我国奶牛业经历了最近20年的快速发展，已经成为奶牛业大国，2012年牛奶产量达到3743.6万t，占全球的5.90%，位居第三。然而，在生产大量牛奶的同时也产生了大量的粪尿，如果奶牛场没有采取先进的粪污处理工艺，将粪污随意堆放或直接排入江河、湖泊，将会对环境造成严重危害，影响环境质量和人类健康。
就奶牛生产过程来说，如果粪便收集贮存设施不完善、处理不及时，则奶牛生活环境恶劣，牛奶质量下降，奶牛乳房炎、肢蹄病高发，奶牛场的经济效益受到影响。因此，在农区集约化奶牛业中，应遵循减量化、无害化和资源化利用的原则，对粪污进行合理处理和循环利用。
1 奶牛的产排污情况
奶牛属于个体大的高产家畜，其采食量很大，约相当于体重的4%，因此粪尿排泄量很大。饲料能量和蛋白质转化为牛奶能量和蛋白质的效率分别为20%和17%～42%，转化为牛肉能量和蛋白质的效率分别为5.2%～7.8%和8%，可见奶牛每日排出大量的养分。
在典型的正常生产和管理条件下，一定时间内，单个奶牛所产生的原始污染物量称之为奶牛产污系数。2009年，全国组织了农业源污染源普查，通过对典型奶牛场的现场测定，得出奶牛产污系数，见表1。
在典型的正常生产和管理条件下，单个奶牛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，称之为奶牛排污系数。
在规模化奶牛场，奶牛场的清粪方式主要是干清粪和水冲清粪。笔者对河南省某千头奶牛场进行测算发现，年度粪便产生量10117.8t，综合利用率75.11%，有24.89%的粪便未被利用。另有资料表明1个千头奶牛场日产粪尿可达50t。
我国奶牛存栏数量很大，2012年奶牛存栏量已经达到1493.90万头，并且规模化程度也较高，全国100头以上规模牛场饲养的奶牛头数已占到总饲养量的35%。因此，在局部地区奶牛的粪污产生量很大，面源污染潜在压力很大。
2 标准化奶牛场的粪污收集与处理
2.1 粪污收集
标准化奶牛场的排水管路都实行雨污分离，污水收集于沉淀池，进行固液分离。标准化奶牛场的粪污收集一般有以下几种类型：
（1）机械清粪。在奶牛场的牛舍清粪中，使用装载机、清粪铲车或清粪机清粪，一般是每天清理2次，清理的牛粪运至堆积场。
（2）自动清粪系统。在牛舍的清粪通道/牛通道上安装机械刮粪板，以不锈钢铰链作为牵引绳索，电机驱动。刮粪板每日多次刮粪。粪便、污水经明沟或暗沟被输送至贮粪池。
（3）漏缝地板—贮粪窖粪污处理系统。奶牛舍的站立活动区采用漏缝地板，其下方为地下整体粪窖，牛粪经漏缝地板漏入粪窖，在粪窖中经沉淀发酵，然后以液态肥的形式向农田施用。
表1 奶牛产污系数
2.2 牛粪处理
奶牛场牛粪的处理途径很多，归纳起来有：依靠牧草地和农田消纳型、牛粪生产产品销售型、减量排放与达标排放型。依靠牛场自有农田消纳牛粪者，多集中于地域辽阔的地区；而缺乏自有农田者，则需要采用牛粪堆积发酵等多种途径。
牛粪堆积发酵：在奶牛场场内或场外建有牛粪发酵池，堆积发酵牛粪，经过发酵处理的牛粪还田利用。
牛粪制作生物有机肥：收集牛粪，进入贮存池，再输送至有机肥厂。采用连续堆置发酵牛粪，借助预处理机、翻抛机促进牛粪发酵，制成生物有机肥。也可以在发酵过程中加入有机肥活菌发酵剂，促进发酵。
制作生物质燃料块：对牛粪采用高温灭菌一次成型技术，制作生物质燃料块，面向生产销售。
牛粪多途径处理利用：采用沼气池发酵、堆积发酵、生产有机肥相结合。多数奶牛场普遍采用。例如，东营开元良种奶牛公司，建设了沼气池、有机肥肥料厂，实现了废物利用，增加利润。
