规模化猪场粪污综合利用工艺分析



生态养殖

规模化猪场粪污综合利用工艺分析

李俊卫，彭英霞，王浚峰，高继伟，顾本家，那蕊，陈冲

(北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094)

[摘要]随着规模化猪场的快速发展，猪场粪污对环境的污染日益严重。我国规模化猪场粪污综合利用工艺主要以沼气工程为主，存在产气量少、沼气利用率低、投资回报率低等劣势。本文在分析现有工艺的基础上，借鉴畜牧业先进国家的经验，设计了“固液分离-固体堆肥和液体存储熟化-粪污还田”一体化的生态循环利用工艺。该工艺主要由“虹吸管道排污+固液分离”预处理系统和“固体堆肥+液体存储熟化”资源化利用系统组成，运行中对环境污染少，且可实现对猪场粪污中养分的完全利用，符合“减量化、无害化、资源化”的粪污处理原则。同时以1000头基础母猪规模化猪场为例，按照该工艺对其粪污处理进行了实例设计，并对其经济效益进行了分析。综合考虑环境污染、资源化利用、工程投资、运行管理、运行能耗、年利润等因素，相比于以沼气工程为主的猪场粪污综合利用工艺，生态循环利用工艺均具有显著优势，具有良好的经济、生态和社会效益。

[关键词]粪污利用；沼气工程；生态循环利用；存储塘

近年来，我国生猪养殖业发展迅速。据国家统计局的统计数据显示，2013年我国肉猪出栏头数达到71577万头，生猪存栏达到47411万头[1]，再创历史新高。然而，随之而来的大量集中粪污对生态环境的污染也越来越严重[2]。据统计，每头猪平均每年排出约730 kg粪和1204.5 kg尿，其中粪尿的化学需氧量和氨氮排放量分别约为36.39 kg和12.08 kg[3-4]，合计2013年生猪养殖业产生的化学需氧量、氨氮排放量分别达到1725.29万t、572.72万t，已经成为环境污染的重要来源。为应对此问题，国家出台了《畜禽规模养殖污染防治条例》，明确要求“国家鼓励粪肥还田、制造有机肥等方法对畜禽养殖废弃物进行综合利用”[5]，寻找一种适合规模化猪场粪污综合利用的工艺已迫在眉睫。

1规模化猪场粪污综合利用工艺现状

目前，我国规模化猪场粪污综合利用工艺主要以沼气工程为主，根据对沼液处理工艺的不同，可以将规模化猪场粪污综合利用分为“沼气工程+还田”、“沼气工程+自然生态处理”和“沼气工程+好氧处理”三种工艺[6-7]。

(1)“沼气工程+还田”工艺：指采用大田灌溉的方式直接利用沼液。这种模式具有污染物零排放、减少化肥使用、运转费用较低等优势，但是存在需求大量土地消纳沼液、非施肥季节沼液的存储以及恶臭等有害气体大量释放等问题，受限制因素较多。

(2)“沼气工程+自然生态处理”工艺：指采用氧化塘、人工湿地等自然生态处理系统对沼液进行处理。这种模式具有运行费用低、无复杂工艺系统等优势，但是存在占用土地面积大、污染地下水、处理效果受季节温度影响较大等问题。

(3)“沼气工程+好氧处理”工艺：指采用序批式活性污泥法(SBR)、膜生物法(MBR)等工艺对沼液进行处理后达标排放。这种模式具有污染物零排放、占地少、季节温度影响小等优势，但是存在投资大、能耗高、运转费用高、需要专门技术人员管理等问题。

以上三种规模化猪场粪污综合利用工艺在全国各地均有实践，但是均存在产气量少[8-9]、沼气利用率低[10-11]、投资回报率低[12]等问题，使得很多规模化猪场并不愿意主动去选择这种模式。为此，本文基于法国、丹麦等畜牧业先进国家在粪污存储利用方面的经验[13-14]，以完全利用猪场粪污中的养分为目的，设计了规模化猪场粪污“固液分离-固体堆肥和液体存储熟化-粪污还田”一体化的生态循环利用工艺，并将此工艺进行了一系列的工程实践。

