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生態(tài)養(yǎng)殖

規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝分析

李俊衛(wèi)，彭英霞，王浚峰，高繼偉，顧本家，那蕊，陳沖

(北京京鵬環(huán)宇畜牧科技股份有限公司，北京 100094)

[摘要]隨著規(guī)模化豬場(chǎng)的快速發(fā)展，豬場(chǎng)糞污對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。我國(guó)規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝主要以沼氣工程為主，存在產(chǎn)氣量少、沼氣利用率低、投資回報(bào)率低等劣勢(shì)。本文在分析現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，借鑒畜牧業(yè)先進(jìn)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了“固液分離-固體堆肥和液體存儲(chǔ)熟化-糞污還田”一體化的生態(tài)循環(huán)利用工藝。該工藝主要由“虹吸管道排污+固液分離”預(yù)處理系統(tǒng)和“固體堆肥+液體存儲(chǔ)熟化”資源化利用系統(tǒng)組成，運(yùn)行中對(duì)環(huán)境污染少，且可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬場(chǎng)糞污中養(yǎng)分的完全利用，符合“減量化、無(wú)害化、資源化”的糞污處理原則。同時(shí)以1000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)?；i場(chǎng)為例，按照該工藝對(duì)其糞污處理進(jìn)行了實(shí)例設(shè)計(jì)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。綜合考慮環(huán)境污染、資源化利用、工程投資、運(yùn)行管理、運(yùn)行能耗、年利潤(rùn)等因素，相比于以沼氣工程為主的豬場(chǎng)糞污綜合利用工藝，生態(tài)循環(huán)利用工藝均具有顯著優(yōu)勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

[關(guān)鍵詞]糞污利用；沼氣工程；生態(tài)循環(huán)利用；存儲(chǔ)塘

近年來(lái)，我國(guó)生豬養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013年我國(guó)肉豬出欄頭數(shù)達(dá)到71577萬(wàn)頭，生豬存欄達(dá)到47411萬(wàn)頭[1]，再創(chuàng)歷史新高。然而，隨之而來(lái)的大量集中糞污對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染也越來(lái)越嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每頭豬平均每年排出約730 kg糞和1204.5 kg尿，其中糞尿的化學(xué)需氧量和氨氮排放量分別約為36.39 kg和12.08 kg[3-4]，合計(jì)2013年生豬養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的化學(xué)需氧量、氨氮排放量分別達(dá)到1725.29萬(wàn)t、572.72萬(wàn)t，已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要來(lái)源。為應(yīng)對(duì)此問(wèn)題，國(guó)家出臺(tái)了《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》，明確要求“國(guó)家鼓勵(lì)糞肥還田、制造有機(jī)肥等方法對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行綜合利用”[5]，尋找一種適合規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用的工藝已迫在眉睫。

1規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝現(xiàn)狀

目前，我國(guó)規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝主要以沼氣工程為主，根據(jù)對(duì)沼液處理工藝的不同，可以將規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用分為“沼氣工程+還田”、“沼氣工程+自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+好氧處理”三種工藝[6-7]。

(1)“沼氣工程+還田”工藝：指采用大田灌溉的方式直接利用沼液。這種模式具有污染物零排放、減少化肥使用、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低等優(yōu)勢(shì)，但是存在需求大量土地消納沼液、非施肥季節(jié)沼液的存儲(chǔ)以及惡臭等有害氣體大量釋放等問(wèn)題，受限制因素較多。

(2)“沼氣工程+自然生態(tài)處理”工藝：指采用氧化塘、人工濕地等自然生態(tài)處理系統(tǒng)對(duì)沼液進(jìn)行處理。這種模式具有運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)復(fù)雜工藝系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，但是存在占用土地面積大、污染地下水、處理效果受季節(jié)溫度影響較大等問(wèn)題。

(3)“沼氣工程+好氧處理”工藝：指采用序批式活性污泥法(SBR)、膜生物法(MBR)等工藝對(duì)沼液進(jìn)行處理后達(dá)標(biāo)排放。這種模式具有污染物零排放、占地少、季節(jié)溫度影響小等優(yōu)勢(shì)，但是存在投資大、能耗高、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高、需要專門技術(shù)人員管理等問(wèn)題。

