寒区规模养殖场粪污处理沼气工程案例分析*

侯如梁，潘晓亮，王新峰，陈廿台，姚 蕾，杜 军

(1.石河子大学 生命科学学院，新疆 石河子 832003；2.石河子大学 动物科技学院，新疆 石河子 832003；3.石河子军民共建农业新技术基地，新疆 石河子 832003)

2003年起，新疆生产建设兵团农村沼气建设开始快速发展。至2005年，兵团获国家批复的大中型沼气工程项目达到18个，厌氧发酵装置总规模达到12 500 m3，日均产气量达16 000 m3，新疆规模沼气工程从试点进入全面推广阶段。到2009年，全兵团大中型沼气工程建设区域已经涉及9个农业师[1]。2011年，新疆将农村沼气列入“重点民生实事工程”，中央也加大了沼气建设项目的投入力度。新疆沼气项目的大规模发展应用，对新疆农业生产和农村经济的可持续发展、促进节能减排、保护生态环境具有重要意义。本文以新疆石河子军民共建农业新技术基地养殖场沼气工程为例，从沼气池保温增温设计及应用效果、粪污处理情况、沼气站直接经济效益及综合社会效益等方面进行全面分析。

1 养殖场基本情况

新疆石河子军民共建农业新技术基地养殖场存栏母猪300余头，年出栏商品猪近4000头，蛋鸡7万只，全部采用机械清粪。沼气工程采用能源-生态模式，应用全混合厌氧消化反应(CSTR)工艺，根据新疆当地气候特点进行了保温、增温处理，粪便和污水在中温条件下进行厌氧发酵产生沼气。所产生沼气用于基地生活生产，处理后沼渣、沼液是优质有机肥，用于基地大棚蔬菜及周边农田，基本实现粪污处理零排放。

2 项目工艺流程及主要处理单元

2.1 沼气工程工艺流程图

规模化畜禽养殖场以沼气工程为核心的技术处理禽畜粪污主要分为能源生态模式与能源环保模式。该养殖场根据自身及周边环境特点，选择能源生态型沼气工程模式处理养殖场粪污，其工艺流程见图1。

2.2 主要处理单元

2.2.1 调节池 调节池有助于合理调整物料的温度、浓度、酸碱度(pH)，保证搅拌充分，使污水能比较均匀进入后续处理单元，提高整个系统的抗冲击性能并减少处理单元的设计规模。在调节池内设置潜水搅拌泵，防止发生沉淀现象。特别是在冬季温度下降，不利于粪污厌氧发酵，通过在调节池中对发酵原料进行预加热，充分保证厌氧发酵装置在寒区冬季低温条件下的正常运行。

2.2.2 中温完全混合式厌氧消化器(CSTR) 厌氧发酵罐是沼气工程的关键设备，主体采用高猛钛合金搪瓷钢板，高7.2 m，直径9.93 m，容积556 m3。采用下进上出溢流式进出料方式，沼气从顶部沿管道进入膜式储气柜，沼渣、沼液从上部排料管排至固液分离车间。设计每天定时投料20 m3，浓度为8 %，可容纳粪污400 t。

图1 能源生态工艺流程图Fig.1 Flow diagram of energy ecological process

2.2.3 固液分离 固液分离车间进行发酵后的沼渣液的处理，可有效降低发酵后沼液的COD、BOD的含量，从而达到污水排放减量化。分离后的沼渣、沼液都用于农田施肥。

2.2.4 脱硫 厌氧消化产生的沼气中含有一定浓度H2S气体，一般猪场废水沼气中H2S含量为4000 mg·m-3左右，由于H2S气体对输送管道和终端设备有较大腐蚀性，同时污染大气，故沼气进入用户终端前需进行脱硫净化处理，特别是沼气用于发电，为保护发电机，延长使用寿命，应使脱硫后沼气的含硫量小于20 mg·m-3。本工程沼气脱硫采用干法氧化铁脱硫，并按一备一用配置[2]。

