董雪云，陶　敬，張　潔*，閆曉明*，陸　鈺，鄭露露，何成芳，朱鴻杰

（1.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，安徽 合肥 230031）

規(guī)?；i場廢棄物循環(huán)利用模式及關(guān)鍵技術(shù)探討

董雪云1，陶敬2，張潔1*，閆曉明2*，陸鈺2，鄭露露1，何成芳2，朱鴻杰2

（1.合肥學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，安徽 合肥 230031）

應(yīng)用沼氣 （厭氧）+A/O處理+三級氧化塘/農(nóng)田消納模式對規(guī)?；i場糞污進行處理。該處理模式由4個系統(tǒng)構(gòu)成，包括廢棄物排放控制系統(tǒng)、沼氣回收利用系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、物質(zhì)循環(huán)利用系統(tǒng)。廢棄物排放控制系統(tǒng)通過水泡糞工藝使養(yǎng)豬場污水日排放量減少70%，沼氣回收利用系統(tǒng)通過全混式厭氧反應(yīng)器對糞污中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)生清潔能源沼氣，污水處理系統(tǒng)由A/O池和三級氧化塘處理實現(xiàn)污水無害化，物質(zhì)循環(huán)利用系統(tǒng)充分利用豬場糞渣、沼渣和沼液。年出欄10萬頭規(guī)?；i場應(yīng)用該模式，運行結(jié)果表明，該模式能夠解決規(guī)模化豬場區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的廢棄物再利用問題，避免糞污排放造成環(huán)境污染，有望為規(guī)?；i場建立一種實用生態(tài)型技術(shù)模式。

規(guī)?；i場；廢棄物；循環(huán)利用

文獻著錄格式：董雪云，陶敬，張潔，等.規(guī)模化豬場廢棄物循環(huán)利用模式及關(guān)鍵技術(shù)探討 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（12）：2071-2074.

根據(jù)2014年國家統(tǒng)計公報，2013年全國生豬出欄71 557萬頭，年底存欄47 411萬頭［1］。根據(jù)中國種豬信息網(wǎng)統(tǒng)計，2013年全年進口種豬17 656頭，2014年6月末，存欄42 895萬頭。據(jù)估算，2011年我國僅豬飼養(yǎng)產(chǎn)生的COD（化學(xué)耗氧量）、氮、氨氮及磷排量分別達到2 382.1萬t，244.8萬t，119.1萬t和37.1萬t［2］。每年產(chǎn)生大量畜禽糞污，不妥善處置會造成土壤、水質(zhì)及空氣等生態(tài)環(huán)境污染，并對動物和人類健康構(gòu)成威脅。目前，針對豬糞處理技術(shù)主要有厭氧消化、好氧處理、生物膜處理、汽提法等［3-4］。其中，厭氧消化產(chǎn)沼氣是一種可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)，也是國家能源局 “十三五”規(guī)劃中的內(nèi)容之一。

本項目依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟的4R原則，即減量化（reduce）、無害化（recycle）、資源化（reuse）和生態(tài)化 （rep lace）。通過關(guān)鍵技術(shù)研究，構(gòu)建存欄兩萬頭的規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污循環(huán)利用模式，并結(jié)合工程實例進行關(guān)鍵技術(shù)分析總結(jié)，以期為推進規(guī)?；B(yǎng)豬場的可持續(xù)循環(huán)發(fā)展提供參考。

1　規(guī)?；N豬養(yǎng)殖場基本概況

項目實施地點位于滁州市鳳陽縣小崗村，地理條件優(yōu)越，自然資源豐富，年平均氣溫15℃，日照2 248 h，年降雨量800～1 000 mm，無霜期210 d，氣候溫和，雨量適中，四季分明，適合動植物生長、繁育。

