新疆地区畜禽粪污资源化利用设施设计与工艺要点

刘福元，杨井泉

（新疆农垦科学院畜牧兽医研究所，新疆 石河子 832000）

1 畜禽粪污资源化利用背景意义

1.1 开展畜禽粪污资源化利用的背景

目前，我国已进入转型升级、供给侧改革的新阶段，农牧业发展需要重点突破资源利用强度过高、面源污染加剧、生态系统退化严重三大关键问题。

近年来，国家相继出台了多项法律法规，对养殖企业粪污处理的要求和标准逐步升级，粪污处理已成为养殖企业的发展瓶颈和刚性需求。

1.2 开展畜禽粪污资源化利用的意义

一是加快农业供给侧改革的重要支撑：开展畜禽粪污资源化利用可以促进种养结合，优化产业结构，加快三产融合，转变生产方式，推动提质增效，增强农业可持续发展能力。

二是化解资源环境压力的重要途径：开展畜禽粪污资源化利用可以促进畜牧业清洁生产，实现粪污的资源化，促进有机肥对化肥的有效替代，做到变废为宝和绿色生产。

三是确保畜产品质量安全的重要手段：开展畜禽粪污资源化利用可以控制养殖环境中的病原微生物，减少疫病传播机会，减少兽药用量，从而保障畜产品质量安全。

四是推动向南发展战略的重要抓手：特色林果业是南疆地区的优势和支柱产业，但近年来果品质量逐年下降，价格持续跌落，严重影响了果农的收入和产业的发展。其主要原因之一就是土壤中有机质极度缺乏的问题，涉及有机肥和农牧结合的问题。

1.3 影响新疆地区畜禽粪污资源化利用的原因

通过近年来的调研和分析，影响新疆地区畜禽粪污资源化利用的主要原因有以下四个：一是新疆地区养殖场远离粪污吸纳的果园或大田，有机肥养分全但含量较低，加工和运输成本较高；二是有机肥生产的连续性和使用的季节性之间的矛盾，以及耕作制度与利用方式的脱节；三是新疆地区气候寒冷，利用自然温度进行粪污处理的时间只有半年，导致粪污堆积；四是有机肥中重金属、抗生素及有害菌等，存在超标的安全隐患，已引起了行业的重视。

2 新疆地区粪污资源化利用策略

2.1 明确3个观念

要做好畜禽粪污资源化利用必须明确的3个观念：一是畜禽粪污不同于工业污染物，它是一种放错地方的可利用的资源，所以不能用治理工业废弃物的思路，采用达标排放的模式来治理畜禽粪污污染，而应该低成本、就近就地资源化利用。二是国家的一系列法律法规都在倡导和鼓励畜禽粪污的资源化利用，而不是为了征税，也不是为了让养殖企业关停并转，这一点行业管理者和养殖企业及养殖户必须领会。三是农牧结合是畜禽粪污资源化利用最经济的模式，是首选的路径，粪污就是要作为肥料还田。

2.2 畜禽粪污资源化利用的路径

粪污资源化利用的路径是：源头减量、过程控制、末端利用。最终要实现粪污的减量化、资源化、无害化和低廉化。

源头减排：通过营养调控技术，提高草饲料的利用率。通过改进清粪模式与饮水设施，实现减量排放。促进养殖废弃物在场内的回收、循环和利用。

过程控制：根据土地承载能力确定适宜养殖规模。建设购置必要的粪污处理设施和设备。加速粪污无害化处理过程，减少氮磷和臭气排放。

末端利用：肉牛、羊和禽类直接采取固体粪便堆肥。奶牛和生猪采用粪污全量收集还田利用或“固体粪便堆肥+污水肥料化利用”。推广水肥一体化施用技术，促进畜禽粪污就近就地还田利用。

