規(guī)模化奶牛場糞污厭氧發(fā)酵

隨著我國畜牧業(yè)不斷向前發(fā)展，規(guī)模化養(yǎng)殖已然成為主流趨勢(shì)，不過其產(chǎn)生的大量糞污也給環(huán)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(dāng)下亟須解決的重要問題[-2]。

當(dāng)前，很多規(guī)模化養(yǎng)殖場依舊采用簡單的堆肥或者氧化塘儲(chǔ)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(kuò)散等不少弊端[3-4]。厭氧發(fā)酵技術(shù)作為可達(dá)成能量回收與物質(zhì)循環(huán)的核心技術(shù)，普遍被認(rèn)為是處理畜禽糞污問題的有效辦法[5]。不過在實(shí)際運(yùn)用過程中，常常因?yàn)榘l(fā)酵效率不高、沼液出路不順暢等問題而出現(xiàn)諸多麻煩，困難重重。尤其是數(shù)量眾多的沼液，它的養(yǎng)分濃度比較低，體積又特別龐大，直接將其還田的話，運(yùn)輸成本會(huì)非常高昂，并且很容易超出農(nóng)田所能承受的能力[8-10]

本研究著重于構(gòu)建并優(yōu)化厭氧發(fā)酵一沼液濃縮一體化工藝體系，一方面深入剖析厭氧發(fā)酵環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的協(xié)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(shù)，把傳統(tǒng)廢水轉(zhuǎn)變?yōu)楦吒郊又档臉?biāo)準(zhǔn)化液體有機(jī)肥產(chǎn)品，借助減量化、資源化、生態(tài)化的閉環(huán)路徑，為規(guī)模化奶牛場打造技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理且環(huán)境友好的糞污處理方案。

1一體化工藝流程與核心環(huán)節(jié)

該一體化工藝按照源頭減量、過程控制及末端增值的科學(xué)設(shè)計(jì)思路開展，其具體流程涵蓋收集與預(yù)處理，采用干清糞加上尿液污水分集的方式，在調(diào)節(jié)池中將固體糞便和液體尿污混合，把總固體（TS）濃度調(diào)至適合發(fā)酵的 5%～8% 。預(yù)處理還包括去除雜質(zhì)及必要的粉碎操作，以提升后續(xù)發(fā)酵的效率；在厭氧發(fā)酵環(huán)節(jié)，把混合后的糞污泵入全混式厭氧反應(yīng)器（CSTR），于特定的溫度及水力停留時(shí)間（HRT）之下展開發(fā)酵，從而產(chǎn)生沼氣，此環(huán)節(jié)屬于能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分；對(duì)于產(chǎn)生的沼氣，經(jīng)過脫硫、脫水等一系列凈化處理之后，能夠用于發(fā)電并上網(wǎng)、供熱或者提純成生物天然氣，達(dá)成能源的自給自足甚至實(shí)現(xiàn)創(chuàng)收；在固液分離與沼液濃縮環(huán)節(jié)，發(fā)酵后的沼液和沼渣混合物經(jīng)過固液分離的操作，所分離出來的沼渣可以直接當(dāng)作優(yōu)質(zhì)的固體有機(jī)肥進(jìn)行外售，占總量 90% 以上的沼液會(huì)進(jìn)入濃縮系統(tǒng)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(chǎn)品化利用環(huán)節(jié)，濃縮后的沼液變成了富含氮磷鉀及腐殖質(zhì)的液體有機(jī)肥，可以徑直用于農(nóng)田灌溉或作為商業(yè)肥料予以出售。濃縮過程中產(chǎn)生的中水水質(zhì)較為純凈，能夠回用于牛舍沖洗或者農(nóng)場綠化，實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。此流程的重點(diǎn)在于厭氧發(fā)酵及沼液濃縮這兩個(gè)核心環(huán)節(jié)的深度優(yōu)化，這兩者效率的提升直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性。

2厭氧發(fā)酵工藝參數(shù)優(yōu)化與效能提升

厭氧發(fā)酵屬于復(fù)雜的微生物代謝過程，其效率會(huì)受到溫度、HRT、進(jìn)料負(fù)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(xié)同調(diào)控在工程實(shí)踐里是最為直接且行之有效的提升沼氣產(chǎn)率的手段。

