近几年，我国畜禽养殖业发展突飞猛进。与过去以农家畜禽养殖为主的经济模式相比，规模化集约化的商品养殖生产已占主导地位。大中型养殖场主要分布在人口密集的沿海一带，如辽宁、山东、江苏、浙江、福建和广东等省区。这些具有城市集中、人口密度大、工业化程度高、对肉蛋奶的需求量大等优势的地区，成了集约化、工厂化养殖业发展的摇篮。
以福建省为例，1995年全省规模化养猪场年出栏商品猪1 000．84万头，到2006年为2229．36万头，规模化养猪场得到快速发展，lO年增长122．74％。规模化工厂化养殖产业一方面提高了养殖效率，降低r生产成本，为我国的出口创汇和稳定国内市场供应作出了显著贡献，另一方面，也带来了一系列的环境问题，畜禽养殖场对环境的污染包括粉尘、噪声和粪污，特别是粪污处理利用不当对大气、水源和土壤造成污染。猪粪便是畜禽业废弃物中最难处理的一种，极易造成环境污染。
据北京市环保局等部门对一些猪场排放的猪粪尿进行监测，并用国家污水排放标准进行评价，结果表明，化学耗氧量超标53倍，五日生化耗氧量超标76倍，悬浮物超标4倍，3项综合指标数(P)达63．61，达到了严重污染程度。在这些猪场附近，恶臭熏天，蚊蝇孳生，细菌繁殖，疫病传播，除影响周围居民的生活环境外，还造成猪场本身的污染。并且通过周围水渠、河道造成地表水及地下水的污染。
然而，从资源的循环利用考虑，排泄物有很大的潜在经济价值，由于家畜粪便中有机物含量高，家畜污水可作为农用肥料及能源加以利用。养猪废水产气巾甲烷含量高达60％，发热量2．508×104 kl．m-3，是很好的牛物能源。同时，污水经过净化处理后可用于农田灌溉，也可以经消毒后回用于冲洗猪场。良好的废弃物处理方法不但可以减少环境污染，还可以降低养殖成本，甚至可以带动相关连的其他产业发展。因此，对规模化养猪场的粪污治理与再利用研究，成为农业环保方面学者关注的热点。
本文按照常规的粪污治理循环利用模式，从粪污前处理、厌氧发酵、固体粪便利用、沼气利用、沼液净化与利用等方面分析了国内外对规模化养猪场粪污治理与再利用现状，以期为推进规模化猪场粪污循环再利用提供参考。
1粪污前处理技术
规模化养猪场其粪便污水排放量大，水量集中，且污染物浓度高，根据GBl8596—2001标准规定，每百头猪污水排放为2．5～3．5 m2，一般悬浮物浓度为1％～2％，因此，为了减少污水处理水力停留时间，降低工程投资，大都采用固液分离和沉淀等前处理技术。
1．1 机械分离去除固体粪污
林代炎等利用板框压滤机、离心机、斜板筛挤压和振动筛挤压机对猪粪污水进行悬浮物去除效果研究，认为振动筛挤压机更适合规模化猪场使用，处理能力达15 m3·h-1，TS、CODcr和BOD5去除率分别达62．6％、61．2％和57．5％，且收集的猪粪渣含水率为53．2％，便于干化处理集中资源化再利用。
1．2沉淀技术去除固体粪污
根据陈梅雪等报道，日本畜禽产业排泄物处理方面，应用沉淀槽处理畜舍废水，对BOD5、COD、SS、T—N和T—P去除率分别达27．3％、23．2％、45．5％、20．3％和22．5％，能快速有效降低污水中污染物浓度，但沉淀渣含水率高，干化处理难度大，而且干化过程容易造成恶臭气体污染环境，因此，对沉淀粪渣必须就地利用，否则会产生二次污染。
2厌氧发酵
应用厌氧发酵技术处理规模化养猪场粪便污水，收集沼气能源是经济而有效的一种处理方法。据徐洁泉等报道，处理农业废弃物的大中型能源环境工程占大中型能源环境工程总量的76．6%，既能解决粪污减量化和无害化问题，又可为社会提供清洁的生活能源和发电能源。
2．1厌氧发酵菌
