規模化豬場廢棄物循環利用模式及關鍵技術探討

董雪云，陶　敬，張　潔*，閆曉明*，陸　鈺，鄭露露，何成芳，朱鴻杰

（1.合肥學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省農業科學院 農產品加工研究所，安徽 合肥 230031）

規模化豬場廢棄物循環利用模式及關鍵技術探討

董雪云1，陶敬2，張潔1*，閆曉明2*，陸鈺2，鄭露露1，何成芳2，朱鴻杰2

（1.合肥學院，安徽 合肥 230601；2.安徽省農業科學院 農產品加工研究所，安徽 合肥 230031）

應用沼氣 （厭氧）+A/O處理+三級氧化塘/農田消納模式對規模化豬場糞污進行處理。該處理模式由4個系統構成，包括廢棄物排放控制系統、沼氣回收利用系統、污水處理系統、物質循環利用系統。廢棄物排放控制系統通過水泡糞工藝使養豬場污水日排放量減少70%，沼氣回收利用系統通過全混式厭氧反應器對糞污中溫厭氧發酵產生清潔能源沼氣，污水處理系統由A/O池和三級氧化塘處理實現污水無害化，物質循環利用系統充分利用豬場糞渣、沼渣和沼液。年出欄10萬頭規模化豬場應用該模式，運行結果表明，該模式能夠解決規模化豬場區域內部產生的廢棄物再利用問題，避免糞污排放造成環境污染，有望為規模化豬場建立一種實用生態型技術模式。

規模化豬場；廢棄物；循環利用

文獻著錄格式：董雪云，陶敬，張潔，等.規模化豬場廢棄物循環利用模式及關鍵技術探討 ［J］.浙江農業科學，2015，56（12）：2071-2074.

根據2014年國家統計公報，2013年全國生豬出欄71 557萬頭，年底存欄47 411萬頭［1］。根據中國種豬信息網統計，2013年全年進口種豬17 656頭，2014年6月末，存欄42 895萬頭。據估算，2011年我國僅豬飼養產生的COD（化學耗氧量）、氮、氨氮及磷排量分別達到2 382.1萬t，244.8萬t，119.1萬t和37.1萬t［2］。每年產生大量畜禽糞污，不妥善處置會造成土壤、水質及空氣等生態環境污染，并對動物和人類健康構成威脅。目前，針對豬糞處理技術主要有厭氧消化、好氧處理、生物膜處理、汽提法等［3-4］。其中，厭氧消化產沼氣是一種可持續發展的技術，也是國家能源局 “十三五”規劃中的內容之一。

本項目依據循環經濟的4R原則，即減量化（reduce）、無害化（recycle）、資源化（reuse）和生態化 （rep lace）。通過關鍵技術研究，構建存欄兩萬頭的規模化養豬場糞污循環利用模式，并結合工程實例進行關鍵技術分析總結，以期為推進規模化養豬場的可持續循環發展提供參考。

1　規模化種豬養殖場基本概況

項目實施地點位于滁州市鳳陽縣小崗村，地理條件優越，自然資源豐富，年平均氣溫15℃，日照2 248 h，年降雨量800～1 000 mm，無霜期210 d，氣候溫和，雨量適中，四季分明，適合動植物生長、繁育。

項目實施的主體是小崗寶迪種豬科技有限公司，公司養殖基地占地60 hm2，年存欄種豬20 016頭，年出欄10萬頭左右，日排放糞污約392.06 t（表1），養殖基地周邊有配套農田530 hm2。COD 為13 000～20 000 mg.L-1，BOD（生化需氧量）為6 500～10 000 mg.L-1，NH3-N為848～1 000 mg. L-1，SS（懸浮物）為15 000～25 000 mg.L-1，pH值7.0～8.0。

表1　種豬養豬場日排污量基本狀況

2　糞污處理利用循環模式

目前，規模化養豬場糞污處理模式基本可分為3種：沼氣 （厭氧）-還田模式；沼氣 （厭氧）-自然處理模式；沼氣 （厭氧）-好氧處理模式等［5］。沼氣 （厭氧）-還田模式資源化程度高，但需要大量農田消納糞污；沼氣 （厭氧）-自然處理模式運行管理費用低，但土地占用量大，處理效果易受季節溫度影響；沼氣 （厭氧）-好氧處理模式占地較小，但運行費用及維護費用高，不適合小規模豬場。

該項目研究主體養豬場規模比較大，且周圍土地十分緊缺，采用CSTR（全混式厭氧）沼氣+ A/O處理 +三級氧化塘/農田消納處理模式 （圖1）。該模式是在上述3種處理模式的基礎上，根據自身所處自然環境、經濟條件以及豬場規模等，對糞污處理模式做出的適當調整，將其效益發揮到最大。其中，沼氣厭氧處理是核心，農田消納是沼氣厭氧處理的輔助措施。這種模式工藝可分為4個系統：廢棄物排放控制系統、沼氣回收利用系統、污水處理系統、物質循環利用系統。采用多級廢水處理系統其首要目的是利用有效的技術去除主要污染物，并減少成本 （資本和運營成本），同時保持其運行能力使水質達到排放標準。

