沼液貯存技術在畜禽養殖糞水處理與資源化中的應用

南松劍，邵 蕾，楊守軍，羅 星，鞠鑫鑫，董仁杰

（中國農業大學煙臺研究院，煙臺 264670）

沼液貯存技術在畜禽養殖糞水處理與資源化中的應用

南松劍，邵 蕾，楊守軍，羅 星，鞠鑫鑫，董仁杰*

（中國農業大學煙臺研究院，煙臺 264670）

不論是糞便的全混合式發酵處理，還是低濃度糞水的快速厭氧發酵處理，都會產生大量的沼液。種植業對沼液的消納利用具有明顯的季節性，沼液需要進行長期貯存，其中有機物在貯存過程中繼續降解產氣。考慮既要進一步的回收沼氣能源和控制溫室氣體等向環境的排放，以減少環境污染，同時又要滿足農田季節性均衡施用沼液的要求，需構筑封閉式沼液貯存穩定塘。文內對沼液貯存穩定塘的選址布局、塘體類型、容積計算以及結構要求等進行了闡述，以期為沼液貯存塘的建設提供一定的理論參考。

糞水；資源化；沼液貯存

在畜禽養殖糞水的沼氣處理工程中，沼液的產生具有連續性，而沼液的施用具有季節性，兩者之間存在一定的矛盾，所以沼液利用中必定包括貯存環節。沼液貯存過程中，沼液中的養分含量變化對沼液農用效果很關鍵。李 雯等[1]研究了不同發酵原料沼液的養分含量及變化情況，結果表明不同發酵原料沼液的總氮（TN）含量在儲存1個月后有所減少，后期基本保持不變；而不同沼液的總磷含量在儲存1個月后顯著減少，儲存兩個月后仍有所減少；不同沼液總鉀（TK）含量在儲存2個月后無顯著變化。根據邊文芳等[2]的研究，密閉儲存的沼液N、P、K降低少，優于敞口儲存。丁京濤等[3]研究表明，沼液營養成分含量隨儲存時間的延長不斷降低，兩者之間呈顯著負相關性，且溫度越高，營養成分損失率越大，以雞糞為發酵原料的沼液中的氮磷鉀營養元素更容易流失，在夏季儲存90 d，TN含量損失超過了一半，TP含量損失了70%以上，TK含量損失超過了三分之一。所以，從無機養分含量角度，沼液在施用時，越新鮮肥效越好。我國農業沼氣工程大部分沒有建設沼渣和沼液貯存設施，也沒有相應的輸送設備。筆者建議，為了減少沼渣沼液養分流失、防止長期貯存產生的異味，我國沼氣工程應建沼渣沼液貯存池，且貯存池必須加蓋[3]。沼液中所含成分與發酵原料、發酵工藝與規模以及貯存時間等有直接關系，國內對沼液長期作為肥料應用對農田及作物的污染影響僅有少量研究報道，齊琳等（2016）[4]研究認為，沼液中污染物總量隨貯存時間增加而下降，3 種有機污染物中固體懸浮物濃度（SS）、化學耗氧量（COD）和5日生化耗氧量（BOD5）和5種重金屬（Pb、Cd、Hg、As和總Cr）等主要致污因子均無超標，沼液貯存時間大于9 d時，綜合污染評價即為安全級，但農田應用需兌水稀釋。

參考相關文獻和標準，本文對沼液貯存穩定塘的選址布局、塘體類型、容積計算、結構要求及貯存時間等進行了闡述。

1 選址布局

貯存穩定塘要根據畜禽養殖場規模、場區地形和布局、氣候風向以及使用規劃等選擇建造地點、大小和數量，并做好以后的擴建計劃安排。穩定塘宜設在養殖場區主導風向的下風向或側風向，與糞水厭氧處理的沼氣工程相鄰[5]。可在糞污綜合利用工程區域內劃定糞污存儲區域，根據地質情況挖出一定量的土方形成貯存塘體。建議與畜禽養殖場生產區有不小于50 m的間隔距離，在其周圍設置寬度不小于10 m的綠化隔離帶，以滿足生產及防疫要求[9]。