目前分离提纯的产甲烷菌有200多种，分属于3个纲5个目。在产甲烷菌分类研究方面，随着分子生物学的发展，人们利用不同物种问small— subunit ribosomal RNA的同源性进行分类取得了较为满意的结果；1996年伊利诺伊大学完成了第一个产甲烷菌Methanococcus jannaschii的基因组测序，迄今为止已有4个目的的5种产甲烷菌完成基因组测序，在产甲烷菌代谢方面研究，已明确它是自养型微生物，能利用环境中的化学能，并发现甲烷生物合成过程的3种途径；在产甲烷菌必需营养研究方面，发现产甲烷菌不仅需C、N、P等营养元素，还需要矿物质营养元素，如K+、Na+、Ca2+、C02+、C1-、Fe2+、Fe2+等，同时，已对产甲烷菌的生理生化特征进行深入研究，明确了具合适的生长环境条件，为工程上的应用提供了依据。
2．2厌氧发酵器
厌氧消化是极为复杂的生物过程，在参与反应的众多微生物巾，产甲烷菌的优劣和密度是影响厌氧消化率及甲烷产量的重要因素，因此，减少产甲烷菌的流失及为产甲烷菌创造合适的生长环境，以提高产甲烷菌密度成J，厌氧反应器的设计目标。
目前，国内用在猪场粪污治理方面应用较多的厌氧发酵器主要有塞流式(推流式)、升流式厌氧固体反应器(USR)、升流式厌氧复合床(UBF)、厌氧过滤器(AF)和升流式厌氧污泥床(UASB)。根据《沼气工程技术规范：工艺设计》NY／T1220．1—2006，认为这些反应器在常温条件下，其COD的容积负荷一般都在5 kg·m-3·d-1以内，与胡纪萃报道荷兰应用的内循环厌氧反应器(IC)COD容积复核25～305 kg·m-3·d-1相比，差距较大，说明我国在反应器方面的研究还有很大的发展空间。
2．3厌氧发酵器结构材料应用
厌氧发酵器的结构材料不同，一方面将直接改变发酵器的建设工艺和建设效率，另一方面将直接影响发酵器的保温性能。
国内目前推广的大中型厌氧发酵器结构材料主要是应用砖混和钢筋混凝土结构，工业污水处理方面有部分应用钢结构材料建设厌氧发酵塔，在户用沼气池建设方面有应用玻璃钢材料。后两者便于工厂化生产，产品质量便于统一管理，能显著缩短建造工期，而且不受天气影响，但造价相对会高20％左右；目前德国采用Lipp罐作用厌氧发酵器，钢材用量基本与钢筋混凝土的钢筋用量相当，施工周期极大缩短，300～500 m3的金属发酵罐一般不超过一周即可完工。
2．4其他方面研究
为了调节污水适合甲烷生长，提高厌氧发酵效率，李亚新等研究认为以醋酸钙、乙醇为基质，向厌氧反应器补充Fe、Co、Ni的最佳剂量分别为10 mg·L-1·d-1、O．1 mg·L-1·d-1和O．2 mg·L-2·d-1，并认为投入微量金属元素会改变厌氧发酵器甲烷菌的优势菌种。龙腾锐等研究认为，某些微量金属元素，如铁、钴、镍、铜、锌、锰、钼、钨、铬等，在低浓度时能促进厌氧反应的进行，高浓度时会产生抑制；张信连等研究认为，稀土元素对动物、植物及微牛物均存在Hormesis“低促高抑”效应；夏青等研究认为La3+和Ce3。。对不同VFA底物的产甲烷菌促进效应不同。这些研究表明产甲烷菌生长繁殖过程，不仅需要c、N、P、K等营养物质，同时，还需要中、微量金属元素平衡供应，且不同产甲烷菌对中、微量元素的需求不同。
产甲烷菌的生长对C、N、P比例及含量也有严格要求，一般而言，C：N：P为75：5：1，适量的碳源对细菌的生长和活性是决定性的条件，但碳源浓度增加应有一个限度，超过限度微生物的牛长率就会下降，这一影响通常称为基质抑制，碳水化合物基质抑制的浓度为100～150 g·L-1。