項目實施的主體是小崗寶迪種豬科技有限公司，公司養(yǎng)殖基地占地60 hm2，年存欄種豬20 016頭，年出欄10萬頭左右，日排放糞污約392.06 t（表1），養(yǎng)殖基地周邊有配套農(nóng)田530 hm2。COD 為13 000～20 000 mg.L-1，BOD（生化需氧量）為6 500～10 000 mg.L-1，NH3-N為848～1 000 mg. L-1，SS（懸浮物）為15 000～25 000 mg.L-1，pH值7.0～8.0。

表1　種豬養(yǎng)豬場日排污量基本狀況

2　糞污處理利用循環(huán)模式

目前，規(guī)?；B(yǎng)豬場糞污處理模式基本可分為3種：沼氣 （厭氧）-還田模式；沼氣 （厭氧）-自然處理模式；沼氣 （厭氧）-好氧處理模式等［5］。沼氣 （厭氧）-還田模式資源化程度高，但需要大量農(nóng)田消納糞污；沼氣 （厭氧）-自然處理模式運行管理費用低，但土地占用量大，處理效果易受季節(jié)溫度影響；沼氣 （厭氧）-好氧處理模式占地較小，但運行費用及維護費用高，不適合小規(guī)模豬場。

該項目研究主體養(yǎng)豬場規(guī)模比較大，且周圍土地十分緊缺，采用CSTR（全混式厭氧）沼氣+ A/O處理 +三級氧化塘/農(nóng)田消納處理模式 （圖1）。該模式是在上述3種處理模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身所處自然環(huán)境、經(jīng)濟條件以及豬場規(guī)模等，對糞污處理模式做出的適當(dāng)調(diào)整，將其效益發(fā)揮到最大。其中，沼氣厭氧處理是核心，農(nóng)田消納是沼氣厭氧處理的輔助措施。這種模式工藝可分為4個系統(tǒng)：廢棄物排放控制系統(tǒng)、沼氣回收利用系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)、物質(zhì)循環(huán)利用系統(tǒng)。采用多級廢水處理系統(tǒng)其首要目的是利用有效的技術(shù)去除主要污染物，并減少成本 （資本和運營成本），同時保持其運行能力使水質(zhì)達到排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　廢棄物處理與循環(huán)利用模式工藝

3　廢棄物處理利用關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用效果

3.1廢棄物排放控制及處理效果

3.1.1廢棄物排放控制

規(guī)?；B(yǎng)豬場為降低能耗、減少勞動力、節(jié)約用水，常采用水泡糞清糞工藝。水泡糞工藝在國外已大范圍使用多年，其工藝是很成熟的。尤其像歐美等國家，水泡糞是普遍使用的家畜養(yǎng)殖廢棄物收集方法［6］。圖2為養(yǎng)殖場常用的水泡糞工藝流程。

圖2　水泡糞的工藝流程

水泡糞工藝中糞尿及水在養(yǎng)殖場內(nèi)停留1個月左右，養(yǎng)殖場嚴(yán)格控制沖洗用水量，污水日排放量相對于水沖糞工藝減少約70%，工藝簡單，不受氣候變化影響，但其產(chǎn)生大量的惡臭氣體如NH3，H2S，SO2等［7］。為保障人和豬的健康生活，該豬場在水泡糞池中加入了生物除臭菌劑，硫化氫和氨氣濃度分別降低了83.3%和76.1%，除臭效果明顯，達到 《畜禽場環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（NY/T 388—1999）規(guī)定。

此外，規(guī)模化養(yǎng)豬場其糞便污水排放量大，水量集中，且污染物濃度高。為了減少污水處理水的停留時間，降低工程投資，大都采用固液分離和沉淀等前處理技術(shù)［8］。

