综述：先进技术处理奶牛场粪便：澳大利亚集约化系统的概述与展望

《Agriculture》：Advanced Technologies to Treat Manure Generated on Dairy Farms: Overview and Perspectives for Intensifying Australian Systems Sharon R. Aarons, José A. D. López-Coronado, Scott McDonald and Rachael Campbell

这篇前瞻性综述系统梳理了全球奶牛场粪便管理挑战与技术方案，核心聚焦于温室气体（GHG）减排与养分（N、P、K）循环利用。作者深入剖析了澳大利亚牧放与集约化（TMR/PMR）模式下多样粪便（effluent, scraped manure, solids）的特性，并全面评述了从物理化学分离、膜技术、热化学转化到生物处理（如厌氧消化Anaerobic Digestion、堆肥、昆虫转化）等先进技术路径，旨在为应对产业集约化、环境合规与循环经济目标提供关键科学依据与技术路线图。

　　

畜牧业生产系统，特别是奶牛养殖，被认为是环境退化的主要贡献者之一，其影响包括温室气体（GHG）排放以及对空气、土壤和水质的负面影响。随着全球乳制品生产的集约化，产生的粪便量显著增加，需要收集和管理，因此需要先进的粪便处理技术。同样，在澳大利亚的奶牛养殖系统中，奶牛在牧场外的时间增加，从各种圈养设施中收集的粪便量更大。需要采用先进的处理技术来捕获有流失风险的养分，并理想地提升粪便的价值以支持这些技术的应用。

奶牛粪便的产生与澳大利亚系统中的来源

澳大利亚乳业是第三大农村产业，农场分布在各州和从亚热带到温带，包括地中海和干旱地区在内的各种气候区。该国的产业集约化体现在过去40年间，平均牛群规模增加了近四倍，每头牛的产奶量增加了一倍以上。澳大利亚的奶牛系统主要以牧草为基础，动物大部分时间（平均74%；范围从0%到98%）在围场放牧。尽管如此，仅有3%的全国牛奶产量来自完全放牧的奶牛，其余则来自输入农场的各种饲料、谷物、精料和副产品。

向部分混合日粮（PMR）和全混合日粮（TMR）的转变，减少了对牧草的完全依赖，这是由多种因素驱动的，包括在炎热、干燥地区的牧场和动物管理、追求更高的每头牛产奶量和更稳定的季节性产奶，以及获得设备和技术以尽量减少农场劳动力。在该国部分地区，集约化表现为饲养基础设施的增加和使用住房结构，如散栏式牛舍和散放垫料牛舍，类似于美国和欧洲的情况。这种变化导致了“集约化动物生产”土地利用，其中奶牛日粮被输入，提供最少或偶然的放牧，这与“放牧动物生产”形成对比，后者的主要饲料来源是放牧。

“散放垫料牛舍”、“散栏式牛舍”和“干圈”是与零放牧相关的长期住房选择，归类于“集约化动物生产”，并与TMR系统相关。牛舍系统在澳大利亚乳业中最常见，占TMR系统的55%，通常饲养少于1000头动物。散栏式牛舍占TMR农场的26%，饲养超过1000头奶牛，而干圈占农场的最小比例（13%）。这些地方积累的粪便来源可能有很大不同。

奶牛粪便的特性

本文综述收集了澳大利亚及其他地区放牧系统奶牛场粪便的化学和物理性质数据。来源包括对新西兰农场乳业废水、浆液和粪便数据的回顾和比较，南美洲放牧奶牛场浆液管理信息，英格兰、威尔士和爱尔兰的奶牛污水数据，以及澳大利亚昆士兰东南部和维多利亚州农场乳业废水和污泥样本的同行评审和灰色文献数据。此外，还从政府研究和推广数据库中获取了澳大利亚各地农场（2008年至2009年）以及维多利亚州主要乳业区在本世纪初和最近（2016年至2023年）收集的粪便、固体和污泥样本的去识别化数据，用于汇总统计分析。