减量排放型—牛场循环利用粪渣和污水：采用机械刮粪板清粪，以奶厅水或循环水冲粪，经暗沟或地下管道，流至粪污处理中心。然后，采用固液分离系统，分离出粪渣和污水；粪渣经晾晒后回填牛床，液体回冲牛舍粪污；经循环后的污水进入沼气池生产沼气，沼液还田用于作物生产。
2.3 污水处理
“沉降池＋化粪池”处理污水：奶牛场粪污水经排污管道收集流入污水贮存池，然后进入沉降池沉降和发酵，沉淀下来的污泥再进入化粪池进一步处理。经处理后的污水可以灌溉饲草地，固体粪渣堆积发酵为有机肥。奶牛场多采用此模式。
三级沉淀发酵池污水处理模式：建三级沉淀发酵池，污水经沉淀和厌氧发酵处理后，即可以施于农田或者牧草地。例如，大理东亚乳业公司建有4个共350m3的三格沉淀发酵池，处理奶牛场污水。对于沼液可以采用三级氧化塘，进行曝气好氧处理。
污水综合处理技术：粪污经固液分离，液体进入沼气池发酵，再将沼液输送至污水处理池，通过水生植物消耗其养分，或者用罐车将沼液外运灌溉农田。
2.4 沼气及菌渣利用
沼气发电：沼气池处理粪污，产生沼气供奶牛场烧锅炉和发电，电力用于奶牛场生产和生活。
牛粪及沼渣生产食用菌：奶牛粪便经沼气池发酵所得沼渣，或者牛粪经堆积发酵之后，都可以作为基质，种植双孢菇。
表2列举了国内一些标准化奶牛场的粪污处理模式与技术。
3 农牧结合的奶牛养殖模式
中荷河南奶业培训示范中心奶牛场采用的是奶牛养殖农牧结合模式，其技术体系是以粪尿收集贮存系统与施用液态肥为核心。
3.1 中荷奶牛场的基本特点
中荷河南奶业培训示范中心奶牛场，位于郑州市花园口镇八堡村附近的黄河滩区。公司占地113hm2，包含1个小型家庭牛场、1个中型现代化牛场。小型家庭牛场饲养20头产奶牛和16头后备牛，拥有饲草地20hm2土地，种植牧草和玉米，后改为4hm2土地种植苜蓿，采用现代栓系饲养及幼牛舍饲。中型现代化牛场拥有80hm2土地种植饲草、玉米和苜蓿，饲养90头产奶牛和90头后备牛（后改为100头产奶牛和80头后备牛，10hm2饲草地）。
3.2 中荷奶牛场的粪污处理系统
小型家庭牛场：在奶牛站立区后面有漏缝地板，粪尿自动流向粪窖。
中型现代化牛场：奶牛站立区铺设有漏缝地板（水泥钢筋结构）（图1），下面为粪窖。粪窖是由钢筋混凝土墙把地窖分为相互连通、可以循环的几个部分，其面积和深度取决于奶牛规模。粪便由缝隙进入窖内，未进入的由自动机械清粪板或人工刮入粪窖。奶牛舍排放的牛尿和冲洗污水，也进入到粪窖。
表2 标准化奶牛场粪污处理模式与技术
图1 奶牛场漏缝地板
粪污水在粪窖中一般需要经过6个月的沉淀和充分发酵。待土地需要施肥时，先采样分析液态粪肥的成分，依据植物营养需求确定施肥量和施用率。具体施肥时，用搅拌机把粪尿搅拌均匀，经泵抽入粪灌车（图2）内，运到农田后以注入式施肥法把液态粪肥施入牧草饲料地。
图2 液态粪肥运输粪灌车（注入式施肥）
3.3 粪尿处理利用及饲料作物生产效果
使用粪窖贮存发酵牛粪尿减少了粪便对奶牛躯体和乳房的污染，提高了牛奶质量。使用漏缝地板，提高了粪尿的收集率，也减少了劳动量。
液体粪肥中富含养分，对粪窖稀粪的典型测定显示：干物质90kg/t，总氮4.9kg/t，P2O51.8kg/t，K2O6.8kg/t。根据土壤养分供应状况和作物需求，将液体粪肥施入土地，配合补充其他养分，满足了牧草和饲料作物的养分需要。牧草和饲料作物的年产量达到900～1000t/hm2，分别比周边土地的产量提高10%～12%和8%～10%。
3.4 奶牛的产奶性能
依据每月一次的个体产奶量和乳成分测定，得出奶牛的产奶性能，见表3、表4。
表3 中荷奶牛场2013年上半年各胎次奶牛平均产奶量kg/头·日
