规模化牛场粪污的处理方法与技术
2013-02-20闫红军杨和平任建存
闫红军，杨和平，任建存
（杨凌职业技术学院 陕西 杨凌712100）
养牛生产过程中产生的粪便、污水等废弃物都会对空气、水、土壤、饲料等造成污染，危害环境，尤其是奶牛场每天产生大量富含有机质和富酸碱的污水。2001年国家环保总局已发布《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）［1］，因而规模化牛场的粪污处理日益引起了人们的重视。目前对规模化牛场粪污处理的基本原则是，养牛生产所有的废弃物不能随意弃置，不能弃之于土壤、河道而污染周围环境，酿成公害，应加以适当的处理，合理利用，化害为利，并尽可能在场内或就近处理解决。
牛粪和污水通过土壤、水和大气的理化及生物作用，其中微生物可被杀死，并使各种有机物逐渐分解，变成植物可以吸收利用的状态；农牧结合，互相促进的处理办法，既处理了牛粪，又保护了环境，对维持农业生态系统平衡起着重要作用。
1 牛粪的处理方法
牛粪的处理技术发展很快，包括采用好氧处理（氧化塘）、厌氧消化和高温发酵等途径。我国已具有一系列粪污处理综合系统，如粪污固液分离技术（包括前分离和后分离）、厌氧发酵生物技术、好氧曝气技术、气净化和利用技术、沼渣沼液生产复合有机肥技术、生物氧化塘技术等。
我国对牛粪的无害化处理及利用技术主要有腐熟堆肥处理、生产沼气并建立“草-牛-沼”生态系统，综合利用等。
1.1 腐熟堆肥处理
牛粪中富含粗纤维、粗脂肪、粗蛋白、无氮浸出物等有机成分，这些物质与秸秆、杂草等有机物混合、堆积，将相对湿度控制在70%左右，创造一个好气发酵的环境，微生物就会大量繁殖，有机物就会被分解、转化为无臭、完全腐熟的活性有机肥［2］。为了提高堆肥的肥效价值，堆肥过程中可以根据花卉、瓜果、苗木等植物在不同生长阶段对营养素的特定要求，拌入一定量的无机肥及各种肥料添加剂，使这些添加物经过堆肥处理后变成吸收利用率较高的有机复合肥。堆肥过程中形成的特殊理化环境（温度高达50～70℃）可杀灭粪中的有害病菌、寄生虫卵以及杂草种子，达到资源化、无害化、减量化的处理目的；同时解决了畜牧场因粪便所产生的环境污染［3］。
牛粪的堆肥腐熟处理目前越来越受到广泛的应用，主要设备包括发酵罐（滚筒、池、塔）与腐熟后物料的干燥、粉碎、过筛、装袋等成套设备［4］。
1.2 生产沼气
利用牛粪有机物在35～55℃的厌氧条件下经甲烷菌等微生物降解产生沼气（如图2所示），同时可杀灭粪水中大肠杆菌、蠕虫卵等。沼气可用来供热、发电，发酵的残渣又可作肥料，因而生产沼气既能合理利用牛粪，又能防止环境污染，是规模化牛场综合利用粪污的一种最好形式［5-6］。
1.2.1 产生沼气的原理 沼气产生是一个复杂的生物化学过程，在发酵的初期，粪尿中的有机质被沼气池中的好气性微生物分解，在氧气不足的环境中厌气性微生物开始活动，其过程可分为三个阶段：第一阶段为水解阶段，即好气性微生物把不溶于水的脂肪、蛋白质、碳水化合物转化成易溶解的单糖、低级脂肪酸、氨基酸及肽；第二阶段为酸解消化阶段，即产酸细菌将部分有机化合物分解成简单的有机酸，如乙酸、丁酸、氨气、二氧化碳、乙醇、氢气。氢气和醇能使二氧化碳还原成甲烷；第三阶段为沼气和二氧化碳生成阶段，即在厌氧条件下，甲烷菌分解有机质，产生沼气和二氧化碳生，大约有60%的碳素转化为沼气后从水中冒出，积累到一定程度后产生压力，通过管道即可使用［7］。
1.2.2 沼气产生的条件
1.2.2.1 良好的厌氧环境 沼气池壁必须严格密封，不透气，不漏水。
1.2.2.2 原料充足，水分适量 粪污不能过稀过浓，通常干物质与水的比例以1∶10为宜。
1.2.2.3 合理的碳氮比 细菌对碳素和氮素的需要量有一定的比例，碳氮比一般以25∶1为宜。
1.2.2.4 适当的温度 甲烷菌生存的温度范围为8～70℃，并对温度的变化很敏感，一般在32～34℃内繁殖最快，产气量最多。
1.2.2.5 适宜的酸碱度 甲烷菌适宜在中性或微碱性环境中生长繁殖。p H在7～8之间，甲烷菌生长正常，过酸过碱时会抑制甲烷菌生长。发酵液过酸时，可加入石灰或草木灰等碱性物质，p H在8以上时，可投入适量鲜草、菜叶、树叶、水加以调节。
1.2.3 沼气池的类型 沼气池按形状可分为圆柱形、长方形、球形等，其结构主要由进料池、发酵池、贮气池、出料池、使用池、导气管等六部分组成。沼气池通常建于地下。
2 污水的处理与利用
养牛业的高速发展及生产效率的提高，养牛场产生的污水量大大增加，这些污水中含有许多腐败有机物，也常带有病原体，若不妥善处理，就会污染水源、土壤等环境，并传播疾病。
养牛场污水处理的基本方法有物理处理法，化学处理法和生物处理法，这3种处理方法单独使用时均无法把养牛场高浓度的污水处理好，所以应采用综合系统处理［8］。
2.1 物理处理法
