系统解决畜禽粪污资源化利用（中）——过程控制的关键技术

文│吴宓 方国跃 李瑞 吴海智（安徽省畜牧技术推广总站）

杨兴明（南京农业大学）

刘祚军（安徽省农业科学院）

周宏华（安徽省动物疫病预防与控制中心）

在粪污处理过程中，以养殖业废弃物（畜禽粪污）和种植业废弃物（秸秆、谷壳）为原料，通过传统农家肥自制方法、现代商用有机肥生产工艺和生物有机肥生产技术应用，使其中的氮源转化、纤维素分解、病原菌杀灭、重金属钝化和抗生素降解，让废弃物资源转变为合格的农家肥、商用有机肥或优质复合微生物肥料。畜禽粪污资源化利用过程控制技术，是指在有机肥生产过程中，以有氧发酵（堆肥）和厌氧发酵（沤肥）原理（方式）控制臭气排放，使抗生素和重金属残留明显下降的技术。它是在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物（主要为细菌）的作用下发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用，逐步向稳定的腐殖质方向转化的过程。以实现有机固废的稳定化、清洁化、无害化、资源化，达到不污染空气、水、土壤的目的。生成的产品有固、液、气三态。过程控制需要优化畜舍清粪技术。采用干清粪工艺的畜禽养殖场户，若原有舍内清粪频率较低，可适当将清粪频率增加1～2次/天，减少粪尿在舍内停留时间；采用水泡粪工艺的畜禽养殖场户，选择深坑贮存或浅坑贮存工艺，必要时配置地沟风机，每头育肥猪日均粪污产生总量不超过0.015立方米。

一、过程控制的畜禽粪污固态堆肥技术设计要求

无论是传统农家肥自制方法，还是利用现代商用有机肥生产工艺，或者是利用生物技术研发生产生物有机肥，任何一种合格优质的有机肥料的生产都必须经过堆肥发酵过程。

1.选址布局。畜禽养殖场自配的粪污处理场（厂）址，应符合《畜牧法》和《畜禽污染防治条例》规定，符合《畜禽养殖业污染治理工程技术规范（HJ 497－2009）》要求，畜禽养殖业污染治理工程应对接养殖场污道、不占用养殖场净道，并与养殖场生产区、居民区等建筑保持一定的卫生防护距离，设置在畜禽养殖场的生产区、生活区主导风向的下风向或侧风向处；畜禽养殖业污染治理工程的位置应有利于排放、资源化利用和运输，并留有扩建余地，方便施工、运行和维护；总平面布置：平面布置应以污水处理系统、固体粪便处理系统、恶臭集中处理系统为主体，其他各项设施应按粪污处理流程合理安排，确保相关设备充分发挥功能，保证设施运行稳定、维修方便、经济合理、安全卫生。

