沼液贮存技术在畜禽养殖粪水处理与资源化中的应用

2017-09-03南松剑杨守军鞠鑫鑫董仁杰

猪业科学 2017年7期

关键词：粪水封闭式沼液

南松剑，邵蕾，杨守军，罗星，鞠鑫鑫，董仁杰

（中国农业大学烟台研究院，烟台 264670）

沼液贮存技术在畜禽养殖粪水处理与资源化中的应用

南松剑，邵蕾，杨守军，罗星，鞠鑫鑫，董仁杰*

（中国农业大学烟台研究院，烟台 264670）

不论是粪便的全混合式发酵处理，还是低浓度粪水的快速厌氧发酵处理，都会产生大量的沼液。种植业对沼液的消纳利用具有明显的季节性，沼液需要进行长期贮存，其中有机物在贮存过程中继续降解产气。考虑既要进一步的回收沼气能源和控制温室气体等向环境的排放，以减少环境污染，同时又要满足农田季节性均衡施用沼液的要求，需构筑封闭式沼液贮存稳定塘。文内对沼液贮存稳定塘的选址布局、塘体类型、容积计算以及结构要求等进行了阐述，以期为沼液贮存塘的建设提供一定的理论参考。

粪水；资源化；沼液贮存

在畜禽养殖粪水的沼气处理工程中，沼液的产生具有连续性，而沼液的施用具有季节性，两者之间存在一定的矛盾，所以沼液利用中必定包括贮存环节。沼液贮存过程中，沼液中的养分含量变化对沼液农用效果很关键。李雯等[1]研究了不同发酵原料沼液的养分含量及变化情况，结果表明不同发酵原料沼液的总氮（TN）含量在储存1个月后有所减少，后期基本保持不变；而不同沼液的总磷含量在储存1个月后显著减少，储存两个月后仍有所减少；不同沼液总钾（TK）含量在储存2个月后无显著变化。根据边文芳等[2]的研究，密闭储存的沼液N、P、K降低少，优于敞口储存。丁京涛等[3]研究表明，沼液营养成分含量随储存时间的延长不断降低，两者之间呈显著负相关性，且温度越高，营养成分损失率越大，以鸡粪为发酵原料的沼液中的氮磷钾营养元素更容易流失，在夏季储存90 d，TN含量损失超过了一半，TP含量损失了70%以上，TK含量损失超过了三分之一。所以，从无机养分含量角度，沼液在施用时，越新鲜肥效越好。我国农业沼气工程大部分没有建设沼渣和沼液贮存设施，也没有相应的输送设备。笔者建议，为了减少沼渣沼液养分流失、防止长期贮存产生的异味，我国沼气工程应建沼渣沼液贮存池，且贮存池必须加盖[3]。沼液中所含成分与发酵原料、发酵工艺与规模以及贮存时间等有直接关系，国内对沼液长期作为肥料应用对农田及作物的污染影响仅有少量研究报道，齐琳等（2016）[4]研究认为，沼液中污染物总量随贮存时间增加而下降，3 种有机污染物中固体悬浮物浓度（SS）、化学耗氧量（COD）和5日生化耗氧量（BOD5）和5种重金属（Pb、Cd、Hg、As和总Cr）等主要致污因子均无超标，沼液贮存时间大于9 d时，综合污染评价即为安全级，但农田应用需兑水稀释。

参考相关文献和标准，本文对沼液贮存稳定塘的选址布局、塘体类型、容积计算、结构要求及贮存时间等进行了阐述。

1 选址布局

贮存稳定塘要根据畜禽养殖场规模、场区地形和布局、气候风向以及使用规划等选择建造地点、大小和数量，并做好以后的扩建计划安排。稳定塘宜设在养殖场区主导风向的下风向或侧风向，与粪水厌氧处理的沼气工程相邻[5]。可在粪污综合利用工程区域内划定粪污存储区域，根据地质情况挖出一定量的土方形成贮存塘体。建议与畜禽养殖场生产区有不小于50 m的间隔距离，在其周围设置宽度不小于10 m的绿化隔离带，以满足生产及防疫要求[9]。

2 塘体类型

沼液贮存塘以地下式和半地下式为主。根据开放程度，可分为开放式和封闭式贮存塘[5]。为进一步收集沼气能源及减少对环境的污染，本文建议相关企业选择封闭式贮存塘。根据防渗方式不同，封闭式沼液贮存塘可分为两类，一是采用混凝土结构塘体，同时黑膜覆顶封闭式贮存塘，见图1；二是全黑膜结构封闭式贮存塘，见图2；封闭式沼液贮存塘外观见图3。