以上三種規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝在全國(guó)各地均有實(shí)踐，但是均存在產(chǎn)氣量少[8-9]、沼氣利用率低[10-11]、投資回報(bào)率低[12]等問(wèn)題，使得很多規(guī)模化豬場(chǎng)并不愿意主動(dòng)去選擇這種模式。為此，本文基于法國(guó)、丹麥等畜牧業(yè)先進(jìn)國(guó)家在糞污存儲(chǔ)利用方面的經(jīng)驗(yàn)[13-14]，以完全利用豬場(chǎng)糞污中的養(yǎng)分為目的，設(shè)計(jì)了規(guī)?；i場(chǎng)糞污“固液分離-固體堆肥和液體存儲(chǔ)熟化-糞污還田”一體化的生態(tài)循環(huán)利用工藝，并將此工藝進(jìn)行了一系列的工程實(shí)踐。

2　規(guī)?；i場(chǎng)糞污生態(tài)循環(huán)利用工藝2.1　工藝流程

本工藝根據(jù)規(guī)模化豬場(chǎng)糞污流動(dòng)性強(qiáng)、干物質(zhì)多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以“虹吸管道排污+固液分離”預(yù)處理系統(tǒng)和“固體堆肥+液體存儲(chǔ)熟化”資源化利用系統(tǒng)為主的一體化生態(tài)循環(huán)利用工藝，其主要工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1　生態(tài)循環(huán)利用工藝流程圖

2.2　主要結(jié)構(gòu)單元及參數(shù)

2.2.1虹吸管道排污虹吸管道排污單元主要是結(jié)合管道首末端的排氣閥，依靠在密閉環(huán)境中形成的負(fù)壓，利用虹吸原理，使豬舍內(nèi)的糞污均勻有序的排出。根據(jù)不同的排污面積選擇不同直徑(10~50 cm)的排污管道、管件；糞溝底部的設(shè)計(jì)應(yīng)保持水平，同時(shí)在每一個(gè)排污塞處預(yù)留1 000 mm×1 000 mm×100 mm的排糞坑；設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)保證每條排污管道的首末端均需安裝排氣閥形成系統(tǒng)內(nèi)的壓力差實(shí)現(xiàn)排污，并保持坡度不低于0.5%，管路應(yīng)保持平直、不拐直角彎[15-16]。本工程設(shè)計(jì)的虹吸管道排污配以合適的環(huán)控系統(tǒng)即可在不影響豬舍內(nèi)部環(huán)境的前提下實(shí)現(xiàn)糞污的有序排出，具有投資低、能耗低、勞動(dòng)強(qiáng)度低的巨大優(yōu)勢(shì)。

2.2.2固液分離設(shè)施豬舍內(nèi)的糞污經(jīng)虹吸排污管道清理后進(jìn)入集污池，由于排出的糞污混有豬糞尿、動(dòng)物毛發(fā)、飼料等大量固液混合物，因此需要在池內(nèi)安裝攪拌機(jī)對(duì)糞污進(jìn)行攪拌、混合；攪拌混合均勻后的糞污經(jīng)帶有雙重切割功能的切割泵提升到固液分離機(jī)進(jìn)行固液分離。本設(shè)計(jì)采用的集污池容積按照豬場(chǎng)日最大排放量的1.5倍確定，以滿足豬場(chǎng)糞污排放量波動(dòng)大的特點(diǎn)。同時(shí)，本設(shè)計(jì)選用的固液分離機(jī)分離效率高，經(jīng)過(guò)固液分離后的固體部分(含水率75%左右)和液體部分(含固率2%左右)分別進(jìn)入資源化利用系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的資源化利用處理[17-18]。

2.2.3固體堆肥制作有機(jī)肥將糞污經(jīng)過(guò)固液分離后的固體部分直接進(jìn)行堆肥處理，或添加一定量的秸稈、礦物質(zhì)、發(fā)酵菌劑等進(jìn)行堆肥處理，生產(chǎn)自用有機(jī)肥或者可售有機(jī)復(fù)合肥，實(shí)現(xiàn)糞污處理中所有固體物質(zhì)的無(wú)害化和資源化利用，提高整個(gè)糞污綜合利用工程的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，豬糞堆肥的最佳環(huán)境控制參數(shù)為秸稈添加量5%，固體堆肥初始含水量應(yīng)控制在60%左右，通風(fēng)量為每立方米物料102 m3/d，添加一定量的菌劑能促進(jìn)豬糞堆肥款速發(fā)酵[19-21]。