2.固体粪便处理系统设计。

（1）工艺流程：辅料车间、拌料车间、发酵车间、除臭车间、后熟车间、筛分车间、包装车间和成品库，其中发酵车间上连拌料车间，下连除臭车间和后熟车间（图1）。

◎图1 固体粪便处理系统工艺流程

（2）工程计算：

养殖场固体粪便日产量＝动物饲养量×单个动物排放固体粪污量（表1）；

表1 畜禽粪尿产生量

固体粪便处理辅料日需量＝养殖场固体粪便日产量×20%；

固体有机肥日产量＝养殖场固体粪便日产量×0.5；

菌种日消耗量（千克）＝养殖场固体粪便日产量（吨）×0.4；

辅料存储量＝固体粪便处理辅料日需量（吨）×365（天）÷2（每年收储2次）；

（根据单位面积辅料存储量计算辅料车间面积+辅料加工机械所需面积）

发酵车间（平方米）＝养殖场固体粪便日产量（千克）×0.66（按发酵周期为60天计算）；

后熟车间（平方米）＝发酵车间（平方米）×0.5；

包装车间（平方米）＝后熟车间（平方米）÷3；

成品库面积根据种植季节和市场需求，以最大库存量计算；

道路硬化面积根据堆肥场地具体情况计算。

3.固体粪便堆肥物料的加工与配比设计。根据畜禽粪尿产生量、堆肥方式进行物料的加工与配比。加工技术流程原料（图1）有三种：粪污、辅料和菌剂。固态粪污原料来源主要有两种路径，一是“一场一策、制肥还田”就地处理的畜禽粪便，另一个是“区域收纳、集中处理”的畜禽粪便。粪污原料形态主要有固态和液态两种，对于含水率超过75%的液态粪便需要进行脱水处理，或晾晒或固液分离或膜发酵，常用的办法是在物料配比时加入含水率较低的农作物秸秆调配。辅料原料主要是农作物秸秆，包括壳、芯、藤、叶类物质。农作物秸秆预处理办法是切断粉碎，粒度小于2厘米，水分低于30%。菌剂生物制品主要有蛋白酶制剂和纤维酶制剂。根据收集来的不同畜禽粪便的特点（表2），确定农作物秸秆添加比例，通过添加植物秸秆进行调节，使堆肥粪便的起始含水率达到40%～60%，碳氮比（C/N）达到30∶1左右（一般添加比例为：50千克鸡粪＋9.5千克秸秆，50千克猪粪＋8千克秸秆）。秸秆和畜粪按比例混合搅拌堆放，也可以先铺一层秸秆，再铺一层畜粪，逐层叠加堆积，根据设计的堆肥方式，形成肥堆。

表2 新鲜畜禽粪便的养分平均含量（%）

二、过程控制的堆肥技术模式场地建设和关键技术

根据养殖场所在区域的地理环境资源、养殖的品种和规模，堆肥场地建设一般采用条垛式堆肥、静态式通气堆肥、槽式发酵堆肥以及密闭堆肥方式。

1.条垛式堆肥技术。

场地建设要求：水泥或混凝土防水地面，1%的坡度，满足粪便运输车载负荷即可；简易大棚能防止雨水进入堆肥处理场；周围建设排水沟，相对高的三面排水沟与堆肥场地之间设有0.8米高的挡水墙或土坝埂，相对低的一面敞开，作为物料进出通道，形似“π”状；大棚附近或大棚内应设有辅料堆贮和机械粉碎场所；棚内至少有一台翻斗车和一台搅拌机；堆肥场地面积应与处理的粪污量相配套。

工艺流程：在物料的加工与配比完成之后，第一步，将物料堆成高度不超过1.2米、不低于1米的锥形或梯形。根据场地面积和物料处理量，逐渐延伸条垛长度，没有空气进入的条垛式堆肥，可在堆垛中竖一些秸秆通气，根据翻抛机械规格型号确定条垛宽度，每次物料堆积完成，便在堆垛上插一专用测温计；堆垛底部之间相距0.5米以上距离，堆垛区域周围留有3米以上通道，以方便翻抛机械和铲车作业，能充分场地利用空间。第二步，肥堆堆好后要经常检查堆内温度，一般堆积48小时后，堆中温度即可达到55℃，当温度达到60～70℃时可保持10小时左右，此时堆顶塌陷，冒热气，开始翻抛作业，把大块打碎，粪草混匀，较干部分补浇水分，再照原样堆好。2～3天左右，堆温再次升到60℃左右，再翻倒1次，整个发酵过程尽量翻3次堆，直至发酵完成，大约经过7～15天，即可实现无害化、腐熟化，物料含水量下降到40%左右。第三步，在最后一次翻抛作业时，选择功能性菌种添加，一般添加量为：每吨物料添加0.8千克生物菌种，进行二次发酵，发酵温度一般在45℃以下，10天之后，堆肥不再升温，含水量下降到30%左右，应尽快施用，避免贮存时间过长降低有益菌的活性。

优点：一是相对投资少，技术简便易行，操作简单；二是适合不同品种、不同规模，采用干清粪方式的各种养殖场；三是尤其适合种养结合、土地配套的各种养殖场，既能解决畜禽养殖和秸秆污染问题，又为农业提供了优质的肥料资源。