2　规模化猪场粪污生态循环利用工艺2.1　工艺流程

本工艺根据规模化猪场粪污流动性强、干物质多的特点，设计了以“虹吸管道排污+固液分离”预处理系统和“固体堆肥+液体存储熟化”资源化利用系统为主的一体化生态循环利用工艺，其主要工艺流程见图1。

图1　生态循环利用工艺流程图

2.2　主要结构单元及参数

2.2.1虹吸管道排污虹吸管道排污单元主要是结合管道首末端的排气阀，依靠在密闭环境中形成的负压，利用虹吸原理，使猪舍内的粪污均匀有序的排出。根据不同的排污面积选择不同直径(10~50 cm)的排污管道、管件；粪沟底部的设计应保持水平，同时在每一个排污塞处预留1 000 mm×1 000 mm×100 mm的排粪坑；设计和施工时，应保证每条排污管道的首末端均需安装排气阀形成系统内的压力差实现排污，并保持坡度不低于0.5%，管路应保持平直、不拐直角弯[15-16]。本工程设计的虹吸管道排污配以合适的环控系统即可在不影响猪舍内部环境的前提下实现粪污的有序排出，具有投资低、能耗低、劳动强度低的巨大优势。

2.2.2固液分离设施猪舍内的粪污经虹吸排污管道清理后进入集污池，由于排出的粪污混有猪粪尿、动物毛发、饲料等大量固液混合物，因此需要在池内安装搅拌机对粪污进行搅拌、混合；搅拌混合均匀后的粪污经带有双重切割功能的切割泵提升到固液分离机进行固液分离。本设计采用的集污池容积按照猪场日最大排放量的1.5倍确定，以满足猪场粪污排放量波动大的特点。同时，本设计选用的固液分离机分离效率高，经过固液分离后的固体部分(含水率75%左右)和液体部分(含固率2%左右)分别进入资源化利用系统进行进一步的资源化利用处理[17-18]。

2.2.3固体堆肥制作有机肥将粪污经过固液分离后的固体部分直接进行堆肥处理，或添加一定量的秸秆、矿物质、发酵菌剂等进行堆肥处理，生产自用有机肥或者可售有机复合肥，实现粪污处理中所有固体物质的无害化和资源化利用，提高整个粪污综合利用工程的经济效益和生态效益。经过实践，猪粪堆肥的最佳环境控制参数为秸秆添加量5%，固体堆肥初始含水量应控制在60%左右，通风量为每立方米物料102 m3/d，添加一定量的菌剂能促进猪粪堆肥款速发酵[19-21]。

2.2.4液体存储塘存储熟化本工程中设计的存储塘是一种基于防渗防蒸发技术的畜禽粪污存储系统及方法，根据大田作物施肥要求，一般按粪污存储6个月设计存储塘的容积。该存储塘的主要结构单元是：

存储塘本体：在粪污综合利用工程区域内划定粪污存储区域，根据地质情况条件挖出一定量的土方形成存储塘本体，可根据项目规模及现场情况设置为全地下式、半地下式的存储塘本体，本体侧壁和底部夯实度应达到95%。

防渗防蒸发装置：主要由三层膜组成，从下到上依次为安全膜、底膜、浮动膜，底膜是防渗的关键设施，安全膜为底膜防渗增加一层保障；粪污储存于底膜和浮动膜之间，浮动膜上有少量通风口(每100 m2配置80 cm2的通风口)并配备雨水泵，实现雨水与粪污的分流。

注入输出服务装置：由具备防渗结构的钢筋混凝土服务池和连接防渗防蒸发装置的连接管道组成，粪污进出存储塘均经由此服务装置进行，不会对已有的防渗防蒸发装置造成破坏。

报警装置：由粪污渗漏报警装置和地下水上涌报警装置组成，粪污渗漏报警装置的收集管道位于底膜与安全膜之间，能够第一时间发现底膜的泄漏情况并采取相应的修补措施；地下水上涌报警装置的收集管道位于安全膜下方，能够第一时间发现存储塘底部的地下水上涌情况并采取相关措施减少对地下水对存储塘的影响。

