近年来我国畜禽养殖规模化加快速度进行发展,畜禽养殖粪污资源化利用也取得明显成效,但依然有40%的粪污未能实现合理有效的利用。造成这种现状的瓶颈问题大多数表现在:养殖布局不合理,种养规模不匹配,粪污资源化利用难度大;养殖污染防治有效的成套技术少,尤其是经济适用的技术少,许多技术存在成本过高或效率低下的问题。国家水体污染控制与治理科技重大专项(简称水专项)针对畜禽养殖污染防治技术的重点和难点,研发了一批实用技术,针对部分区域特点,研发了养殖污染防治成套管理技术,某些特定的程度上解决了从源头到资源化全循环中的问题,并形成10余项技术规范(指南),为我国畜禽养殖污染防治提供了较好的支撑。针对我国畜禽养殖规模基数大、分散养殖比例高、基础设施及管理机制薄弱等问题,提出通过法律制度和分类施策管控养殖污染,强化畜禽粪污高效收集转化与利用技术体系创建,推进标准化、规范化的种养结合技术模式研究,强化第三方社会化服务组织的培育及加强政策支持等对策建议。

  2010年第一次全国污染源普查多个方面数据显示[1],在我国主要污染物排放源中,农业面源污染物排放量已远超工业与生活污染源,成为最主要的污染物排放源。近年来,农业面源污染状况在我国局部区域有所好转,但总体仍不容乐观。畜禽养殖污染是我国农业面源污染的重要来源之一,对其进行相对有效处理与资源化利用对于保障水环境安全具备极其重大意义。研究表明,我国农业化肥中氮的流失率一般为8%~20%,磷的流失率约为5%,但畜禽粪便中氮、磷的流失率分别为化肥中氮、磷流失率的122%和132%,畜禽粪便进入水体的流失率高达25%~30%[2]。由于我国在过去很长一段时间只重视养殖生产,忽视畜禽粪污综合治理,使畜禽粪污对环境的污染逐年加重,日益威胁水体的安全。如上海市黄浦江畜禽养殖污染负荷占总污染负荷的36%[3]。因此,加强对畜禽养殖污染的治理迫在眉睫。

  中国是全球最大的畜禽生产国[4],据《中国畜牧兽医年鉴》[5]最新统计,截至2016年底,全国生猪、牛、羊和家禽存栏量分别为43 503.7万头、10 667.9万头、30 112万只和589 919.7万羽,肉、蛋、奶产量分别为8 537.8万、3 094.9万、3 602.2万t。畜禽养殖的产业体量和市场供给能力在带动国民经济进步、提高人民生活水平方面发挥着及其重要的作用,但同时,畜禽养殖造成的污染也日趋严重。《第一次全国污染源普查公报》[1]显示,我国畜禽养殖粪污排放量达38亿t,排放的化学需氧量(COD)达1 268.26万t,占农业污染源排放总量的96%。排放畜禽粪污的40%未被有效处理和利用,极度影响着生态环境,如造成水体ECO恶化,加重温室效应,使土壤结构失衡,影响作物生长等。畜禽养殖污染具有量大面广、瞬时性强、构成复杂等特点,加上监管难度大,其防治与管控已成为当前我国环境领域的重大挑战[6]。

  经过近20多年的努力,我国畜禽粪污资源化利用已取得明显成效。在政策支持和市场倒逼下,粪污处理设施逐渐完备,治理机制逐步健全。2015年畜禽养殖的COD、氨氮排放量比2010年分别降低132万和10万t,降幅达11.5%和15.4%[7]。畜禽粪便经过减量化、无害化、资源化处理后转换成肥料、饲料或能源,不但可以消除其对环境的负面影响,也将产生较大的经济价值和社会效益。

  2017年2月,中央、国务院将畜禽养殖污染防治工作列入中央一号文件,精确指出推进农业清洁生产,加快畜禽粪便集中处理;2017年6月,国务院办公厅印发了《关于快速推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》(〔2017〕48号)[8],明白准确地提出到2020年我国将建立科学规范、权责清晰、约束有力的畜禽养殖废弃物资源化利用制度,全国畜禽粪污综合利用率达到75%以上,规模养殖场粪污处理设施装备配套率达到95%以上。2019年9月,生态环境部、农业农村部联合召开规范畜禽养殖禁养区划定和管理促进生猪生产发展视频会,明确说通过科学制定种养循环发展规划、健全标准体系、强化政策支持、加强技术推广、建立市场机制等举措,快速推进畜禽养殖粪污资源化利用,构建种养结合、农牧循环的可持续发展新格局[9]。目前我国畜禽养殖业正逐步向集约化、专业化方向发展,如何在确保畜禽养殖规模的前提下,快速推进污染防控、种养结合,实现粪污资源的有效利用是当前和未来一定时期内保障我国畜禽养殖业可持续发展亟需解决的重大现实问题。

