畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法

第27卷第1期农业工程学报Vol.27No.12011年1月TransactionsoftheCSAEJan.2011303畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法董红敏，朱志平，黄宏坤，陈永杏，尚斌，陶秀萍，周忠凯（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，农业部畜牧环境设施设备质量监督检验测试中心（北京），农业部农业环境与气候变化重点实验室，北京，100081）摘要：畜禽养殖业产污系数与排污系数是畜牧环境研究和粪便处理工程设计的基础指标，但由于中国畜牧业环境工作起步晚，还没有根据中国畜牧业生产特性确定的产污系数和排污系数。该文根据中国畜禽养殖业的特点，提出了畜禽养殖业产污系数和排污系数的定义、计算方法，并结合典型猪场进行了案例分析。对于北京市某养猪场进行分析，结果表明：该猪场保育、育肥和妊娠母猪3个阶段的COD产污系数分别为每头252.8、479.6、493.4g/d，全氮分别为每头20.4、33.2、43.7g/d，全磷分别为每头3.48、6.06、9.93g/d，在该猪场废弃物处理系统的运行情况下，计算得出了该场保育、育肥和妊娠母猪3个阶段的COD排污系数分别为每头44.9、64.1、22.5g/d，全氮分别为每头14.1、20.9、36.3g/d和全磷分别为每头1.0、1.8、0.4g/d。研究结果为畜禽养殖业污染源普查、废弃物处理工程运行和畜禽养殖业环境影响评价提供了参考。关键词：畜禽，排污，计算方法，产污系数，案例研究doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.01.049中图分类号：S811.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-01-0303-06董红敏，朱志平，黄宏坤，等.畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法[J].农业工程学报，2011，27(1)：303－308.DongHongmin,ZhuZhiping,HuangHongkun,etal.Pollutantgenerationcoefficientanddischargecoefficientinanimalproduction[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(1):303－308.(inChinesewithEnglishabstract)0引言随着畜牧业规模化的快速发展，在促进农村经济发展、增加农民收入的同时，由于畜禽粪便量大、且不能及时施用于农田，再加上粪便处理利用设施运行效果差，使得粪便资源得不到合理利用，成为重要的面源污染源。产排污系数作为环境领域重要的基础数据，是世界各国掌握污染状况、制定防治政策和设计运行环境工程设施的重要依据。随着畜牧业环境问题的突出，各国纷纷研究制定了相关的产排污系数。美国农业工程师学会编制出版了动物粪便产生和特性参数标准,该标准给出了不同动物的粪尿产生量和粪尿中各种污染物的产生量，类似于动物的产污系数[1]，日本作为畜禽粪便污染防治立法昀多的国家，不仅颁布了《关于畜禽排泄物的适当管理与有效利用的法律》和《畜禽排泄物的适当管理与有效利用的法律的执行细则》，在粪便特性和产排污系数方面有大量数据[2]，丹麦出版有粪便产排污系数手册[3]。中国在产排污系数研究已有报道，集中在工业相关领域，国家环保总局科技标准司编制的《工业污染物产生和排放系数手册》[4]涉及了7大工业部门的产排污系收稿日期：2010-07-30修订日期：2010-09-12基金项目：第一次全国污染源普查-畜禽养殖业污染源产排污系数测算项目，国家生猪现代产业技术体系建设（nycytx-09），公益性行业（农业）科研专项（200803036）和动物营养学国家重点实验室自主研究课题（2004DA125184（团）0808）作者简介：董红敏，博士，研究员，博士生导师。