与传统的粪污存储设施相比，该存储塘能够适应各种规模的粪污综合利用工程，最大单体容积可达到25 000 m3，施工工期短、投资成本低。同时该存储塘还具有环境友好性的特点，能够实现存储过程的相对密闭，减少液体部分在存储过程中的氮损失，隔离粪污的恶臭污染及雨污分流，并具有防渗及报警系统，能够实现减量化、无害化、资源化的粪污处理及存储要求。

2.3　工艺特点

该生态循环利用工艺的特点是：(1)遵循“减量化、无害化、资源化”的粪污处理原则，实现粪污的综合利用。(2)完全利用猪场粪污中的养分。粪污经过固液分离后，固体部分制作有机肥，可就近施用于周边土地，也可实现对外销售；液体部分经过存储塘的存储熟化后同样用作液体有机肥，可就近施用于周边土地。(3)工程设计因地制宜。粪污处理区域利用原有粪污收集设施及具体的自然环境条件，建立封闭式的运行区域，结构紧凑、便于管理，并尽可能的简化工艺流程，降低造价，减少动力消耗，实现尽可能高的综合经济效益。(4)工艺适用性强。只要规模化猪场周围有一定量的土地用来消纳液体有机肥即可适用。

3生态循环工艺设计实例与效益对比分析

3.1　生态循环工艺设计实例及效益分析

以1 000头基础母猪规模化猪场为例，对规模化猪场生态循环利用工艺的粪污产生量、有机肥产生量及设备需求和存储塘规模确定如下。

3.1.1关键参数的确定经测算，1 000头基础母猪的规模化猪场每天产生的粪便量约为17.7 t/d，尿量约为43.28 t/d，加上冲洗污水，粪污总量约为80 t/d。原始粪污粪便含固率18%左右，原始粪污经固液分离后的固体部分含固率约为25%，每天可产生固体部分约为13 t，液体部分67 t。按粪污存储6个月设计存储塘的有效容积为12 060 m3。

3.1.2工程投资概算主要构筑物及设备见表1。从中可知本工程总投入204.6万元，其中土建投入29.1万元，设备投入175.5万元。

表1　主要构筑物及设备

3.1.3经济效益分析粪污生态循环利用工艺运行费用与收入见表2，不计粪污生态循环利用工艺的生态效益和社会效益，每月可获得的净收入即工程直接效益为：46 020-4 376=41 644元。本工艺总投入为204.6万元，大约4年就可以收回全部投资，投入与产出比可行。

3.2　效益对比分析

以1 000头基础母猪规模化猪场为例。“沼气工程+还田”、“沼气工程+自然生态处理”和“沼气工程+好氧处理”三种工艺和“生态循环利用”工艺都采用虹吸管道排污收集粪污，每天粪污量约为80 t。“沼气工程+自然生态处理”和“沼气工程+好氧处理”两种工艺的处理出水达到国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)，四种模式的投资与经济效益分析比较见表3。

表3表明，四种规模化猪场粪污综合利用工艺的投资以“沼气工程+好氧处理”工艺最高，“沼气工程+自然生态处理”和“沼气工程+还田”工艺投资相近，“生态循环利用工艺”投资最低；在运营管理方面，“沼气工程+好氧处理”工艺需求项目运营管理人员较多，“沼气工程+自然生态处理”和“沼气工程+还田”工艺需求项目运营管理人员次之，“生态循环利用工艺”需求项目运营管理人员最少；在工艺运行能耗方面，“沼气工程+好氧处理”工艺最高，其他三种工艺能耗相差不大；在年利润方面，“生态循环利用”工艺年利润最高，“沼气工程+还田”和“沼气工程+自然生态处理”工艺次之，“沼气工程+好氧处理”最少。综合投资额及年利润分析，“生态循环利用工艺”的综合效益最好。

表2　工程运行费用与收入(按月计)

注：1. 设备及工程折旧费计入总投资，不再单算；2. 本工程设备总装机容量大约为16.5 kW，所用设备平均日运转8 h，电费按0.6元/kW·h；3. 猪场粪污综合利用工程只需1人负责管理，按平均每人月工资为2000元；4. 固体有机肥收入按正常运行后可产月粗肥120 t，目前按每吨售价500元计算，扣除每吨处理成本150元(猪粪收集率按90%计，粗肥含水率≤30%)；5. 液体有机肥收入按正常运行后可产月粗肥2010 m3计算，目前按每吨售价2元；6. 本工程设备可使用年限为15年，存储塘可使用年限为30年。