缺点：一是堆垛高度通常仅为1～1.2米，占地面积大；二是堆肥时间相对较长，臭气大，人工作业环境恶劣。

2.静态式通气堆肥技术。

场地建设要求：场地建设要求与条垛式堆肥相近或相似，但需要增设地面通气管道和空压设备。在通气堆肥条垛中轴，开挖10×10厘米槽沟，沟底为形，铺设一条直径7厘米左右的PVC曝气管道，PVC曝气管道双侧45℃开孔，间距20厘米、孔径直径1厘米，曝气管道埋设在槽中间，槽口低于平面2厘米，周围塞满鹅卵形石子，以管道正常通气不阻塞、地面机械作业不损坏曝气管道、堆中渗出的污水能顺形槽排入污水收集池为准；PVC曝气管道一端连接1台功率为3.7千瓦的强力送风机，另一端封堵。

工艺流程：方法和步骤与条垛式堆肥场地建设基本相近或相似，不同之处：一是由于堆垛高度可达1.5～2米，土地利用率相对高一些；二是依靠强制通气控制堆肥温度，每天间隔5小时曝气一次，每次曝气1小时。当堆肥条垛温度持续超过70℃或持续低于55℃时，增加翻抛次数或延长曝气时间，使堆肥条垛温度保持60～70℃达到10天以上。发酵时间相对短，恶臭气体相对少，氨气浓度相对大，智能化程度相对高；三是基础投资增加，运行成本提高。四是条垛需要一次性堆肥完成，才能充分有效利用曝气功能。如果在密封处理场所，棚顶架构需用赖腐蚀材料，还需安装臭气收集处理系统。

3.槽式发酵堆肥技术。投资大、处理粪污量大、运行成本较高，适合大型规模养殖企业、有机肥加工企业和第三方处理中心应用。

场地建设要求：一是要建设发酵槽，发酵槽高度1.8米、宽度10米，长度根据处理量和车间容纳空间而定；二是增设地面通气管道和空压设备，曝气管设置在发酵槽内，空压设备在发酵槽外侧，槽底地面曝气管道分总管和细管，总管和细管相联通，并在适当位置安装闸阀，总管为直径10 厘米左右的PVC管，细管为直径4厘米左右的PVC管，管道末端封堵。发酵槽槽底要开挖10×10厘米槽沟，沟底为形，最低端建立污水收集池；总管槽线与条垛平行，细管槽线与条垛垂直，细管埋设应置于槽之间，槽口低于平面2厘米，周围塞满石子，管道气孔口径直径5毫米，两侧分布，间隔10～15厘米，气孔分朝双侧45℃。三是在发酵槽顶部架设轨道式翻抛机，单个发酵槽的翻抛机在槽顶轨道上可前后移动，多个发酵槽并列时，增设前后左右均可移动轨道；四是潮湿地区和潮湿季节要特别注意密封车间通风除臭设备的动力配套，防止顶棚凝集水掉入发酵槽；五是规模化生产企业要提高装备自动化水平，物料运输必须依靠传送带运送。总之，场地建设要有利于场地上机械安全作业，有利于管道内气体注入堆中，有利于堆中渗出的污水顺形槽排入污水收集池。

工艺流程：在物料的加工与配比完成之后，第一步，通过传送带将物料运送至发酵槽，堆满发酵槽，每次物料堆积完成，便在堆垛上插一专用测温计；第二步，发酵槽堆满后要经常检查发酵槽内温度，一般堆积48小时后，堆中温度即可达到55℃，当温度达到60～70℃时可保持10小时左右，此时堆顶塌陷，冒热气，开始曝气，每天间隔5小时曝气一次，每次曝气1小时。当堆肥条垛温度持续超过70℃或持续低于55℃时，就要开启翻抛机。2～3天左右，堆温再次升到60℃左右，再翻倒1次，整个发酵过程尽量翻3次发酵槽，直至发酵完成，大约经过7～15天即可实现无害化，再经过10～15天即可实现腐熟化，物料含水量下降到40%左右。第三步，在最后一次翻抛作业时，选择功能性菌种添加，一般添加量为：每吨物料添加0.8千克生物菌种，进行二次发酵，发酵温度一般在45℃以下，后熟15～25天之后，堆肥不再升温，含水量下降到30%左右。第四步，一次发酵＋二次发酵大约经过45～60天，商用有机肥要按照商品有机肥技术指标进行技术筛分调理制肥、开展质量检测，最后按照商用有机肥标准包装入库并应尽快施用，避免贮存时间过长降低有益菌的活性。

