利用固液分離技術對規模化奶牛場的糞污治理

張 嫚，翟中葳，張克強，劉福元，楊 鵬，劉鶴瑩

1 東北農業大學資源與環境學院，黑龍江哈爾濱 150036

2 農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191

3 新疆農墾科學院畜牧獸醫研究所，新疆石河子 832000

0 引言

隨著人們對營養健康需求的不斷增加，乳制品產業受到消費刺激而迅速崛起，伴隨而來的是奶牛養殖業的復興，并且逐漸成為極具發展潛力的朝陽產業[1]。經調研，截至2015年，我國存欄100 頭以上的奶牛場已接近50%[2]，并且這種規模化的奶牛場數量在逐漸增加。由此可見，未來的奶牛養殖業終將朝著集約化、現代化和規模化的方向發展[3]。規模化奶牛養殖需要規范的養殖及排污流程，以確保乳制品產品的安全[4]，這也是關系到國計民生的大問題[5]，一直受到人們的關注。因此，本研究不但要從技術方面優化集約養殖圈舍糞污治理方案[6]；還要從產業角度上開發符合企業需求同時能夠降低污染物總量，節省治污資金的落地技術[7]，使得經過固液分離技術后，實現了規模化奶牛場刮糞、固液分離、肥水外運、回用稀釋的全自動智能控制；最后要從行業發展角度上，推進畜、牧、禽養殖業的現代化進程，并從源頭上開發能夠減量化的環境友好型養殖模式[8]，以期為我國發展智能化、自動化的養殖業提供可靠的技術支持。

1 研究內容與研究方法

1.1 研究區概況

本研究選取天津西青區天津和潤畜牧養殖有限責任公司的規模化奶牛場（簡稱“天津和潤奶牛場”）為研究目標。天津和潤奶牛場是天津市西青區一家規模化奶牛養殖企業，位于西青區王穩莊鎮小孫莊村北（青泊洼農場內）。場區總占地面積約250 畝，其中牛舍建筑面積約6.91 萬平方米，現有9棟牛舍，擠奶間、辦公住房和料庫各1 棟。生產區包括自由臥床牛舍、成年牛舍和犢牛舍。場區奶牛年存欄量約1 600 頭，其中泌乳牛約800 頭，犢牛約340 頭。

1.2 研究內容與方法

由于現階段規模化奶牛場的清糞模式比較統一，基本分為人工/機械干清糞、水沖糞、刮糞板+水沖糞等幾類單一或組合模式[9]。隨著規模化水平的不斷提升，人工費的逐漸增長，水沖糞、刮糞板+水沖糞[10]等模式逐漸成為重點。但現有水沖糞模式因黏稠度問題，經長期運行后需補充清水稀釋糞污，導致后續污染物總量大大增加，處理和利用難度上升。基于以上問題，本任務研發站槽糞污智能清理技術（提升站槽清糞效果、節省沖洗用水、降低污染物總量），并依托站槽糞污清理，開展糞污收-儲-分離聯動節水技術研究，從糞污收運的源頭減少污染物總量。

同步開展同系奶牛場對比試驗，檢測位于濱海新區的天津神馳農牧發展有限公司固液分離前后樣品的常規指標，以提供數據對照。

1.3 樣品的采集與前處理

規模化奶牛場站槽糞污智能化收運系統取樣范圍包括糞污暫存池內的糞漿、勻漿池內的糞漿和晾曬后的糞便，分析糞污在不同階段、固液分離前后主要參數的變化；檢測指標包括總固體含量（TS）、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、總氮（TN）、總磷（TP）等常規指標，分析常規指標趨勢。委托天津和潤奶牛場管理人員開展日常用水、設施用電記錄，分析系統運行效果與能耗，評價用水減量化成效。取樣頻率每季度1 次，1 次持續3～5 天，管理人員記錄用水、用電平均值。

采集天津和潤畜牧養殖奶牛場內固液分離前后不同階段的糞污及污水樣品，將污水裝于離心管中，蓋上蓋子。糞便放于陰涼處自然干燥后，過2 mm糞便篩，一部分測定總固體含量[11]，另一部分按照鮑士旦等[12]的《土壤農化分析》中方法對其進行消解前處理，將所得到樣品進行稀釋待測。將采集的污水用硫酸-硫酸銀法消解[13]2 h，待測。

1.4 樣品的測定與分析

利用（105±5）℃烘干稱重法測定總固體含量，將預處理后的奶牛糞便樣品用氣相分子吸收光譜法測定TN含量，并用硫酸亞鐵銨滴定法測定水中COD值，用標準稀釋法測定水中BOD值。