物理处理法是利用物理作用，将污水中的有机污染物质、悬浮物、油类及其他固体物分离出来，常用方法有固液分离法、沉淀法、过滤法等。
固液分离法是将牛舍内粪便清扫后堆好，再用水冲洗，这样既可减少用水量，又能减少污水中的化学耗氧量，给后段污水处理减少许多麻烦。
沉淀法是利用污水中部分悬浮固体密度大于1的原理使其在重力作用下自然下沉，与污水分离。
过滤法主要是让污水通过带有孔隙的过滤器使水变得澄清的过程。养牛场污水过滤时一般先通过格栅，用以清除漂浮物，如草末、大的粪团等，之后污水进入滤池。
2.2 化学处理法
向污水中加入某些化学物质，利用化学反应来分离、回收污水中的污染物质，或将其转化为无害物质，处理污水中的溶解性或胶体性物质。
2.2.1 混凝沉淀 用三氯化铁、硫酸铝、硫酸亚铁等混凝剂，使污水中的悬浮物和胶体物质沉淀而达到净化目的。
2.2.2 化学消毒 各种消毒方法中，以次氯酸消毒法最经济、有效。
2.3 生物处理法
生物处理法是利用微生物的作用，分解污水中的有机物的方法，净化污水的微生物大多是细菌，此外还有真菌、藻类、原生动物等［9］。主要有氧化塘、活性污泥法、人工湿地处理［10］。
2.3.1 氧化塘 亦称生物塘，是构造简单、易于维护的一种污水处理构筑物，可用于各种规模的牛场，塘内的有机物由好氧细菌进行氧化分解，所需氧由塘内藻类的光合作用及塘的再曝气提供。氧化塘处理污水时，一般以厌氧-兼氧-好氧氧化塘连串成多级的氧化塘，具有很高的脱氮除磷功能，可起到三级处理作用。
氧化塘的优点是土建投资少，可建造和利用天然的山塘、池塘，机械设备的能耗少，有利于废水综合作用。其缺点是受土地条件的限制，也易受气温、光照等的直接影响，管理不当可孽生蚊蝇，散发臭味而污染环境。
2.3.2 活性污泥法 由无数细菌、真菌、原生动物和其他微生物与吸附的有机物、无机物组成的絮凝体称活性污泥，其表面有一层多糖类的黏质层，对污水中悬浮态和胶态有机颗粒有强烈的吸附和絮凝能力。在有氧时，其中的微生物可对有机物发生强烈的氧化和分解。传统的活性污泥需建初级沉淀池、曝气池和二级沉淀池。即污水→初级沉淀池→曝气池→一级沉淀池→出水，沉淀下来的污泥一部分回流入曝气池，剩余的进行脱水干化。
2.3.3 人工湿地处理 天然湿地和人造湿地净化污物的研究起始于20世纪50年代。湿地是经精心设计建造，粪污慢慢地流过人工湿地，通过人工湿地的微生物与水生植物的互生共利作用，使污水得以净化［11］。该处理模式与其他粪污处理设施比较，具有投资少，维护保养简单的优点。水生植物根系发达，为微生物提供了良好的生存场所。微生物以有机质为食而生存，它们排泄的物质又成为水生植物的养料［12］。常见的水生植物有水葫芦、芦苇、香蒲属和草属。某些植物如芦苇和香蒲的空心茎还能将空气输送到根部，为需氧微生物活动提供氧气。
2.3.4 生态工程处理 本系统由沉淀池→氧化沟→漫流草地→鱼塘等组成。通过分离器或沉淀池将牛场粪污进行固体与液体分离，其中，固体作为有机肥还田或作为食用菌（如蘑菇等）培养基，液体进入沼气厌氧发酵池。通过微生物-植物-动物-菌藻的多层生态净化系统，使污水污物得以净化。净化的水达到国家排放标准，可排放到江河，回归自然或直接回收用于冲刷牛舍等。
［1］ 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.GB 18596-2001畜禽养殖业污染物排放标准［S］.北京：中国标准出版社，2001.
［2］ 莫 放.养牛生产学［M］.北京：中国农业大学出版社，2010：323-327.
［3］ 钱晓雍，沈根祥，黄丽华，等.畜禽粪便堆肥腐熟度评价指标体系研究［J］.农业环境科学学报，2009，28（3）：549-554.
［4］ 刘继军，贾永全.畜牧场规划设计［M］.北京：中国农业出版社，2008：332-344.
［5］ 荣 玲.浅谈养牛场粪污的无害化处理与资源化利用［J］.江西畜牧兽医杂志，2011，27（6）：24-26.
［6］ 王浚峰，高继伟，冯 英，等.现代化牧场的粪污处理［J］.中国奶牛，2011，35（2）：60-63.
［7］ 林 清，昝林森.规模化牛场粪污无害化处理及资源化利用方法探讨［J］.家畜生态学报，2011，32（1）：73-75.
［8］ 王晓恒，王利民.适于吉林省的规模化养殖场畜禽粪污处理途径［J］.吉林畜牧兽医，2012，28（9）：15-17.
［9］ 赵新鄂.污水处理技术综述［J］.工业安全与环保，2003，29（12）：13-16.
［10］ 吴树彪，董仁杰.人工湿地污水处理应用与研究进展［J］.水处理技术，2008，34（8）：5-9.
［11］ 于少鹏，王海霞，万忠娟，等.人工湿地污水处理技术及其在我国发展的现状与前景［J］.地理科学进展，2004，33（1）：22-29.
［12］ 冯培勇.人工湿地及其去污机理研究进展［J］.生态科学，2002，21（3）：246-268.
