劉永崗， 楊光輝， 劉 瑜， 劉勇荃， 焦翔翔

(1.山西省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)總站， 山西 太原 030000； 2.山西玉衡同創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司， 山西 太原 030000； 3.山西省平遙縣水務(wù)局抗旱服務(wù)隊， 山西 晉中 031100)

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖水平顯著提高，逐步成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)新的增長點和重要支柱產(chǎn)業(yè)，但大量養(yǎng)殖廢棄物沒有得到有效處理和利用，隨意堆放或者排入河流水體，造成水體COD和氨氮等的含量超標(biāo)[1]。據(jù)測算，養(yǎng)殖廢棄物的COD排放量占農(nóng)業(yè)源排放總量的90%以上，總氮排放量占30%以上，總磷排放量占50%以上，畜禽糞污已經(jīng)成為農(nóng)村和城郊地區(qū)的重要污染來源，導(dǎo)致大氣、水體、土壤等環(huán)境污染問題，給農(nóng)村環(huán)境治理帶來一大難題[2]。實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的高效處理和資源化利用，關(guān)系著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的長效發(fā)展和畜禽產(chǎn)品的有效供給，關(guān)系著農(nóng)村居民收入水平的提高和生產(chǎn)生活環(huán)境的改善，是重大的民生工程，因此探討及推廣高效的畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用模式成為當(dāng)前研究的重點和熱點[3-4]。

據(jù)統(tǒng)計分析，到2020年，全國的畜禽養(yǎng)殖廢棄物總量將達(dá)到42.44億噸[5]，大量的畜禽養(yǎng)殖廢棄物是巨大的資源寶庫，但是糞污隨意堆放，處理技術(shù)和工藝不規(guī)范，導(dǎo)致利用率低下，造成環(huán)境污染，給環(huán)境治理帶來很大挑戰(zhàn)。近年來，我國畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理工作取得了一些成效，但實現(xiàn)資源化利用還面臨諸多困難。目前，畜禽糞污處理和利用主要有3種模式，即肥料化利用[6]，能源化、資源化利用[7]和工業(yè)化處理[8- 9]。

肥料化利用即將畜禽養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)過堆肥處置后，就近還田處理[6]，主要有兩種方式:一種是經(jīng)自然發(fā)酵后直接施入農(nóng)田；另一種是在人工干預(yù)下，在好氧狀態(tài)下，通過微生物發(fā)酵堆肥后還田。還田處理的關(guān)鍵在于要求在不超過土壤承載負(fù)荷的前提下，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的零排放和營養(yǎng)物質(zhì)的利用，但是國家對養(yǎng)殖廢棄物還田的行為支持政策不足，引導(dǎo)調(diào)控較為薄弱，以綠色發(fā)展為導(dǎo)向的農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼政策未系統(tǒng)化形成，而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求速效性，重視產(chǎn)量，輕視農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，為了追求單純的經(jīng)濟(jì)效益，種植戶對化肥的依賴度更高，另外農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的一個重要問題是種養(yǎng)分離，養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)常常是兩個單獨的主體，地理上分離，主觀上不聯(lián)系，客觀上隔絕了糞便還田利用的通道，導(dǎo)致養(yǎng)殖廢棄物無處可還。另一方面，行業(yè)內(nèi)對糞污還田的標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，相關(guān)制度欠缺，且缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)，因此在糞污還田過程中常常會導(dǎo)致重金屬和鹽類的沉積，引起土壤板結(jié)，造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，并且給地表水和地下水帶來污染，威脅人類健康[10-11]，從而使農(nóng)戶對養(yǎng)殖糞污的安全性和效用性產(chǎn)生疑慮。

工業(yè)化處理即按照國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，建造污水處理構(gòu)筑物，通過高耗能的運行措施，將畜禽養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)格柵過濾、污泥消化處理、污泥沉淀分離處理，以降低污水COD，脫氮除磷，達(dá)標(biāo)排放為首要目標(biāo)[8, 12]。但由于畜禽糞污有機(jī)負(fù)荷過大，按照工業(yè)處理的要求，需要復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和構(gòu)筑物，基建和設(shè)備投資太大，設(shè)計和運行維護(hù)費用過高，處理每立方米沼液耗能約2～4 kWh，大大增加了養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖成本，因此養(yǎng)殖企業(yè)普遍對工業(yè)處理的接受度不高[13]。

能源化、資源化利用即以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以農(nóng)用有機(jī)肥和農(nóng)村能源為主要利用方向，通過建設(shè)沼氣工程及副產(chǎn)物綜合利用項目，將養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后，產(chǎn)氣發(fā)電，并進(jìn)行余熱回收，形成能源循環(huán)利用路線[1, 14-15]。厭氧發(fā)酵所得副產(chǎn)物沼液和沼渣則分別通過深度處理工藝和發(fā)酵堆肥技術(shù)生產(chǎn)有機(jī)液肥和固肥[16-17]。現(xiàn)階段，大多數(shù)糞污處理項目只限于通過沼氣工程利用生物質(zhì)產(chǎn)氣發(fā)電，對末端副產(chǎn)物的處理利用不夠重視，科學(xué)技術(shù)支撐不到位，相關(guān)材料和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)欠缺，造成對發(fā)酵副產(chǎn)物的管理不善，不能及時有效處置，亂排亂放，導(dǎo)致高含量COD，N，P等進(jìn)入環(huán)境，造成二次污染，成為制約沼氣工程運行和發(fā)展的一個重要因素[18-19]。