圖1　廢棄物處理與循環利用模式工藝

3　廢棄物處理利用關鍵技術及其應用效果

3.1廢棄物排放控制及處理效果

3.1.1廢棄物排放控制

規模化養豬場為降低能耗、減少勞動力、節約用水，常采用水泡糞清糞工藝。水泡糞工藝在國外已大范圍使用多年，其工藝是很成熟的。尤其像歐美等國家，水泡糞是普遍使用的家畜養殖廢棄物收集方法［6］。圖2為養殖場常用的水泡糞工藝流程。

圖2　水泡糞的工藝流程

水泡糞工藝中糞尿及水在養殖場內停留1個月左右，養殖場嚴格控制沖洗用水量，污水日排放量相對于水沖糞工藝減少約70%，工藝簡單，不受氣候變化影響，但其產生大量的惡臭氣體如NH3，H2S，SO2等［7］。為保障人和豬的健康生活，該豬場在水泡糞池中加入了生物除臭菌劑，硫化氫和氨氣濃度分別降低了83.3%和76.1%，除臭效果明顯，達到 《畜禽場環境質量標準》（NY/T 388—1999）規定。

此外，規模化養豬場其糞便污水排放量大，水量集中，且污染物濃度高。為了減少污水處理水的停留時間，降低工程投資，大都采用固液分離和沉淀等前處理技術［8］。

3.1.2廢棄物排放控制處理效果

養豬場糞污經水泡糞和固液分離后水質特征如表2所示。

表2　養豬場糞污水泡糞及固液分離后水質特征

3.2沼氣厭氧發酵及沼氣利用效果

3.2.1沼氣厭氧發酵

沼氣厭氧發酵是規模化養殖場糞污資源化及減量化處理的首選工藝，也是養殖場可持續發展的根本。沼氣厭氧發酵是在無氧氣和外源能量的條件下，利用厭氧性微生物的代謝特性，分解有機物同時產生沼氣的過程。厭氧消化過程主要分為水解、產氫產乙酸和產甲烷3個階段［9］。本項目采用CSTR反應器進行沼氣厭氧發酵研究 （圖 3），CSTR反應器具有連續進行沼氣生產、微生物能力強、傳質效果好、處理效果和產氣性能較好等特性，并且輸出的沼氣壓力可控制在設計的壓力范圍之內。此外，其內設有循環攪拌系統可最大化的進行產氣，可避免液面浮渣的結殼。反應器對COD和SS的去除具有較好的效果。豬場建設厭氧發酵池900 m3，反應器內部溫度38℃左右，進料TS濃度7.6%～10.0%，水力停留時間10～20 d，pH 值6.5～7.5，反應器對COD去除率80%～90%，SS去除率平均為70%，對氨氮和磷均有一定的去除效果。日產沼氣600～950 m3，平均800 m3，日產沼液約390 m3，日產沼渣約5 t，年產沼氣21.9 萬m3。

圖3　沼氣厭氧發酵的工藝流程

3.2.2沼氣利用效果

豬糞水通過沼氣厭氧發酵處理，經脫硫等凈化后，甲烷含量一般占65%～80%，含25 825～31 785 k J.m-3的熱能，是良好的清潔能源。年產沼氣21.9萬m3，年可發電約32.85萬kW.h，這些沼氣首先滿足全場70多名職工生活用氣，平均日消耗沼氣150 m3，年用沼氣約5萬m3，剩余沼氣用于發電，供應豬場及周邊農戶使用。既避免了利用不完的沼氣直接排放影響大氣環境質量，又為豬場節約電費。

3.3污水處理工藝及處理效果

3.3.1污水處理工藝

污水處理采用A/O工藝，日處理量390 m3左右。污水在A/O池中進行缺氧好氧反應，利用池中好氧微生物的代謝作用將大量的有機污染物和氨氮去除，從而使廢水得到凈化［10］。

另外，該豬場配有26 600 m3的三級氧化塘，氧化塘具有處理成本低，操作管理容易，不僅能取得良好的BOD去除效果，還可以有效地去除氮、磷營養物質及病原菌［11］。氧化塘深約2 m，水力停留時間30 d，塘中配有浮游植物等，A/O處理后的污水營養豐富，可以培養大量的浮游生物，水體在氧化塘中可達到自凈作用，促使污水達到進一步的凈化作用，最終可達標回用。

