寒区规模猪场粪污沼气处理研究*

侯如梁，潘晓亮，王新峰，姚 蕾，黄明辉，杨永军

(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.新疆兵团农八师142团，新疆 石河子 832003)

养猪业是我国农业的优势产业，在农业和农村经济中占重要地位，养猪业的发展不仅满足了人们对猪肉及其产品的消费需求，而且为农民增收、农村劳动力就业、粮食转化及推动相关产业的发展作出了重大贡献，但是，在发展的同时，也带来了严重的环境被污染的问题，现就新疆寒区规模猪场粪污处理论述如下。

1 寒区规模猪场粪污染与沼气现状

1.1 生猪粪污染现状

研究表明：生猪粪便和污水中含有大量的污染物质，据资料介绍，猪粪尿的BOD5为 30 g/L，排放的污水 CODcr为5～20 g/L。这样的污染物进入到环境中，给生态环境带来了严重危害。据统计，2007年全国养猪业粪便排放总量约为13.67×108t，粪尿排放总量达6.76×108t, 其中约 50%来自集约化养殖场；CODcr为0.46×108t，BOD5为 0.38×108t，大大超过工业废水和生活污水[1]；根据检测结果，与国家污水排放标准进行评价，养猪场排放污水CODcr平均超标53倍；SS超标14倍；氨氮、总磷等超标20倍以上。不仅造成可利用资源的大量流失，而且给农业生态环境带来严重的破坏，影响经济的可持续发展。

1.2 新疆寒区规模猪场粪污沼气处理面临的问题

新疆北疆地区冬季寒冷，最低温度达零下30 ℃以下。以新疆北疆较为典型的石河子地区为例：头年11月中旬到来年的5月初的6个月内地温在15 ℃以下，其余的6个月在15 ℃以上。据相关文献研究结论，甲烷菌的产气能力在10～30 ℃温度区间随着温度的降低而减小，温度在15 ℃以下时不适宜产甲烷菌的生长[2]。也就是说新疆沼气半年能用半年不能用。

另外，因沼气池无保温措施或保温措施不当而造成的冬季停气甚至造成冻裂池体的现象普遍存在。正常产气不足6个月。并且气压不稳，影响使用。冬季沼气池搁置、冻结，这不但影响第2年的使用，而且容易造成沼气池损坏报废[3]。

新疆大部分地区由于干旱缺水区，而猪场由于采取不当的清粪方式特别是水冲粪，虽然表面看减少了劳动成本，但是造成宝贵水资源的严重浪费，使后续处理量加大，处理成本随之增加。

2 项目概况及处理工艺

2.1 试验项目工程概况

2007年，石河子142团绿野牧业养殖场自筹资金30余万元，建设了一座100 m3膜结构(采用塑料基复合材料沼气袋作为内胆)能全年使用的水压式沼气池[4]，处理500余头生猪粪便。沼气池建在育肥圈舍下面(育肥猪粪便量大，便于收集；育肥猪舍面积大，利于沼气池布局)，所产粪便直接在猪圈内处理，既节省用地、又利于保温；池底铺有地暖，冬季采用煤气两用锅炉为圈舍及沼气池供暖，以达到沼气池正常运行所需温度条件，即使冬季最寒冷的时候，沼气池气压仍保持在6.5 kPa以上(设计气压为8 kPa)；沼液用以冲洗猪圈，在用水方面实现循环。

该沼气池正常运行5年来，年节约煤炭100余吨，节水3 000 余立方米，还可预防疫病，此外所产沼渣、沼液用于大棚及所承包大田的棉花、线辣椒、瓜果和蔬菜的种植，节约化肥和农药，对作物的品质提高有较大的作用。

2.2 项目处理工艺

本研究的粪污处理工艺流程见图1。

2.3 指标检测

猪场粪污处理试验需要检测指标及方法见表1。

图1 猪场粪污处理工艺流程图Fig.1 Technological flowchart of treating piggery manure and wastewater

表1 猪场粪污处理试验需要检测的指标及方法Table 1 Indicators and methods of detection on pig waste treatment trials

3 结果与分析

本研究于2012年11月至2013年1月期间对石河子142团绿野牧业养猪场圈温、沼气池池温及进出水各污染指标进行了监测。其结果由图2可知，从11月3日至1月19日近两个月的时间中，石河子气温经历了从零上10 ℃到最低零下30 ℃的大幅度变化，特别在12月22日前后，气温连续几天处于零下30 ℃以下。圈内温度、沼气池内温度走势趋于平缓，池温高于圈温5 ℃左右。