4.固体粪污密闭堆肥技术。包括反应器堆肥、膜堆肥、发酵仓堆肥。反应器堆肥发酵时间不少于7天，发酵过程中产生的臭气、氨气可以集中收集，进行酸洗、生物质除臭等方式统一净化处理。膜堆肥是一种将条垛式堆肥和反应器堆肥相结合的堆肥技术，该技术充分利用复合膨体聚四氟乙烯膜的半透性和柔性特征，将臭气截留在堆体中，底部定期通风，发酵时间不少于14天，宜对场地进行硬化，堆体上方覆盖膨体聚四氟乙烯膜。主要设备有：塔式发酵一体机、流化床发酵装置、一体化智能好氧发酵系统，根据容积不同，规格型号不一。发酵仓堆肥是将物料送入箱式结构中，通过强制通风，静态发酵，具有除臭气、降抗生素、发酵时间短、降低粪污中水分等优点，对养殖场区疫病防控和净化作用大，是蛋鸡场粪污处理的第一道工序。目前市面上畜禽粪污发酵设备产品比较多，有些小型设备存在的主要问题是发酵产物只能做半成品（有机肥生产原料），需要进行二次或三次发酵。专用设备堆肥技术工艺流程，需要按照专用设备说明书作业。

三、过程控制的畜禽液态粪污处理要求和关键技术

在畜牧生产过程中，无论采取什么工艺模式，养殖场的液态粪污都会产生。粪污全量还田、粪水肥一体化利用和粪污能源化利用是畜禽液态粪污资源化利用的典型技术模式，是种养结合的最佳技术模式，也是古老的沤肥技术传承和创新。

1.畜禽液态粪污处理要求。按照《中华人民共和国土壤污染防治法》规定，畜禽粪便资源化利用的措施、种养结合农业耕作措施、有利于土壤改良和土壤肥力提升的措施等能防止土壤污染的一切措施，都受到鼓励和支持；《畜禽养殖业污染物排放标准》规定了防渗漏、防溢流、无害化处理要求，《农田灌溉水质标准》设定排放标准；《畜禽粪便无害化处理技术规范》规定了粪肥安全利用的蛔虫卵、钩虫卵、粪大肠菌群数、蚊子苍蝇四项卫生学指标；《畜禽粪便还田技术规范》对畜禽粪污处理、施用、减少养分损失、减轻环境影响提出了建议要求；《畜禽粪污土地承载力测算技术指南》对畜禽粪污所施农田的土壤状况、农林作物类型、种植制度等提出了适时适量施肥比例。

2.固液分离方法。

格栅分离方法：在沉砂池、集水池或水泵前必须设置格栅，以防堵塞水泵及其他设备、装置。机械格栅栅条间间隙宽度为16～25毫米。特大型养殖场采用机械格栅，大中小型养殖场采用人工格栅，人工格栅栅条间间隙宽度25～40毫米。

固液分离机分离方法：螺旋挤压分离粪污以及沼渣沼液的分离，粪污全量利用不需要分离。

3.贮存池系统建设设计。

集污池建设设计：密封管道收集畜禽舍污水，暂时存放。集污池有效容积（立方米）=日产粪污量（立方米/天）×集污时间（t）。集污池有效容积根据粪污量及停留时间确定，t—污水停留时间，d；一般采用0.5～1.0天（计算时转化为小时）。