从污水处理的另一目标——脱氮角度看，甲烷的生物合成和氮素的固定是产甲烷菌独特的代谢过程。Kunna认为较高的碳氮比将有利于异化性硝酸盐还原反应的发生，当进水COD：N小于53：1时，反硝化最终产物以N2为主，而COD：N大于53：1时，则有较大量的氨氮合成。同时，还有研究认为：以葡萄糖为碳源有利于硝酸盐还原为氨氮，而以VFA之类的碳源则有利于进行硝酸盐反硝化为氮气的过程。因此，还可以通过调节C源及C／N比例，实现脱氮的目的。
厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH值有密切关系，pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH值。颗粒污泥利用不同底物时的生长适应pH范围不同，一般认为，反应器内的pH值应保持在7．2～7．6。
3 固体粪便利用技术
3．1猪粪渣栽培菌类
猪粪作为有机肥原料，由于含水率高，需要添加大量辅助原料，因此，大部分猪粪还未能实现资源化利用。依据林代炎等利用猪粪渣栽培双孢蘑菇的试验研究认为，应用固液分离机分离处理的猪粪渣，与稻草混合进行堆制发酵，腐熟猪粪培养料腐熟时颜色呈深咖啡色，腐熟均匀，无粪臭味，水分适中，富有弹性，手捏拢，松手后自然伸展，有浓郁的草香味和许多有益微生物菌落，pH 7．8，表现出对环境的友好性。双孢蘑菇菌丝在猪粪渣培养料中生长旺盛，洁白，浓密，出菇时间比对照组牛粪便培养料早3 d，且子实体生长期较对照组长2 d，在猪粪渣培养料生长的双孢蘑菇子实体密度大于以牛粪便培养料生长的，表现为菇体致密，硬度大，不易开伞。猪粪渣栽培的双孢蘑菇与牛粪栽培的双抱蘑菇相比较，其氨基酸总量和还原糖含量分别提高了16．9％和33．3％，说明利用猪粪渣替代牛粪栽培双孢蘑菇还能提高蘑菇产品品质。由此可见，猪粪在培养食用菌类的应用方面具有广阔的前景。
3．2高品质堆肥
猪粪便是一种富含有机物和氮磷钾的肥源，对猪粪便利用一般是采用堆肥化处理后，制成有机肥进行土地利用，实现资源化。根据畜种不同，粪便的性状不同，堆肥产量也不相同。猪粪中可分解物质比例大，堆肥产品中水分含量低，堆肥产量较高。肥料作为循环产业链中的关键一环可以在很多地方发挥作用，典型的如南方的“猪一沼一果”工程模式，将生猪、果业生产结合起来，利用人畜粪便人池发酵，产牛的沼气用于农户做饭点灯，沼肥施用于果树，果园套种蔬菜或饲料作物，可满足生猪的饲料要求，达到系统内能源、饲料、肥料良性利用的农业生产经营模式。猪粪由于碳氮含量比较低和含水量较高，不适宜单独堆肥，因此南方广大地区猪粪混合堆肥的最佳填充料及方法是，将猪粪、稻草、粉煤灰按3：1：1(湿重比)混合，或猪粪、木屑、树叶按3：1：1(湿重比)混合，将所用稻草和树叶铡成3 cm长，按比例将配料混合均匀堆成堆。日本的高品质堆肥技术采用好氧发酵处理，产品腐熟度高，易于储存，该方法已在日本普遍使用。在反应槽内，添加木屑等作为载体供高温好氧微生物附着生长，这些微生物可以将原料中的有机物分解为二氧化碳和水。有机物分解过程中产生的热量可以将水分完全蒸发；与中温菌相比，高温菌的基质摄取速度与自身分解速度都有明显的提高。美国有5 700个猪场使用猪粪堆肥，而且数量在增加。堆肥可以杀死粪中的病原微生物和草种，是很好的肥料资源。但是在堆肥过程中氮、磷、和碳水化合物的损失很高(平均超过6．5％)。试验表明按碳氮比为25：1～30：1，在猪粪中添加含碳水化合物类物质，可以降低上述营养素的损失。堆肥后的猪类与化肥相比，粪肥中磷的损失比化肥中磷的损失小，从而达到减轻环境污染的目的。
4 沼气能源利用
沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。沼气发酵系统在生态农业建设中应用相当广泛，它把能源、养殖业和种植业结合起来，实现了农业资源的多层次利用和良性循环，达到了农业生产少投入、多产出，高效无污染的可持续发展。
