规模化猪场废弃物循环利用模式及关键技术探讨

董雪云，陶　敬，张　洁*，闫晓明*，陆　钰，郑露露，何成芳，朱鸿杰

（1.合肥学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省农业科学院 农产品加工研究所，安徽 合肥 230031）

规模化猪场废弃物循环利用模式及关键技术探讨

董雪云1，陶敬2，张洁1*，闫晓明2*，陆钰2，郑露露1，何成芳2，朱鸿杰2

（1.合肥学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省农业科学院 农产品加工研究所，安徽 合肥 230031）

应用沼气 （厌氧）+A/O处理+三级氧化塘/农田消纳模式对规模化猪场粪污进行处理。该处理模式由4个系统构成，包括废弃物排放控制系统、沼气回收利用系统、污水处理系统、物质循环利用系统。废弃物排放控制系统通过水泡粪工艺使养猪场污水日排放量减少70%，沼气回收利用系统通过全混式厌氧反应器对粪污中温厌氧发酵产生清洁能源沼气，污水处理系统由A/O池和三级氧化塘处理实现污水无害化，物质循环利用系统充分利用猪场粪渣、沼渣和沼液。年出栏10万头规模化猪场应用该模式，运行结果表明，该模式能够解决规模化猪场区域内部产生的废弃物再利用问题，避免粪污排放造成环境污染，有望为规模化猪场建立一种实用生态型技术模式。

规模化猪场；废弃物；循环利用

文献著录格式：董雪云，陶敬，张洁，等.规模化猪场废弃物循环利用模式及关键技术探讨 ［J］.浙江农业科学，2015，56（12）：2071-2074.

根据2014年国家统计公报，2013年全国生猪出栏71 557万头，年底存栏47 411万头［1］。根据中国种猪信息网统计，2013年全年进口种猪17 656头，2014年6月末，存栏42 895万头。据估算，2011年我国仅猪饲养产生的COD（化学耗氧量）、氮、氨氮及磷排量分别达到2 382.1万t，244.8万t，119.1万t和37.1万t［2］。每年产生大量畜禽粪污，不妥善处置会造成土壤、水质及空气等生态环境污染，并对动物和人类健康构成威胁。目前，针对猪粪处理技术主要有厌氧消化、好氧处理、生物膜处理、汽提法等［3-4］。其中，厌氧消化产沼气是一种可持续发展的技术，也是国家能源局 “十三五”规划中的内容之一。

本项目依据循环经济的4R原则，即减量化（reduce）、无害化（recycle）、资源化（reuse）和生态化 （rep lace）。通过关键技术研究，构建存栏两万头的规模化养猪场粪污循环利用模式，并结合工程实例进行关键技术分析总结，以期为推进规模化养猪场的可持续循环发展提供参考。

1　规模化种猪养殖场基本概况

项目实施地点位于滁州市凤阳县小岗村，地理条件优越，自然资源丰富，年平均气温15℃，日照2 248 h，年降雨量800～1 000 mm，无霜期210 d，气候温和，雨量适中，四季分明，适合动植物生长、繁育。

项目实施的主体是小岗宝迪种猪科技有限公司，公司养殖基地占地60 hm2，年存栏种猪20 016头，年出栏10万头左右，日排放粪污约392.06 t（表1），养殖基地周边有配套农田530 hm2。COD 为13 000～20 000 mg.L-1，BOD（生化需氧量）为6 500～10 000 mg.L-1，NH3-N为848～1 000 mg. L-1，SS（悬浮物）为15 000～25 000 mg.L-1，pH值7.0～8.0。

表1　种猪养猪场日排污量基本状况

2　粪污处理利用循环模式

目前，规模化养猪场粪污处理模式基本可分为3种：沼气 （厌氧）-还田模式；沼气 （厌氧）-自然处理模式；沼气 （厌氧）-好氧处理模式等［5］。沼气 （厌氧）-还田模式资源化程度高，但需要大量农田消纳粪污；沼气 （厌氧）-自然处理模式运行管理费用低，但土地占用量大，处理效果易受季节温度影响；沼气 （厌氧）-好氧处理模式占地较小，但运行费用及维护费用高，不适合小规模猪场。

该项目研究主体养猪场规模比较大，且周围土地十分紧缺，采用CSTR（全混式厌氧）沼气+ A/O处理 +三级氧化塘/农田消纳处理模式 （图1）。该模式是在上述3种处理模式的基础上，根据自身所处自然环境、经济条件以及猪场规模等，对粪污处理模式做出的适当调整，将其效益发挥到最大。其中，沼气厌氧处理是核心，农田消纳是沼气厌氧处理的辅助措施。这种模式工艺可分为4个系统：废弃物排放控制系统、沼气回收利用系统、污水处理系统、物质循环利用系统。采用多级废水处理系统其首要目的是利用有效的技术去除主要污染物，并减少成本 （资本和运营成本），同时保持其运行能力使水质达到排放标准。