2.3 以奶牛、猪养殖场为重点

养殖污水是粪污资源化利用的难点和重点，新疆地区奶牛、猪养殖的规模化程度很高，而且奶牛和猪两个畜种规模化养殖场所收集的粪污含水率很高，通过固液分离后，污水量很大。

3 牧场设计与粪污清运

3.1 科学选址

在养殖场建设选址的时候，除按照国家规定的选址要求以外，还应该预测周边环境承载能力，包括饲草料的供应能力，产品的消化能力和粪污的吸纳能力[1]。比如说要计划建设一个规模化奶牛场，选址时就要考虑，周边50 km有没有提供满足奶牛所需要饲草的能力，100 km以内有没有乳品加工厂收购原料奶，10 km内有没有足够的土地吸纳牛场产生的粪水。按照畜禽粪污土地承载力指南去计算，实现以种定养。人们常说“千里不运粮，百里不运草”，欧洲沼气工程，养殖场沼渣沼液运输距离一般在10 km之内。新疆地区由于土地辽阔，撂荒地、盐碱地、戈壁滩较多，过去在养殖场选址时，从防疫卫生角度考虑的较多，许多养殖场建的都比较偏远，现在要就近就地利用，确实有一定难度。

图1 规模化奶牛场场区规划设计线路

案列：新疆兵团第一师三团7连的种养殖大户侯祖庆，在3 000亩（1亩=667m2，下同）枣园一角建有年出栏1.6万头的育肥猪场。每年经氧化塘发酵的粪水进行春灌和冬灌，堆肥发酵的固粪也施入果园。兵团农业局畜牧专家组2019年3月22日南疆调研时候，适逢他们正在春灌。根据介绍，按照5头猪的粪尿供1亩地使用，节约化肥300元/亩；有机大枣增值1元/kg，400 kg/亩大枣，2项合计果园增收节支700元/亩，3 000亩果园每年增收节支210万元，还不包括养猪本身的利益。与此相反，目前许多养殖场远离农田或者果园，腐熟的粪肥不收费也很少有种植户利用，反而变成了养殖场的负担。上述案充分说明了养殖场选址的重要性，体现了养殖场靠近果园农田，进行农牧结合的优势。

3.2 统一精准设计

在养殖场设计的时候，要根据养殖规模，进一步细分家畜的种类和数量，对各功能区进行统一精准设计。例如设计一个奶牛场，我们要根据养殖规模，进一步细分成母牛和后备牛的养殖数量，根据各类奶牛圈舍和运动场需要面积，最后确定圈舍栋数、面积和每栋运动场的面积；根据各类奶牛每日草料需要量，确定草料场青贮窖、干草棚、精料库的大小；根据成母牛的数量，确定挤奶厅的大小和设备的型号与数量；根据各类牛的管理定额，确定员工数量，进一步确定生活管理区用房的面积；根据各类牛的粪尿量及奶厅污水量，确定粪污处理区设备及面积，实现对各功能区的统一精准设计。

根据我国2015年1月1日开始施行的《环境保护法》第41条规定：“建设项目中防治污染的设施，应当与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用”。只有在养殖场建设中对包括粪污处理区等功能区进行统一精准设计，同时施工和同时使用，才能避免二次改造，本身就是一种节约。

3.3 奶牛场粪污清运方式

目前新疆地区奶牛场舍内粪污收集工艺，主要包括：人工清粪，铲车清粪，罐车清粪及刮板清粪。通过表1对比分析可以看出：综合奶牛应急，人力成本，硬件投入，运行成本等方面，电动刮粪板清粪工艺最好。

表1 奶牛场舍内粪污收集工艺对比

另外，奶牛80%左右的时间都在运动场活动，所以说运动场不仅是奶牛场所，也是奶牛粪污暂存的场所。新疆北疆地区入冬及开春季节，雨雪交加或者冰雪消融，运动场泥泞不堪，长达半年时间粪污无法清运。调研发现，目前许多奶牛场的运动场普遍偏小，成母牛只有20 m2/头左右，粪污深度达到40 cm以上。根据多年的研究认为，新疆地区成母牛运动场最少需要30～40 m2、有适当坡度比较适宜。