2.2.4液體存儲(chǔ)塘存儲(chǔ)熟化本工程中設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)塘是一種基于防滲防蒸發(fā)技術(shù)的畜禽糞污存儲(chǔ)系統(tǒng)及方法，根據(jù)大田作物施肥要求，一般按糞污存儲(chǔ)6個(gè)月設(shè)計(jì)存儲(chǔ)塘的容積。該存儲(chǔ)塘的主要結(jié)構(gòu)單元是：

存儲(chǔ)塘本體：在糞污綜合利用工程區(qū)域內(nèi)劃定糞污存儲(chǔ)區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)情況條件挖出一定量的土方形成存儲(chǔ)塘本體，可根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模及現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)置為全地下式、半地下式的存儲(chǔ)塘本體，本體側(cè)壁和底部夯實(shí)度應(yīng)達(dá)到95%。

防滲防蒸發(fā)裝置：主要由三層膜組成，從下到上依次為安全膜、底膜、浮動(dòng)膜，底膜是防滲的關(guān)鍵設(shè)施，安全膜為底膜防滲增加一層保障；糞污儲(chǔ)存于底膜和浮動(dòng)膜之間，浮動(dòng)膜上有少量通風(fēng)口(每100 m2配置80 cm2的通風(fēng)口)并配備雨水泵，實(shí)現(xiàn)雨水與糞污的分流。

注入輸出服務(wù)裝置：由具備防滲結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土服務(wù)池和連接防滲防蒸發(fā)裝置的連接管道組成，糞污進(jìn)出存儲(chǔ)塘均經(jīng)由此服務(wù)裝置進(jìn)行，不會(huì)對(duì)已有的防滲防蒸發(fā)裝置造成破壞。

報(bào)警裝置：由糞污滲漏報(bào)警裝置和地下水上涌報(bào)警裝置組成，糞污滲漏報(bào)警裝置的收集管道位于底膜與安全膜之間，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)底膜的泄漏情況并采取相應(yīng)的修補(bǔ)措施；地下水上涌報(bào)警裝置的收集管道位于安全膜下方，能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)塘底部的地下水上涌情況并采取相關(guān)措施減少對(duì)地下水對(duì)存儲(chǔ)塘的影響。

與傳統(tǒng)的糞污存儲(chǔ)設(shè)施相比，該存儲(chǔ)塘能夠適應(yīng)各種規(guī)模的糞污綜合利用工程，最大單體容積可達(dá)到25 000 m3，施工工期短、投資成本低。同時(shí)該存儲(chǔ)塘還具有環(huán)境友好性的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)過(guò)程的相對(duì)密閉，減少液體部分在存儲(chǔ)過(guò)程中的氮損失，隔離糞污的惡臭污染及雨污分流，并具有防滲及報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)減量化、無(wú)害化、資源化的糞污處理及存儲(chǔ)要求。

2.3　工藝特點(diǎn)

該生態(tài)循環(huán)利用工藝的特點(diǎn)是：(1)遵循“減量化、無(wú)害化、資源化”的糞污處理原則，實(shí)現(xiàn)糞污的綜合利用。(2)完全利用豬場(chǎng)糞污中的養(yǎng)分。糞污經(jīng)過(guò)固液分離后，固體部分制作有機(jī)肥，可就近施用于周邊土地，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)外銷售；液體部分經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)塘的存儲(chǔ)熟化后同樣用作液體有機(jī)肥，可就近施用于周邊土地。(3)工程設(shè)計(jì)因地制宜。糞污處理區(qū)域利用原有糞污收集設(shè)施及具體的自然環(huán)境條件，建立封閉式的運(yùn)行區(qū)域，結(jié)構(gòu)緊湊、便于管理，并盡可能的簡(jiǎn)化工藝流程，降低造價(jià)，減少動(dòng)力消耗，實(shí)現(xiàn)盡可能高的綜合經(jīng)濟(jì)效益。(4)工藝適用性強(qiáng)。只要規(guī)?；i場(chǎng)周圍有一定量的土地用來(lái)消納液體有機(jī)肥即可適用。

