規模化豬場糞污的動態干發酵處理工藝

摘要：針對當前濕式厭氧發酵存在的沼液難于處理的問題，以解決集約化豬場糞污達到“近零排放”為目標，利用稻草作為污水吸附劑和物料的調理劑，采用厭氧干發酵滲濾液回流工藝處理規模化豬場糞污，通過試驗確定了秸稈飽和吸水率、前處理時間、滲濾液回流周期、厭氧發酵周期以及后處理周期等工藝參數。結果表明，該工藝在規模化豬場糞污處理方面具有可行性，基本上可以解決糞污處理問題。厭氧發酵結束后，再進一步處理，將沼渣制肥，對外無污染排放，可以實現污染物的“近零排放”。

關鍵詞：規模化豬場；糞污；動態干發酵；處理工藝

中圖分類號：X713 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2273-04

隨著人民生活水平的提高和農牧業產業結構的調整，集約化養殖場數量和規模不斷擴大，同時產生了大量的污染物，主要包括糞便、尿液以及沖洗水。這些污染物直接或間接造成了環境污染。2005年統計數據顯示，畜禽糞便年產生量達20.1億t（濕重）[1]。大量的畜禽糞便隨意處置不僅嚴重污染了空氣、地下水，影響了城市居住環境，而且產生了大量的甲烷等溫室氣體。

目前，對畜禽糞便主要的資源化利用方式有通過沼氣工程和好氧堆肥生產肥料。然而，無論是沼氣工程還是堆肥工程都有它的缺點。堆肥雖然是一個好的無害化處理方式，但是堆肥的過程中產生大量的臭氣揮發到空氣中，會造成主要營養元素N素的損失和由此引發的空氣污染。近年來，政府積極推廣的大中型沼氣工程，由于大部分采用的是濕式發酵工藝，存在一個較為突出的問題是發酵后產生大量沼液，通常的做法是作為肥料施入農田，但是作物自身的生長周期決定了不能頻繁大量施肥，也就是說作物生長受季節限制的同時還受土地量的限制，從而就導致了大量的沼液滯留。通常把總固體含量20%～30%的厭氧發酵稱為干式厭氧發酵， 固態發酵具有發酵后幾乎不產生沼液、沼渣不需脫水、容積產氣率高等優點。但是由于其物料間傳質效率低，導致了發酵周期長等問題。

研究以處理集約化豬場糞污為主，以糞污達到“近零排放”為目的，設計了可行的工藝：物料好氧堆置法預處理，運用干發酵工藝，通過滲濾液反復回流增加物料之間的傳質。通過動態回流試驗與靜態小型對照試驗進行發酵效果對比，論證其可行性并最終確定工藝參數，為該工藝在萬頭規模以上豬場糞污處理方面推廣應用打下理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

動態回流試驗和靜態小型對照試驗裝置分別如圖1、圖2所示。

1.2 試驗材料

試驗所用豬糞、沖洗水取自華中農業大學附近某養豬場；水稻秸稈取自華中農業大學水稻試驗田（試驗前在干燥狀態下儲存）；滲濾液使用預試驗后保存的滲濾液，測得其COD為24 759 mg/L。豬糞、水稻秸稈、沖洗水的理化特性見表1。

1.3 試驗方法

水稻秸稈吸附污水：先將150 kg干水稻秸稈粉碎至長度為3～5 cm、寬度為1～3 mm，使水稻秸稈的表面蠟質層破壞。然后，根據試驗測得的水稻秸稈達到飽和狀態所需要的時間，將水稻秸稈浸泡在盛滿污水的水池中浸泡3 h，按試驗結果計算其飽和含水率為80%。

進料：物料比例按試驗測得的豬場糞污實際比例搭配，將水稻秸稈和豬糞按1∶2.2進料，其中水稻秸稈150 kg，豬糞330 kg，污水600 kg（水稻秸稈已吸附污水），共計1 080 kg。經測定物料飽和含水率為80%，過量污水自流到滲濾液罐中，經測定碳氮比為22.11。先攪拌均勻后轉移至固體發酵罐內，取出少量物料接種10%滲濾液，做靜態小型對照試驗3。裝料后，少量滲濾液自流到滲濾液罐中，敞口進行好養發酵升溫。