2.1關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的協(xié)同調(diào)控

傳統(tǒng)工藝通常運(yùn)用常溫發(fā)酵的方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于能耗方面較低，然而其HRT（水力停留時(shí)間）往往需要達(dá)到40d以上才可完成發(fā)酵過程，發(fā)酵周期變得頗為漫長，微生物的活性也會(huì)相應(yīng)降低，進(jìn)而致使反應(yīng)器的容積異常龐大，單位容積產(chǎn)氣率也處于較低水平。與之相比，中溫發(fā)酵能夠極為有效地激活產(chǎn)甲烷菌群的活性，使得反應(yīng)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(qū)更是如此，不過它所帶來的產(chǎn)氣效率提升以及反應(yīng)器容積的縮減，可以抵消其能耗成本。優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)就在于找到溫度與HRT之間最為適宜的平衡點(diǎn)。通過把發(fā)酵溫度從常溫提升到中溫這一操作，可將HRT從以往傳統(tǒng)的30～40d大幅度縮短至 20～25d ，在此期間，能有效促使有機(jī)物降解率提高，顯著提升設(shè)備的處理能力。如表1所示，對(duì)不同厭氧發(fā)酵參數(shù)組合針對(duì)沼氣產(chǎn)率所產(chǎn)生的理論影響展開了具體的闡述說明。

2.2優(yōu)化案例分析：千頭奶牛場實(shí)證模擬

為量化工藝優(yōu)化的實(shí)際效益，我們以一個(gè)存欄1000頭的規(guī)模化奶牛場為例進(jìn)行模擬分析，該牛場日產(chǎn)糞污約 45m³ ，TS濃度調(diào)整為 6% 。具體結(jié)果在表2中顯示，模擬結(jié)果清晰地表明，通過將發(fā)酵溫度提升至35 C 并將HRT優(yōu)化至 24d ，不僅能將反應(yīng)器容積減少 40% ，大幅降低初期投資，還能使年沼氣產(chǎn)量提升超過 40% ，顯著增強(qiáng)了項(xiàng)目的能源回收效益和環(huán)保貢獻(xiàn)。

3沼液濃縮與資源化利用路徑優(yōu)化

沼液是厭氧發(fā)酵的必然產(chǎn)物，其資源化利用的成敗是決定整個(gè)糞污處理系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)閉環(huán)的關(guān)鍵。

3.1沼液濃縮技術(shù)選擇與挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)沼液還田存在兩大難題：其一，運(yùn)輸成本頗高；其二，施用量受到限制。沼液濃縮技術(shù)能破解這一難題。當(dāng)下，反滲透（RO）膜法因能耗相對(duì)不高、營養(yǎng)物質(zhì)保留率高（可達(dá) 90% 以上）以及出水水質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，成為主流選擇之一。借助RO膜系統(tǒng)，可把沼液體積濃縮成原液的 20%～25% ，相當(dāng)于讓運(yùn)輸成本降低 75%～80% ，同時(shí)使氮磷鉀等養(yǎng)分濃度提高4～5倍，使其有更高的使用價(jià)值。不過，膜污染是該技術(shù)應(yīng)用中的主要挑戰(zhàn)，需靠有效的預(yù)處理（如絮凝、沉淀）及定期的化學(xué)清洗來維持膜通量和使用壽命。

表1不同厭氧發(fā)酵參數(shù)組合對(duì)沼氣產(chǎn)率的理論影響

表2千頭奶牛場厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化前后效益對(duì)比模擬

表3濃縮沼液替代化肥對(duì)小麥一玉米輪作體系影響的模擬田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2濃縮沼液還田的肥效與環(huán)境效應(yīng)

