規模化奶牛場糞污厭氧發酵

隨著我國畜牧業不斷向前發展，規模化養殖已然成為主流趨勢，不過其產生的大量糞污也給環境帶來了巨大壓力，所以如何有效處理這些廢棄物，把它們變廢為寶，成為當下亟須解決的重要問題[-2]。

當前，很多規模化養殖場依舊采用簡單的堆肥或者氧化塘儲存模式，這種模式不僅占用的面積很大，而且存在氮磷流失、地下水受到污染以及以甲烷和氧化亞氮為主的溫室氣體大量擴散等不少弊端[3-4]。厭氧發酵技術作為可達成能量回收與物質循環的核心技術，普遍被認為是處理畜禽糞污問題的有效辦法[5]。不過在實際運用過程中，常常因為發酵效率不高、沼液出路不順暢等問題而出現諸多麻煩，困難重重。尤其是數量眾多的沼液，它的養分濃度比較低，體積又特別龐大，直接將其還田的話，運輸成本會非常高昂，并且很容易超出農田所能承受的能力[8-10]

本研究著重于構建并優化厭氧發酵一沼液濃縮一體化工藝體系，一方面深入剖析厭氧發酵環節關鍵參數的協同作用，以此提升能量回收效率；另一方面借助沼液濃縮技術，把傳統廢水轉變為高附加值的標準化液體有機肥產品，借助減量化、資源化、生態化的閉環路徑，為規模化奶牛場打造技術成熟、經濟合理且環境友好的糞污處理方案。

1一體化工藝流程與核心環節

該一體化工藝按照源頭減量、過程控制及末端增值的科學設計思路開展，其具體流程涵蓋收集與預處理，采用干清糞加上尿液污水分集的方式，在調節池中將固體糞便和液體尿污混合，把總固體（TS）濃度調至適合發酵的 5%～8% 。預處理還包括去除雜質及必要的粉碎操作，以提升后續發酵的效率；在厭氧發酵環節，把混合后的糞污泵入全混式厭氧反應器（CSTR），于特定的溫度及水力停留時間（HRT）之下展開發酵，從而產生沼氣，此環節屬于能量轉換的關鍵部分；對于產生的沼氣，經過脫硫、脫水等一系列凈化處理之后，能夠用于發電并上網、供熱或者提純成生物天然氣，達成能源的自給自足甚至實現創收；在固液分離與沼液濃縮環節，發酵后的沼液和沼渣混合物經過固液分離的操作，所分離出來的沼渣可以直接當作優質的固體有機肥進行外售，占總量 90% 以上的沼液會進入濃縮系統中，借助物理分離的方式，將其濃縮4～5倍，大幅度縮減體積；在產品化利用環節，濃縮后的沼液變成了富含氮磷鉀及腐殖質的液體有機肥，可以徑直用于農田灌溉或作為商業肥料予以出售。濃縮過程中產生的中水水質較為純凈，能夠回用于牛舍沖洗或者農場綠化，實現水資源的循環利用。此流程的重點在于厭氧發酵及沼液濃縮這兩個核心環節的深度優化，這兩者效率的提升直接決定了整個系統的經濟性及環保性。

2厭氧發酵工藝參數優化與效能提升

厭氧發酵屬于復雜的微生物代謝過程，其效率會受到溫度、HRT、進料負荷及pH值等諸多因素的綜合影響，在這些因素中，溫度和HRT的協同調控在工程實踐里是最為直接且行之有效的提升沼氣產率的手段。

2.1關鍵運行參數的協同調控

傳統工藝通常運用常溫發酵的方式，這種方式的優點在于能耗方面較低，然而其HRT（水力停留時間）往往需要達到40d以上才可完成發酵過程，發酵周期變得頗為漫長，微生物的活性也會相應降低，進而致使反應器的容積異常龐大，單位容積產氣率也處于較低水平。與之相比，中溫發酵能夠極為有效地激活產甲烷菌群的活性，使得反應速率得以提升幾倍。然而這樣需要采取額外的增溫及保溫方面的措施，特別是在北方地區更是如此，不過它所帶來的產氣效率提升以及反應器容積的縮減，可以抵消其能耗成本。優化設計的關鍵要點就在于找到溫度與HRT之間最為適宜的平衡點。通過把發酵溫度從常溫提升到中溫這一操作，可將HRT從以往傳統的30～40d大幅度縮短至 20～25d ，在此期間，能有效促使有機物降解率提高，顯著提升設備的處理能力。如表1所示，對不同厭氧發酵參數組合針對沼氣產率所產生的理論影響展開了具體的闡述說明。

2.2優化案例分析：千頭奶牛場實證模擬

為量化工藝優化的實際效益，我們以一個存欄1000頭的規模化奶牛場為例進行模擬分析，該牛場日產糞污約 45m³ ，TS濃度調整為 6% 。具體結果在表2中顯示，模擬結果清晰地表明，通過將發酵溫度提升至35 C 并將HRT優化至 24d ，不僅能將反應器容積減少 40% ，大幅降低初期投資，還能使年沼氣產量提升超過 40% ，顯著增強了項目的能源回收效益和環保貢獻。