好氧前處理：將裝滿物料的發酵裝置敞口放置，自然發酵，時間不宜過長，以超過55 ℃ 3 d以上為標準。好氧發酵結束后，取出一部分接種10%滲濾液做靜態小型對照試驗2，另取出一部分接種10%污泥做靜態小型對照試驗1，將裝置上蓋加水密封。

試驗在華中農業大學工科基地一溫室內進行，由于固體發酵罐設計安裝了夾層隔熱保溫層，罐內的溫度波動范圍較小，可認為試驗是于接近中溫的環境中進行。靜態小型對照試驗1、2、3在35 ℃水浴鍋內進行。

試驗開始后，先進行好氧堆置，至溫度升到55 ℃以上3 d后，大概用了7 d的時間，密封。每天19∶00噴淋回流20 min。所產生的氣體通過脫硫器脫硫后，用燃氣表每天19∶00記錄一次產氣量，并于每天19∶00回流后采集滲濾液罐內的滲濾液進行分析。靜態小型對照試驗1、2、3不回流。

1.4 測定方法

沼氣成分分析參考文獻[2]的方法；種子發芽指數（GI）試驗將滲濾液稀釋10倍，具體做法參照文獻[3]的方法。

啟動時間：啟動時間也是衡量沼氣發酵好壞的重要指標，但是至今沒有人明確定義啟動與否的判斷標準，如全桂香等[4]以開始產氣為標準，而黃如一等[5]以放氣試火可以點燃為標準。當沼氣發酵罐（瓶）可以持續產氣，沼氣中O2完全消失，CH4含量高于45%時，此時的氣體可以點燃，火焰為淡藍色，燃燒穩定。研究中將啟動標準量化，以沼氣中CH4含量高于45%、O2完全消失、產氣率和甲烷含量快速上升作為判斷標準定義為沼氣發酵已經啟動。

水稻秸稈飽和含水率：粉碎后的水稻秸稈在室溫下浸泡在污水中，分別在吸水0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、20.0 h取樣測定含水率，取樣時以水不滴為準。

2 結果與分析

2.1 水稻秸稈飽和吸水試驗結果

試驗結果（圖3）表明，在0.5～1.0 h吸水較快，1.0～3.0 h吸水速度較慢，3 h后含水率幾乎穩定在80%，至20 h其含水率也僅僅增加了1%，可見吸水的過程3 h已經足夠。吸水速度快的原因是鍘撕機粉碎將水稻秸稈表面的蠟質和氣腔結構破壞。

2.2 不同試驗啟動時間和甲烷含量變化

啟動時間是評價沼氣厭氧發酵效果好壞的重要指標之一。動態回流試驗于2010年8月開始，發酵條件屬于明顯的厭氧固體發酵，采用滲濾液接種，發酵底物為豬糞和水稻秸稈。厭氧發酵之前的好氧堆置對大分子物質起到了很好的水解作用，加之過濾回流泵使滲濾液從上部噴淋，滲濾液緩慢滲透到底部，增加了底物和微生物之間的接觸，從而可以克服固體厭氧發酵傳質效果差的問題，因此試驗啟動時間較短，豬糞和污泥中大量的微生物將氧氣迅速耗盡，沼氣中甲烷含量如圖4所示。由圖4可知，至第3天沼氣中甲烷含量超過了45.0%，達到了46.9%，啟動已經完成。而靜態小型對照試驗1、2、3的啟動時間分別為6、8和6 d，較動態回流試驗分別晚了3、5和3 d。但是，無論回流還是不回流，厭氧發酵啟動后，沼氣中甲烷含量都會一直處于50%～70%，在整個發酵周期都較為穩定。

2.3 不同試驗容積產氣率變化

如圖5所示，動態回流試驗前3 d為啟動期，第4天到第23天每立方米共產沼氣20.04 m3，平均每天每立方米約產沼氣1 m3，最大每天每立方米產沼氣1.19 m3，最小每天每立方米產沼氣0.73 m3。將啟動后20 d的容積產氣率與靜態小型對照試驗1、2、3進行多重比較，結果（表2）表明。啟動后20 d動態回流試驗容積產氣率遠遠高于靜態小型對照試驗1、2、3，差異極顯著，接種污泥比接種滲濾液產氣效果好，但是動態回流試驗增加回流后其容積產氣量大幅度提升，可見滲濾液回流對試驗的影響較大。

