畜禽養殖廢棄物資源化利用模式淺析

劉永崗， 楊光輝， 劉 瑜， 劉勇荃， 焦翔翔

(1.山西省農業生態環境建設總站， 山西 太原 030000； 2.山西玉衡同創環境技術有限公司， 山西 太原 030000； 3.山西省平遙縣水務局抗旱服務隊， 山西 晉中 031100)

近年來，我國畜禽養殖業持續穩定發展，規模化養殖水平顯著提高，逐步成為農村經濟新的增長點和重要支柱產業，但大量養殖廢棄物沒有得到有效處理和利用，隨意堆放或者排入河流水體，造成水體COD和氨氮等的含量超標[1]。據測算，養殖廢棄物的COD排放量占農業源排放總量的90%以上，總氮排放量占30%以上，總磷排放量占50%以上，畜禽糞污已經成為農村和城郊地區的重要污染來源，導致大氣、水體、土壤等環境污染問題，給農村環境治理帶來一大難題[2]。實現畜禽養殖廢棄物的高效處理和資源化利用，關系著畜禽養殖業的長效發展和畜禽產品的有效供給，關系著農村居民收入水平的提高和生產生活環境的改善，是重大的民生工程，因此探討及推廣高效的畜禽養殖廢棄物的資源化利用模式成為當前研究的重點和熱點[3-4]。

據統計分析，到2020年，全國的畜禽養殖廢棄物總量將達到42.44億噸[5]，大量的畜禽養殖廢棄物是巨大的資源寶庫，但是糞污隨意堆放，處理技術和工藝不規范，導致利用率低下，造成環境污染，給環境治理帶來很大挑戰。近年來，我國畜禽養殖廢棄物處理工作取得了一些成效，但實現資源化利用還面臨諸多困難。目前，畜禽糞污處理和利用主要有3種模式，即肥料化利用[6]，能源化、資源化利用[7]和工業化處理[8- 9]。

肥料化利用即將畜禽養殖廢棄物經過堆肥處置后，就近還田處理[6]，主要有兩種方式:一種是經自然發酵后直接施入農田；另一種是在人工干預下，在好氧狀態下，通過微生物發酵堆肥后還田。還田處理的關鍵在于要求在不超過土壤承載負荷的前提下，實現畜禽養殖廢棄物的零排放和營養物質的利用，但是國家對養殖廢棄物還田的行為支持政策不足，引導調控較為薄弱，以綠色發展為導向的農業補貼政策未系統化形成，而農業生產追求速效性，重視產量，輕視農產品質量，為了追求單純的經濟效益，種植戶對化肥的依賴度更高，另外農業發展面臨的一個重要問題是種養分離，養殖業和種植業常常是兩個單獨的主體，地理上分離，主觀上不聯系，客觀上隔絕了糞便還田利用的通道，導致養殖廢棄物無處可還。另一方面，行業內對糞污還田的標準體系不完善，相關制度欠缺，且缺乏相應的技術規范指導，因此在糞污還田過程中常常會導致重金屬和鹽類的沉積，引起土壤板結，造成土壤結構的破壞，并且給地表水和地下水帶來污染，威脅人類健康[10-11]，從而使農戶對養殖糞污的安全性和效用性產生疑慮。

工業化處理即按照國家污水排放標準的要求，建造污水處理構筑物，通過高耗能的運行措施，將畜禽養殖廢棄物經格柵過濾、污泥消化處理、污泥沉淀分離處理，以降低污水COD，脫氮除磷，達標排放為首要目標[8, 12]。但由于畜禽糞污有機負荷過大，按照工業處理的要求，需要復雜的機械設備和構筑物，基建和設備投資太大，設計和運行維護費用過高，處理每立方米沼液耗能約2～4 kWh，大大增加了養殖戶的養殖成本，因此養殖企業普遍對工業處理的接受度不高[13]。