3.4 猪场粪污清运方式

通过表2养猪场水冲粪、水泡粪和干清粪3种不同清粪工艺污水水量和水质的对比分析[2] 、[3]：从3种污水水量来看，水冲粪工艺是35～40 L/d头，水泡粪工艺是20～25 L/d头，干清粪工艺是10～15 L/d头，水泡粪比水冲粪降了一半，干清粪又比水泡粪降了一半；从排出的污水的水质CODcr来看，水泡粪工艺 8 000～24 000 mg/d，水冲粪工艺 11 000～13 000 mg/d，干清粪工艺1 000～1 500 mg/d，水冲粪是水泡粪的一半，干清粪只有水冲粪的1/10。可见，干清粪工艺产生的污水量少，且其中的污染物含量低，而且这种减少是成倍的减少，或者是数量级的减少，所以说干清粪是一种较为理想的清粪工艺。要说明的是，此处所说的干清粪是机械干清粪，不是人工干清粪。目前兵团南疆地区已经建成了2栋示范圈舍，通过大半年的应用，效果非常不错。新疆地区，过去使用水冲粪，目前基本上都使用水泡粪，使用干清粪将是未来的发展方向。

表2 养猪场不同清粪工艺污水水量和水质

3.5 固液分离工艺

奶牛场和猪场的粪污收集后首先要进行固液分离，以便固体部分进行好氧堆肥发酵，液体部分通过氧化塘或者厌氧发酵处理。

图2是加拿大圭尔夫大学对不同固液分离设备分离效果的研究结果[4]：从分离后干物质含量来看，沉降式离心机和螺旋压滤机的分离效果最好，接近40%，堆肥发酵水分要求在40%～60%，便于后续直接进行好氧堆肥发酵。如果固液分离后的固体部分太湿，就需要在堆肥发酵时添加粉碎的秸秆或者对固粪进行晾晒，往往会增加工艺和成本。

图2 不同固液分离设备的分离效果

4 固体废弃物的处理与利用

4.1 耗氧堆肥发酵工艺

目前堆肥发酵主要有静态曝气堆肥工艺和槽式堆肥工艺，其中静态曝气堆肥适合于小型养殖场，槽式堆肥适合于大中型养殖场。红星一场种猪场采用了静态曝气堆肥工艺，可克达拉市创锦生物肥业有限公司采用了槽式堆肥工艺。

4.2 槽式堆肥发酵工艺设备选型

表3是加拿大圭尔夫大学对大中型养殖场槽式堆肥发酵立螺旋式、转子桨叶式、链板式、滚筒式共4种典型的翻抛机性能评价，通过对曝气效果、去水效果、破碎能力及运行能耗综合对比[4]：链板式翻抛机效果相对最好。

表3 槽式发酵四种典型抛翻机性能评价

4.3 有机肥生产工艺

固体粪污通过耗氧堆肥发酵，成了有机肥，可安全的用于农田或者果园。由于市场的需要，大部分有机肥企业，还要添加菌剂制作有机菌肥，添加无机肥制作专用复混肥等，并进行造粒。有机肥加工设备工艺的选型，一定要选用冷制粒等低成本工艺，过高的成本会挤压原本有限的利润空间。

5 液体废弃物的处理与利用

5.1 粪水贮存池

粪水贮存容积的计算，可以参照《畜禽养殖污水贮存设施设计要求》（GB/T26624-2011），粪水贮存池的结构要求，可以参考《给水排水构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）。

目前在建造氧化塘、厌氧塘、贮存池等，可以采用高密度聚乙烯膜（也叫HDPE膜或者土工膜），与混凝土结构比较具有施工简便、速度快、成本低、寿命长的优点。使用高密度聚乙烯膜建造软体池体时，一定要参照《土工合成材料-聚乙烯土工膜》（GB/T17643-2011），选择质量达标的膜材料。软体池不能使机车驶入底部清淤，只适合于存放液体。