调节池建设设计：调节池作用是存放及调节污液水质、污液水量和温度的配套设施。与集污池建设设计相似，但可以用相同容积的多个PE储罐（图2）替代。

◎图2 PE储罐

沼气发酵池设计：根据粪污量和粪水停留时间计算容积:V＝Q×t

V—沼气池（罐）有效容积，立方米； Q—粪污量，立方米/天； t—粪水停留时间，d：与粪污浓度和发酵温度有关，粪污浓度总固体（TS、DM）3%，15℃，t取40天；20℃，t取20天；25℃，t取15天；30℃，t取10天。黑膜沼气池，t大约100天。

沼气发酵池类型：砖混结构沼气池、钢筋混凝土结构沼气池、塑料结构沼气池、玻璃钢结构沼气池、钢结构沼气罐、黑膜沼气池等等。膜结构沼气池优点：单位容积造价低、粪污水停留时间长、埋于地下能利用地热、出水水质较好。膜结构沼气池缺点：产气效率低、出渣困难，清理费用也比较高、适合处理浓度比较低的冲洗污水；底部膜破损污染地下水、顶部膜破损，泄漏沼气；维修困难，有膜破、人落、窒息、死亡案例，存在较大安全隐患。

液态粪污贮存池建设设计：按照液态粪污贮存6个月计算，每个养殖场至少需要建设2个液态粪污贮存池。目前采用液态粪污贮存池：砖混结构贮存池和黑膜沼液贮存池。

每个液态粪污贮存池容积（立方米）=日产液态粪污量（立方米/天）×180天。

4.质量控制技术及工艺流程。

液体粪污覆盖贮存技术。包括固定式覆盖贮存和漂浮式覆盖贮存。固定式覆盖指在液体粪污贮存设施上加盖或覆膜，应配备气体通风口或气体回收处理装置，以防止易燃气体的积聚。漂浮式覆盖指采用几何形状的塑料覆盖片、蛭石等可漂浮物，宜用于降水较少区域表面积较大的液体粪污贮存设施。

液体粪污酸化贮存技术。通过添加酸化剂降低液体粪污pH值，将氮素以较稳定的铵盐形态保留在粪污中。常用的酸化剂有硫酸、过磷酸钙等，调节pH至5.5～6.5，酸化后的液体粪污需继续贮存发酵。现有研究表明，当粪污pH值小于6时，可减少氮损失50%以上。

液体粪肥覆盖式施用技术。采用喷施、浇施、冲施、淋施、条施、滴灌施等方式，将液体粪肥施用于土壤表面后，宜及时翻耕入土，减少粪肥在土壤表面停留时间，减小与空气接触面积。还可通过注射式等施肥方式，将液体粪肥施用于土壤表面以下3～35厘米。

粪污先经过格栅分离和固液分离机分离出粪渣和粪水，粪渣按照堆肥技术要求，生产农家肥或商用有机肥，卖给当地种植户，粪水输送到沼气池进行深度厌氧发酵，杀灭有毒有害病菌、病毒和寄生虫卵，密封发酵35天，然后通过溢流到黑膜沼液池再密封存贮180天以上。然后根据作物种植时间，作为基肥一次性还田。

5.非能源化沤肥技术。传统的畜禽液态粪污处理，是以厌氧发酵方式制肥，称为沤肥。所谓沤肥，是指将作物的秆、野草、绿肥、厩肥、垃圾、人粪尿、河泥等放在坑内，和水浸泡，经分解作用后，制成肥料。对于交通闭塞、土地较少的小养殖户来说，农家肥是很好的肥料来源，不仅能将种植养殖生产废料再次利用，还减少了污染。沤肥技术没有标准，干物质添加量可多可少，可以添加3%～5%的过磷酸钙，一般沤肥期应不少于60天，防雨、防渗、盖土是沤肥三招。