  我国畜禽养殖业在顶层设计上侧重优良品种推广、规模化经营和标准化生产、疫病防控等,对于环境保护的设计通常直接套用工业化处理的模式,这导致长期以来基层政府对于养殖分区划定标准不明确,甚至直接将养殖企业迁入工业园区与化工企业同步管理,导致局部地方养殖过于集中,十分不利于畜禽粪污的收集、处理和资源化利用。

  由于我国在畜禽养殖规模化发展进程中缺乏种养结合的思路,针对养殖规模并没做出明确的限定,使得种养主体从规模和空间布局逐步分离,有些地区甚至为招商引资或促进当地产业规模发展的需要,一味要求养殖企业做大做强[10]。过于庞大的养殖规模,产生远超过生态承载力的粪污量,不仅导致非常严重的环境污染,也影响了周边居民的正常生活。尽管许多养殖企业迫于形势要求开始打造种养结合的生态农业,但是庞大的养殖规模需与大面积的农田相匹配,这对于人多地少的地区来讲是十分艰难的。此外,对于大型的规模养殖,每天产生的大量粪污如何按照作物需求高效输送到农田,且不造成资源浪费和二次环境污染,也是目前面临的难题。粪污从贮存、输送到灌溉等的每一个环节,在现实操作中都存在技术难点。

  与工业污染治理不同,畜禽养殖污染治理涉及的环节和影响因素较多,不仅受到地域、温度和农业制度的影响,也受到养殖模式、处理工艺和农田配套的影响。目前的养殖污染防治技术探讨研究大多集中在某个环节,产出的单项技术较多,而很少有针对某种养殖模式的覆盖源头减排,粪污收集、贮存、处理,到末端资源化利用的全循环技术的研究,进而影响了区域和流域尺度成套技术方案的制定。

  此外,目前还存在研发技术与应用难以统一的问题:对于研究者来说,更多考虑技术的有效性;对于政府而言,需要标准的、通用的、便于管控的成套技术;对于养殖企业来说,需要低成本、实用、便利的技术。由于养殖企业更关注的是养殖效益,而在后续的粪污处理中缺少资金和人才投入,导致全流程环节技术应用和维护方面出现困难。同时,由于养殖企业受农业农村和生态环境部门的双重管理,在不同关注点和要求之下,有可能会出现技术环节断裂,使技术运行不畅,成本加大,造成新技术推广难的局面。如曾一度被江苏省提倡的大型养殖场沼气发电工程,目前至少有60%处于停工状态,根本原因是投资、运行及维护成本过高,且沼液如何利用也是一大难题;此外,很多大型养殖场配套的大型污水净化设施由于运维成本高,成为养殖企业的巨额负担[11]。

  农业面源是造成地下水污染最普遍的因素,也是最难治理的污染源之一,由于其形成过程随机性大、影响因素复杂、潜伏周期长等,因此相应的研究和污染控制难度也较大[12]。养殖粪肥对地下水的污染比化肥高出8%,养殖粪水和沼液直接还田对地下水的污染风险也明显高于化肥,有关养殖对地下水污染风险的评价及控制的研究需要深入开展[13]。

  粪污从收集、处理到后期利用的过程中,会导致大量的养分流失,造成大气、水体和土壤的污染,其中以氨气或N2O挥发方式的氮流失占50%左右[14],但目前对这方面的研究还不多,尤其是粪便长周期堆肥过程中产生的臭气和成本控制以及厌氧工程中沼气贮存和有效利用是亟待解决的技术难点。在资源化利用方面,沼液如何按农时运输并灌溉,经常使用养殖粪肥造成的重金属和抗生素残留问题等也是亟待解决的技术难点。以抗生素为例,畜禽养殖业用于促进动物生长及疾病预防和治疗的抗生素用量超过8 000 t∕a,其中30%~90%的抗生素会残留在动物的粪污中[15],这对发展生态农业、有机农业造成障碍,也极大影响了粪污资源化利用的推进。

  由于近年来畜禽养殖成本(饲料、人力)逐年升高,且受市场行情报价周期性波动和疫病冲击影响很大,很多畜禽养殖企业尤其是小规模养殖企业实力较弱,抗风险能力比较差,加之治污设施投入大且运行成本高,很多养殖企业存在投不起或投得起运行不起的尴尬局面,因此,畜禽养殖公司进行污染防治的积极性往往不高。

  从政府层面来讲,对养殖企业污染防治的监管难度很大。畜禽养殖污染面广量大、持续性强、构成复杂,仅仅依赖于政府的监管很难达到治理效果;加上畜禽养殖行业利润不高,从业人员多为农民等,即使生态环境部门做出处罚和整改要求,很多养殖企业仍无力投资建设污染防治设施。因此,仅仅依靠行政强制手段,难以实现对养殖污染的有效监管和控制。