2 塘體類型

沼液貯存塘以地下式和半地下式為主。根據開放程度，可分為開放式和封閉式貯存塘[5]。為進一步收集沼氣能源及減少對環境的污染，本文建議相關企業選擇封閉式貯存塘。根據防滲方式不同，封閉式沼液貯存塘可分為兩類，一是采用混凝土結構塘體，同時黑膜覆頂封閉式貯存塘，見圖1；二是全黑膜結構封閉式貯存塘，見圖2；封閉式沼液貯存塘外觀見圖3。

3 容積計算

對于封閉式沼液貯存穩定塘，其容積可根據具體畜禽養殖場的廢水產生量、貯存時間等確定，應不小于最大利用間隔期內（以當地農作物生產用肥的最大間隔時間或冬季封凍期定）廢水排出量，本文按滿足貯存養殖場180 d（6個月）所產廢水量的要求進行計算。

糞水（沼液）貯存塘容積計算參考GB/T 26624-2011 畜禽養殖廢水貯存設施設計要求第4條執行[6]，計算公式如下：

圖1 混凝土結構沼液貯存塘

圖2 全黑膜結構沼液貯存塘

圖3 封閉式沼液貯存塘外視圖

表1 集約化畜禽養殖業水沖糞工藝最高允許廢水排量

式中：

V為沼液貯存塘容積（m3）；

N為動物數量，豬、牛的單位為百頭，雞的單位為千只；

Q為畜禽養殖業每天最高允許排水量，豬場和牛場的單位為[m3/(百頭·d)]，雞場的單位為[m3/(千只·d)]，其取值見表1和2[7]；

Vr為預留容積（m3），穩定塘預留高度以0.9 m為宜，預留容積P按照設施的實際長和寬及預留高度進行計算后確定。

對于開放式穩定塘，還需考慮沼液貯存最長持續期內的降雨量相應增加穩定塘容積。

4 塘體結構

1）當采用混凝土結構的穩定塘時，一般畜禽養殖場宜建造地下式（對于地下水位較高的畜禽場，可考慮選擇地上式），根據GB/T 26624-2011 畜禽養殖污水貯存設施設計要求[6]，穩定塘底面應高于地下水位0.6 m以上。根據CJJ 54-1993-T 污水穩定塘設計規范[5]，穩定塘一般為矩形，長寬比為2～2.5∶1，根據場地大小、位置和土質條件，也可選擇方形或圓形等形式。塘的有效水深3～5 m為宜，塘體深不超過6 m。塘內坡度1∶1.5～1∶3，塘外坡度1∶2～1∶4。

2）對于混凝土結構的穩定塘，其塘體結構設計可按CJJ 54-1993-T污水穩定塘設計規范中第7部分進行設計。其材料、地基、荷載、防滲、耐火、抗震及防腐等均需符合標準要求，具體執行時，可參考GB 50069-2002給水排水工程結構設計規范以及GBJ 7-89建筑地基基礎設計規范、GBJ 10-89砼結構設計規范、GBJ 11-89建筑抗震設計規范、GBJ 9-87建筑結構荷載規范和GBJ 16-87建筑設計防火規范等。

3）以黑膜材料（PE）作為塘底防滲材料時或采用完全膜結構的沼液貯存設施時，要求膜的厚度大于1.5 mm，防滲處理可按照SL/T 231-98聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術規范的第2和3.3等部分和GB/T 50934-2013石油化工工程防滲技術規范第5和7等部分規定執行。貯存塘側壁和底部夯實度應達到95%。根據李俊衛等[7]建議塘體可由三層膜組成，從下到上依次為安全膜、底膜、浮動膜，底膜是防滲的關鍵設施，安全膜為底膜防滲增加一層保障；糞污儲存于底膜和浮動膜之間，浮動膜上有少量通風口（每100 m2配置80 cm2的通風口）并配備雨水泵，實現雨水與糞污的分流。在底膜與安全膜之間裝有糞污滲漏報警裝置的收集管道，能夠第一時間發現底膜的泄漏情況并采取相應的修補措施；在安全膜下方，裝地下水上涌報警裝置收集管道，能夠第一時間發現貯存塘底部的地下水上涌情況并采取相關措施減少地下水對貯存塘的影響。

表2 集約化畜禽養殖業干清糞工藝最高允許廢水排量

表3 部分國家有關土地對厭氧消化殘余物貯存時間的規定

對于覆膜或全膜結構封閉式沼液貯存塘，在膜材料的選擇上，應選擇成本低、耐老化、抗拉伸、耐氣候性良好的材料，南方要注意防風、防雨及防紫外線，北方應注意防風、防冰凍、防雪等，在膜的表面應加壓膜線。