能源化、資源化利用即以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農用有機肥和農村能源為主要利用方向，通過建設沼氣工程及副產物綜合利用項目，將養殖廢棄物經厭氧發酵處理后，產氣發電，并進行余熱回收，形成能源循環利用路線[1, 14-15]。厭氧發酵所得副產物沼液和沼渣則分別通過深度處理工藝和發酵堆肥技術生產有機液肥和固肥[16-17]。現階段，大多數糞污處理項目只限于通過沼氣工程利用生物質產氣發電，對末端副產物的處理利用不夠重視，科學技術支撐不到位，相關材料和技術標準欠缺，造成對發酵副產物的管理不善，不能及時有效處置，亂排亂放，導致高含量COD，N，P等進入環境，造成二次污染，成為制約沼氣工程運行和發展的一個重要因素[18-19]。

本文以山西玉衡同創環境技術有限公司承擔設計建設的某公司牧場糞污資源化處理項目為例，根據收集的數據，參考相關文獻，分析出存欄4000頭奶牛和2000頭后備奶牛的牛場，每年的養殖廢棄物通過養殖廢棄物處理及綜合利用項目可開發的潛在生物質能量及其價值，闡述了此項目中二次生物質能源開發及綜合利用的總體路線和技術系統構成，對整個山西省內乃至全國范圍內的畜禽養殖廢棄物資源化利用做出了有益嘗試，對于沼氣和沼肥服務體系的建設和維系具有積極的示范推廣作用。

1 牧場養殖廢棄物資源化利用項目概況

牧場地處山西省晉中市，占地面積818畝，包含泌乳牛舍、青年牛舍、辦公宿舍樓等區域，存欄4000頭奶牛和2000頭后備奶牛，力爭建設養殖過程清潔化、糞污處理資源化、產品利用生態化的綠色示范奶牛養殖園區。

山西玉衡同創公司設計承建的沼氣工程及副產物綜合處理利用項目位于牧場以北，占地面積14500 m2，包含糞污預處理區、厭氧發酵區、發酵副產物深度處理區、人工濕地生態凈化區及有機肥生產加工區等，每天的糞污處理量可達10000 m3。工程設計建設的目標是根據CNMP(Comprehensive Nutrients Management Plan)的要求，以減量化、無害化、資源化、綜合利用為原則，減輕養殖生產對水、土壤、大氣等自然資源的影響，幫助養殖企業將養殖廢棄物作為資源進行再利用，構建產業化發展、市場化經營、科學化管理和社會化服務的畜禽糞污資源化利用新格局，實現養殖生產盈利和自然資源保護雙贏。項目建設成功后，由山西玉衡同創環境技術有限公司負責工程運營，具體任務是針對水、土壤、大氣和動植物等資源規劃環境保護措施和管理目標，實現養殖糞污的安全貯存、處理和再利用，同時監測環境質量變化，最大程度降低養殖生產對周邊環境的影響，同時提升末端產品競爭力，在政府部門的幫助扶持下，拓寬終端產品銷路。實施方式是通過厭氧微生物發酵技術對養殖廢棄物進行無害化處理和資源化開發利用，最終實現生物質沼氣發電、供熱，發酵副產物生產有機液肥和固肥，提升農業經濟效益，同時避免環境污染問題，建立起以沼氣為紐帶，種養結合的良性和立體的生態循環農業發展模式。

2 牧場養殖廢棄物資源化利用路線圖

牧場養殖廢棄物資源化利用項目工藝路線見圖1，養殖廢棄物經收集后： 1)進行物理篩分預處理，去除無機雜質及大顆粒難溶物； 2)經過篩分后的混合物進入水解酸化系統，投加選育馴化后的水解酸化菌，通過自主研發的微氧曝氣技術，將混合液中的大分子蛋白質、脂肪和碳水化合物分解為氨基酸、甘油三酯及多糖類小分子顆粒，為后續厭氧發酵提供穩定的原料； 3)經水解酸化的混合液進入厭氧發酵塔內，在中高溫條件控制下，采用自主研發的低耗變頻攪拌系統，進行高效充分發酵，將小分子顆粒有機物進一步分解為甲烷、二氧化碳及其他植物易吸收的有機酸類物質； 4)產生的沼氣通過脫硫技術去除硫化氫等雜質氣體，用于生物質發電； 5)經過厭氧發酵后的沼液進入出料池，通過超導熱管換熱器，將沼液余熱進行充分回收利用，作為水解酸化池的熱源補充； 6)沼液經固液分離、高密度微氧曝氣沉淀分解、多介質過濾系統后，部分進入自動化復配絡合系統，制成植物營養液，用于無土栽培種植用肥，另一部分進入人工濕地、氧化塘進一步降解氨氮和總磷，達到中水回用的標準要求； 7)固液分離后的沼渣與菌糠進行科學匹配混合，添加高效發酵復合菌生產育苗和無土栽培營養土及土壤改良劑、鈍化劑。

