2.2 畜禽粪便的组成及能源化利用方法
畜禽粪便也称畜禽排泄物，它是其他形态生物质（主要是粮食、农作物秸秆和牧草等）的转化形式，包括禽畜排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。
畜禽粪便是一种复杂的混合物，具有某些挥发性成分。动物饮食、生长阶段和住房系统的差异导致了畜禽粪便的成分存在差异。由于动物摄入的食物、消化系统的组成和形状以及消化周期的长短不同，所以畜禽粪便的处理面临巨大挑战。
2.2.1 畜禽粪便的组成
不同畜禽种类和大小在单位时间内产生的粪便及粪便中的成分差异较大，并受季节、地区、饲料等影响。据报道，欧美等一些世界先进国家的肉猪的料肉比为2.4:1，我国目前只有少数达到3.5:1；鸡的料重比的世界先进水平为1.6:1，我国只有（2～2.2）:1；蛋鸡料蛋比的世界先进水平为2.4:1，我国是（2.6～3）:1。由此可知，我国饲养的畜禽食入的食物有部分未经消化吸收而直接排出体外，既浪费了饲料又污染了环境。
我国的养殖业发展很快，规模化、集约化、产业化程度越来越高，相应的畜禽粪便的排放量也成倍增加，由其造成的污染也越来越严重。2019年，我国畜禽养殖业的粪污产生量为38亿吨，排放的化学需氧量达1268.26万吨，占农业源化学需氧量排放总量的96%；总氮排放量为102.48万吨，占农业源氮排放总量的38%；总磷排放量达16.04万吨，占农业源磷排放总量的56%；铜排放量为2397.23吨，占农业源铜排放总量的97.76%；锌排放量为4756.94吨，占农业源锌排放总量的97.82%。全国有24个省份畜禽养殖场（小区）和养殖专业户化学需氧量排放量占到本省农业源化学需氧量排放量的90%以上。
2.2.2 畜禽粪便对环境的影响
畜禽粪便中公认的污染物质主要包括悬浮物、有机质、盐、沉积物、细菌、病毒与微生物和氮（N）、磷（P）、钾（K）及其他养分。这些物质在畜禽粪便的收集、贮存、运输、土地利用期间都有可能产生环境污染，进入水体则易形成面源污染。
畜禽粪便成为面源污染主要通过以下四种途径：一是畜禽粪便作为肥料施用后，粪便中的氮、磷从耕地淋失；二是由于畜禽生产中不恰当的粪便贮存，氮、磷养分的渗漏；三是不恰当的贮存和田间施用，养分中氨散发到大气中；四是乡村地区没有进行充分的废水处理设施，污染物直接排入农田。
大量畜禽粪便和污水会对土壤、大气和水体造成污染。
（1）对土壤的污染
土壤的一个基本功能是它具有肥力，能提供植物生长发育所必需的水分、养分、空气和热能等条件，即可以供作物生长；另一个基本功能是可以分解有机物质。这两方面构成了土壤自然循环的重要环节。
畜禽粪便对土壤既有有利的一面也有不利的一面，在一定条件下两个方面可能相互转化。畜禽粪便对土壤有利的一面在于：能够施用于农田作为肥料培肥土壤；粪浆能为土壤提供必要的水分；经常施用粪肥能提高土壤抗风化和水浸蚀的能力，改变土壤的空气和耕作条件，促进土壤有机质和作物有益微生物的生长。畜禽粪便对土壤不利的一面在于：过度使用粪便会危害农作物、土壤、表面水和地下水水质。在某些情况下（通常是新鲜的禽粪）含有的高浓度氮能烧坏作物；大量使用粪便还能引起土壤中溶解盐的积累，使土壤盐分增高，植物生长受到影响。据报道，1999年在非洲有31%的牧场因畜禽粪便污染导致土壤发生盐渍化，土壤肥力下降。
畜禽粪便中的氮在土壤中以无机氮和有机氮两种形式存在，无机氮能直接被植物的根系吸收用于生长，土壤中的有机氮随时间的推移能逐渐形成无机氮，如果有足够的时间，粪便中的有机氮都能转化为植物可利用的无机氮。畜禽粪便中的氮在土壤中通过脱氮也可能被损失（无机氮通过生物转化为气态氮而损失），因为脱氮的发生，氮首先需氧化为硝态氮，然后变成氮气或氮氧化物气体，这个复杂过程依靠通风和渗透条件完成。如厌氧菌分解硝态氮释放氮气，因而土壤中的氧越多，氮的损失越少。这个损失也与土壤类型和降雨模式有关。重而湿润的土壤为脱氮作用引起最大限度氮损失提供了理想条件。