3生態(tài)循環(huán)工藝設(shè)計(jì)實(shí)例與效益對(duì)比分析

3.1　生態(tài)循環(huán)工藝設(shè)計(jì)實(shí)例及效益分析

以1 000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)?；i場(chǎng)為例，對(duì)規(guī)?；i場(chǎng)生態(tài)循環(huán)利用工藝的糞污產(chǎn)生量、有機(jī)肥產(chǎn)生量及設(shè)備需求和存儲(chǔ)塘規(guī)模確定如下。

3.1.1關(guān)鍵參數(shù)的確定經(jīng)測(cè)算，1 000頭基礎(chǔ)母豬的規(guī)?；i場(chǎng)每天產(chǎn)生的糞便量約為17.7 t/d，尿量約為43.28 t/d，加上沖洗污水，糞污總量約為80 t/d。原始糞污糞便含固率18%左右，原始糞污經(jīng)固液分離后的固體部分含固率約為25%，每天可產(chǎn)生固體部分約為13 t，液體部分67 t。按糞污存儲(chǔ)6個(gè)月設(shè)計(jì)存儲(chǔ)塘的有效容積為12 060 m3。

3.1.2工程投資概算主要構(gòu)筑物及設(shè)備見(jiàn)表1。從中可知本工程總投入204.6萬(wàn)元，其中土建投入29.1萬(wàn)元，設(shè)備投入175.5萬(wàn)元。

表1　主要構(gòu)筑物及設(shè)備

3.1.3經(jīng)濟(jì)效益分析糞污生態(tài)循環(huán)利用工藝運(yùn)行費(fèi)用與收入見(jiàn)表2，不計(jì)糞污生態(tài)循環(huán)利用工藝的生態(tài)效益和社會(huì)效益，每月可獲得的凈收入即工程直接效益為：46 020-4 376=41 644元。本工藝總投入為204.6萬(wàn)元，大約4年就可以收回全部投資，投入與產(chǎn)出比可行。

3.2　效益對(duì)比分析

以1 000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)?；i場(chǎng)為例?！罢託夤こ?還田”、“沼氣工程+自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+好氧處理”三種工藝和“生態(tài)循環(huán)利用”工藝都采用虹吸管道排污收集糞污，每天糞污量約為80 t?！罢託夤こ?自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+好氧處理”兩種工藝的處理出水達(dá)到國(guó)家《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)，四種模式的投資與經(jīng)濟(jì)效益分析比較見(jiàn)表3。

表3表明，四種規(guī)?；i場(chǎng)糞污綜合利用工藝的投資以“沼氣工程+好氧處理”工藝最高，“沼氣工程+自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+還田”工藝投資相近，“生態(tài)循環(huán)利用工藝”投資最低；在運(yùn)營(yíng)管理方面，“沼氣工程+好氧處理”工藝需求項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理人員較多，“沼氣工程+自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+還田”工藝需求項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理人員次之，“生態(tài)循環(huán)利用工藝”需求項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)管理人員最少；在工藝運(yùn)行能耗方面，“沼氣工程+好氧處理”工藝最高，其他三種工藝能耗相差不大；在年利潤(rùn)方面，“生態(tài)循環(huán)利用”工藝年利潤(rùn)最高，“沼氣工程+還田”和“沼氣工程+自然生態(tài)處理”工藝次之，“沼氣工程+好氧處理”最少。綜合投資額及年利潤(rùn)分析，“生態(tài)循環(huán)利用工藝”的綜合效益最好。

表2　工程運(yùn)行費(fèi)用與收入(按月計(jì))

注：1. 設(shè)備及工程折舊費(fèi)計(jì)入總投資，不再單算；2. 本工程設(shè)備總裝機(jī)容量大約為16.5 kW，所用設(shè)備平均日運(yùn)轉(zhuǎn)8 h，電費(fèi)按0.6元/kW·h；3. 豬場(chǎng)糞污綜合利用工程只需1人負(fù)責(zé)管理，按平均每人月工資為2000元；4. 固體有機(jī)肥收入按正常運(yùn)行后可產(chǎn)月粗肥120 t，目前按每噸售價(jià)500元計(jì)算，扣除每噸處理成本150元(豬糞收集率按90%計(jì)，粗肥含水率≤30%)；5. 液體有機(jī)肥收入按正常運(yùn)行后可產(chǎn)月粗肥2010 m3計(jì)算，目前按每噸售價(jià)2元；6. 本工程設(shè)備可使用年限為15年，存儲(chǔ)塘可使用年限為30年。