3.1.2廢棄物排放控制處理效果

養(yǎng)豬場糞污經(jīng)水泡糞和固液分離后水質(zhì)特征如表2所示。

表2　養(yǎng)豬場糞污水泡糞及固液分離后水質(zhì)特征

3.2沼氣厭氧發(fā)酵及沼氣利用效果

3.2.1沼氣厭氧發(fā)酵

沼氣厭氧發(fā)酵是規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污資源化及減量化處理的首選工藝，也是養(yǎng)殖場可持續(xù)發(fā)展的根本。沼氣厭氧發(fā)酵是在無氧氣和外源能量的條件下，利用厭氧性微生物的代謝特性，分解有機物同時產(chǎn)生沼氣的過程。厭氧消化過程主要分為水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個階段［9］。本項目采用CSTR反應(yīng)器進行沼氣厭氧發(fā)酵研究 （圖 3），CSTR反應(yīng)器具有連續(xù)進行沼氣生產(chǎn)、微生物能力強、傳質(zhì)效果好、處理效果和產(chǎn)氣性能較好等特性，并且輸出的沼氣壓力可控制在設(shè)計的壓力范圍之內(nèi)。此外，其內(nèi)設(shè)有循環(huán)攪拌系統(tǒng)可最大化的進行產(chǎn)氣，可避免液面浮渣的結(jié)殼。反應(yīng)器對COD和SS的去除具有較好的效果。豬場建設(shè)厭氧發(fā)酵池900 m3，反應(yīng)器內(nèi)部溫度38℃左右，進料TS濃度7.6%～10.0%，水力停留時間10～20 d，pH 值6.5～7.5，反應(yīng)器對COD去除率80%～90%，SS去除率平均為70%，對氨氮和磷均有一定的去除效果。日產(chǎn)沼氣600～950 m3，平均800 m3，日產(chǎn)沼液約390 m3，日產(chǎn)沼渣約5 t，年產(chǎn)沼氣21.9 萬m3。

圖3　沼氣厭氧發(fā)酵的工藝流程

3.2.2沼氣利用效果

豬糞水通過沼氣厭氧發(fā)酵處理，經(jīng)脫硫等凈化后，甲烷含量一般占65%～80%，含25 825～31 785 k J.m-3的熱能，是良好的清潔能源。年產(chǎn)沼氣21.9萬m3，年可發(fā)電約32.85萬kW.h，這些沼氣首先滿足全場70多名職工生活用氣，平均日消耗沼氣150 m3，年用沼氣約5萬m3，剩余沼氣用于發(fā)電，供應(yīng)豬場及周邊農(nóng)戶使用。既避免了利用不完的沼氣直接排放影響大氣環(huán)境質(zhì)量，又為豬場節(jié)約電費。

3.3污水處理工藝及處理效果

3.3.1污水處理工藝

污水處理采用A/O工藝，日處理量390 m3左右。污水在A/O池中進行缺氧好氧反應(yīng)，利用池中好氧微生物的代謝作用將大量的有機污染物和氨氮去除，從而使廢水得到凈化［10］。

另外，該豬場配有26 600 m3的三級氧化塘，氧化塘具有處理成本低，操作管理容易，不僅能取得良好的BOD去除效果，還可以有效地去除氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)及病原菌［11］。氧化塘深約2 m，水力停留時間30 d，塘中配有浮游植物等，A/O處理后的污水營養(yǎng)豐富，可以培養(yǎng)大量的浮游生物，水體在氧化塘中可達到自凈作用，促使污水達到進一步的凈化作用，最終可達標(biāo)回用。

3.3.2污水處理效果

該項目養(yǎng)豬場糞污A/O及三級氧化塘處理廢水的運行效果見表3。出水COD，BOD，NH3-N，SS，磷分別低于400 mg.L-1，150 mg.L-1，80 mg.L-1，200 mg.L-1，8.0 mg.L-1，達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）和農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) （GB 5084—2005）。