2.4 動態回流試驗溫度變化

根據堆肥過程中溫度的變化，可以將堆肥分為3個階段[6]，即中溫階段、高溫階段和腐熟階段。大多數病原菌對溫度都較為敏感，當堆體溫度超過55 ℃，并保持3 d可殺死大多數致病微生物。正常堆肥兩天左右即可達到高溫階段。糞便中含有大量的微生物，將其與秸稈一起堆置，其中的微生物有助于秸稈的分解，但是好養過程中氮素的大量揮發不僅造成肥效的下降還會造成環境污染。

試驗過程中發現物料內部溫度和外層溫度差異很小，僅列出內部溫度如圖6所示。從圖6可以看出，前7 d好氧階段溫度迅速上升，第3天即達到中溫階段，第4天溫度達到50 ℃，進入高溫階段，第5、6、7天連續3 d溫度都超過了55 ℃，達到了預想的效果。第8天密閉發酵罐開始發酵，初次回流后由于滲濾液的溫度較低，溫度開始下降，到第10天后溫度穩定在35 ℃左右，屬于中溫發酵的范疇。

2.5 動態回流試驗pH變化

圖7結果表明，試驗過程中pH始終處于穩定的狀態，略偏堿性，pH 7～8，屬于合理的pH范圍，沒有出現酸化現象。靜態小型對照試驗雖然產氣量低，但是也沒有出現酸化現象。可見，豬糞和水稻秸稈在該比例下混合發酵不易出現有機酸積累。

2.6 種子發芽指數試驗結果

種子發芽指數是判斷有機肥料是否能夠農用的重要指標。如圖8所示，滲濾液稀釋10倍后處理種子，發酵20 d后的滲濾液處理時其發芽指數雖然整體有上升的趨勢，但是并不穩定。說明發酵后的滲濾液由于含有NH3等物質，對農作物種子發芽有一定的影響，需要進一步的處理才可以農用。

3 結論與討論

1）動態回流試驗在中溫的條件下進行，啟動時間為3 d，較靜態小型對照試驗1、2、3分別提前了3、5和3 d。此差異說明好氧堆置預處理和回流有助于縮短啟動時間。

2）動態回流試驗容積產氣率較靜態小型對照試驗有極顯著的提高，動態回流試驗每天回流20 min，啟動后20 d的容積產氣率比靜態小型對照試驗1、2、3分別提高了38.61%、87.86%、144.37%，效果較為明顯。說明滲濾液回流有助于沼氣產量的提高，滲濾液反復回流比接種活性污泥靜態發酵產氣量有大幅度提升，說明干發酵過程中接種滲濾液替代活性污泥是可行的。

3）動態回流試驗產氣量持續在較高水平，pH、CH4含量穩定，可以實現持續供氣。

4）通過試驗研究得出的可行工藝為：使用水稻秸稈作為吸附劑，將規模化豬場污水吸附達到飽和狀態后，與豬糞（干、清）混合進行好氧發酵，好氧時間一般為7 d左右。好氧堆置結束后，進行厭氧發酵，厭氧過程中每天回流滲濾液20 min。厭氧發酵結束后，將沼渣和部分循環沼液制肥，對外無污水排放。前處理不需要水稻秸稈復合菌劑，發酵過程也不需要接種活性污泥，可以減少機械攪拌次數，節約動力，該試驗得到的工藝有較大的推廣應用價值。

5）限于試驗條件，動態回流試驗為中試，將中試結果與靜態小型試驗比較，略有不足。一般來說小型試驗由于其試驗條件理想，效果優于同條件下的中試，所以實際應用中此工藝的優勢可能更明顯。

參考文獻：

[1] 國家統計局.中國統計摘要[M].北京：中國統計出版社，2006.

[2] WANG Y Y，ZHANG Y L，MENG L， et al. Hydrogen-methane production from swine manure： Effect of pretreatment and VFAs accumulation on gas yield[J]. Biomass and Bioenergy，2009，33（9）：1131-1138.

[3] 孫曉杰，王洪濤，陸文靜.通風量對糞渣與樹葉共堆肥的影響[J].農業工程學報，2009，25（9）：249-253.

[4] 全桂香，常志州，葉小梅，等.秸稈沼氣干發酵快速啟動條件與影響因素研究[J].江蘇農業科學，2009（3）：366-368.

[5] 黃如一，何萬寧，唐和建，等.秸稈預處理產沼氣對比試驗[J].中國沼氣，2008，26（4）：24-26.

[6] 曾光明，黃國和，袁興中，等.堆肥環境生物與控制[M].北京：科學出版社，2006.