畜禽粪便中硝态氮的渗透损失是由植物根部下的过滤水移动引起的，而根部下的区域中，硝酸盐是一种潜在的地下水污染物质。土壤类型和降雨是影响硝态氮渗透的主要因素。粪便中元素（主要是氮）损失数量取决于土壤物理条件和粪便施用比率，且受季节影响。
P是作物生长的必要元素，P在土壤中以溶解态、微粒态等形式存在，自然条件下在土壤中的含量为0.01%～0.02%之间。畜禽粪便中的P能以颗粒态和溶解态两种形式损失，大多数P易于被浸蚀的土壤部分吸附。P通常存在于土壤上表层几厘米的地方（特别是少耕条件的土壤），在与地表径流作用最为强烈的土壤上表层几厘米处可溶解态的P的含量也十分高。当按作物对N需求的标准施用粪肥时，土壤中P的含量会迅速上升，P的含量超出作物所需，土壤中的P发生积累。这种情况引发的后果是：一方面打破了区域内土壤养分的平衡，影响作物生长，且通过复杂的生物链增加了区域内动、植物产品的P含量；另一方面，土壤中累积的P会通过土壤的浸蚀和渗透作用进入水体，使水体富营养化。
此外，高密度的畜禽粪便使用也能导致土壤盐渍化，高的含盐量在土壤中能减少生物的活性，限制或危害作物的生长，特别是在干燥气候条件下危害更明显。畜禽粪便也能传播一些野草种子，影响土壤中正常作物的生长。畜禽粪便常包含有一些有毒金属元素如砷、钴、铜和铁等，这些元素主要存在于粪便固液分离后的固体中，过多施用畜禽粪便可能导致这些元素在土壤中的积累，对植物生长产生潜在危害作用。畜禽粪便也含有大量的细菌，细菌随畜禽粪便进入土壤后，在土壤中一般能存活几个月，主要受土壤种类、温度和土壤水压的影响。
（2）对大气的污染
畜禽粪尿中所含的有机物大体可分为碳水化合物和含氮化合物，它们在有氧或无氧条件下分解出不同的物质。碳水化合物在有氧条件下分解释放热能，大部分分解成二氧化碳和水；而在无氧条件下，化学反应不完全，可分解成甲烷、有机酸和各种醇类，这些物质略带臭味和酸味，使人产生不愉快的感觉。而含氮化合物主要是蛋白质，其在酶的作用下可分解成氨基酸，氨基酸在有氧条件下可继续分解，最终产物为硝酸盐类；在无氧条件下可分解成氨、硫酸、乙烯醇、二甲基硫醚、硫化氢、甲胺和二甲胺等恶臭气体，有腐烂洋葱臭、腐败的蛋臭和鱼臭等各种特有的臭味，这些气体不但危害畜禽的生长发育，而且也危害人类健康，加剧空气污染。
一般来说，散发的臭气浓度和粪便的磷酸盐及氮的含量成正比，家禽粪便中磷酸盐含量比较高，猪粪便又比牛粪便高，因此牛场有害气味比猪场少，尤其比鸡场少。挥发性气体及其他污染物质有风时可传播很远，但随距离加大，污染物的浓度和数量会明显降低。在恶臭物质中，对人畜健康影响最大的是氨气和硫化氢。硫化氢含量高时，会引起头晕、恶心和慢性中毒症状；人长期在氨气含量高的环境中，可引起目涩流泪，严重时双目失明。由于CH4与NH3对全球气候变暖和酸雨贡献较大，因而近年来对畜禽粪便中的这两种气体研究较多。CH4、CO2和N2O都是地球温室效应的主要气体，据研究CH4对全球气候变暖的增温贡献大约为15%，在这15%的贡献率中，养殖业的CH4排放量最大。根据测验，每头猪年排放CH4为0.768kg，CO2为0.714kg，N2O为0.002kg。全球畜禽粪便的CH4年排放量为80～130Tg（1Tg=1012g，即百万吨），中国动物粪便CH4排放总量为1.249Tg，占全球畜禽粪便CH4排放量的2%左右。
美国学者Natalie Anderson等于2003年指出，畜禽废物是最大的氨气源，从畜禽粪便中产生氨的多少取决于许多参数，因而散发的影响因素很难预测。NH3挥发到大气中，增加了大气中的氮含量，严重时导致酸雨，危害农作物。