  此外,由于面向养殖企业的基层农技推广部门技术力量相对薄弱,人员力量欠缺,存在推广难度大、技术落地难的问题,对技术成果的推广应用造成一定的制约。

  针对我国畜禽养殖业种养失衡、成套技术少以及排放特异性污染物等问题,水专项从研发技术、成套技术集成、管理机制等方面开展系统研究,产出了系列研究成果。

  根据流域特点,以种养结合为理念,水专项研发了32项畜禽养殖污染治理的适用技术,其中既有集成的移动式生态养殖、山地果园种养结合养殖、原位发酵床养猪等技术,也有针对技术难点攻克的适用技术,包括种养结合、源头节水、猪舍改造、粪便堆肥、厌氧发酵、沼液利用、尾水净化、粪污资源化利用、沼液能源化利用等技术和设备。如山地果畜结合区面源污染控制技术针对东江源头区的地貌特征,以小流域为系统单元,实行山坡种果、山沟养猪、沟底筑坝养鱼的果畜生态农业模式,集成了滞留塘生态净化系统构建、有机固态废料循环利用、生猪养殖高氨氮废污水处理等技术,从系统结构上实现养殖废物的循环利用,实现“控源、减排、净化”的污染防治目标。应用该技术在东江源头区的安远县开展了107 hm2脐橙果园的示范推广,通过生态化改造,在山沟养殖生猪,有效保护了果园生态环境,并辐射带动周边农户致富。该技术在安远县的脐橙果园逐步推广应用,推动了该区域农业循环经济,促进了果业和畜禽养殖业的发展,对水资源保护起到积极作用。

  从“十一五”至今,通过水专项的研究,共发布12项与养殖污染控制相关的技术规范或指南。国家层面发布的包括HJ 497—2009《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》[16]、《畜禽养殖污染发酵床治理工程技术指南(2014)》[17]等,省(市)层面的包括《江苏省污水生物净化处理作业规程》[18]、《河南省畜禽养殖业污染控制技术规范》[19]等,内容涵盖了养殖场建设、区域规划、污染控制、资源化利用等多个环节,也有针对发酵床养殖污染防治、污水生态净化、雨污分流、粪便集中收集等具体技术的规范和指南。12项指南的发布,不仅为管理者提供了参考,也为养殖场的新建和改造提供了技术方案。

  针对单项技术多、成套技术缺乏的问题,水专项研发了针对特定地区的系列养殖污染防治成套技术,包括基于无害化微生物发酵床的养殖废物全循环、畜禽养殖废物异位微生物发酵床处理与资源化利用、辽河源头区农村面源污染防治、东北寒冷地区畜禽养殖污染系统控制和山地果畜结合区面源污染控制等技术。如基于无害化微生物发酵床的养殖废物全循环技术,攻克了微生物发酵床生态养殖、饲料微生物添加和养殖物及废弃垫料高值转化等技术,创新了以微生物发酵为核心的技术系统,实现了畜禽养殖污染控制与废物资源化;通过多项技术的串联应用示范,建立了以微生物发酵技术为核心的畜禽养殖污染控制与治理系统方案,取得了一定的社会效益和生态效益。以养殖污染生态控制为主的种养加一体化控制方案已推广到福建、山东、北京和浙江等20省(市),累计推广规模达到2 100万头当量猪,削减养殖业对水体的污染负荷COD、TN和TP分别超过70万、8万和1万t,创造经济效益19亿元以上。该种养加一体化控制技术模式支撑了辽宁省阜蒙和彰武、河北省定兴等6个县的养殖污染治理。

  针对技术投资所需成本高、运行的成本高或运行复杂、管理难度大的问题,通过对技术的投资和运行成本来优化和核算,使技术更加实用。如研发的畜禽养殖废物异位微生物发酵床处理与资源化利用技术,相比粪污厌氧工程+尾水深度净化技术具有投资和运行成本低、简单易操作的特点,在有机肥销路打通的情况下,不但可以抵消垫料成本的费用,每头猪还可以额外收益90元以上,受到养殖户的广泛欢迎。

  在源头减量方面,研究和改进了新型饮水器和两坡段干湿分离养猪生产污水削减技术,达到减少饲料和水源浪费的目的。在堆肥方面,研发了保氮除臭免通气槽式堆肥发酵技术[20],利用微生物技术处理起到无害化的作用;同时将有机固态废料降解和转化为优质有机肥。针对粪污在资源化过程中的氮损失率过大问题,研发了耐高温快腐熟保氮除臭发酵复合菌剂与复合多功能微生物添加剂制备技术,畜禽养殖废物经保氮除臭发酵,堆肥温度有了大幅度提高,堆肥物料腐熟过程和发酵周期显著缩短,氮损失率也明显降低。针对尾水处理,研发了河口湿地养殖水体污染的物理-生物联合阻控与水质改善技术,通过物理-生物联合阻控方式,低成本净化养殖尾水。