主要研究方向：畜牧环境工程。北京中关村南大街12号中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，100081。Email:[e-mail]数，吴义千根据实测、经验估算和公式计算相结合的加权法研究了有色金属工业产品的产污系数和排污系数[5],藏曙光等人根据玻璃行业的发展现状，综合考虑企业工艺、规模、原料、燃料等因素的差异，研究获得了该行业的产污系数和排放系数，并与国外同行业系数进行了比较分析[6]，任叙合等人报道了海洋石油开发工业污染物产生系数和排放系数研究[7]，林秀丽根据中国机动车的污染物排放特点，研究给出了中国机动车污染物排放系数[8]，程紫华和卢建敏根据铁路运输企业的特点研究了铁路运输企业污水主要污染物产排污系数[9]。与工业行业相比，尽管关于畜牧业环境和污染防治对策方面做了大量研究[10-11]，也在《家畜粪便学》[12]和《全国规模化畜禽养殖业污染情况调查与防治对策》[13]等著作中给出了有关的粪便特性参数，但迄今为止，还没有对畜禽养殖业的产污系数和排污系数的定义、计算方法等进行科学的研究，也没有进行系统的测试，对中国这样一个品种多样、饲料特性和饲养方式差异较大的国家，仅仅给出几个固定的参数，不能满足中国环境污染防治的需要。有必要根据中国畜禽养殖业的特点，探讨中国畜禽养殖业的产排污系数计算方法，为污染源普查、畜禽养殖业环境影响评价及环境保护管理，以及国家和行业有关标准制定提供科学依据。1畜禽养殖业产污系数和排污系数定义、计算方法1.1畜禽养殖业产污系数的定义和计算方法参考其他行业污染物产生和排放系数的定义，畜禽养殖业产污系数是指在典型的正常生产和管理条件下，农业工程学报2011年304一定时间内，单个畜禽所产生的原始污染物量，包括粪尿量，以及粪尿中各种污染物的产生量。考虑到畜禽的产污系数与动物品种、生产阶段、饲料特性等相关，为了便于计量畜禽养殖的产污系数，本文中以天为单位，分别计算不同动物（生猪、奶牛、肉牛、蛋鸡、肉鸡、山羊、绵羊）、单个（头、只）动物在不同饲养阶段的产污系数。畜禽产污系数具体计算公式如下,,,,,,,,ijkijijkijijkFPQFCFQUCU=×+×（1）式中，FPi,j,k为每头产污系数，mg/d；QFi,j为每头粪产量，kg/d；CFi,j,k为第i种动物第j生产阶段粪便中含第k种污染物的浓度，mg/kg；QUi,j为每头尿液产量，L/d；CUi,j,k为第i种动物第j生产阶段尿中含有第k种污染物的浓度，mg/L。从公式（1）可以看出，畜禽原始污染物主要来自畜禽生产过程中产生的固体粪便和尿液两个部分，为了能够准确的获得各种组分的原始污染物的产生量，首先需要测定不同动物每天的固体粪便产生量和尿液产生量，同时采集粪便和尿液样品进行成分分析，分析固体粪便含水率、有机质、全氮、全磷、铜、锌、铅、镉等浓度，以及尿液中的化学需氧量、氨氮、总氮、全磷、铜和锌铅、镉等浓度，再根据产污系数计算公式就可以获得粪尿中各种组分的产污系数。为了便于统计和分析比较，建议生猪分为保育、育成育肥和繁育母猪3个阶段，牛分为出生犊牛、育成牛和成乳母牛3个阶段，蛋鸡分为产蛋鸡、育雏育成2个阶段，肉鸡为1个阶段。1.2畜禽养殖业排污系数的定义和计算方法畜禽污染物排放系数是指在典型的正常生产和管理条件下，单个畜禽每天产生的原始污染物经处理设施消减或利用后，或未经处理利用而直接排放到环境中的污染物量。本文提出的排放系数是与畜禽产污系数表达方式一致，以单个畜禽计。排污系数除受粪尿产生量及其污染物浓度的影响外，还应考虑固体粪便收集率、收集粪便利用率；污水产生量、污水处理设施的处理效率、污水利用量等因素，具体计算公式如下(),,,,,,,,,,,(1)(1)11ijkijijkFijijkTkijijkFUFDQFCFQUCUWUQFCFWPηηηη⎡⎤=××−+××−⎣⎦⎛⎞×−+×××−⎜⎟⎝⎠，（2）式中，FDi,j,k为每头排污系数，mg/d；Fη为粪便收集率，%；,Tkη为第k种污染物处理效率，%；WU为污水利用量，m3/d；WP为污水产生量，m3/d；Uη为粪便利用率，%。