沼气中的甲烷无色无味，是·种理想的气体燃料。1 m3沼气完全燃烧后，能产牛相当于O．7 kg无烟煤所提供的热量。修建一个容积为6 m3的沼气池，每天投入4头猪的粪便发酵，它所产的沼气能供给4口人的家庭点灯、做饭所需的燃料。
小型沼气电站每千瓦时投资只需要400元左右，仅为小型水力电站的1／3～1／2。因此从成本上来说，沼气发电是十分可行的。除了常见的照明、供暖等用途外，沼气作为清洁能源，在用作燃料方面也有一定的前景。此外，目前农村中采用的一些新型沼气综合利用技术，如利用沼气储粮，沼气灯光诱虫等都大大增加了沼气的使用价值。
5 沼液利用与净化
5．1 沼液利用
沼气发酵的副产物——沼液、沼渣，是我国无公害蔬菜生产提倡施用的肥料之一。沼液含有各种农作物生长所需的N、P、K等各种营养元素，同时还含有生理活性物质及Mg、S、Si、Na、Fe、Zn、Cu等微量元素。
根据杨鸿燕的试验结果，沼液浸种和清水浸种相比，不仅可以提高促进种子出苗和种子的生理代谢，而且可以提高秧苗质量，增强秧苗的抗病、抗逆性能。沼液浸种是一项操作简便、容易推广的技术，具有较好的增产效果。各处理在按每667 m2施有机肥2 000kg、复合肥60kg的基础上，增施沼液和粪水能显著提高莴笋的产量，其中每667 m2增施沼液4000 kg的处理增产最多，为36．87％。张嫒等采用温室小区试验，研究了沼液、化肥不同水平组合对油菜产量及品质的影响，结果表明，沼液与化肥配施可以显著提高油菜产量，改善油菜品质，表现为沼液与化肥配施比等养分的化肥处理增产86．71％，产量差异达显著水平；油菜中的Vc和还原糖含量比等养分的化肥处理分别增加59．22％和51．93％，硝酸盐含量减少7．83％。这些试验说明：沼液是一种富含多种水溶性养分的腐熟速效性肥料，能迅速被作物吸收利用，促进作物生长发育，抑制病虫害发生，使产量明显增加，提高品质。沼液用作肥料，不仅可以节约生产成本，还可以增产，提高品质，且没有化肥、农药的毒害和污染，符合无公害蔬菜生产要求，其综合利用技术值得大面积普及和推广。
5．2 沼液净化
随着养殖业的规模化发展，目前污水处理产生的沼液与种植区沼液消纳平衡方面普遍出现新矛盾，即通常沼液的产牛量超过或季节性超过周边耕地的消纳能力，因此，解决沼液净化达标排放成了新问题。目前对沼液的净化主要采取3种模式：一是应用曝气处理达标外；二是用化学试剂处理实现达标排放；三是应用生物氧化塘净化实现达标排放。
6 研究展望
很多研究表明畜禽粪便及其沼气发酵的副产物能提高作物产量和农产品品质。但随着集约化养殖业的发展，养殖规模不断扩大，粪便污染物排放量_小断增加，其对周边土壤一水一牛物系统造成的潜在环境风险日益突出。
从现有规模化养猪场粪污处理的技术水平看，一个规模化养猪场的发展规模，若能从养殖场周边生态环境的承载能力出发，设置养殖规模与选择合理的粪污治理模式和发展粪污循环再利用产业，可以解决规模化养猪场的粪污治理和循环再利用，实现“零”排放的问题。
单位面积的耕地土壤对粪便污水的承载负荷与土壤性质、气候条件以及作物种类等密切相关。目前国内在耕地土壤系统对粪污承载负荷方面的研究报道较少，尤其缺少长期定位试验。因此，需要进行消纳动态筛选研究，加强田间试验进一步了解土壤系统对粪污的承载负荷，这对确保耕地对粪污安全冉利用至关重要。
在设计规模化养猪场粪污治理与循环再利用模式时，关键要设计可控措施，将超过环境负荷的污染物通过堆肥化处理制成有机肥商品移出区域系统，及设置生物氧化塘兼贮液池以缓冲和净化季节性消纳不完的沼液，确保系统稳定运行。
