规模化养猪场粪污处理与资源化利用的主要模式

2017-04-06孔凡克杨守军鞠鑫鑫董仁杰

猪业科学 2017年3期

关键词：粪水厌氧发酵固液

邵蕾，孔凡克，杨守军，罗星，鞠鑫鑫，董仁杰*

（1.中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670；2. 山东中农三月环保科技股份有限公司，山东烟台 264670）

规模化养猪场粪污处理与资源化利用的主要模式

邵蕾1，孔凡克1，杨守军1，罗星1，鞠鑫鑫2，董仁杰1*

（1.中国农业大学烟台研究院，山东烟台 264670；2. 山东中农三月环保科技股份有限公司，山东烟台 264670）

在“环保优先”新形势下，规模化养猪场粪污处理和资源化利用是生猪养殖业可持续发展的基本要求。文内简述了养猪场粪污处理与利用主要环节上的技术，包括养殖粪污直接厌氧发酵和直接与低含水量物料混合堆肥，固液分离，低含固率粪水快速厌氧发酵，沼液贮存，农田利用以及土地承载力等，构成养猪场粪污处理与利用技术体系。

粪污；资源化；堆肥；厌氧发酵

2016年末我国生猪存栏43 504万头，生猪出栏68 502万头[1]，年产粪污估计约20亿t，包括固相（粪便和垫料）和液相（主要包括尿液、冲洗水等）。养猪粪污含水量约80%～85%，有一定的黏结性，并且含有大肠杆菌、蛔虫卵等病原菌[2，3]；养猪过程中添加的促生长剂（铜、锌等）和抗生素也会随粪污排出[4，5]。

《中华人民共和国环境保护法》、《畜禽规模养殖污染防治条例》、《水污染防治行动计划》和《土壤污染防治行动计划》，以及《全国生猪生产发展规划（2016-2020年）》和《农业部关于促进南方水网地区生猪养殖布局调整优化的指导意见》等，尤其是2016年习近平总书记在中央财经领导小组第十四次会议上就解决好畜禽养殖废弃物处理和资源化利用问题的重要讲话，为养猪业的可持续发展和养猪粪污的处理和利用指明了方向。

养猪场粪污处理的技术路线见图1。

1 养猪场原粪水直接处理-常规厌氧发酵

针对养猪场大量存在的水冲粪和水泡粪等粪污收集方法获得的高含水量（超过90%）粪污（又称“粪水”），目前许多养殖场通过常规厌氧发酵降解有机物和回收能源，降低后续处理的负荷。

常规厌氧发酵追求高的沼气产量，滞留期长因而需要较大的处理设施，通常适用于中等及以上规模的畜禽养殖场，并配套沼气利用，如制备生物燃气和发电等[6]。厌氧反应器通常包括全混式厌氧反应器（CSTR）和厌氧折流反应器（ABR）。

全混式反应器应采用中温发酵，总固体浓度宜保持在5%以上，滞留时间长于30 d。厌氧折流反应器也应采用中温发酵，总固体浓度宜保持在5%以下，滞留时间约20 d，不需搅拌装置，结构简单，投资较少。

图1 规模化养猪场粪污处理的技术路线

2 养猪场原粪水直接处理-粪水堆肥

用秸秆、木屑、菇渣等含水率低的物料混合畜禽养殖粪水，使混合物料的含水率达到堆肥要求，在堆肥的同时消纳了粪水，俗称“粪水堆肥”；粪水堆肥以处理粪水为目的。

粪水与有机物料混合比例按照下述公式计算：

公式（1）：

注：W—混合物料的初始含水量（%），通常取55%左右；a—粪水的质量（kg）；b—有机物料的质量（kg）；X1—粪水的含固率（%）；X2—有机物料的含固率（%）。