2.2.5 储气 采用模式储气柜进行沼气存储。膜式储气柜为常压设备，是安全管理的关键部位。柜体为双层膜结构，采用德国进口米勒(MEHLER)高分子膜材料，柜体高6.61 m，直径7.63 m，总容量400 m3。正常情况下储气柜压力500 pa(对应正负压保护器内水柱5 cm)，最大压力可达2 kpa。

3 保温增温设计及效果分析

3.1 保温增温设计

为保证冬季正常运转，粪污收集池及调节池底部加装换热导管对发酵原料进行加热，厌氧发酵罐外部用100 mm聚氨酯保温材料进行外保温，内部加装DN40换热盘管，换热用热水均由煤气两用锅炉提供。罐内换热装置见图2。

3.2 效果分析

本研究于2012年1月5日至2012年4月15日期间对新疆石河子军民共建农业新技术基地养殖场沼气站沼气池上下部发酵温度及调节池温度进行了监测，结果见图3。

由图3知，从1月5日至4月15日三个多月的时间中，石河子气温经历了从最高零上10 ℃到最低零下32 ℃的大幅度变化，特别在1月25日前后，气温连续几天处于零下30 ℃左右；发酵池温度一直保持在30 ℃以上，发酵池下部温度略高于上部温度；调节池温度趋于稳定，保持在12.6 ℃～13.4 ℃之间。

图2 发酵罐内增温盘管图Fig.2 Heating coil figure in fermentation tank

图3 罐内上下部池温、调节池温度及同期气温走势Fig.3 Top and bottom temperature in fermentation tank and the temperature trend over the same period

在此期间，沼气站通过采取前述措施为调节池、沼气池进行保温增温后效果明显，冬季即使气温大幅变化，3月5日之前发酵池温度仍一直维持在38.6 ℃～39.2 ℃之间，良好的温度条件保证了沼气池中温发酵的持续进行；3月5日之后随着外界气温上升，供热站停止为沼气池供热，发酵池温度出现下降趋势，下部温度从供热前的38.6 ℃缓慢下降到30.8 ℃，3月25日以后发酵池下部温度整体趋于稳定，维持在31 ℃左右。

对沼气站该时间段产气情况监测表明，该沼气站日均产沼气约350 m3，容积产气率达到0.63 m3· m-3d-1，即使在1月25日前后气温近零下30 ℃情况下，产气量没有发生明显变化，基本保持稳定，充分说明该沼气工程在低温条件下的保温增温措施可行，并取得了良好的效果。

4 粪污处理情况分析

4.1 粪污处理监测项目及监测方法

本试验粪污处理监测项目有SS、CODcr、BOD5、NH3-N等。具体监测方法如下：分别用重量法(GB/T11901-1989)测SS浓度、密封消解-分光光度法(HJ/T 399-2007)测CODcr浓度、稀释倍数法(GB/T7488-1987)测BOD5浓度及密封消解-分光光度法(GB/T7479-1987)测NH3-N浓度。

4.2 粪污处理监测结果分析

由表1知，对沼气池进行增温期间，CODcr、BOD5、SS和NH3-N浓度分别为28600、8760、21205、81040 mg·L-1的猪场粪污经过根据图1所示工艺流程图建造的处理设施处理后，CODcr、BOD5和SS的去除率分别达到了88.2%、93.3%、95.2%的较好水平，而NH3-N的去除率也达到了24.1%，相对有些处理设施处理后NH3-N浓度不降反升的情况，该工程的处理措施还是取得了不错的处理效果；即使在后期增温措施停止后，CODcr、BOD5、SS和NH3-N各指标的去除率仍然达到87.2%、90.5%、94.4%和21.2%，处理水与《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)还有一定差距，沼液只能用作农肥或者进一步加工为有机肥，如需回流冲圈或者达标排放还需进一步好氧处理。