4）根據GBT 26624-2011 畜禽養殖污水貯存設施設計要求的第5.3和6.2等要求[6]，進液口設在底部，高出塘底0.6～1.0 m，進液管直徑一般為200～300 mm，可設置兩至三道0.5 cm×0.5 cm方格過濾網。出液口應在水面以下，淹沒深度不小于0.6 m，并要求在浮渣層或冰凍層以下，進出液口設計應避免在設施內產生短流、溝流、返混合死區。也可考慮自流式進入和排出，以方便利用，節省能耗。對于封閉式沼液貯存穩定塘，在主塘旁邊應增加一具備防滲結構的鋼筋混凝土服務池，以便于進液、取料及觀察液位，不會對主塘防滲防蒸發裝置造成破壞，在上部需設置氣體收集管道和燃燒火炬設施等，在PE土工膜表面應加壓膜線[9，10]。

5）貯存塘應設置浮渣及污泥排除設施。貯存塘周圍應進行綠化，同時設置明顯的標志和圍欄等防護設施，圍欄高度不低于1.2 m[10]。

5 貯存時間

目前，對于沼液污染風險情況，尤其是沼液的最短貯存期與安全利用關系，暫未形成相關標準，缺乏直接參考。因此貯存中沼液污染物變化特點及規律仍需開展更多研究，并在此基礎上對沼液利用中產生的污染問題做到及時防控和預防。

對于沼液的最長貯存期，可根據當地農作物生產用肥的最大間隔時間或冬季封凍期確定。結合我國南北方主要大田作物生長期情況，建議我國沼液肥貯存期為3～6個月。

德國法律規定，自2009年1月1日起運行的沼氣工程，沼渣、沼液貯存池必須加蓋，敞開式貯存池會導致氮素好氧分解而流失。貯存池加蓋后還能改善衛生環境，防止異味溢出。德國規定沼液須經過6個月的貯存后可作為農作物肥料利用[11]。

表3提供一些歐美國家要求的沼液貯存時間，以供我國沼液貯存和資源化利用實踐中參考。

6 安全制度

制定檢查日程，至少每兩周檢查1次，防止意外泄露和溢流發生。制定應急計劃，包括事故性溢流應對措施等。

[1] 李 雯，曲英華，徐奕琳，等.不同發酵原料沼液的養分含量及變化[J].中國沼氣，2012， 30(3)：17-20.

[2] 邊文范，張柏松，張玉鳳，等.儲存方式和時間對秸稈沼液養分含量的影響[J].中國農學通報，2014，30(17)：200-203.

[3] 丁京濤，沈玉君，孟海波，等.沼渣沼液養分含量及穩定性分析[J].中國農業科技導報， 2015，18(4)：139-146.

[4] 齊琳，王飛，徐武軍，等.貯存中沼液污染因子分析評估[J].中國農學通報，2016，32(13)： 125-128.

[5] 中華人民共和國建設部.污水穩定塘設計規范：CJJ 54-1993-T.北京：中國標準出版社.

[6] 中華人民共和國，國家質量監督檢驗總局. 畜禽養殖污水貯存設施設計要求：GB/T 26624-2011.北京：中國標準出版社.

[7] 李俊衛，彭英霞，王浚峰，等.規模化豬場糞污綜合利用工藝分析[J].家畜生態學報，2015，36(11)：67-71.

[8] 國家環境保護總局，國家質量監督檢驗總局.畜禽養殖業污染物排放標準：GB 18596-2001.北京：中國標準出版社.

[9] 中華人民共和國農業部. 畜禽場環境污染控制技術規范：NY/T 1169-2006.北京：中國標準出版社.

[10] 中華人民共和國農業部. 沼氣工程沼液沼渣后處理技術規范：NY/T 2374-2013. 北京：中國標準出版社.

[11] 李子富，余敏娜，范曉琳.德國沼氣工程現狀分析[J].可再生能源，2010，28(4)：141-144.

2017-06-21）

山東省重點研發計劃（2016ZDJS11A07），山東省科技發展計劃（2014GGA06074）

作者：南松劍（1977－），男，博士，主要從事設施養殖環境方面的研究，E-mail：nansongjian@126.com。

*通訊作者：董仁杰，教授，博導，主要從事生物質能、有機廢棄物資源化研究。E-mail: rjdong@cau.edu.cn