溫度和農業制度的影響,也受到養殖模式、處理工藝和農田配套的影響。目前的養殖污染防治技術研究大多集中在某個環節,產出的單項技術較多,而很少有針對某種養殖模式的覆蓋源頭減排,糞污收集、貯存、處理,到末端資源化利用的全循環技術的研究,從而影響了區域和流域尺度成套技術方案的制定。

此外,目前還存在技術研發與應用難以統一的問題:對于研究者來說,更多考慮技術的有效性;對于政府而言,需要標準的、通用的、便于管控的成套技術;對于養殖企業來說,需要低成本、實用、便利的技術。由于養殖企業更關注的是養殖效益,而在后續的糞污處理中缺少資金和人才投入,導致全流程環節技術應用和維護方面出現困難。同時,由于養殖企業受農業農村和生態環境部門的雙重管理,在不同關注點和要求之下,容易出現技術環節斷裂,使技術運行不暢,成本加大,造成新技術推廣難的局面。如曾一度被江蘇省提倡的大型養殖場沼氣發電工程,目前至少有60%處于停工狀態,主要原因是投資、運行及維護成本過高,且沼液如何利用也是一大難題;此外,很多大型養殖場配套的大型污水凈化設施由于運維成本高,成為養殖企業的巨額負擔[11]。

2.3 養殖糞污資源化存在亟待突破的技術難點

農業面源是造成地下水污染最普遍的因素,也是最難治理的污染源之一,由于其形成過程隨機性大、影響因素復雜、潛伏周期長等,因此相應的研究和污染控制難度也較大[12]。養殖糞肥對地下水的污染比化肥高出8%,養殖糞水和沼液直接還田對地下水的污染風險也顯著高于化肥,有關養殖對地下水污染風險的評價及控制的研究需要深入開展[13]。

糞污從收集、處理到后期利用的過程中,會導致大量的養分流失,造成大氣、水體和土壤的污染,其中以氨氣或N2O揮發方式的氮流失占50%左右[14],但目前對這方面的研究還不多,尤其是糞便長周期堆肥過程中產生的臭氣和成本控制以及厭氧工程中沼氣貯存和有效利用是亟待解決的技術難點。在資源化利用方面,沼液如何按農時運輸并灌溉,長期使用養殖糞肥造成的重金屬和抗生素殘留問題等也是亟待解決的技術難點。以抗生素為例,畜禽養殖業用于促進動物生長及疾病預防和治療的抗生素用量超過8 000 t∕a,其中30%~90%的抗生素會殘留在動物的糞污中[15],這對發展生態農業、有機農業造成障礙,也極大影響了糞污資源化利用的推進。

2.4 養殖污染防治監管難度較大

由于近年來畜禽養殖成本(飼料、人力)逐年升高,且受市場價格周期性波動和疫病沖擊影響很大,很多畜禽養殖企業尤其是小規模養殖企業實力較弱,抗風險能力較差,加之治污設施投入大且運行成本高,很多養殖企業存在投不起或投得起運行不起的尷尬局面,因此,畜禽養殖企業進行污染防治的積極性往往不高。

從政府層面來講,對養殖企業污染防治的監管難度很大。畜禽養殖污染面廣量大、持續性強、構成復雜,僅僅依賴于政府的監管很難達到治理效果;加上畜禽養殖行業利潤不高,從業人員多為農民等弱勢群體,即使生態環境部門做出處罰和整改要求,很多養殖企業仍無力投資建設污染防治設施。因此,僅僅依靠行政強制手段,難以實現對養殖污染的有效監管和控制。