在此期间，猪场采取了煤气两用锅炉为猪圈供暖，基本维持在18～20 ℃之间，即使在12月22日前后的极端低温下，圈舍温度仍然能保持在16 ℃以上，为圈舍底下沼气池保温起到了良好的效果。猪场沼气池采用了外墙保温的同时，在沼气池底部铺设水暖循环管路，与圈内暖气采取同一热源，有力保证了低温下沼气池的正常运行。特别是22日前后极端低温下池内温度仍维持在24 ℃上下，充分说明寒区规模猪场沼气池建于圈舍下可行。

由图3可知，沼气池进出水pH值变化幅度较小，进水pH处于7.15～7.26之间，出水pH处于7.41～7.51之间，总体均维持在正常范围之内，出水pH值略高于进水pH值。

沼气池适宜的酸碱度为pH值为6.5～7.5，过高过低都会影响沼气池内微生物的活性。进水口处于沉淀池与沼气池酸化间连接处，进水在沉淀池长时间发酵，并受到酸化间产酸菌作用的影响，使得pH值略低。随着发酵持续进行，氨化作用产生的氨中和一部分有机酸，同时甲烷菌的活动使大量的挥发酸转化为甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，使pH值逐渐回升。

图2 猪场圈温、池温与同期气温走势Fig.2 The pig pens temperature

图3 沼气池进出水pH值变化Fig.3 pH changes of influent and effluent water in methane tank

由图4、5可知，进水CODcr、 BOD5浓度分别处于24 000、8 000 mg/L之间，经过图1所示工艺流程处理后，出水CODcr、 BOD5浓度分别处于8 000、1 900 mg/L之间，CODcr、 BOD5去除率分别达到了65%、77%左右。总体去除率达到中等水平，但处理水平与《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)还有一定的差距。在12月22日前后CODcr、 BOD5去除率均有下降，变化趋势与温度变化趋势相似，说明低温对去除效果有一定的影响。

由图6可见，进水NH3-N浓度处于61 900～69 380 mg/L之间，而出水NH3-N浓度处于79 290～87 320 mg/L之间，去除率出现“负值”的情况，出水NH3-N浓度相对于进水浓度高出近30%。

图4 沼气池进出水 CODcr变化Fig.4 CODcr changes of influent and effluent water in methane tank

图5 沼气池进出水 BOD5 变化Fig.5 BOD5 changes of influent and effluent water in methane tank

图6 沼气池进出水 NH3-N 变化Fig.6 NH3-N changes of influent and effluent water in methane tank

由于养殖场粪污总氮(特别是有机氮)含量较高，一般的异养菌进行高效的氨化作用，氨化反应速率高于硝化反应速率，生成的氨氮高于硝化的氨氮，导致氨氮总量增加。另外由于该猪场采用沼液回流冲圈的清粪方式，氨氮在一定程度上进行累积，也可导致出水氨氮浓度的升高。

4 结 论

该膜结构沼气池正常运行5年来，并未出现新疆常见的因池体冻裂导致沼气池报废的情况，说明膜结构沼气池用于寒区规模猪场粪污处理可行。

对猪场圈内外温度及沼气池内温度监测表明，在采用圈舍底下建池及用地暖进行增温后，即使在冬季低温条件下，沼气池内温度仍可保持在24℃以上，充分保证沼气池正常运行。对沼气池进出水CODcr、BOD5等指标监测得知，各指标总体去除率较高，但出水NH3-N浓度高于进水，发酵后沼液中仍有较高浓度CODcr、BOD5，均未达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)。沼液回流冲圈需进行多级厌氧发酵或者进一步好氧处理。

参考文献：

[1] 中华人民共和国环境保护部,中华人民共和国国家统计局,中华人民共和国农业部.第一次全国污染源普查公报[EB/OL].[2013-01-24].http://www.staas.gov.cn/tigb/qtfjgb/qgqttjgb/t20100211-402621161.htm.

[2] 刘荣厚.温度条件对猪粪厌氧发酵沼气产气特性的影响[J].可再生能源,2006(5):25-32．

[3] 刘军林,李盛林.新疆户用沼气池现状及影响其发展的因素分析[J].新疆农垦科技,2010,33(4):73-75.

[4] 李盛林,刘盛林，危常洲，等.新疆地域气候条件下沼气工艺措施分析[J].中国沼气,2010,28(6):39-41.