1.5 數據分析

文中數據處理都采用平均值±標準差的方式，并用Excel 2016繪制部分圖表，另一部分圖采用Origin 8.5繪制。

2 結果與分析

2.1 規模化奶牛場的固液分離技術路線

天津和潤奶牛場糞污處理采用圖1所示流程圖。泌乳牛舍的糞污經自動刮板機將糞污高效刮入糞污暫存池，通過電控系統反饋的糞污量信息，實現自動刮糞機和固液分離機的有序工作，暫存池糞尿通過長桿泵打入固液分離機后快速實現固液分離，分離的干糞經發酵滅菌后部分作為牛床墊料回用牛舍，部分作為有機肥原料，進入有機肥加工車間；而分離的尿液部分作為稀釋劑，回沖糞污暫存池，部分經勻漿池后作為肥水貯存，用于制作青貯飼料。此種模式下，年處理養殖廢水1.9 萬m3，可提供再生可回用水肥每年1.5 萬m3，節省水、肥費用45 萬元以上，使用青貯飼料種植節肥增產2%（以使用1 年計）。生產優質牛床墊料1 700 噸/年，減少沙子、稻殼的每年直接投入51 萬元以上，減少天氣極端變化時乳房炎發病率10%以上，經濟效益達到40 萬元/年。因采用益生菌，減少奶牛腸胃疾病，改善舍區環境，經濟效益達到20 萬元/年；利用牛糞、秸稈等原料年產1 萬噸有機肥，純利潤達每年50 萬元；節約人工投入17%，節約用水支出20%～23%，年節約用水、減少糞污處理污水達5 100 噸，經濟效益達到80 萬元；合計產生經濟效益286 萬元。

圖1 奶牛場糞污處理技術路線

2.2 規模化奶牛場糞污的固液分離過程

由上述流程中的固液分離機，在糞污暫存池填至80%時開始工作，前期工作4 h/天，自動刮糞板改為定時運行，全天固定運行3 次，直至固液分離機的液體將勻漿池充至50%，液位控制器開始工作，稀釋勻漿過程如圖2所示。液位控制器同時控制外運水泵及固液分離機的回用稀釋水泵。回用稀釋水泵與固液分離機、自動刮糞板同時工作，當水位位于勻漿池50%深度以上時，設定每小時固液分離和回用稀釋水泵運行1 次，每次15 min，每天運行5 次，進行糞污的固液分離，而自動刮糞板運行1.5 個來回，將站槽50%的糞便刮至糞污暫存池內。外運水泵在回用稀釋水停止運行后運行10～20 min，采用變頻控制，將勻漿池內的污水運輸至肥水貯存池內等待農用。當勻漿池內的液位下降至50%并且自動刮糞板切換至加速運行模式，恢復至往返刮糞9～10 次，直至液位控制器重新開始運作。

圖2 奶牛場糞污固液分離過程

2.3 固液分離過程中糞污的收運技術

在對奶牛圈舍內的糞污進行收集的過程中，使用奶牛場站槽自動刮糞板可減少對奶牛日常生活的不利影響。通過障礙物紅外傳感器在自動刮糞板上的使用，減少刮糞板強制通過導致刮傷牛蹄的現象。在使用中，障礙物紅外傳感器刮糞板的障礙物漫反射距離為20 cm，整個刮糞板以20 m/min的速度向前清糞，當識別到牛蹄后，減速至停止，停止距離控制在奶牛3～5 cm處。通過刮糞板運行時每月1次的情景記錄所得到的數據如圖3所示。從圖3可以發現，初運行2 個月內奶牛選擇跨越刮糞板的比例為54%，選擇遠離刮糞板的比例為23%，選擇原地不動的比例為23%；養殖3 個月后奶牛選擇跨越刮糞板的比例為75%，選擇遠離刮糞板的比例為14%，選擇原地不動的比例為11%；養殖5 個月左右時奶牛選擇跨越刮糞板的比例為91%，滿足運行要求。運行過程中，自動刮糞板碰觸到牛蹄0 次。奶牛場內未使用傳感器的刮糞板初運行2 個月內碰觸牛蹄比例高達60%，采用擠開牛蹄的方式通過；運行5 個月時仍有20%的比例奶牛不躲閃后被擠開。

圖3 奶牛對自動刮糞板的行為比例

綜上所述，站槽自動刮糞板采用障礙物紅外傳感器可減少規模化奶牛場日常管理中對奶牛的損傷，避免出現意外導致奶牛淘汰。但由于清糞時刮糞板停止頻率高，傳感器被糞污遮擋的幾率相應增加。在運行過程中平均4 天需要檢查傳感器是否被糞污遮擋，且總清糞時間較傳統刮糞板清糞時間延長1 h左右。

2.4 固液分離技術對規模化奶牛場產污的影響

2.4.1 固液分離對污水水質的影響

規模化奶牛場固液分離前置技術能夠解決水帶糞的難題。固液分離前置技術分離的牛糞渣含水率為68%～73%，分離液的含固率為4%～6%。在夏季初步運行時，由于噴淋水量較大，固液分離機出現過噴漿情況。在加快清糞頻率、減少噴淋水后恢復正常。通過固液分離前置技術縮短糞污運輸距離，檢測固液分離前后污水中COD和BOD等常規參數值，以監測污水水質的變化。檢測收集樣品中的COD和BOD，得到結果如圖4所示，可以看出，污水中COD在固液分離前為10.00 萬～12.80 萬mg/L，分離后的COD在3.48 萬～4.20萬mg/L；固液分離前BOD值為8.27 萬～9.08 萬mg/L，分離后的BOD在2.65萬～3.49 萬mg/L。污水中BOD和COD值下降，說明固液分離效果較好，而這兩項參數值下降原因可能是將糞污中未消化完全的飼料分離為牛糞渣，使水中的COD和BOD值發生變化。數值在第3季度出現較大波動，原因是夏季噴淋水量較大導致糞污過稀，固液分離效果不佳。