將經(jīng)濃縮處理后的沼液應(yīng)用于農(nóng)田耕作中，這既是對(duì)廢棄物的一種消納途徑，同時(shí)也是一種極為高效的生態(tài)施肥辦法。諸多田間試驗(yàn)已經(jīng)充分證實(shí)，有機(jī)肥（包含沼液）取代化肥的做法，能夠確保作物產(chǎn)量不會(huì)出現(xiàn)降低的情況，甚至還能實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。為了驗(yàn)證濃縮沼液的實(shí)際成效，本文基于典型小麥一玉米輪作體系開展的連續(xù)三年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)該體系使產(chǎn)量得到了妥善保障。無論是單獨(dú)施用濃縮沼液（CD），還是將其與化肥減半進(jìn)行配施（ CF+CD ），其作物產(chǎn)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(xiàn)出略微增產(chǎn)的態(tài)勢(shì)，完全能夠契合高產(chǎn)方面的需求。再者就是養(yǎng)分利用這個(gè)層面而言，濃縮沼液里面的養(yǎng)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(xiàn)。就土壤改良來講，其最為突出的優(yōu)勢(shì)便在于對(duì)土壤健康狀況的改善。連續(xù)不斷地施用濃縮沼液，能夠頗為顯著地提升土壤有機(jī)質(zhì)的含量，使得土壤結(jié)構(gòu)得以改善，同時(shí)還能活化土壤養(yǎng)分庫，而這些都是化肥所不具備的那種長期效益。環(huán)境減排這一點(diǎn)也值得格外關(guān)注，相關(guān)研究普遍都表明，用沼液來替代化肥，是能夠有效降低農(nóng)田N2O的排放，其全球增溫潛勢(shì)（GWP）相較于等量氮素的化肥而言更低一些。

4經(jīng)濟(jì)性與敏感性分析

一個(gè)技術(shù)方案能否被廣泛采納，其經(jīng)濟(jì)可行性是決定性因素。

4.1投資與運(yùn)營成本構(gòu)成

對(duì)于一個(gè)千頭奶牛場，建設(shè)一套厭氧發(fā)酵-沼液濃縮一體化系統(tǒng)，其總投資預(yù)計(jì)在300萬元～500萬元人民幣，主要包括土建工程（發(fā)酵罐、調(diào)節(jié)池等）和設(shè)備采購（固液分離機(jī)、沼氣發(fā)電機(jī)組、膜濃縮系統(tǒng)等）。年運(yùn)行成本約30萬元～50萬元，包括電費(fèi)、設(shè)備維護(hù)、藥劑費(fèi)和人工等。其收益則來源于：沼氣發(fā)電/供熱節(jié)省的能源費(fèi)用；沼渣固體有機(jī)肥的銷售收入；濃縮沼液液體肥的銷售收入或替代化肥節(jié)省的成本；可能獲得的政府環(huán)保補(bǔ)貼或碳交易收益。

4.2投資回收周期敏感性分析

項(xiàng)目的盈利能力受到多種市場因素的影響。為評(píng)估其抗風(fēng)險(xiǎn)能力，我們對(duì)兩個(gè)最關(guān)鍵的變量一厭氧反應(yīng)器改造成本（代表初始投資）和沼渣有機(jī)肥銷售價(jià)格（代表產(chǎn)品收益）進(jìn)行敏感性分析，表4呈現(xiàn)出千頭奶牛場一體化項(xiàng)目投資回收期敏感性分析。

表4千頭奶牛場一體化項(xiàng)目投資回收期敏感性分析

結(jié)語

本研究系統(tǒng)地探討了規(guī)模化奶牛場糞污厭氧發(fā)酵-沼液濃縮一體化工藝的優(yōu)化路徑及其綜合效益可以發(fā)現(xiàn)工藝優(yōu)化成效顯著，通過將厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)化至中溫（ 35°C ）、短周期（HRT24d）運(yùn)行，可大幅提升沼氣產(chǎn)率和設(shè)備處理效率，降低基建投資，為項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。資源利用路徑更加清晰，引入沼液濃縮環(huán)節(jié)，成功破解了沼液利用的瓶頸，將低價(jià)值的廢液轉(zhuǎn)化為高附加值的標(biāo)準(zhǔn)化液體有機(jī)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(mèng)堯（1991一），女，漢族，遼寧省沈陽市，本科，助理獸醫(yī)師。研究方向：畜牧業(yè)。