大量元素（N、P、K）、pH值和电导率（EC）是汇总的粪便样本数据中最常分析的参数，反映了它们作为放牧系统奶牛场肥料的重要性。放牧奶牛系统的稀释粪便（奶牛污水、农场乳业废水）数据由于动物（年龄、品种、泌乳阶段、日粮）和环境（降雨）因素以及挤奶和冲洗/刮削程序的影响而高度可变。在2001年至2006年间收集分析的粪便样本仅来自澳大利亚商业农场的废水来源，突显了当时冲洗粪便对养分再利用的相对重要性和普遍性。这些废水平均呈碱性（pH = 7.4），N、P、K和S浓度范围很广，变异系数通常大于50%。

在维多利亚州由政府推广人员协助农民改善粪便管理而收集的近期（2016-2023年）样本，被分类为废水、污泥和堆存粪便用于数据分析。所有来源的pH平均值接近或大于7.5，而污泥的平均EC通常最低。堆存粪便的平均总固体浓度（50%）高于污泥（24%）。污泥和堆存粪便中的总N、P和K比废水样本高一个数量级以上，这是由于冲洗水的稀释作用。废水、污泥和堆存粪便的平均N:P比分别为4.2、4.9和3.3:1。硝酸盐（NO₃）N浓度非常低，尽管仅在三分之一的样本中进行了测量。铵（NH₄⁺）N中位数在污泥中最高，分别占废水、污泥和堆存粪便总N的50%、13%和5%。可溶性P在58%的污泥和38%的堆存样本中进行了测量，分别占这些粪便类型总P的10%和6%。

先进的粪便处理技术

为改善粪便处理的技术因乳制品生产集约化、旨在最大限度减少养分流失到水和空气的环境法规，以及对减少温室气体排放、能源回收和支持生物循环经济的日益重视而增加。这些技术旨在保留和回收粪便中的养分，以生产更可持续的农场土壤改良剂、沼气或生物燃料，减少环境影响，并通过为畜牧业和更广泛的农业部门发展循环经济来关闭养分循环。

养分保留

养分保留通常侧重于防止粪便中的氮通过氨（NH₃）挥发而损失。NH₄⁺和NH₃之间的平衡受尿液N浓度的影响，其中NH₃气体和NH₃液体之间的分压差受pH和温度的影响，而对流NH₃从粪便表面的转移则受湍流和风速的影响，尤其是在结皮形成之前。在土地施用之前，可以通过增加清除频率、酸化/生物酸化、酶抑制、或使用NH₃吸附剂、生物添加剂或覆盖物（取决于粪便来源）来减少粪便中的N挥发。酸化粪便会将离子平衡从气体产生推开，特别是如果将粪便保持在至少pH 5.5。

无机（例如，硫酸、明矾）和生物（例如，单糖）改良剂已被推荐，但虽然一些酸能有效减少NH₃挥发，但其他酸不经济（磷酸），并且许多具有腐蚀性和危险性。向储存的粪便中添加硫酸会导致CO₂和H₂S气体的释放。碱沉淀盐如氯化铝和氯化镁更安全，但酸化效果较差。生物酸化，无论是通过添加乳酸菌还是通过添加易分解碳源被固有微生物群落降解，也会降低粪便pH值。降低pH值会改变粪便的物理化学性质，导致EC增加、Ca-P复合物溶解、溶解有机物浓度增加以及表面负电荷和粘度降低。酸化还会影响其他气体的排放，以及增加磷的可用性和流失的可能性。

沸石等多孔且具有高阳离子交换能力的吸附剂可以分别捕获NH₃和NH₄⁺，尽管离子交换选择性可能因沸石的化学性质而异。同样，碳质材料（生物炭、泥炭藓泥炭）也具有大的表面积，可以轻易捕获正离子和气体。生物炭的特性如表面电荷和面积、孔隙率和CEC是可变的，取决于原料和热解条件，影响选择用于保留粪便N的生物炭。吸附剂的使用在处理的粪便施用于土地时具有额外的共同效益，包括减少硝化作用、脲酶活性以及提高N和P利用效率和改善土壤性质。