畜禽养殖业的排污系数也考虑污水和固体废弃物2个部分。固体废弃物主要考虑收集粪便在贮存和处理过程中的流失率；污水包括在畜禽舍中未收集的粪便、尿液和冲洗水等混合物，它是畜禽养殖排污系数的主要来源，畜禽养殖污水主要是通过贮存、固液分离、厌氧沼气发酵、好氧处理、氧化塘及人工湿地等方式进行处理后利用或者排放。不同养殖场的处理方式和工艺组合不同，各种污染物的去除效率不同，需要根据养殖场的污水处理设施的实际运行情况、测试污水在各种处理系统前后的污染物浓度变化，计算得到不同污染物的处理效率。畜禽养殖污水的利用如灌溉农田、排入鱼塘的量计为利用量；污水经处理后的排放都认为是进入环境的污染物。2猪场产污系数和排污系数的案例研究为了验证提出的畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法的科学性和可操作性，本文以北京某规模化生猪养殖场为案例进行分析。该猪场常年存栏繁殖母猪600头左右，年出栏生猪1万头，采用干清粪工艺，固体粪便通过强制通风堆肥发酵生产有机肥，污水经过厌氧处理后进入贮存池贮存，定期排出场外。2.1产排污系数试验方法2.1.1产污系数试验方法为了获得试验点的产污系数，将试验猪分为保育、育肥和妊娠母猪3个阶段进行相关参数的测定，每个阶段的试验猪为5头。为了保证粪尿收集完全，本研究采用代谢笼中进行饲养试验，猪只产生的粪便和尿液分开收集。考虑到不同季节动物的饲养条件和饲料不同，对实验猪进行了4个季节的测定；每个季节的试验期12d，其中前7d为预饲期，后5d为正式采样期，在正式采样期，每天定时收集每头试验猪只产生的粪便和尿液，称量其产生量后分别采样。为了采样的代表性，将每天上下午分别收集的猪鲜粪便和尿液称重和记录后，混合均匀取3个样品（其中固体粪便2个，尿液1个），每个样品约0.5kg或0.5L。采集的样品及时送至农业部畜牧环境设施设备质量监督检验测试中心（北京），对各种原始污染物浓度进行测试分析，测定的污染物参数及测定方法如表1和表2。表1粪的检测指标、检测方法和方法标准Table1Analysisparameters,methodandstandardsforsolidmanure项目测定方法方法标准号含水率复混肥料中游离水含量测定真空烘箱法GB8576-88有机质有机肥料（有机质测定）NY525-2002全氮有机肥料（全氮含量测定）NY525-2002全磷有机肥料（全磷含量测定）NY525-2002铜、锌土壤质量铜、锌的测定火焰原子吸收分光光度法GB/T17138-1997钾土壤全钾测定法NY/T87-1988表2尿的检测指标、检测方法和方法标准Table2Analysisparameters,methodandstandardsforurine项目测定方法方法标准号pH水质pH值的测定玻璃电极法GB6920-86CODCr水质化学需氧量的测定重铬酸盐法GB11914-89氨氮水质铵的测定蒸馏和滴定法GB7478-87凯氏氮水质凯氏氮的测定GB11891-89总磷水质总磷的测定钼酸铵分光光度法GB11893-89铜、锌水质铜、锌、铅、镉的测定原子吸收分光光度法GB7475-87第1期董红敏等：畜禽养殖业产污系数和排污系数计算方法305猪的生长和饲料特性是影响产污系数的主要参数，为了了解不同季节和饲养阶段猪的特性，本文还对猪的体重和饲料特征进行了测定。猪的体重在试验前后用地磅分别进行测定，猪的采食量则通过称量饲喂前后料槽中饲料的变化确定，每天采集各阶段饲料样品1个，连续采样5d，采集样品送中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所实验室进行分析，饲料分析指标和方法标准如表3。表3饲料的检测指标、检测方法和方法标准Table3Analysisparameters,methodandstandardsforfeed项目测定方法方法标准号含水量饲料中水分测定方法GB/T6435-86粗蛋白饲料中粗蛋白测定方法GB/T6432-1994磷饲料中总磷的测定分光光度法GB/T6437-2002铜、锌饲料中铁、铜、锰、锌、镁的测定方法原子吸收光谱法GB/T