圖4 固液分離前后水質的變化

2.4.2 固液分離對糞污中污染物含量的影響

由上述可知，采用規模化奶牛場固液分離前置技術，可一定程度上改善污水水質，又進一步研究了此項技術對水中污染物含量的影響，得到結果如圖5所示。從圖5可以看出，固液分離前的總懸浮顆粒物在8%～10%，而分離后則在4%～6%；分離前的總氮含量在604～712 mg/L，分離后則為398～426 mg/L；固液分離前TP含量處于148～191 mg/L，而分離后則介于93～116 mg/L之間。與常規條件下的奶牛場產污量相比，糞污濃度提高約20%，糞污總量下降約21%。這可能是因為規模化奶牛場固液分離前置技術，使得外源水稀釋糞污，減少了糞污總量。

圖5 固液分離前后水中污染物含量的變化

2.5固液分離后固體的回收再利用

在天津和潤奶牛場示范實施了固液分離前置技術后，使得整個系統實現了刮糞、固液分離、肥水外運、回用稀釋的全自動智能控制，每3 天需要工作人員檢查設備的狀態，減少了規模化奶牛場的人工消耗，并且可將分離出來的干牛糞在晾曬棚內堆積發酵后晾曬干燥，如圖6所示，干燥后的固體可以作為臥床墊料通過拋灑機使用，從而節約了奶牛場的墊料消耗，不但實現了資源的回收再利用，還為奶牛提供舒適安全的臥床墊料，降低除污成本的同時，也提高了產業的生產效益。

圖6 固液分離后的固體進行晾曬后制作臥床墊料

3 討論

規模化奶牛場以生產生鮮乳為主，是乳制品的源頭，為得到更安全健康的食品，奶牛場必須對奶牛的身體健康、所處環境及產品生產環境[14]進行嚴格管控。其中，環境是非常重要的因素，健康安全的環境才是生產安全產品的保障。因此，本研究以天津和潤奶牛場為案例，實施了自動控制刮糞板、固液分離系統前置、原位糞污兩相分離、液位控制等集成聯動模式的除污方案，并針對系統運行過程中的物料TS濃度、主要污染物濃度、用水量、能耗等參數進行收集，分析技術運作的關鍵參數、節點控制、不同季節的區別，維持系統的穩定運行，并結合經濟效益分析，總結技術模式，為規模化奶牛場提供可復制、可推廣、實用的糞污治理減量化模式。

在整個除污系統中，最核心的板塊是收-儲-分離聯動站槽糞污智能化收運系統、舍后糞污儲存系統、高效固液分離系統三個環節的協調聯動，從而形成收集-儲存-分離的奶牛場糞污收儲運體系，并優化體系控制單元，實現養殖糞污收儲運系統的污染控制。經調研發現，常規1 500 頭養殖量奶牛場污水產生量為67 噸/天[15]，而本研究的示范奶牛場管理人員日常記錄顯示，系統污水產生量52 噸/天，污水產生總量較同規模常規奶牛場下降22%。通過固液分離后勻漿池的上清液進行回沖稀釋，系統未額外增加糞污稀釋水，固液分離機每天工作1 h，可處理40～60 噸的糞污，分離出的牛糞渣含水率68%～73%，分離液含固率4%～6%。根據常規奶牛場運行經驗對比，系統可節約稀釋用水14～16 噸/天，奶牛場總用水量下降20%～24%。但夏季初步運行時因牛舍噴淋用水量大，固液分離機出現過噴漿情況。后在加快清糞頻率、減少噴淋水后固液分離機正常運行。

固液分離技術除減少用水量和降低產污量的同時，也降低了糞污中污染物的含量，同時改善了污水水質，大大節約了糞污處理的成本。經固液分離之后的污水COD和BOD值相較于未分離之前分別降低了67%和61%左右，而污水中總懸浮顆粒物、TN和TP含量也相對降低。此結果證明，經固液分離后，不但減少了除污、治污的成本，也改善了場區及周邊環境，提高了空氣質量，減少了疫病傳播、抗生素用量及遷移轉化環境風險，對企業、產品和環境都產生了正向的促進作用，該技術對規模化奶牛場有著重要的現實意義。

4 小結

4.1 降低成本

天津和潤奶牛場實現了人力成本節支15%，用水量節支15%，天氣極端變化時乳房炎發病率降低10%以上；節約人工投入17%，節約用水支出20%～23%，年節約用水、減少糞污處理污水達5 100 噸。

4.2 污水處理效果佳

經固液分離之后的污水COD和BOD值相較于未分離之前分別降低了67%和61%左右，污水中總懸浮顆粒物、TN和TP含量也相對降低。

4.3 實現廢物利用

固液分離后的固體經過晾曬、發酵等處理后，干燥的固體可以作為臥床墊料重新利用，節約奶牛臥床墊料的成本。