其他粪便养分保留处理包括使用覆盖物和酶。抑制普遍存在的脲酶虽然成功，但需要在各种实验室研究中重复施用以减少NH₃排放。渗透性（稻草、泥炭、沸石）和不渗透性（例如，聚乙烯）覆盖物可以捕获NH₃，包括在粪便上自然形成的表面结皮。两种覆盖物类型都包括合成和天然材料，但通常不渗透性覆盖物在保留粪便中的N方面更有效，尽管可能会增加温室气体排放。

养分回收

养分回收意味着从粪便中回收养分的技术，通常以固体形式，以重复使用，减少/替代合成肥料的养分使用。这些技术同样可以应用于原始粪便以及由粪便厌氧消化和共消化产生的消化物。许多粪便养分回收技术对于典型的放牧系统农场来说可能成本太高，在放牧系统中，大部分粪便都沉积在牧场上。然而，这些技术可以提供管理选项，帮助减少拟议的TMR系统所需的粪便储存量。

机械/物理固液分离

较低TS的粪便和浆液可以使用从简单的物理沉淀到机械分离（有或没有预处理）的技术分离成固体和液体部分。目的是产生养分含量更高的固体部分，可以更经济有效地输出到农场外用于作物生产，但也可能用于能源生产。共同效益包括减少气味和提供低养分的澄清液体供农场使用。

确定最合适的分离系统受粪便性质和所需最终产品的影响，这决定了所使用的分离技术。沉淀塘或池，几乎存在于所有澳大利亚奶牛场，依靠重力沉淀固体；对TS低于6.5%的粪便最有效。几乎所有NH₄⁺-N和K保留在液体中，而P与小颗粒一起沉淀并随时间增加，而大颗粒的沉淀随时间呈指数减少。液体粪便的机械分离包括离心机，通过使用离心力增加重力沉降，从而减少分离时间。离心机在分离TS和P方面最有效，其中液体部分的N:P和N:K比更接近作物需求。筛子（固定倾斜、振动、旋转）和过滤带重力排干稀释粪便进料中的液体，其中大部分N、P、K在液体中，但由于其高水分含量，高达约25%可以保留在固体部分中。筛子、离心机和沉淀被定义为主要分离器，产生高水分含量（85-95%）的固体，可以使用压榨机进一步脱水。螺旋、皮带或辊式压榨机以及螺旋压榨机施加压力迫使液体部分（包括小颗粒）通过筛子，尽管这导致最差的N和P分离，其中固体几乎没有N、P和K，因为大多数小颗粒在液体部分中。保留时间和成本有助于选择最适合满足养分回收/粪便管理目标的机械分离器。