案列：沙湾天润生物有限责任公司，饲养奶牛2 100头，在牛场建成了7 500 m3高密度聚乙烯膜氧化塘，距牛场1.7 km田间建成了22 500 m3的高密度聚乙烯膜氧化塘。氧化塘腐熟的液体肥通过管道泵入牛场5 000亩玉米、苜蓿地，实现了废水利用和农牧循环。

5.2 还田池体建设要点

通过管网或沟渠还田的养殖场池体建设要注意以下几点：一是养殖场应靠近粪污吸纳大田果园或者靠近干渠的上游，缩短运输距离；二是池体应该建在地势较高的位置，建在地面以上，产品利用液体压力，减少输送能耗；三是氧化塘池体表面可以不覆膜，充分利用新疆地区蒸发量大的特点，减少液体存量；四是一定要建2个或者2个以上氧化塘，提高发酵效率；五是液体粪肥还田，近距离适宜用管网，远距离适宜用罐车运输。

案列：新疆兵团一四七团天康养猪场，年出栏5万头育肥猪场，采用水泡粪工艺，建有4个独立的氧化塘，总体积6.4万m3。由于周边主要种植滴灌棉花，粪肥难以进入滴灌系统，而不能被棉田利用。目前在新疆农垦科学院技术人员指导下，正在把氧化塘变成厌氧沉淀池，通过逐级沉淀过滤，最终使沼液进入滴灌系统，解决液体粪肥棉田就地利用的问题。新疆地区畜禽粪污资源化利用必须破解有机液体肥进滴灌施入棉田的问题。

6 沼气工程与能源化利用

截止目前，新疆地区（包括新疆兵团）共建成大中型畜牧沼气工程80多座，体积一般在500～1 000 m3，大部分位于新疆北疆地区，但许多沼气工程不能正常运行，主要原因有以下3点：一是养殖场所产沼气没有销路，农户不愿意用；二是养殖业受市场影响波动较大，养殖规模的缩减，导致停用；三是新疆冬季气候寒冷，保温、增温技术有限，冬天不能使用。

案列：新疆兵团第一师十四团新疆盛兆天地农业发展有限公司，利用2 200头种猪场的粪污，经干湿分离后，液体通过沼气厌氧发酵制作生物沼肥。用户红枣糖度从70.3%提高到了73.2%，提高了3个百分点，口感和色度都非常好。2018年用户红枣在第一师创下了最高价格，卖到了9.2～10元/kg，高出均价2～3元/kg。

案列：新疆呼图壁中广核沼气提纯项目是新疆大型沼气工程的一个典范。项目以7个牧场25 400头奶牛的1 133 t/天粪污为原料，产沼气36 600 m3/天，提纯生物天然气20 000 m3/天，供车用燃气。沼渣129 t/天，沼液973 t/天，周边地区的粮食棉花，水果种植。项目实现了原料集中收集和统一处理，为农牧业废弃物处理提供了示范。项目成功的关键有2点：一是引入实力雄厚的第三方专业化公司建设和运营；二是为沼气利用找到了出口。

总之，资源化利用是我国处理畜禽粪污的主要途径，畜禽粪污资源化利用是一个系统工程，贯穿于养殖场的选址、设计、建设及运行的全过程，不同畜种、不同规模、不同区域养殖粪污资源化利用的方式存在一定差别，并明显与地区自然条件、农业生产方式、经济发展水平相关[5]。针对新疆地区畜禽粪污资源化利用技术模式和设备选型，要不断学习和借鉴国内外先进经验，理论联系实际，紧密结合本地区的特点：一是蒸发量大、干旱少雨、冬季寒冷的气候特点；二是养殖场相对分散和偏远、草食家畜占比大的养殖特点；三是农田平整连片充裕与滴灌棉花、林果业为主的种植特点。统筹兼顾，采用简单实用、成本低廉的就近就地还田模式，合理利用畜禽粪污资源，改善生态环境，增加农牧民收入，促进种养结合的良性循环。