发酵物料中的碳氮比调节，按照下述公式计算：

公式（2）：

注：C/N—混合物料的初始碳氮比，通常取25左右；a—公式（1）中计算粪水的质量（kg）；b—公式（1）中计算有机物料的质量（kg）；c—高氮物质的添加量（kg）；c1、c2、c3—粪水、有机物料、高氮物质的含碳量（%）；n1、n2、n3—粪水、有机物料和高氮物质的含氮量（%）；

常见有机物料的碳氮含量见表1。

3 固液分离

固液分离是使用机械设备和设施将畜禽养殖粪水或厌氧发酵剩余物中的固相和液相部分分离的技术[7，8]。固液分离常用方法有絮凝分离法、沉降法、蒸发法和机械法等，固液分离出来的固相用于堆肥，液相通过快速厌氧发酵后形成沼液。固液分离降低了液相中含固率和固相的含水率，降低了后续处理成本（见图4）。

4 粪污固相处理技术-堆肥

堆肥发酵是养猪场粪污固体处理的常用技术。通过好氧发酵实现了猪粪污的稳定化和减量化。并且发酵过程中形成的高温可有效杀死病原微生物，从达到了无害化。常见的堆肥方式包括自然堆肥、条垛式主动供氧堆肥、机械翻堆堆肥、转筒式堆肥等。堆肥发酵技术参数可参照《规模畜禽养殖场污染防治最佳可行技术指南（试行）》（HJBAT-10），见表2。

堆肥产物的重金属和卫生学指标可参照《有机肥料》（NY 525-2012）（见表3）。

图2 全混式反应器

图3 厌氧折流反应器

表1 常见有机物料的碳氮含量

5 粪污液相处理技术-快速厌氧发酵

快速厌氧发酵不以追求沼气产量为目标，而是追求对粪水的快速处理。粪水快速厌氧发酵通常将畜禽粪水固液分离，大量的有机物被转移至固相，滞留在液相的是易降解的有机物。固相进行堆肥或其他资源化利用，液相进入快速厌氧发酵系统经快速降解后进入沼液贮存池。

通过快速厌氧发酵可在10 d以内完成发酵产气，可以回收超过50%的总甲烷量，大幅度缩短了滞留期，处理设施可以更加小型高效。

6 沼液贮存

无论是原粪水厌氧发酵还是固液分离后液相的快速厌氧发酵，都需要对沼液进行长期贮存以便开展季节性的农田利用。沼液在贮存过程中还是发生后发酵并产生一定的沼气，需要对沼液进行封闭贮存，进一步回收沼气能源，控制温室气体等向环境的排放，以减少环境污染。

根据防渗方式不同，封闭式沼液贮存塘可分为两类：一是塘体采用混凝土结构，黑膜覆顶，二是全黑膜结构。沼液贮存稳定塘容积可根据具体畜禽养殖场的畜禽种类、饲养数量、粪水日产生量及贮存时间等确定，应不小于最大利用间隔期内（以当地农作物生产用肥的最大间隔时间或冬季封冻期计算）粪水排出量。结合我国南北方主要大田作物生长期情况和欧美等国家的规范，建议我国沼液肥贮存期为3～6个月。

沼液应优先考虑本地消纳。农田使用时，沼液应与化肥配施以满足作物生长对养分的需求，沼液可以以基肥或追肥形式施用，基肥和追肥建议采用地面灌溉或水肥一体化滴灌。

超过养殖场周边土地承载力的沼液应进行养分富集，可将沼液中2/3养分经济回收，剩余1/3养分随剩余液本地消纳，以减轻沼液就地消纳的压力。养分富集技术包括粪水加有机废物堆肥（粪水堆肥）、沼液浓缩及N、P养分回收等。

沼液农用时重金属和卫生学指标可参照《沼肥》（NYT 2596-2014）（见表4）。

规模化养猪场粪污收集处理是以无害化和资源化为目的系统工程，各个处理技术单元需要相互衔接和配合优化。实际应用过程中，需要将各个技术单元进行组合与优化，形成经济最优、运行最稳的技术体系。