表3　養(yǎng)豬場糞污A/O池及三級氧化塘處理水質(zhì)特征

3.4物質(zhì)循環(huán)利用

產(chǎn)生的廢棄物包括水泡糞沉淀后收集的糞渣、沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的沼渣、沼液等，其資源特性見表4。沉淀收集的糞渣有機質(zhì)含量為 68.1%，氮、磷、鉀含量分別達4.21%，2.43%，0.61%，是良好的農(nóng)業(yè)肥料資源。但由于含水率較高（89.0%），含揮發(fā)性惡臭物質(zhì) （MVOCs），運輸難度大，并且直接利用會對周邊環(huán)境造成嚴(yán)重的二次污染。故本項目針對養(yǎng)豬場固體廢棄物資源化利用方面采用的是生態(tài)有機肥堆肥技術(shù)。

表4　養(yǎng)豬場糞污及多級處理后的資源特性

3.4.1有機肥堆肥工藝

采用槽式發(fā)酵、高溫堆肥，自走式翻堆機進行由出口端向入口端定量、定時地翻堆。在翻堆過程中完成預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵和后續(xù)處理。發(fā)酵時間7～15 d，每天進料量約30 t，進料含水率60%～85%，日出料量10～15 t，出料含水率18%，最高發(fā)酵溫度70℃，翻堆次數(shù)1～2次，碳氮比20∶1～35∶1。加入秸稈等生物質(zhì)進行聯(lián)合堆肥，保證每天產(chǎn)生的豬糞渣及沼渣可以得到及時有效地資源化再利用，避免堆置期間對土壤、水體、空氣造成二次污染。同時，生產(chǎn)的有機肥產(chǎn)品質(zhì)量均能滿足 《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn) GB 7959—1987》和 《有機肥料標(biāo)準(zhǔn)NY 525—2002》。

3.4.2豬糞、沼渣利用

豬糞及沼渣可用于食用菌栽培原料［12］，但該項目目前僅用于有機肥生產(chǎn)，出售給周邊的村民。年產(chǎn)有機肥約4 000 t，銷售價格500元.t-1，年收益約200萬元。

3.4.3沼液利用

豬糞污水經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼液和沼渣，通過分析表明，本豬場沼液中氮的平均濃度為448 mg.L-1；磷的平均濃度為608.7 mg.L-1；鉀的平均濃度為706.2 mg.L-1，COD含量為2 012 mg.L-1，pH值為7.65。沼液中氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別達0.05%，0.06%和0.07%，沼液是很好的液體肥料。許多學(xué)者研究認(rèn)為，農(nóng)作物使用適量沼液澆灌不僅不會影響作物產(chǎn)量，而且可以減少化肥施用量，減輕規(guī)模養(yǎng)殖場污水排放的環(huán)境壓力［13-15］。

目前，該豬場在其養(yǎng)殖區(qū)周邊配套稻麥輪作種植區(qū)300 hm2作為沼液消納試點區(qū)，可用于夏季沼液過剩無法處理時進行土地消納，符合自然生態(tài)處理。

4　小結(jié)

本文以安徽小崗寶迪種豬養(yǎng)殖場為研究對象，在遵循農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟4R原則的基礎(chǔ)上，以低消耗、低排放和高效率為指導(dǎo)理念，開展規(guī)?；B(yǎng)豬場廢棄物循環(huán)利用模式及關(guān)鍵技術(shù)探究。針對規(guī)?；B(yǎng)豬場水泡糞清糞處理工藝，采用CSTR沼氣（厭氧）+A/O處理+三級氧化塘/農(nóng)田消納處理模式對規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污進行減量化處理及利用。在沼氣厭氧處理工藝中，采用CSTR厭氧發(fā)酵具有良好的環(huán)境效益及經(jīng)濟效益，COD去除率80%～90%，SS去除率達到70%，日產(chǎn)沼氣800 m3；污水處理工藝流程中，在A/O工藝的基礎(chǔ)上設(shè)計生物氧化塘，進一步實現(xiàn)污水凈化作用，達到農(nóng)田水質(zhì)灌溉標(biāo)準(zhǔn)；在生態(tài)有機肥生產(chǎn)工藝中，將區(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生的固體有機廢棄物進行堆肥化處理生產(chǎn)，一方面可平衡種植區(qū)超過承載負(fù)荷的有機肥，另一方面可避免未處理造成一系列環(huán)境污染問題；在沼液利用方面，該項目針對沼液土壤消納進行了考察，符合資源化循環(huán)利用，但是土地如何長期科學(xué)安全地施用沼液，還有待進一步研究。