6.能源化液态粪污处理技术模式。

（1）规模畜禽场粪便污水主要治理模式与途径是“截污建池，发酵还田”。种养结合模式中的粪污全量还田、粪水肥料化利用和粪污能源化利用三种模式，其目标就是能源化（沼气）、资源化（肥料）、无害化（有机物降解、气味减少、杀灭病原微生物、破坏杂草种子、避免烧苗）。能源化（沼气）利用时，要求液态粪污中干物质含量在10%以内（进料TS＜10%），所以必须把从畜禽舍收集到的液态粪污固体物质分离出来，才能达到治理目标，其工艺流程（图3猪场粪污处理流程图）的基础性关键技术是固液分离和贮存池系统建设设计，以及在还田之前的质量控制技术。

◎图3 粪污处理流程图

（2）整县推进第三方集中资源化利用模式：秸秆粪污混合原料“沼气工程”。该工程应与当地秸秆粪污等农业农村有机废弃物综合利用规划、农村人居环境整治提质增效工作有效衔接，做到统筹发展，近远期结合。应充分考虑原料特性、沼气用途、沼渣液农田回用、投资与运营成本、长效管理机制，选择稳定可靠、操作简便的工艺技术，积极稳妥采用新工艺、新技术、新材料。对于先进技术和关键设备的运用，应以提高沼气工程综合效益、管护运营简便、引领技术进步为原则。用于集中供气或生物天然气提纯应进行加臭，加臭装置和加臭剂应符合CJJ/T 148的有关规定。用于沼气发电的供电系统应按现行GB 50052的“二级负荷”的规定设计。秸秆粪污混合原料沼气工程的设计年限不低于25年。秸秆粪污混合原料沼气工程相关施工操作，按NY/T 2141的规定执行。

工艺路线：秸秆粪污混合原料沼气工程工艺应包括原料贮存及预处理、沼气生产、沼气净化和贮存、沼气利用、沼渣液农田回用等环节。

原料贮存：秸秆原料贮存应在场区内或附近设置短期堆放场所，同时在场区外设置长期堆放场所；秸秆原料贮存场地的总容积应根据可收集半径内的原料特性、耕作制度、需求量等因素确定，以满足工程连续运行需要为基本原则，宜不少于7个月的秸秆原料供应量；粪污原料根据工程运行需要宜从周边养殖场（户）或集中收贮中心直接转运。

原料预处理：秸秆原料预处理设施包括粉碎间、搅拌进料池等，可根据工程运行需要选用预处理设施。秸秆原料预处理可采用粉碎、切碎、揉丝等方式，预处理后秸秆长度宜在30～100毫米范围之内。对于含砂及其他杂物较多的畜禽粪污原料，应设置格栅、沉砂池或除杂装置等。

进料及出料系统：秸秆粪污混合原料沼气工程进料宜采取高浓度（TS 8%～20%）、上进料的进料方式。农作物秸秆进料系统应采用适合农作物秸秆物性的专用设备和防堵塞设计，宜采用高浓度活塞式进料设备。宜批次进料，布料点不少于2个，并在厌氧发酵罐顶部设置沼液喷淋装置。出料系统主要依靠自重实现出料，宜采用高浓度活塞式出料设备辅助出料。

进料流量计算：Q＝V/HRT×85%

Q－每天进料量，单位为立方米每天（立方米/天）；V—发酵罐容积，单位为立方米（立方米）；

HRT—水力滞留时间，单位为天（d）。

进料池有效容积计算： W＝Q/2

W—进料池有效容积，单位为立方米（立方米）。每天两次进料，进料池容积应在进料池有效容积基础上增加5%～10%。

沼气生产：秸秆粪污混合原料沼气工程可采取无搅拌、中温（35℃±2℃）厌氧发酵工艺。农作物秸秆和畜禽粪便混合满足适宜碳氮比要求，秸秆粪污混合原料发酵水力滞留时间宜设置35天以上，厌氧发酵罐应采用抗渗混凝土或抗腐蚀钢结构等材质，应采取保温和增温措施，用于集中供气或生物天然气提纯的工程，厌氧发酵罐的个数不宜少于2个，厌氧发酵罐应设置物料高度和液面高度检测装置，各类秸秆消耗量折算表参照NY/T 2142的规定。

◎图4 秸秆粪污混合原料沼气工程工艺路线图