Note: 1. Equipment and project depreciation was included in the total investment；2. The equipment's installed capacity is about 16.5 kW, all the equipments work 8 h daily in average, and the electricity bill is 0.6 Yuan/kW·h；3. Only one man manages the comprehensive application project of the pig farm, whose monthly salary is 2000 yuan in average；4. The solid organic fertilizer will be 120 t after regular operation, whose market price is 500 yuan/t currently, deducing processing cost for 150 yuan/t (the collecting rate for pig feces is 90%, and the water content for rough fertilizer is ≤30%)；5. The income for liquid fertilizer is calculated by 2010 m3rough fertilizer monthly with a price of 2 Yuan/t；6. The life span for the equipment is 15 years, and that for slurry lagoon is 30 years.

表3　投资及效益对比分析(运行费用按年计)

注：投资、沼气收入数据是参考文献《中德万头猪场沼气工程经济性对比分析》计算得出。

Note: Data for investment and biogas income was calculated by referring to the paper Comparison Analysis on Economic Traits of Biogas Project in a Sino-Germany Pig Farm Rearing Ten Thousand Pigs.

4小结

综上所述，相比其他几种粪污综合利用工艺，一体化的“固液分离-固体堆肥和液体存储熟化-粪污还田”生态循环利用工艺资源化利用程度最高，具有对周边环境影响小、无污染、投资及运行费用低、收益高、运行管理简单的特点，猪场周围有一定量的土地用来消纳液体有机肥即可适用。特别是工艺中的液体存储塘能够适应各种规模的粪污综合利用工程，施工工期短、投资成本低，能够实现存储过程的相对密闭，减少液体部分在存储过程中的氮损失提高肥效，隔离粪污的恶臭污染并实现雨污分流，具有良好的经济、生态和社会效益。

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Technology Analysis of Slurry Comprehensive Utilization on Large-scale Pig Farm

LI Jun-wei, PENG Ying-xia, WANG Jun-feng, GAO Ji-wei, GU Ben-jia, NA Rui, CHEN Chong

(BeijingKingpengGlobalHusbandryTechnologyCo.,Ltd.Beijing100094,China)

Abstract:Slurry pollution to the ecological environment is becoming more and more serious with the rapid development of large-scale pig farm. As the waste comprehensive utilization techniques on large-scale pig farms were mainly biogas engineering, problems such as low gas production and utilization as well as low returns to investment exist in this mode. Based on the existing process analysis and the experience of the countries with developed animal husbandry, the ecological recycle mode consisting of “solid-liquid separation-solid composting and slurry lagoon-slurry returning to field” was put forward in this design. Combined the siphon pipeline and solid-liquid separation in pretreatment system with solid composting and slurry lagoon in resource utilization system together，this ecological recycle mode achieved the goal of nutrients complete utilization in the slurry with lower environment pollution, met the slurry processing principles of “reduction, harmlessness and resource utilization”. In this paper, a farm with 1000 pigs were taken as an example and the case-based design has been done for its slurry process, the economic benefit analysis was also included. In the respects of the environment pollution, resource utilization, engineering investment, operation management and consumption, and annual profit, the ecological recycle mode put forward in this paper is significantly superior with regard to good economic benefit, ecologic and social benefit compared with the biogas engineering-based techniques.

Key words:slurry utilization; biogas engineering; ecological recycle; slurry lagoon

[中图分类号]S811.6

[文献标识码]A

[文章编号]1005-5228(2015)11-0067-05

[作者简介]李俊卫(1988-)，男，河南安阳人，工程师，研究方向：废弃物资源化利用与可再生能源开发，环境污染控制。E-mail：Lijunwei1121@126.com

[基金项目]“十二五”国家科技支撑计划(2014BAD08B07)；2014年度北京市科技计划(D141100003814002)

*[收稿日期]2014-11-14修回日期：2014-11-27