（3）对水体的污染
在某些地区，当作物不需要额外养分时，高密度动物养殖的粪便成为一个严重问题。畜禽粪便中除养分外，还含有生物需氧量、化学需氧量、固体悬浮物、氨态氮、磷及大肠菌群等多种污染指标。畜禽粪便主要用于土壤，土壤通常有好的吸收、贮存、缓慢释放养分的能力。然而，持续地施用过量养分，土壤的贮存能力迅速减弱，养分寻找新的途径进入河流、湖泊。另外，畜禽粪便还可通过渗透或直接排放至废水进入水体，并逐渐渗入地下，从而污染地表水和地下水。当排入水体中的粪便总量超过水体自然净化的能力时，不仅改变水体的物理、化学性质和生物群落组成，使水质变坏，而且使原有用途受到影响，不仅污染河水水质，而且殃及井水，给人和动物的健康造成危害。研究表明，地下水污染后极难恢复，自然情况下需300年才能恢复，造成较持久污染。
粪肥中的N主要以氨态氮和有机氮形式存在，这些形式的氮很容易流失或侵蚀表面水。在自然情况下，大多数表面水中总的氨态氮超过标准约0.2mg/L将会毒害鱼类，氨态氮的毒性随水的酸性和水温而变化，在高温碱性水条件下，鱼类毒性条件是0.1mg/L。如果有充足的氧，氨态氮能转变成硝态氮，进而溶解在水中，并通过土壤渗透到地下水中。研究表明，随着粪肥的施用，区域内地下水中的硝态氮污染物会增加，硝酸盐下渗到地下水中的数量与所施用的粪便呈一种函数关系。美国环保署（USEPA）规定公共用水硝态氮的最高标准为10mg/L。同时，水体中过多的N会引起水体富营养化，促使藻类疯长，争夺阳光、空间和氧气，威胁鱼类、贝类的生存，限制水生生物和微生物活动中氧的供给，危害水产业；影响沿岸的生态环境，也影响水的利用和消耗。人若长期或大量饮用硝态氮超标的水体，可能诱发癌症；6月龄以下新生婴儿饮用这种水可能患高铁血红蛋白症。研究表明，深夏和秋天，畜禽粪便的陆地施用率很可能是水源N污染的关键影响因素。
畜禽粪便中的P通常随雨水流失或通过土壤浸蚀而转移到表面水区域。研究发现，P是导致水体富营养化的重要元素，P进入水体使藻类和水生杂草不正常生长，水中溶解氧下降，引起鱼类污染或死亡，过量的磷在大多数内河或水库是富营养化的限制因子。美国环保署推荐由点源排放进入湖泊或水库的水中P不得超过0.05mg/L，不是由点源直接排放进入湖泊或水库的水中P不得超过0.1mg/L。
畜禽粪便中的有机质比通常的市政污水浓度高10～250倍，我国广州市的畜禽饲养废水排放量虽然只有生活污水量的1.25%左右，但其中CODCr的排放量是生活污水的1.5倍。有机质也主要通过雨水流失到水体，有机质进入水体，使水体变色、发黑，加速底泥积累，有机质分解的养分可能引起大量的藻类和杂草疯长；有机质的氧化能迅速消耗水中的氧，引起部分水生生物死亡，如在水产养殖中，经常因氧的迅速耗尽引起死亡。此外，用有机质含量高的畜禽粪水灌溉稻田，易使禾苗陡长、倒伏，稻谷晚熟或绝收；用于鱼塘或注入江河，会导致低等植物（如藻类）大量繁殖，威胁鱼类生长。
（4）传播疾病
裸露堆放的畜禽粪便会引来并滋生大量的蚊蝇、老鼠、害虫等，不可避免地成了传播疾病的媒介，而且长期存放会腐烂变质，也会产生大的细菌和病毒，极易通过空气、水、土壤等环境媒介而传播。
畜禽粪便中含有大量源自动物肠道中的病原微生物和寄生虫卵，据报道，畜禽场排放的污水，平均每1mL中含有33万个大肠杆菌和69万个大肠球菌；沉淀池每升污水中含有高达190多个蛔虫卵和100多个毛首线虫虫卵。这些病原微生物和寄生虫卵进入水体，会使水体中病原种类增多、菌种和菌量加大，且出现病原菌和寄生虫的大量繁殖和污染，导致介水传染病的传播和流行。特别是人畜共患病时，会引发疫情，给人、畜带来灾难性危害。在研究接纳灌溉水的田地地下水中的细菌时，发现土壤基质的过滤会大幅度减少粪便中大肠杆菌的数量，细菌在水体沉积物里可能存活几个星期。