圖1 牧場養殖廢棄物資源化利用項目工藝路線圖

整個工藝路線中涉及到的主要工藝及關鍵設備包括以下內容。

(1)原料預處理工藝：預處理階段各工藝構筑物直接關系著后續發酵工藝的運行情況，影響著總體設計目標的實現。由于奶牛臥床采用砂臥床，牛舍采用鏟車清糞的方式，工程中采用了螺旋除砂系統去除養殖廢棄物中的砂石等顆粒物。通過水解酸化將難溶難降解的大分子有機物水解為小分子水溶性有機物，減輕后續工藝的處理負荷，酸化罐體鋪設保溫層和加熱盤管，依靠沼氣發電機發電產生的余熱，將發酵原料溫度提升至35℃～38℃，保證后端發酵的快速高效進行。為了減少能源浪費，將出料池的余熱回收，供給水解酸化罐。

(2)厭氧發酵工藝：發酵罐是整個工程的心臟，工藝設計及設備選型直接影響沼氣工程的運行效率，其中溫度和攪拌狀況是主要限制因素。在祁縣牧場工程項目中根據技術要求，通過對糞污含固率的分析，綜合考慮工程成本和產氣效率，采用搪瓷拼裝罐作為厭氧發酵罐，具有防腐性能好，環境適應性強的優點，采用CSTR工藝，使活性區遍布整個反應器內，控制溫度在35℃～38℃，滿足中溫發酵要求，在低耗變頻高強度攪拌下，具有抗沖擊負荷、原料和熱量分布均勻的優點，能夠有效控制原料沉淀、分層以及表層浮渣結殼，并可將物料平均停留時間縮短至15 d左右。

(3)熱電聯產工藝：沼氣凈化處理后，通過熱電聯產機組為場區供熱供電，機組的控制系統可對沼氣濃度進行實時甲烷濃度監測，自動調節混合器的進氣開度，確保最佳空燃比，綜合效率超過80%，運行及維護成本較低。輸出熱量一部分用于提高厭氧發酵溫度，一部分用于有機固肥加熱烘干，輸出的電能安全可靠，一部分用于滿足糞污資源化利用工程中設備的運行需要，一部分用于滿足牛場養殖生產需要及員工生活需要。

(4)沼液深度處理技術：沼氣發酵副產物經固液分離后得到沼渣和沼液，沼液經過兼性厭氧水解、高密度微氧曝氣和梯級過濾工藝，其中未降解的有機物和顆粒物進一步被去除，之后將一部分沼液打入反應釜中添加外源營養物質，制成植物營養液和高端有機肥。另一部分沼液經深度處理后排入三級人工濕地，在經砂石吸附、微生物降解和植物吸收后，降低其中的COD和氨氮含量。人工濕地采用間歇曝氣技術，模擬AAO工藝，形成好氧、缺氧和厭氧交替的運行環境，大大提高人工濕地對氨氮的去除率，使人工濕地的出水水質達到中水回用標準，儲存于生態魚塘中，用于漁業養殖和養殖場沖洗用水，建設生態觀光區。

(5)沼渣綜合利用技術：固液分離后得到的沼渣與公司收集的菌糠、醋糟混合，添加高效復合發酵菌進行發酵堆肥，再通過添加其他補充物料生產土壤修復劑、育秧基質及固態有機復合肥等產品。