3.3.2污水處理效果

該項目養豬場糞污A/O及三級氧化塘處理廢水的運行效果見表3。出水COD，BOD，NH3-N，SS，磷分別低于400 mg.L-1，150 mg.L-1，80 mg.L-1，200 mg.L-1，8.0 mg.L-1，達到《畜禽養殖業污染物排放標準》（GB 18596—2001）和農田灌溉水質標準 （GB 5084—2005）。

表3　養豬場糞污A/O池及三級氧化塘處理水質特征

3.4物質循環利用

產生的廢棄物包括水泡糞沉淀后收集的糞渣、沼氣發酵產生的沼渣、沼液等，其資源特性見表4。沉淀收集的糞渣有機質含量為 68.1%，氮、磷、鉀含量分別達4.21%，2.43%，0.61%，是良好的農業肥料資源。但由于含水率較高（89.0%），含揮發性惡臭物質 （MVOCs），運輸難度大，并且直接利用會對周邊環境造成嚴重的二次污染。故本項目針對養豬場固體廢棄物資源化利用方面采用的是生態有機肥堆肥技術。

表4　養豬場糞污及多級處理后的資源特性

3.4.1有機肥堆肥工藝

采用槽式發酵、高溫堆肥，自走式翻堆機進行由出口端向入口端定量、定時地翻堆。在翻堆過程中完成預處理、一次發酵、二次發酵和后續處理。發酵時間7～15 d，每天進料量約30 t，進料含水率60%～85%，日出料量10～15 t，出料含水率18%，最高發酵溫度70℃，翻堆次數1～2次，碳氮比20∶1～35∶1。加入秸稈等生物質進行聯合堆肥，保證每天產生的豬糞渣及沼渣可以得到及時有效地資源化再利用，避免堆置期間對土壤、水體、空氣造成二次污染。同時，生產的有機肥產品質量均能滿足 《糞便無害化衛生標準 GB 7959—1987》和 《有機肥料標準NY 525—2002》。

3.4.2豬糞、沼渣利用

豬糞及沼渣可用于食用菌栽培原料［12］，但該項目目前僅用于有機肥生產，出售給周邊的村民。年產有機肥約4 000 t，銷售價格500元.t-1，年收益約200萬元。

3.4.3沼液利用

豬糞污水經厭氧發酵后產生的沼液和沼渣，通過分析表明，本豬場沼液中氮的平均濃度為448 mg.L-1；磷的平均濃度為608.7 mg.L-1；鉀的平均濃度為706.2 mg.L-1，COD含量為2 012 mg.L-1，pH值為7.65。沼液中氮、磷、鉀養分含量分別達0.05%，0.06%和0.07%，沼液是很好的液體肥料。許多學者研究認為，農作物使用適量沼液澆灌不僅不會影響作物產量，而且可以減少化肥施用量，減輕規模養殖場污水排放的環境壓力［13-15］。

目前，該豬場在其養殖區周邊配套稻麥輪作種植區300 hm2作為沼液消納試點區，可用于夏季沼液過剩無法處理時進行土地消納，符合自然生態處理。

4　小結

本文以安徽小崗寶迪種豬養殖場為研究對象，在遵循農業循環經濟4R原則的基礎上，以低消耗、低排放和高效率為指導理念，開展規模化養豬場廢棄物循環利用模式及關鍵技術探究。針對規模化養豬場水泡糞清糞處理工藝，采用CSTR沼氣（厭氧）+A/O處理+三級氧化塘/農田消納處理模式對規模化養豬場糞污進行減量化處理及利用。在沼氣厭氧處理工藝中，采用CSTR厭氧發酵具有良好的環境效益及經濟效益，COD去除率80%～90%，SS去除率達到70%，日產沼氣800 m3；污水處理工藝流程中，在A/O工藝的基礎上設計生物氧化塘，進一步實現污水凈化作用，達到農田水質灌溉標準；在生態有機肥生產工藝中，將區域內部產生的固體有機廢棄物進行堆肥化處理生產，一方面可平衡種植區超過承載負荷的有機肥，另一方面可避免未處理造成一系列環境污染問題；在沼液利用方面，該項目針對沼液土壤消納進行了考察，符合資源化循環利用，但是土地如何長期科學安全地施用沼液，還有待進一步研究。

總之，該處理模式有效地減少了污染物的排放，糞污經合理處置后，實現了廢物的減量化、無害化、資源化、生態化，符合清潔生產原則。極大地改善了當地生態環境，保證農業和養殖業的可持續發展。

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（責任編輯：盧福莊）

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A

0528-9017（2015）12-2071-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20151251

2015-08-11

合肥學院人才科研基金項目 （14RC04）；國家科技支撐計劃課題 （2012BAD14B13）

董雪云 （1988-），女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向為固體廢物處理與處置。E-mail：826343435@qq.com。

張 潔。E-mail：bst@hfuu.edu.cn；閆曉明。E-mail：xmyan9@163.com。