3 容积计算

对于封闭式沼液贮存稳定塘，其容积可根据具体畜禽养殖场的废水产生量、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定）废水排出量，本文按满足贮存养殖场180 d（6个月）所产废水量的要求进行计算。

粪水（沼液）贮存塘容积计算参考GB/T 26624-2011 畜禽养殖废水贮存设施设计要求第4条执行[6]，计算公式如下：

图1 混凝土结构沼液贮存塘

图2 全黑膜结构沼液贮存塘

图3 封闭式沼液贮存塘外视图

表1 集约化畜禽养殖业水冲粪工艺最高允许废水排量

式中：

V为沼液贮存塘容积（m3）；

N为动物数量，猪、牛的单位为百头，鸡的单位为千只；

Q为畜禽养殖业每天最高允许排水量，猪场和牛场的单位为[m3/(百头·d)]，鸡场的单位为[m3/(千只·d)]，其取值见表1和2[7]；

Vr为预留容积（m3），稳定塘预留高度以0.9 m为宜，预留容积P按照设施的实际长和宽及预留高度进行计算后确定。

对于开放式稳定塘，还需考虑沼液贮存最长持续期内的降雨量相应增加稳定塘容积。

4 塘体结构

1）当采用混凝土结构的稳定塘时，一般畜禽养殖场宜建造地下式（对于地下水位较高的畜禽场，可考虑选择地上式），根据GB/T 26624-2011 畜禽养殖污水贮存设施设计要求[6]，稳定塘底面应高于地下水位0.6 m以上。根据CJJ 54-1993-T 污水稳定塘设计规范[5]，稳定塘一般为矩形，长宽比为2～2.5∶1，根据场地大小、位置和土质条件，也可选择方形或圆形等形式。塘的有效水深3～5 m为宜，塘体深不超过6 m。塘内坡度1∶1.5～1∶3，塘外坡度1∶2～1∶4。

2）对于混凝土结构的稳定塘，其塘体结构设计可按CJJ 54-1993-T污水稳定塘设计规范中第7部分进行设计。其材料、地基、荷载、防渗、耐火、抗震及防腐等均需符合标准要求，具体执行时，可参考GB 50069-2002给水排水工程结构设计规范以及GBJ 7-89建筑地基基础设计规范、GBJ 10-89砼结构设计规范、GBJ 11-89建筑抗震设计规范、GBJ 9-87建筑结构荷载规范和GBJ 16-87建筑设计防火规范等。

3）以黑膜材料（PE）作为塘底防渗材料时或采用完全膜结构的沼液贮存设施时，要求膜的厚度大于1.5 mm，防渗处理可按照SL/T 231-98聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范的第2和3.3等部分和GB/T 50934-2013石油化工工程防渗技术规范第5和7等部分规定执行。贮存塘侧壁和底部夯实度应达到95%。根据李俊卫等[7]建议塘体可由三层膜组成，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。在底膜与安全膜之间装有粪污渗漏报警装置的收集管道，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；在安全膜下方，装地下水上涌报警装置收集管道，能够第一时间发现贮存塘底部的地下水上涌情况并采取相关措施减少地下水对贮存塘的影响。

表2 集约化畜禽养殖业干清粪工艺最高允许废水排量

表3 部分国家有关土地对厌氧消化残余物贮存时间的规定

对于覆膜或全膜结构封闭式沼液贮存塘，在膜材料的选择上，应选择成本低、耐老化、抗拉伸、耐气候性良好的材料，南方要注意防风、防雨及防紫外线，北方应注意防风、防冰冻、防雪等，在膜的表面应加压膜线。

4）根据GBT 26624-2011 畜禽养殖污水贮存设施设计要求的第5.3和6.2等要求[6]，进液口设在底部，高出塘底0.6～1.0 m，进液管直径一般为200～300 mm，可设置两至三道0.5 cm×0.5 cm方格过滤网。出液口应在水面以下，淹没深度不小于0.6 m，并要求在浮渣层或冰冻层以下，进出液口设计应避免在设施内产生短流、沟流、返混合死区。也可考虑自流式进入和排出，以方便利用，节省能耗。对于封闭式沼液贮存稳定塘，在主塘旁边应增加一具备防渗结构的钢筋混凝土服务池，以便于进液、取料及观察液位，不会对主塘防渗防蒸发装置造成破坏，在上部需设置气体收集管道和燃烧火炬设施等，在PE土工膜表面应加压膜线[9，10]。

5）贮存塘应设置浮渣及污泥排除设施。贮存塘周围应进行绿化，同时设置明显的标志和围栏等防护设施，围栏高度不低于1.2 m[10]。