（5）其他污染
在畜禽生产中，有的养殖户为了盲目追求经济效益、预防疾病，在饲料中添加过量的抗生素、促生长剂等，更有甚者在饲料中添加激素、瘦肉精等，导致药物在畜禽产品、粪便和尿液中残留，不仅对环境造成污染，而且对动物和人类也会产生影响，使疾病的治疗变得困难。在美国切萨皮克海湾流域的几条河流中，检测出了与畜禽粪肥归田有关的增长性荷尔蒙雄性激素和雌性激素。
2.2.3 畜禽粪便的能源化利用方法
从能量转化的角度来看，禽畜粪便除了是一种污染物外，更是一种能量载体，青藏一带的牧民很早就将其直接燃烧（炊事、取暖），广大的农村地区也多将其与其他有机物（如树枝、青草、菜叶等）混合后经厌氧发酵制取沼气。因此，大力开发和推广集约化养殖禽畜粪便的能源化利用技术，通过收集、干燥、粉碎、转化等工序，将之转变为能源，不仅可有效减少环境污染，还可替代一定数量的化石能源，对于补充我国能源供应、调整能源消费结构具有重要意义。
畜禽粪便的能源化可在工业上完全实现。根据来源及物性，畜禽粪便的能源化利用主要包括热化学氧化（包括直接燃烧、共燃烧、湿式氧化和超临界水氧化）、热化学气化（包括热解气化、气化剂气化和水热气化）、热化学炭化（包括热解炭化和水热炭化）和生物气化。
（1）热化学氧化
热化学氧化是使畜禽粪便与氧发生氧化反应，将其所蕴含的化学能转化为热能而实现能源化利用。根据热化学氧化中原料的种类及工艺条件，畜禽粪便热化学氧化可分为畜禽粪便直接燃烧、畜禽粪便与煤共燃烧、畜禽粪便湿式氧化和超临界水氧化。
1）直接燃烧
直接燃烧是将畜禽粪便经过干燥后直接作为燃料使用，如青藏一带的牧民将其直接燃烧（炊事、取暖）。这种方式存在许多局限性：a．并不是所有的畜禽粪便都能用于直接燃烧，大量事实证明，能用于直接燃烧的主要是食草类畜类粪便，如牛粪、马粪等，这是因为牛粪、马粪中含有大量牛、马没有完全消化的纤维素类物质，具有一定的能量，因此在干燥后可直接燃烧。b．直接燃烧的热能利用率较低，而且在燃烧过程中会散发难闻的气味。因此这种方式现已较少采用。
2）共燃烧
由于畜禽粪便的热值较低，为提高其燃烧热值，可将其与高热值物质如煤等混合实现共燃烧。这种燃烧方式可提高总体的燃烧效率，降低煤单独燃烧时对空气所产生的污染。
3）湿式氧化和超临界水氧化
对于畜禽粪便，由于其含水量较高，因此也可采用湿式氧化和超临界水氧化的方法，将其中所含的有机物氧化分解而获取能量。但由于湿式氧化和超临界水氧化的设备投资和运行费用较高，其主要目标在于消除粪便中有机物对环境的污染，并不直接用于获取热能。
（2）热化学转化
热化学转化，主要是将粪便中的有机化合物在不完全燃烧的条件下断裂分子内的化学键，使其转化为可利用的能源物质。对于畜禽粪便，常用的热化学转化包括热化学气化和热化学炭化。
1）热化学气化
畜禽粪便热化学气化是在一定条件下将畜禽粪便加热，使其中的有机化合物转化为小分子可燃气体。与农林废弃物热化学气化一样，畜禽粪便的热化学气化也可分为热解气化、气化剂气化和水热气化三种。
2）热化学炭化
畜禽粪便热化学炭化是在一定的温度条件下，通过热化学反应，提高其中的碳含量，从而提高其燃烧热值的方法。与农林废弃物热化学炭化一样，畜禽粪便的热化学炭化也可分为热解炭化和水热炭化。
（3）生物气化
畜禽粪便生物气化是在一定的微生物和酶的作用下，将粪便中的有机物转化为沼气或氢气，从而实现能源化利用，如厌氧发酵制沼气、厌氧发酵制氢。
国内沼气工程技术在部分地区已经发展得相当成熟，沼气可用来发电，沼渣和沼液可用于种植业，形成了种植业—养殖业—沼气工程的循环利用模式。但大部分地区仍采用小型沼气池，大中型沼气池及配套设施的建设还不完善，对于大规模粪便处理，存在转化效率低等问题。