  水专项重视实用技术的应用,通过建设示范工程,引导、培训和推广水专项成果。水专项产出了32项养殖污染治理技术,其中20余项技术均建立了示范工程,并取得良好的运行效果,部分技术在示范的基础上加大了推广力度。如由中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所研发的大通栏原位发酵床和异位发酵床养猪技术,被推荐为农业农村部2018年十大引领技术及主推技术[21],且被推广到福建、江苏、山东、四川和浙江等省,累计应用2 100多万头当量猪,相关推广应用规模仍在继续增长中,成为很好的宣传示范样板。

  经过10多年的研究,水专项产出了一批技术成果,对养殖污染治理发挥了较大的作用。但由于我国畜禽养殖规模基数大、分散养殖比例高、基础设施及管理机制较为薄弱,因此,畜禽养殖污染防治的瓶颈问题仍然没有完全解决,需要持续深入开展相关研究,特别是开展畜禽养殖发展规划顶层设计,推进标准化、规范化的种养结合技术模式及建立第三方社会化服务组织等。

  基于我国区域水资源承载力、耕地环境容量(上限)和人口食物需求(下限)等限制因素,采用“以水定种”“以种定养”的模式,借鉴区域农田养分平衡和畜禽粪污养分综合管理计划经验,科学制定畜禽养殖业发展规划,依据区域不同农用地利用类型、规模和水环境生态功能区划分,建立以畜禽粪污养分管理为基础的准入制度,依法科学划定禁养区、限养区和适养区;确立区域畜禽养殖的品种和规模,实现种养平衡。完善养殖污染治理的相关立法,提高立法层次,细化执法主体及违法责任,通过法律手段强制将畜禽养殖污染遏制在源头环节。对不一样养殖污染,采取分类防治策略:针对规模化畜禽养殖场,规范设置养殖场排污口,将其纳入点源污染日常环境监管;针对分散畜禽养殖场,逐步建立科学的监测、普查和评估体系。

  一是源头减量。推广使用微生物制剂、酶制剂等饲料添加剂和低氮、磷,低矿物质饲料配方,提高饲料转化效率;减量使用兽药和铜、锌饲料添加剂,降低养殖污染排放;推广新型喂料线,减少饲料的损失;引导配套养殖粪污“三分离”(干湿分离、人猪分离和雨污分离)以减少污水中固形物含量。二是收集转化控制。所有的养殖场都要建设必要的粪污收集处理设施,配套成熟、稳定的粪污收集处理技术,加速粪污无害化、资源化处理过程,减少氮、磷和臭气排放。三是末端利用。有配套农田的,因地制宜地开展标准化、规范化的循环利用;无配套农田的,地方政府应积极协调寻找合理的农用土地,并请有关专家因地制宜地制定粪污消纳方案。

  虽然水专项在养殖污染治理方面已产出一批研究成果,但养殖粪污治理中粪污资源化利用技术模式、技术指南和标准等尚未有效建立,一些关键技术(如清洁回用、土地消纳、远程输送、能源化、基料化等)与装备还有待突破,未来畜禽养殖污染防治应鼓励因地制宜地开展以源头削减和“五化”(畜禽良种化、养殖设施化、生产规范化、防疫制度化、粪污无害化)综合利用实用技术的研发。当下最有效的养殖污染治理技术模式是种养一体化或种养加一体化,土壤是种养结合中养殖污染负荷的消纳体,因此,养殖污染负荷输入一定要满足或符合土壤营养标准或土壤调理剂标准,以避免产生二次污染。

  在我国,种植业以小农经营为主,规模养殖多分布在偏远山地等区域,这使得种养主体从规模和空间布局方面进一步分离,导致小农在畜禽粪污资源化循环利用的技术示范、劳力投入和规模养殖企业在粪污收集、运输、处理以及农田回用输送或污水处理达标排放等的巨额成本投入方面面临诸多困难,对污染治理极为不利。因此,需要引入专业化的第三方服务组织并且开展社会化服务,通过政府建立以绿色生态为导向的农业补贴政策,应用于专业化的第三方环保社会化服务组织,以市场购买服务的形式吸引和引导其开展畜禽养殖粪污处理和肥料化服务,以加快粪污无害化、资源化处理,同时提高小农使用畜禽粪肥积极性。这对提升农业环保效果和改善农田地力都将起到积极的推动作用。