Note: 1. Equipment and project depreciation was included in the total investment；2. The equipment's installed capacity is about 16.5 kW, all the equipments work 8 h daily in average, and the electricity bill is 0.6 Yuan/kW·h；3. Only one man manages the comprehensive application project of the pig farm, whose monthly salary is 2000 yuan in average；4. The solid organic fertilizer will be 120 t after regular operation, whose market price is 500 yuan/t currently, deducing processing cost for 150 yuan/t (the collecting rate for pig feces is 90%, and the water content for rough fertilizer is ≤30%)；5. The income for liquid fertilizer is calculated by 2010 m3rough fertilizer monthly with a price of 2 Yuan/t；6. The life span for the equipment is 15 years, and that for slurry lagoon is 30 years.

表3　投資及效益對(duì)比分析(運(yùn)行費(fèi)用按年計(jì))

注：投資、沼氣收入數(shù)據(jù)是參考文獻(xiàn)《中德萬(wàn)頭豬場(chǎng)沼氣工程經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析》計(jì)算得出。

Note: Data for investment and biogas income was calculated by referring to the paper Comparison Analysis on Economic Traits of Biogas Project in a Sino-Germany Pig Farm Rearing Ten Thousand Pigs.

4小結(jié)

綜上所述，相比其他幾種糞污綜合利用工藝，一體化的“固液分離-固體堆肥和液體存儲(chǔ)熟化-糞污還田”生態(tài)循環(huán)利用工藝資源化利用程度最高，具有對(duì)周邊環(huán)境影響小、無(wú)污染、投資及運(yùn)行費(fèi)用低、收益高、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，豬場(chǎng)周圍有一定量的土地用來(lái)消納液體有機(jī)肥即可適用。特別是工藝中的液體存儲(chǔ)塘能夠適應(yīng)各種規(guī)模的糞污綜合利用工程，施工工期短、投資成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)過(guò)程的相對(duì)密閉，減少液體部分在存儲(chǔ)過(guò)程中的氮損失提高肥效，隔離糞污的惡臭污染并實(shí)現(xiàn)雨污分流，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

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Technology Analysis of Slurry Comprehensive Utilization on Large-scale Pig Farm

LI Jun-wei, PENG Ying-xia, WANG Jun-feng, GAO Ji-wei, GU Ben-jia, NA Rui, CHEN Chong

(BeijingKingpengGlobalHusbandryTechnologyCo.,Ltd.Beijing100094,China)

Abstract:Slurry pollution to the ecological environment is becoming more and more serious with the rapid development of large-scale pig farm. As the waste comprehensive utilization techniques on large-scale pig farms were mainly biogas engineering, problems such as low gas production and utilization as well as low returns to investment exist in this mode. Based on the existing process analysis and the experience of the countries with developed animal husbandry, the ecological recycle mode consisting of “solid-liquid separation-solid composting and slurry lagoon-slurry returning to field” was put forward in this design. Combined the siphon pipeline and solid-liquid separation in pretreatment system with solid composting and slurry lagoon in resource utilization system together，this ecological recycle mode achieved the goal of nutrients complete utilization in the slurry with lower environment pollution, met the slurry processing principles of “reduction, harmlessness and resource utilization”. In this paper, a farm with 1000 pigs were taken as an example and the case-based design has been done for its slurry process, the economic benefit analysis was also included. In the respects of the environment pollution, resource utilization, engineering investment, operation management and consumption, and annual profit, the ecological recycle mode put forward in this paper is significantly superior with regard to good economic benefit, ecologic and social benefit compared with the biogas engineering-based techniques.

Key words:slurry utilization; biogas engineering; ecological recycle; slurry lagoon

[中圖分類號(hào)]S811.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1005-5228(2015)11-0067-05

[作者簡(jiǎn)介]李俊衛(wèi)(1988-)，男，河南安陽(yáng)人，工程師，研究方向：廢棄物資源化利用與可再生能源開(kāi)發(fā)，環(huán)境污染控制。E-mail：Lijunwei1121@126.com

[基金項(xiàng)目]“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAD08B07)；2014年度北京市科技計(jì)劃(D141100003814002)

*[收稿日期]2014-11-14修回日期：2014-11-27