3沼液濃縮與資源化利用路徑優化

沼液是厭氧發酵的必然產物，其資源化利用的成敗是決定整個糞污處理系統能否實現經濟閉環的關鍵。

3.1沼液濃縮技術選擇與挑戰

傳統沼液還田存在兩大難題：其一，運輸成本頗高；其二，施用量受到限制。沼液濃縮技術能破解這一難題。當下，反滲透（RO）膜法因能耗相對不高、營養物質保留率高（可達 90% 以上）以及出水水質優良等優勢，成為主流選擇之一。借助RO膜系統，可把沼液體積濃縮成原液的 20%～25% ，相當于讓運輸成本降低 75%～80% ，同時使氮磷鉀等養分濃度提高4～5倍，使其有更高的使用價值。不過，膜污染是該技術應用中的主要挑戰，需靠有效的預處理（如絮凝、沉淀）及定期的化學清洗來維持膜通量和使用壽命。

表1不同厭氧發酵參數組合對沼氣產率的理論影響

表2千頭奶牛場厭氧發酵工藝優化前后效益對比模擬

表3濃縮沼液替代化肥對小麥一玉米輪作體系影響的模擬田間試驗數據

3.2濃縮沼液還田的肥效與環境效應

將經濃縮處理后的沼液應用于農田耕作中，這既是對廢棄物的一種消納途徑，同時也是一種極為高效的生態施肥辦法。諸多田間試驗已經充分證實，有機肥（包含沼液）取代化肥的做法，能夠確保作物產量不會出現降低的情況，甚至還能實現增產。為了驗證濃縮沼液的實際成效，本文基于典型小麥一玉米輪作體系開展的連續三年田間試驗數據進行模擬，如表3所示，可以發現該體系使產量得到了妥善保障。無論是單獨施用濃縮沼液（CD），還是將其與化肥減半進行配施（ CF+CD ），其作物產量和 100% 化肥處理（CF）相比，并不存在顯著的差異，甚至在配施的情形之下，還呈現出略微增產的態勢，完全能夠契合高產方面的需求。再者就是養分利用這個層面而言，濃縮沼液里面的養分利用率和化肥是差不多的，尤其是在鉀素利用方面，更是有著更為出色的表現。就土壤改良來講，其最為突出的優勢便在于對土壤健康狀況的改善。連續不斷地施用濃縮沼液，能夠頗為顯著地提升土壤有機質的含量，使得土壤結構得以改善，同時還能活化土壤養分庫，而這些都是化肥所不具備的那種長期效益。環境減排這一點也值得格外關注，相關研究普遍都表明，用沼液來替代化肥，是能夠有效降低農田N2O的排放，其全球增溫潛勢（GWP）相較于等量氮素的化肥而言更低一些。

4經濟性與敏感性分析

一個技術方案能否被廣泛采納，其經濟可行性是決定性因素。

4.1投資與運營成本構成

對于一個千頭奶牛場，建設一套厭氧發酵-沼液濃縮一體化系統，其總投資預計在300萬元～500萬元人民幣，主要包括土建工程（發酵罐、調節池等）和設備采購（固液分離機、沼氣發電機組、膜濃縮系統等）。年運行成本約30萬元～50萬元，包括電費、設備維護、藥劑費和人工等。其收益則來源于：沼氣發電/供熱節省的能源費用；沼渣固體有機肥的銷售收入；濃縮沼液液體肥的銷售收入或替代化肥節省的成本；可能獲得的政府環保補貼或碳交易收益。

4.2投資回收周期敏感性分析

項目的盈利能力受到多種市場因素的影響。為評估其抗風險能力，我們對兩個最關鍵的變量一厭氧反應器改造成本（代表初始投資）和沼渣有機肥銷售價格（代表產品收益）進行敏感性分析，表4呈現出千頭奶牛場一體化項目投資回收期敏感性分析。

表4千頭奶牛場一體化項目投資回收期敏感性分析

結語

本研究系統地探討了規模化奶牛場糞污厭氧發酵-沼液濃縮一體化工藝的優化路徑及其綜合效益可以發現工藝優化成效顯著，通過將厭氧發酵工藝優化至中溫（ 35°C ）、短周期（HRT24d）運行，可大幅提升沼氣產率和設備處理效率，降低基建投資，為項目的經濟可行性奠定堅實基礎。資源利用路徑更加清晰，引入沼液濃縮環節，成功破解了沼液利用的瓶頸，將低價值的廢液轉化為高附加值的標準化液體有機肥，打通了糞污資源化利用的“最后一公里”。

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收稿日期：2025-09-12

作者簡介：劉夢堯（1991一），女，漢族，遼寧省沈陽市，本科，助理獸醫師。研究方向：畜牧業。