此外,由于面向養殖企業的基層農技推廣部門技術力量相對薄弱,人員力量欠缺,存在推廣難度大、技術落地難的問題,對技術成果的推廣應用造成一定的制約。

3 水專項畜禽養殖污染治理研究成果

針對我國畜禽養殖業種養失衡、成套技術少以及排放特異性污染物等問題,水專項從技術研發、成套技術集成、管理機制等方面開展系統研究,產出了系列研究成果。

3.1 研發了32項適用技術,形成12項技術指南

根據流域特點,以種養結合為理念,水專項研發了32項畜禽養殖污染治理的適用技術,其中既有集成的移動式生態養殖、山地果園種養結合養殖、原位發酵床養豬等技術,也有針對技術難點攻克的適用技術,包括種養結合、源頭節水、豬舍改造、糞便堆肥、厭氧發酵、沼液利用、尾水凈化、糞污資源化利用、沼液能源化利用等技術和設備。如山地果畜結合區面源污染控制技術針對東江源頭區的地貌特征,以小流域為系統單元,實行山坡種果、山溝養豬、溝底筑壩養魚的果畜生態農業模式,集成了滯留塘生態凈化系統構建、有機固體廢物循環利用、生豬養殖高氨氮廢水處理等技術,從系統結構上實現養殖廢物的循環利用,實現“控源、減排、凈化”的污染防治目標。應用該技術在東江源頭區的安遠縣開展了107 hm2臍橙果園的示范推廣,通過生態化改造,在山溝養殖生豬,有效保護了果園生態環境,并輻射帶動周邊農戶致富。該技術在安遠縣的臍橙果園逐步推廣應用,推動了該區域農業循環經濟,促進了果業和畜禽養殖業的發展,對水資源保護起到積極作用。

從“十一五”至今,通過水專項的研究,共發布12項與養殖污染控制相關的技術規范或指南。國家層面發布的包括HJ 497—2009《畜禽養殖業污染治理工程技術規范》[16]、《畜禽養殖污染發酵床治理工程技術指南(2014)》[17]等,省(市)層面的包括《江蘇省污水生物凈化處理技術規程》[18]、《河南省畜禽養殖業污染控制技術規范》[19]等,內容涵蓋了養殖場建設、區域規劃、污染控制、資源化利用等多個環節,也有針對發酵床養殖污染防治、污水生態凈化、雨污分流、糞便集中收集等具體技術的規范和指南。12項指南的發布,不僅為管理者提供了參考,也為養殖場的新建和改造提供了技術方案。

3.2 研發了低成本實用成套技術,促進了技術的推廣應用

針對單項技術多、成套技術缺乏的問題,水專項研發了針對特定地區的系列養殖污染防治成套技術,包括基于無害化微生物發酵床的養殖廢物全循環、畜禽養殖廢物異位微生物發酵床處理與資源化利用、遼河源頭區農村面源污染防治、東北寒冷地區畜禽養殖污染系統控制和山地果畜結合區面源污染控制等技術。如基于無害化微生物發酵床的養殖廢物全循環技術,攻克了微生物發酵床生態養殖、飼料微生物添加和養殖物及廢棄墊料高值轉化等技術,創新了以微生物發酵為核心的技術系統,實現了畜禽養殖污染控制與廢物資源化;通過多項技術的串聯應用示范,建立了以微生物發酵技術為核心的畜禽養殖污染控制與治理系統方案,取得了一定的社會效益和生態效益。以養殖污染生態控制為主的種養加一體化控制方案已推廣到福建、山東、北京和浙江等20省(市),累計推廣規模達到2 100萬頭當量豬,削減養殖業對水體的污染負荷COD、TN和TP分別超過70萬、8萬和1萬t,創造經濟效益19億元以上。該種養加一體化控制技術模式支撐了遼寧省阜蒙和彰武、河北省定興等6個縣的養殖污染治理。

針對技術投資成本高、運行費用高或運行復雜、管理難度大的問題,通過對技術的投資和運行成本進行優化和核算,使技術更加實用。如研發的畜禽養殖廢物異位微生物發酵床處理與資源化利用技術,相比糞污厭氧工程+尾水深度凈化技術具有投資和運行成本低、操作簡單的特點,在有機肥銷路打通的情況下,不僅可以抵消墊料成本的費用,每頭豬還可以額外收益90元以上,受到養殖戶的廣泛歡迎。

3.3 攻克了糞污處理關鍵環節的難點技術

在源頭減量方面,研究和改進了新型飲水器和兩坡段干濕分離養豬生產污水削減技術,達到減少飼料和水源浪費的目的。在堆肥方面,研發了保氮除臭免通氣槽式堆肥發酵技術[20],利用微生物技術處理起到無害化的作用;同時將有機固體廢物降解和轉化為優質有機肥。針對糞污在資源化過程中的氮損失率過大問題,研發了耐高溫快腐熟保氮除臭發酵復合菌劑與復合多功能微生物添加劑制備技術,畜禽養殖廢物經保氮除臭發酵,堆肥溫度有了大幅提高,堆肥物料腐熟過程和發酵周期顯著縮短,氮損失率也明顯降低。針對尾水處理,研發了河口濕地養殖水體污染的物理-生物聯合阻控與水質改善技術,通過物理-生物聯合阻控方式,低成本凈化養殖尾水。

