规模化猪场粪污生态循环利用工艺设计

庞建建，那 蕊

（北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094）

随着社会的发展和人们对肉类日益增长的需求，中国畜牧业由集约化转变为规模化养殖，但是规模化养殖也带来了新的问题，养殖场粪污资源化利用率低，污染环境的同时还造成了资源浪费；种植业为了追求更高的产量，过量使用化肥，不但造成土壤质量恶化，还会导致粮食和农产品的品质下降，影响人民身体健康。2017 年以来，国家对大气环境的治理成效显著，并越来越重视养殖场的环境污染问题，先后制定了多项措施和法律法规促进该工作的推进和执行。2022 年2 月，农业农村部印发的《推进生态农场建设的指导意见》中提到，推广化肥减量、畜禽粪污资源化利用、有机肥替代等技术，形成生态循环农业发展模式。因此，实现猪场粪污的资源化利用，寻找适合规模化猪场粪污资源化利用的工艺已迫在眉睫。本研究以山西省某猪场为例，介绍了生态循环利用工艺设计思路及方法，探索该工艺的可行性，以期为猪场的粪污处理设计提供思路和借鉴。

1 畜禽污染资源化处理常用模式

2017 年农业部印发的《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017—2020 年）》中提出了7 种重点推广应用的畜禽污染资源化处理模式，表1 为这7 种处理模式优缺点的对比［1-4］。

由表1 可知，每种粪污资源化处理模式都有一定的适用范围，所以要根据养殖场具体的情况制定合适的处理模式。山西省某猪场周围配套足够的玉米地以消纳液体粪污，因此该猪场在污水肥料化利用模式的基础上，加入并优化了其他模式，形成了猪场粪污生态循环利用工艺模式。该猪场采用的工艺是基于法国、丹麦等畜牧业先进国家在粪污存储利用方面的经验［5，6］，结合中国的实际情况设计出种养结合生态循环利用工艺，即固液分离-液体粪污存储发酵-液体有机肥还田、固体粪污堆肥发酵-固体有机肥出售。该工艺粪污处理简单有效，最大化利用猪场粪污。

表1 7 种畜禽污染资源化处理模式的对比

2 猪场粪污生态循环利用工艺

2.1 工艺流程

山西省某猪场周围配套了一定量的土地，可以消纳其所生产的液体有机肥，因此可选用“固液分离-液体粪污存储发酵-液体有机肥还田、固体粪污堆肥发酵-固体有机肥出售”的种养结合生态循环利用工艺。其生态循环利用工艺流程如图1 所示。

图1 生态循环利用工艺流程

2.2 主要工艺单元

2.2.1 预处理——固液分离 猪舍内的粪污由漏缝地板漏下后经刮板刮至集污池，集污池内的搅拌机将其搅拌均匀，用切割泵切碎并提升粪污至固液分离机，固液分离后进行下一步的处理。集污池的有效容积按照猪场粪尿日最大排放量的1.5 倍设计，设计为正方形，深度为5.0～6.0 m，有效深度为3.5～4.0 m；固液分离机的选型为电机5.5 kW，处理量为12～20 m3/h，经处理后的液体部分含固率为2%，固体部分含水率为70%，分别进行下一步的处理利用［7，8］。

2.2.2 资源化处理——液体存储发酵 固液分离后的液体部分施用前需进行发酵，发酵时间一般按照6 个月进行设计，本设计的发酵装置选用畜禽粪污存储系统。畜禽粪污存储系统采用高密度聚乙烯材料，是一种防蒸发防渗透的高效绿色存储装置，由存储塘本体、防蒸发防渗透装置、安全膜、报警装置和进出料系统组成；存储塘本体由侧壁和塘底组成；防蒸发防渗透装置由底膜和浮动膜两部分组成［9］。该系统的关键设施为安全膜和报警装置，防止粪污的渗漏；液体粪污存储在存储塘本体和防渗防蒸发装置组成的密闭空间内，服务池和进出水管道是液体粪污的进出通道，具体如图2 所示。

图2 畜禽粪污存储系统

2.2.3 资源化处理——固体堆肥 将固液分离后的固体部分加入发酵菌剂（尿素等）、稻草、秸秆等辅料，然后调节发酵物料的水分含量在50%～60%，碳氮比（25∶1）～（30∶1），蓬松度（容重不大于0.6 t/m3），酸碱度（pH 在5.5～8.0）［10］。混合均匀后送入氧气，进行好氧连续发酵。经过一次发酵（7～15 d）和二次发酵陈化（7～15 d），可使固体粪肥中的有机物分解、稳定，直接作为有机肥施用或经过分选、制粒、包装后作为商品有机肥销售。

2.2.4 资源化利用——有机肥还田 还田施肥要根据施肥地的具体情况制定方案，施肥不当会影响农产品质量、污染环境和对土壤造成不良影响，所以有机肥还田最主要是进行养分管理。国外的还田模式主要采用这种模式，如加拿大、英国和荷兰等养殖场都是通过养分管理进行粪肥的合理施用和氮磷养分的平衡［11］。根据猪场所产生的有机肥估算有机肥的养分含量，取样测算施肥地的土壤肥力，分析农作物的养分需求［12］，计算有机肥的施肥量，最后估算需要配套的土地规模。

项目运行后，每隔一段时间，需进行有机肥取样并测定其养分含量，同时检测土壤肥力，根据测算结果和作物的养分需要调整有机肥的最佳用量，避免因施肥过多或过少造成不良后果。

3 猪场粪污生态循环利用工艺设计

3.1 项目概况及工艺概况

该猪场有6 200 头基础母猪，每天产生的粪尿量为238 t，采用粪污一体化生态循环利用工艺，每年可产生固体有机肥3 345 t和液体有机肥75 140 t；将固体有机肥出售；液体有机肥还田，以替代50%化肥、有机肥当季利用率30%计，可满足445 hm2玉米地施肥需要。