图1　废弃物处理与循环利用模式工艺

3　废弃物处理利用关键技术及其应用效果

3.1废弃物排放控制及处理效果

3.1.1废弃物排放控制

规模化养猪场为降低能耗、减少劳动力、节约用水，常采用水泡粪清粪工艺。水泡粪工艺在国外已大范围使用多年，其工艺是很成熟的。尤其像欧美等国家，水泡粪是普遍使用的家畜养殖废弃物收集方法［6］。图2为养殖场常用的水泡粪工艺流程。

图2　水泡粪的工艺流程

水泡粪工艺中粪尿及水在养殖场内停留1个月左右，养殖场严格控制冲洗用水量，污水日排放量相对于水冲粪工艺减少约70%，工艺简单，不受气候变化影响，但其产生大量的恶臭气体如NH3，H2S，SO2等［7］。为保障人和猪的健康生活，该猪场在水泡粪池中加入了生物除臭菌剂，硫化氢和氨气浓度分别降低了83.3%和76.1%，除臭效果明显，达到 《畜禽场环境质量标准》（NY/T 388—1999）规定。

此外，规模化养猪场其粪便污水排放量大，水量集中，且污染物浓度高。为了减少污水处理水的停留时间，降低工程投资，大都采用固液分离和沉淀等前处理技术［8］。

3.1.2废弃物排放控制处理效果

养猪场粪污经水泡粪和固液分离后水质特征如表2所示。

表2　养猪场粪污水泡粪及固液分离后水质特征

3.2沼气厌氧发酵及沼气利用效果

3.2.1沼气厌氧发酵

沼气厌氧发酵是规模化养殖场粪污资源化及减量化处理的首选工艺，也是养殖场可持续发展的根本。沼气厌氧发酵是在无氧气和外源能量的条件下，利用厌氧性微生物的代谢特性，分解有机物同时产生沼气的过程。厌氧消化过程主要分为水解、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段［9］。本项目采用CSTR反应器进行沼气厌氧发酵研究 （图 3），CSTR反应器具有连续进行沼气生产、微生物能力强、传质效果好、处理效果和产气性能较好等特性，并且输出的沼气压力可控制在设计的压力范围之内。此外，其内设有循环搅拌系统可最大化的进行产气，可避免液面浮渣的结壳。反应器对COD和SS的去除具有较好的效果。猪场建设厌氧发酵池900 m3，反应器内部温度38℃左右，进料TS浓度7.6%～10.0%，水力停留时间10～20 d，pH 值6.5～7.5，反应器对COD去除率80%～90%，SS去除率平均为70%，对氨氮和磷均有一定的去除效果。日产沼气600～950 m3，平均800 m3，日产沼液约390 m3，日产沼渣约5 t，年产沼气21.9 万m3。

图3　沼气厌氧发酵的工艺流程

3.2.2沼气利用效果

猪粪水通过沼气厌氧发酵处理，经脱硫等净化后，甲烷含量一般占65%～80%，含25 825～31 785 k J.m-3的热能，是良好的清洁能源。年产沼气21.9万m3，年可发电约32.85万kW.h，这些沼气首先满足全场70多名职工生活用气，平均日消耗沼气150 m3，年用沼气约5万m3，剩余沼气用于发电，供应猪场及周边农户使用。既避免了利用不完的沼气直接排放影响大气环境质量，又为猪场节约电费。

3.3污水处理工艺及处理效果

3.3.1污水处理工艺

污水处理采用A/O工艺，日处理量390 m3左右。污水在A/O池中进行缺氧好氧反应，利用池中好氧微生物的代谢作用将大量的有机污染物和氨氮去除，从而使废水得到净化［10］。

另外，该猪场配有26 600 m3的三级氧化塘，氧化塘具有处理成本低，操作管理容易，不仅能取得良好的BOD去除效果，还可以有效地去除氮、磷营养物质及病原菌［11］。氧化塘深约2 m，水力停留时间30 d，塘中配有浮游植物等，A/O处理后的污水营养丰富，可以培养大量的浮游生物，水体在氧化塘中可达到自净作用，促使污水达到进一步的净化作用，最终可达标回用。

3.3.2污水处理效果

该项目养猪场粪污A/O及三级氧化塘处理废水的运行效果见表3。出水COD，BOD，NH3-N，SS，磷分别低于400 mg.L-1，150 mg.L-1，80 mg.L-1，200 mg.L-1，8.0 mg.L-1，达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）和农田灌溉水质标准 （GB 5084—2005）。