3.4 通過宣傳和示范推動了技術成果的推廣應用

水專項重視實用技術的應用,通過建設示范工程,引導、培訓和推廣水專項成果。水專項產出了32項養殖污染治理技術,其中20余項技術均建立了示范工程,并取得良好的運行效果,部分技術在示范的基礎上加大了推廣力度。如由中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研發的大通欄原位發酵床和異位發酵床養豬技術,被推薦為農業農村部2018年十大引領技術及主推技術[21],且被推廣到福建、江蘇、山東、四川和浙江等省,累計應用2 100多萬頭當量豬,相關推廣應用規模仍在繼續增長中,成為很好的宣傳示范樣板。

4 繼續深入開展畜禽養殖污染防治的對策建議

經過10多年的研究,水專項產出了一批技術成果,對養殖污染治理發揮了較大的作用。但由于我國畜禽養殖規?；鶖荡?、分散養殖比例高、基礎設施及管理機制較為薄弱,因此,畜禽養殖污染防治的瓶頸問題仍然沒有完全解決,需要持續深入開展相關研究,特別是開展畜禽養殖發展規劃頂層設計,推進標準化、規范化的種養結合技術模式及建立第三方社會化服務組織等。

4.1 通過法律制度和分類施策管控養殖污染

基于我國區域水資源承載力、耕地環境容量(上限)和人口食物需求(下限)等限制因素,采用“以水定種”“以種定養”的模式,借鑒區域農田養分平衡和畜禽糞污養分綜合管理計劃經驗,科學制定畜禽養殖業發展規劃,依據區域不同農用地利用類型、規模和水環境生態功能區劃分,建立以畜禽糞污養分管理為基礎的準入制度,依法科學劃定禁養區、限養區和適養區;確立區域畜禽養殖的品種和規模,實現種養平衡。完善養殖污染治理的相關立法,提高立法層次,細化執法主體及違法責任,通過法律手段強制將畜禽養殖污染遏制在源頭環節。對不同類型養殖污染,采取分類防治策略:針對規模化畜禽養殖場,規范設置養殖場排污口,將其納入點源污染日常環境監管;針對分散畜禽養殖場,逐步建立科學的監測、普查和評估體系。

4.2 強化畜禽糞污高效收集轉化與利用技術體系創建

一是源頭減量。推廣使用微生物制劑、酶制劑等飼料添加劑和低氮、磷,低礦物質飼料配方,提高飼料轉化效率;減量使用獸藥和銅、鋅飼料添加劑,降低養殖污染排放;推廣新型喂料線,減少飼料的損失;引導配套養殖糞污“三分離”(干濕分離、人豬分離和雨污分離)以減少污水中固形物含量。二是收集轉化控制。所有的養殖場都要建設必要的糞污收集處理設施,配套成熟、穩定的糞污收集處理技術,加速糞污無害化、資源化處理過程,減少氮、磷和臭氣排放。三是末端利用。有配套農田的,因地制宜地開展標準化、規范化的循環利用;無配套農田的,地方政府應積極協調尋找合理的農用土地,并請有關專家因地制宜地制定糞污消納方案。

4.3 推進標準化、規范化的種養結合技術模式研究

雖然水專項在養殖污染治理方面已產出一批研究成果,但養殖糞污治理中糞污資源化利用技術模式、技術指南和標準等尚未有效建立,一些關鍵技術(如清潔回用、土地消納、遠程輸送、能源化、基料化等)與裝備還有待突破,未來畜禽養殖污染防治應鼓勵因地制宜地開展以源頭削減和“五化”(畜禽良種化、養殖設施化、生產規范化、防疫制度化、糞污無害化)綜合利用實用技術的研發。當下最有效的養殖污染治理技術模式是種養一體化或種養加一體化,土壤是種養結合中養殖污染負荷的消納體,因此,養殖污染負荷輸入必須滿足或符合土壤營養標準或土壤調理劑標準,以避免產生二次污染。

4.4 強化第三方社會化服務組織的培育及加強政策支持

在我國,種植業以小農經營為主,規模養殖多分布在偏遠山地等區域,這使得種養主體從規模和空間布局方面進一步分離,導致小農在畜禽糞污資源化循環利用的技術示范、勞力投入和規模養殖企業在糞污收集、運輸、處理以及農田回用輸送或污水處理達標排放等的巨額成本投入方面面臨諸多困難,對污染治理極為不利。因此,需要引入專業化的第三方服務組織開展社會化服務,通過政府建立以綠色生態為導向的農業補貼政策,應用于專業化的第三方環保社會化服務組織,以市場購買服務的形式吸引和引導其開展畜禽養殖糞污處理和肥料化服務,以加快糞污無害化、資源化處理,同時提高小農使用畜禽糞肥積極性。這對提升農業環保效果和改善農田地力都將起到積極的推動作用。