總之，該處理模式有效地減少了污染物的排放，糞污經(jīng)合理處置后，實現(xiàn)了廢物的減量化、無害化、資源化、生態(tài)化，符合清潔生產(chǎn)原則。極大地改善了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，保證農(nóng)業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒 ［M］.北京：中國統(tǒng)計出版社，2014.

［2］ 農(nóng)業(yè)部.中國畜牧業(yè)年鑒 ［M］.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2012.

［3］ Zhang M，Law lor P G，Wu G，et al.Partial nitrification and nutrien t removal in interm ittently aerated sequencing batch reactors treating separated digestate liquid after anaerobic digestion of pig manure［J］.Bioprocess Biosystems Engineering，2011，34：1049-1056.

［4］ Gilbert Y，Bihan Y L，Aubry G，et al.Microbiological and molecular characterization of denitrification in biofilters treating pigmanure［J］.Bioresource Technology，2008，99：4495-4502.

［5］ 鄧良偉，陳子愛，袁心飛，等.規(guī)?；i場糞污處理工程模式與技術(shù)定位 ［J］.養(yǎng)豬，2008（6）：21-24.

［6］ 韓華，陳沖，彭英霞，等.豬場尿泡糞工藝設(shè)計 ［J］.今日養(yǎng)豬業(yè)，2014（8）：10-14.

［7］ 霍書豪，董仁杰，龐昌樂，等.畜牧業(yè)糞污減量與資源化利用的實現(xiàn) ［J］.中國沼氣，2014，32（5）：29-32.

［8］ 徐慶賢，官雪芳，錢蕾，等.規(guī)?；B(yǎng)豬場糞污處理新工藝技術(shù)集成研究 ［J］.環(huán)境工程，2015（1）：72-76.

［9］ 郭冬生，彭小蘭，龔群輝，等.畜禽糞污染與治理利用方法研究進展 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2012，24（6）：1164-1170.

［10］ 史強.A/O工藝在高氮廢水處理中的應(yīng)用及優(yōu)化 ［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［11］ 張巍，許靜，李曉東，等.穩(wěn)定塘處理污水的機理研究及應(yīng)用研究進展 ［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2014，23（8）：1396-1401.

［12］ 于海龍，呂貝貝，陳輝，等.基于食用菌的固體有機廢棄物利用現(xiàn)狀及展望 ［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30（14）：305-309.

［13］ Zhang Y，Hong J P，Ren J X，et al.Research on biogas slurry impact on the output and quality of oilseed rapes［J］. Journal of Shanxi Agricultural Sciences，2007，35（5）：54-57.

［14］ 王衛(wèi)平，朱鳳香，陳曉旸，等.沼液農(nóng)灌對土壤質(zhì)量和青菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，22（1）：73-76.

［15］ 奚輝，薛智勇，陳喜靖，等.沼液不同灌溉量對茭白產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤肥力的影響 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，25（6）：1337-1341.

（責(zé)任編輯：盧福莊）

X 713

A

0528-9017（2015）12-2071-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20151251

2015-08-11

合肥學(xué)院人才科研基金項目 （14RC04）；國家科技支撐計劃課題 （2012BAD14B13）

董雪云 （1988-），女，安徽蚌埠人，碩士研究生，研究方向為固體廢物處理與處置。E-mail：826343435@qq.com。

張 潔。E-mail：bst@hfuu.edu.cn；閆曉明。E-mail：xmyan9@163.com。