表3　养猪场粪污A/O池及三级氧化塘处理水质特征

3.4物质循环利用

产生的废弃物包括水泡粪沉淀后收集的粪渣、沼气发酵产生的沼渣、沼液等，其资源特性见表4。沉淀收集的粪渣有机质含量为 68.1%，氮、磷、钾含量分别达4.21%，2.43%，0.61%，是良好的农业肥料资源。但由于含水率较高（89.0%），含挥发性恶臭物质 （MVOCs），运输难度大，并且直接利用会对周边环境造成严重的二次污染。故本项目针对养猪场固体废弃物资源化利用方面采用的是生态有机肥堆肥技术。

表4　养猪场粪污及多级处理后的资源特性

3.4.1有机肥堆肥工艺

采用槽式发酵、高温堆肥，自走式翻堆机进行由出口端向入口端定量、定时地翻堆。在翻堆过程中完成预处理、一次发酵、二次发酵和后续处理。发酵时间7～15 d，每天进料量约30 t，进料含水率60%～85%，日出料量10～15 t，出料含水率18%，最高发酵温度70℃，翻堆次数1～2次，碳氮比20∶1～35∶1。加入秸秆等生物质进行联合堆肥，保证每天产生的猪粪渣及沼渣可以得到及时有效地资源化再利用，避免堆置期间对土壤、水体、空气造成二次污染。同时，生产的有机肥产品质量均能满足 《粪便无害化卫生标准 GB 7959—1987》和 《有机肥料标准NY 525—2002》。

3.4.2猪粪、沼渣利用

猪粪及沼渣可用于食用菌栽培原料［12］，但该项目目前仅用于有机肥生产，出售给周边的村民。年产有机肥约4 000 t，销售价格500元.t-1，年收益约200万元。

3.4.3沼液利用

猪粪污水经厌氧发酵后产生的沼液和沼渣，通过分析表明，本猪场沼液中氮的平均浓度为448 mg.L-1；磷的平均浓度为608.7 mg.L-1；钾的平均浓度为706.2 mg.L-1，COD含量为2 012 mg.L-1，pH值为7.65。沼液中氮、磷、钾养分含量分别达0.05%，0.06%和0.07%，沼液是很好的液体肥料。许多学者研究认为，农作物使用适量沼液浇灌不仅不会影响作物产量，而且可以减少化肥施用量，减轻规模养殖场污水排放的环境压力［13-15］。

目前，该猪场在其养殖区周边配套稻麦轮作种植区300 hm2作为沼液消纳试点区，可用于夏季沼液过剩无法处理时进行土地消纳，符合自然生态处理。

4　小结

本文以安徽小岗宝迪种猪养殖场为研究对象，在遵循农业循环经济4R原则的基础上，以低消耗、低排放和高效率为指导理念，开展规模化养猪场废弃物循环利用模式及关键技术探究。针对规模化养猪场水泡粪清粪处理工艺，采用CSTR沼气（厌氧）+A/O处理+三级氧化塘/农田消纳处理模式对规模化养猪场粪污进行减量化处理及利用。在沼气厌氧处理工艺中，采用CSTR厌氧发酵具有良好的环境效益及经济效益，COD去除率80%～90%，SS去除率达到70%，日产沼气800 m3；污水处理工艺流程中，在A/O工艺的基础上设计生物氧化塘，进一步实现污水净化作用，达到农田水质灌溉标准；在生态有机肥生产工艺中，将区域内部产生的固体有机废弃物进行堆肥化处理生产，一方面可平衡种植区超过承载负荷的有机肥，另一方面可避免未处理造成一系列环境污染问题；在沼液利用方面，该项目针对沼液土壤消纳进行了考察，符合资源化循环利用，但是土地如何长期科学安全地施用沼液，还有待进一步研究。

总之，该处理模式有效地减少了污染物的排放，粪污经合理处置后，实现了废物的减量化、无害化、资源化、生态化，符合清洁生产原则。极大地改善了当地生态环境，保证农业和养殖业的可持续发展。

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（责任编辑：卢福庄）

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0528-9017（2015）12-2071-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20151251

2015-08-11

合肥学院人才科研基金项目 （14RC04）；国家科技支撑计划课题 （2012BAD14B13）

董雪云 （1988-），女，安徽蚌埠人，硕士研究生，研究方向为固体废物处理与处置。E-mail：826343435@qq.com。

张 洁。E-mail：bst@hfuu.edu.cn；闫晓明。E-mail：xmyan9@163.com。