化学固液分离

化学分离用于改善养分回收，特别是与上述物理分离方法结合使用时。混凝/絮凝历史上用于工业和城市废水处理，但也已应用于粪便管理。混凝剂和絮凝剂减少液体粪便中带负电的悬浮胶体颗粒之间的电荷排斥，导致聚集和随后的沉淀。聚集机制包括溶解离子沉淀为不溶性Ca-、Al-或Fe-P复合物，通过电荷中和使粪便胶体聚结，以及絮凝。电解质如氯化铁（FeCl₃）、氯化镁（MgCl₂）、硫酸铝（明矾，Al₂（SO₄）₃）、硫酸亚铁（FeSO₄）和石灰（Ca(OH)）用于粪便的混凝和沉淀。絮凝剂是高分子分子，帮助混凝剂通过它们的尾部和环桥接混凝的颗粒来增加颗粒大小并加速沉降。絮凝产生比混凝更大、更强、更不可逆的聚集体。现代聚合物经过修饰，通过电荷中和、静电补丁、桥接和耗尽絮凝机制吸附颗粒。尽管聚合物被称为絮凝剂，但具有混凝和絮凝特性的聚合物，更常被称为混凝-絮凝剂。混凝-絮凝剂是水溶性的，合成的或天然的，并根据大小、电荷（阳离子、阴离子、中性、两性）和结构（支链或线性）分类。大多数合成聚合物是聚合/共聚丙烯酰胺（聚丙烯酰胺，PAM），但也包括环氧乙烷或二烯丙基二甲基氯化铵（DADMAC）的聚合物，以及与其他合成单体和官能团的共聚物。阳离子PAM被推荐用于奶牛粪便，并且当与金属基盐混凝剂如氯化铝和熟石灰结合使用时，显示出更高的去除效率。预聚合金属离子混凝剂或无机聚合物絮凝剂是较新类别的混凝剂（例如，聚合氯化铝，PAC；聚合硫酸铁，PFS），与传统的Al和Fe盐相比，表现出更高的混凝效率。合成聚合物如PAM是高效的混凝-絮凝剂，因为它们需要少量，并且不影响介质pH，因此已被广泛研究其在奶牛粪便养分回收中的有效性。然而，PAM降解产物（丙烯酰胺）对动物具有潜在的神经毒性和致癌性，尽管有证据表明丙烯酰胺在环境中可被微生物降解。天然生物絮凝剂（如壳聚糖和单宁提取物）已被确定为固液分离的更安全替代品。当壳聚糖与筛选的稀释奶牛粪便一起使用时，观察到对TSS、TN和TP的去除效率分别超过95%、73%和54%。虽然单宁基絮凝剂用于废水处理，但没有报告描述其对牲畜粪便的现场功效。使用化学分离的挑战是可能过量使用混凝剂和絮凝剂，从而增加成本，逆转电荷反应，并导致聚集固体的再悬浮。许多研究使用烧杯试验来确定合适的混凝剂、絮凝剂或其组合以及它们对奶牛粪便的最大去除效率的最佳剂量。然而，需要更快速的自动化方法用于现场即时加药。参数如pH、浊度和悬浮固体可以使用传感器测量，并已显示出确定废水最佳剂量的潜力，使用浊度传感器用于奶牛废水处理。五种混凝剂和混凝-絮凝剂去除效率的比较表明，仅通过未处理液体粪便的浊度就可以估计废水澄清的最佳剂量。

磷沉淀

在澳大利亚奶牛场挤奶厅和饲喂台周围的收集基础设施附近容易施用距离内，P和K的积累，以及在新西兰常规接收农场乳业废水的围场上深度的积累已有报道。澳大利亚最常见的机械固液分离系统产生的固体更容易运输到更远的地方，但液体部分的P含量相对较高。从这些液体部分回收P将有助于降低土壤P水平。结晶鸟粪石以回收P生产一种低溶解度肥料，具有缓释P，最大限度地减少富营养化潜力，同时根据需要提供植物养分。鸟粪石（MgNH₄PO₄.6H₂O）由等摩尔的PO₄^3?、Mg²⁺和NH₄⁺组成，已成功从包括奶牛粪便在内的各种废物中结晶，尽管主要是在实验室试验中，而不是商业上。由于粪便中存在的许多离子种类的干扰，以及其高（>0.1%）悬浮固体浓度，可能形成其他沉淀物或鸟粪石结晶可能减慢。Ca浓度在奶牛粪便中高于猪粪，阻碍鸟粪石形成，优先形成Ca-P化合物如磷灰石/羟基磷灰石。此外，可溶性P与总P的比率在奶牛粪便中通常较低。因此，通过预处理奶牛粪便以减少固体（固液分离）、酸处理以溶解结合的P、使用螯合剂捕获干扰离子如Ca、Fe，以及用热或化学物质进行微波处理，增强了鸟粪石沉淀。厌氧消化奶牛粪便被认为是一种预处理，可增加粪便中的总P和可溶性P，以及NH₄⁺和Mg⁺的可用性。然而，通过pH调节进一步处理消化物有利于鸟粪石结晶，并且通过最小化Ca-P形成、增加