3.2 设计方法

根据猪场日产粪尿量配备固液分离机，首先依据固液分离机的含水率和含固率计算固、液有机肥日产粪尿量，然后根据固、液有机肥日产粪尿设计集污池等构筑物，最后根据液体有机肥的年产量计算有效养分，从而计算配套的土地。

3.2.1 日产粪尿量的计算 该猪场基础母猪6 200头，猪场猪群结构及日产粪尿量见表2，每天粪尿量为238 t。

3.2.2 有机肥产量计算、粪污处理间及设备的配备

1）固液分离系统物料平衡。根据表3 计算出固液分离后的固体部分和液体部分，为固、液发酵的配备物和固、液有机肥的产量提供准确的数值，并间接为粪污处理构筑物的设计和设备配置提供依据。

表3 固液分离系统物料平衡

2）固体有机肥产量。根据表3 中提到固液分离后的固体部分，计算出发酵所需的物料量，进一步计算出固体有机肥的日产量和年产量。由表4 可知，经过一次发酵及二次陈化后，该猪场年产固体有机肥3 345 t，可直接作为有机肥施用或经过分选、制粒、包装后作为商品有机肥销售。

表4 固体有机肥产量

3）液体有机肥产量。由表5 可知，该猪场液体有机肥的日产量为205.87 t，年产量为75 140.00 t，通过科学的检测、计算确定有机肥的施肥量，最后施用于配套的玉米地。

表5 液体有机肥产量

4）主要构筑物设计。粪污处理中集污池的尺寸根据表2 中日产粪尿量设计，液体池和存储塘的容积按照固液分离后液体有机肥日产量设计，固液分离车间根据集污池和液体池的设计计算。构筑物的规格及数量如表6 所示。

表6 主要构筑物设计

5）主要设备配置。粪污处理中固液分离机、搅拌机、切割泵等设备的选型和数量按照表2 中日产粪尿的产量选择和计算数量。具体如表7 所示。

表7 主要设备配置

3.2.3 配套土地的计算方法 猪场周围配套一定面积的玉米地，用以消纳猪场所产生的液体有机肥。利用泵及管路将液体有机肥输送到玉米地，通过注入式施肥车将液体有机肥施入到农田中，用以改良土壤和增加肥力，形成生态农业循环模式。山西省属黄土高原，土壤养分含量不高，年降水量少，种植制度为一年一季。由于固体有机肥便于运输且市场售价较高，因此固体有机肥作销售处理。

1）有机肥产量及养分产生量。如表1 所示，该猪场每天产生的粪尿量为238 t，固、液有机肥产生量和其中氮、磷、钾含量如表8 所示。液体有机肥中氮、磷、钾的含量占比分别为0.20%、0.06%、0.10%，即N、P2O5和K2O 的量分别为150、45、75 t。

表8 固、液有机肥中养分含量占比

2）施肥时间和施肥量。本项目按每季施肥4 次设计，施肥时间和施肥量分别为春玉米收获后（11 月上旬）施入40%的液体有机肥（设计液体肥施肥量的40%）；春玉米播种前（4 月上旬）施入40%的液体有机肥（设计液体肥施肥量的40%）；春玉米生长期内（5 月中旬、6 月下旬）分2 次各施入10%的液体有机肥作为追肥（设计液体肥施肥量的10%），全部施肥过程配合化肥施用。

3）玉米地面积确定。本项目初步设计以氮为养分控制元素进行有机肥还田计算，且根据张福锁等［13］的研究，华北地区目标产量为600 kg 时，每公顷玉米地氮肥需求量为225 kg，按有机肥替代50%化肥、有机肥当季利用率为30%计算，则每公顷玉米地每年需要液体有机肥168.75 t，因此共需要445 hm2玉米地来消纳该猪场所产生的液体有机肥。

以上设计中农田粪肥养分施用量的计算采用养分平衡方法，未考虑当季土壤供肥量。项目投入生产后，需建立养分管理制度，定期对所生产的有机肥养分含量、配套土地土壤肥力进行取样检测，并分析农作物养分需求，动态调整有机肥施用量，减少还田不当造成的不良影响。

4 生态效益和经济效益

该猪场周围有足够消纳所产生的液体有机肥的玉米地，因此选择粪污一体化的生态循环利用工艺。该工艺为种养结合循环利用模式，具有资源化利用程度高、投资低、收益高、环境污染小等优点，猪场周围有一定量的土地用来消纳液体有机肥即可适用。

该猪场有6 200 头基础母猪，每天产生的粪尿量为238 t，每年产生固体有机肥3 345 t 和液体有机肥75 140 t；将固体有机肥出售，每年产生效益100.35万元；液体有机肥还田，以替代50%化肥、有机肥当季利用率30%计，采用养分平衡方法计算该猪场施用于每公顷玉米地的液体有机肥量为168.75 t/d，可满足445 hm2玉米地的施肥需要，每年经济效益为225.42 万元。此数据为理论数据，项目投入生产后，需建立养分管理制度，对有机肥施用量进行动态调整，以减少还田不当造成的影响。

5 小结

本案例猪场基于粪肥资源化利用理念，采用猪场粪污生态循环利用工艺模式，实现了猪场粪污的综合利用。生态循环利用工艺，粪污固液分离后，液体部分应用畜禽粪污存储系统发酵后即可施用田地，固体有机肥堆肥发酵后可进行出售。因此，该粪污处理模式既实现了猪场粪污的资源化利用，又有效解决了猪场粪污污染环境的问题，且生态效益和经济效益显著，对规模化猪场的粪污处理有一定的借鉴作用。