表1 粪污处理监测结果Table 1 The monitoring results of waste treatment

5 效益分析

5.1 直接经济效益

新疆石河子军民共建农业新技术基地沼气站建设的556 m3中温CSTR工艺沼气工程，实现日处理300余头母猪及70000余蛋鸡产生的约10吨粪便及污水。年平均日产沼气量351 m3，全年产沼气128 115 m3，完全满足基地食堂及官兵日常生活用气需求，按1 m3沼气折合0.8 kg 标煤算[3]，沼气站年节约标煤102.5 t。按一吨标煤折合两吨原煤及原煤每吨1000元计算，沼气工程全年所产沼气相当于节约20.5万元燃料费。

5.2 沼肥增收节支效益

沼液中含有丰富的氮、磷、钾、各类氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、生长素、糖类、核酸以及抗生素等，以及丁酸、吲哚乙酸、维生素B12等活性抗性物质。沼渣沼液可广泛用于作物浸种、叶面喷肥、基肥或用于防治作物病虫害，节约化肥的同时提高了农作物产量及品质，畜牧养殖方面，也可作为家畜添加剂和鱼饵料，具有较高的经济价值。

目前，该养殖场的沼液及沼渣全部用于基地约30余亩温室大棚及周边农田。每亩年节约化肥和农药开支200元，年增产增收约400元，合计增收节支约2万元。

5.3 生态效益及综合社会效益

规模化养殖场产生的猪粪尿COD值高达81 g/L，蛋鸡场冲洗污水的COD也达到43～77 g/L，畜禽粪便污染物的肆意排放对地表水及地下水安全产生了严重威胁[4]。养殖场产生的含有大量氨、硫化物等有毒有害成分的恶臭气体严重污染周边空气。相关研究表明，养殖场粪污经沼工程处理后，可使周围环境蚊蝇密度减少63.5%，氨浓度减轻58%左右，并可以杀灭粪便中绝大部分病菌和寄生虫卵，为阻断病原的传播起到了积极作用。与燃烧秸秆和薪柴相比，沼气大量使用会减少温室气气体的排放，产生巨大的生态效益。

随着国家城镇化建设的不断推进，人民生活水平的不断提高，人们对生活质量及周边环境要求也有了很大的变化，沼气工程变废为宝，助于农村城镇美好环境建设。大力发展沼气工程，可大范围消纳有机废弃物，大幅度替代常规能源，必将为全国节能减排和能源安全作出巨大贡献。

6 小 结

石河子军民共建农业新技术基地采用能源生态模式建造的养殖场沼气工程，两年来总体运行良好，特别是在新疆寒区冬季低温环境下，通过对工程进行保温增温措施，仍能保持中温发酵并稳定运行。

通过对沼气工程处理设施进出口CODcr、BOD5、SS和NH3-N等指标监测可知，CODcr、BOD5、SS总体去除率良好，特别是SS去除率高达95%，但是NH3-N去除率不尽人意，需采取进一步措施如好氧发酵或者添加生物制剂去除等。效益分析中，由于养殖规模有限，556 m3的厌氧发酵设备并没有达到充分利用。沼气利用模式较为单一，产生的直接经济效益有限；沼渣沼液也只是普通的用作农业施肥，未完全被土地消纳，沼肥效益仍有很大的提升空间。建议适当扩大养殖规模，使其与沼气工程规模相匹配；增加沼气发电项目，利用发电余热对沼气池进行增温；沼渣沼液加工生产生物有机肥，培育有机蔬菜，大力发展有机农业，每个环节都做到物尽其用，必会产生更大的经济效益、生态效益和社会综合效益。

参考文献：

[1] 漆 馨,王 瑞.兵团沼气发展的现状及对策[J].新疆农垦科技,2010,33(1):80-81.

[2] 孙家宾,陈光年.规模化养猪场废水处理沼气工程案例分析[J].中国沼气,2011,29(4)20-24．

[3] 郑元景,杨海林,蔺金印.有机废料厌氧发酵技术[M].北京:化学工业出版社,1988.

[4] 徐卫锋.标准化养猪场小型沼气工程效益分析及思考[J].现代农业科技,2013(4):214-216.