2010年，小型家庭牛场的泌乳牛群平均产奶量9500kg，年均收益3090元/头；中型现代化牛场泌乳牛群平均产奶量9200kg，年均收益3024元/头。
4 奶牛养殖-沼气工程-沼液自动灌溉农田的循环利用模式
北京某生态农业公司采用奶牛养殖—沼气工程—沼液自动灌溉农田的模式。该公司一奶牛场存栏奶牛1638头，牛群结构为成母牛826头、青年牛371头、育成牛302、犊牛139头。奶牛场成年奶牛每天可产26t的牛粪，提供给沼气站，保证了充足的发酵物料。而后备牛的粪尿没有进入沼气池，因为后备牛在运动场上的牛粪混有沙土等杂质，这些牛粪被直接运到场外。
表4 中荷奶牛场2012—2013年奶牛泌乳性能
4.1 牛粪处理及生产沼气工艺
（1）污水收集与处理。首先将奶牛场的挤奶厅废水及尿液混合水引入到沉淀池，然后进入到pH值调节池，再进入到容积为7000m3污水存贮池（氧化塘），污水在存贮池（氧化塘）中经过暴晒、微生物繁殖和氧化分解之后，抽入到混合池。
（2）粪尿混合。由加粪口输入的牛粪和由氧化塘抽入的污水进行混合，为了保证混合池冬季正常使用，在其上方建造大棚温室，从而保证里面的温度。
（3）物料输入与加热。经过混合后的物料，经过水泵（泥浆泵）输入到沼气发酵罐。为了保证沼气发酵罐冬季正常发酵，建有阵列式太阳能热水器，用于发酵罐加热，在阴天及极端低温天气，辅以燃煤加热。图3为奶牛养殖粪污水沼气工程处理与循环利用流程图。
图3 奶牛养殖粪污水沼气工程处理与循环利用
4.2 沼气和沼液的产生与利用
沼气站有3个发酵罐，可以容纳1800m3发酵物料，每天补料40m（320m3粪＋20m3水）。每天可以产生沼气800m3。沼气站产生的沼气主要用于本场食堂及职工生活燃料，以及供应锅炉房为挤奶厅烧水，另外，还供应350个农户使用沼气，平均每户每天1.0m3。预期未来将能为周边1000个农户提供沼气。
沼液灌溉农田为农作物提供有机养分。沼气发酵罐每天产生沼渣、沼液混合废料超过40t，在沼气站建有沼液存贮池7000m3，可以贮存半年的沼液。
从沼气站到农田铺设有11000m长的地下管道，管道一直通到位于农田边的机井房。在农田需要施入沼液时，只要一打开机井房的水泵，沼液与水通过转换站以1∶3混合后，就可直接灌溉进农田。图4—7为实地拍摄的粪污混合池、沼气发酵罐等。
图4 温室加热型粪污混合池
图5 阵列式太阳能热水器及沼气发酵罐
4.3 沼液灌溉农田循环利用的技术经济效果
这种自动灌溉施沼液模式，节省了大量人工，在浇水的同时也达到了施肥的目的。施用沼液肥之后，土地比较松软，有改良土壤的效果，且作物及叶菜的病害较少。
近奶牛场的一个村庄有113.3hm2的土地种植玉米和小麦，经过一年的沼液施肥试验，沼液肥使小麦每亩增产5%～10%，由于种植的小麦属于绿色产品，其价格比施用化肥者高出20％，每亩地还节约肥料投入成本50元。
沼气站的沼液还通过罐车运到远处农田，以5元/m3的价格出售。沼液还供应集团公司16.7hm2的蔬菜种植基地的95个蔬菜种植大棚和20个葡萄种植大棚。由于蔬菜种植过程中施用沼液而不施用化肥，形成了有机蔬菜生产经营模式，采用会员制配送方式，蔬菜的出场价达到40元/kg，经济效益可观。
5 结语
针对奶牛养殖的环境污染问题，在奶牛业发展的过程中，要抓好生态养殖规划，建立以奶牛养殖为主体的种养平衡生态牧场；构建奶牛养殖业循环经济发展模式，拓展延伸循环链，开发生物有机肥，生产有机产品，发展生态农业；加强奶牛场废弃物综合利用的能源环境工程建设，把有机废弃物变为可再生能源，改善农村能源消费结构。
图6 奶牛场污水贮存池（远）及沼液贮存池（近）
图7 通过水泵房向玉米地施用沼液