(6)整個工程工藝模塊化，設計在線計量監測和遠程監控管理智能平臺，實現自動化控制與監測，生產全過程可測量、可識別、可核查、可追溯，減少了人力資源投入，保證了工程運行的穩定性。

牧場養殖廢棄物資源化利用項目的物料平衡圖見圖2，通過分析可知，工程運行過程中，將各個階段的養殖糞污利用率達到最大，減少了資源化利用路線中的能量消耗和物質損耗，實現了資源化利用工程的高效運行，將產品收益最大化，能量損耗最小化，確保每個環節不會帶來新的污染問題。

圖2 牧場養殖廢棄物資源化利用物料平衡圖

3 牧場養殖廢棄物資源化利用項目效益分析

牛糞作為重要的生物質原料來源，通過資源化利用技術充分開發，變廢為寶，最終實現能源和資源的再生利用[20-21]。據統計分析[22]，牧場每頭成年奶牛每天排泄的鮮糞大約是50～60 kg，后備奶牛每天排泄的鮮糞大約是10～30 kg。測算可知，祁縣牧場每天排出的鮮牛糞為400～500 t，1個月約產生1.32萬t鮮糞，每年產生的牛糞水達11.88萬t，含固率約為8.75%，每噸原料產氣量約為22 m3，其中CH4含量約為60%～65%。

3.1 牛場養殖廢棄物資源化利用經濟效益分析

按365天計算，牧場年產沼氣量為237.6萬m3，全部用于發電，發電總量可達380.16萬kWh，主要用于場區生產供電，年產沼渣量約為1.67萬t，沼液量13.9萬t，其中1.1萬t的沼液用于生產植物營養液等產品，其他沼液用于場區沖洗和綠化用水。按照市場價計算，1 t沼渣生產的相關產品價格為650元，成本價為500元，1 t沼液生產的相關產品價格為1000元，成本價為800元，每年沼渣沼液相關產品銷售收入可達 2185.5萬元，凈利潤達470.5萬元。

3.2 牛場養殖廢棄物資源化利用社會效益分析

實現養殖廢棄物的無害化處理和資源化利用，將農業生產生活綠色化、生態化，有利于轉變農業發展方式，推進農業供給側結構性改革，調整優化農村產業結構，推進農業向產出高效，產品安全，資源節約，環境友好的現代化可持續方向發展，有效改善衛生環境和人居條件，提高農業收入，滿足人們日益增長的對生活環境和食品安全的需要，有利于建設資源節約型、環境友好型社會。

3.3 牛場養殖廢棄物資源化利用生態效益分析

通過沼氣工程及副產物資源化利用工程的建設，以環境資源承載能力為基礎，規劃出一條畜禽養殖廢棄物綜合處理及資源化利用路線，減輕養殖生產對周邊大氣、水體、土壤等資源的影響，改善環境質量，高效產出新能源、新產品，使養殖生產走上綠色健康、生態、可持續發展的道路。

在第三方公司的參與下，將養殖業同種植業聯合，構建科學合理、專業化的區域生產格局，建立“以地定養，以養促種”的種養循環機制，實現養殖區、種植區在空間上分離，功能上相互促進、優勢互補、協調發展，提高農業生產的資源利用率，整體提升養殖和種植產品的質量，形成農村“一二三產業”的循環發展聯動體系，提高種養關聯度。

4 結語

某公司牧場的養殖廢棄物資源化利用工程以系統的科學理論為指導和先進的工藝技術為基礎，運用“整體、協調、循環、再生的生態學”原理，使養殖廢棄物處理工程不僅局限于政府提供補貼的能源工程和環境治理工程，更是將環境工程、能源工程和效益工程結合為緊密聯系的有機整體，將種植業與養殖業的關聯度提升，根本上解決了養殖業的糞污污染問題和種植業的低效發展問題，既促進了環境保護的發展和資源的再利用，又促進了農業區域經濟的發展，實現了經濟效益、社會效益和生態效益的統一。