本文以山西玉衡同創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司承擔(dān)設(shè)計建設(shè)的某公司牧場糞污資源化處理項目為例，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，參考相關(guān)文獻(xiàn)，分析出存欄4000頭奶牛和2000頭后備奶牛的牛場，每年的養(yǎng)殖廢棄物通過養(yǎng)殖廢棄物處理及綜合利用項目可開發(fā)的潛在生物質(zhì)能量及其價值，闡述了此項目中二次生物質(zhì)能源開發(fā)及綜合利用的總體路線和技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成，對整個山西省內(nèi)乃至全國范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用做出了有益嘗試，對于沼氣和沼肥服務(wù)體系的建設(shè)和維系具有積極的示范推廣作用。

1 牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目概況

牧場地處山西省晉中市，占地面積818畝，包含泌乳牛舍、青年牛舍、辦公宿舍樓等區(qū)域，存欄4000頭奶牛和2000頭后備奶牛，力爭建設(shè)養(yǎng)殖過程清潔化、糞污處理資源化、產(chǎn)品利用生態(tài)化的綠色示范奶牛養(yǎng)殖園區(qū)。

山西玉衡同創(chuàng)公司設(shè)計承建的沼氣工程及副產(chǎn)物綜合處理利用項目位于牧場以北，占地面積14500 m2，包含糞污預(yù)處理區(qū)、厭氧發(fā)酵區(qū)、發(fā)酵副產(chǎn)物深度處理區(qū)、人工濕地生態(tài)凈化區(qū)及有機(jī)肥生產(chǎn)加工區(qū)等，每天的糞污處理量可達(dá)10000 m3。工程設(shè)計建設(shè)的目標(biāo)是根據(jù)CNMP(Comprehensive Nutrients Management Plan)的要求，以減量化、無害化、資源化、綜合利用為原則，減輕養(yǎng)殖生產(chǎn)對水、土壤、大氣等自然資源的影響，幫助養(yǎng)殖企業(yè)將養(yǎng)殖廢棄物作為資源進(jìn)行再利用，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、市場化經(jīng)營、科學(xué)化管理和社會化服務(wù)的畜禽糞污資源化利用新格局，實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)盈利和自然資源保護(hù)雙贏。項目建設(shè)成功后，由山西玉衡同創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)工程運營，具體任務(wù)是針對水、土壤、大氣和動植物等資源規(guī)劃環(huán)境保護(hù)措施和管理目標(biāo)，實現(xiàn)養(yǎng)殖糞污的安全貯存、處理和再利用，同時監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量變化，最大程度降低養(yǎng)殖生產(chǎn)對周邊環(huán)境的影響，同時提升末端產(chǎn)品競爭力，在政府部門的幫助扶持下，拓寬終端產(chǎn)品銷路。實施方式是通過厭氧微生物發(fā)酵技術(shù)對養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行無害化處理和資源化開發(fā)利用，最終實現(xiàn)生物質(zhì)沼氣發(fā)電、供熱，發(fā)酵副產(chǎn)物生產(chǎn)有機(jī)液肥和固肥，提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時避免環(huán)境污染問題，建立起以沼氣為紐帶，種養(yǎng)結(jié)合的良性和立體的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

2 牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用路線圖

牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目工藝路線見圖1，養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)收集后： 1)進(jìn)行物理篩分預(yù)處理，去除無機(jī)雜質(zhì)及大顆粒難溶物； 2)經(jīng)過篩分后的混合物進(jìn)入水解酸化系統(tǒng)，投加選育馴化后的水解酸化菌，通過自主研發(fā)的微氧曝氣技術(shù)，將混合液中的大分子蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物分解為氨基酸、甘油三酯及多糖類小分子顆粒，為后續(xù)厭氧發(fā)酵提供穩(wěn)定的原料； 3)經(jīng)水解酸化的混合液進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵塔內(nèi)，在中高溫條件控制下，采用自主研發(fā)的低耗變頻攪拌系統(tǒng)，進(jìn)行高效充分發(fā)酵，將小分子顆粒有機(jī)物進(jìn)一步分解為甲烷、二氧化碳及其他植物易吸收的有機(jī)酸類物質(zhì)； 4)產(chǎn)生的沼氣通過脫硫技術(shù)去除硫化氫等雜質(zhì)氣體，用于生物質(zhì)發(fā)電； 5)經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼液進(jìn)入出料池，通過超導(dǎo)熱管換熱器，將沼液余熱進(jìn)行充分回收利用，作為水解酸化池的熱源補(bǔ)充； 6)沼液經(jīng)固液分離、高密度微氧曝氣沉淀分解、多介質(zhì)過濾系統(tǒng)后，部分進(jìn)入自動化復(fù)配絡(luò)合系統(tǒng)，制成植物營養(yǎng)液，用于無土栽培種植用肥，另一部分進(jìn)入人工濕地、氧化塘進(jìn)一步降解氨氮和總磷，達(dá)到中水回用的標(biāo)準(zhǔn)要求； 7)固液分離后的沼渣與菌糠進(jìn)行科學(xué)匹配混合，添加高效發(fā)酵復(fù)合菌生產(chǎn)育苗和無土栽培營養(yǎng)土及土壤改良劑、鈍化劑。

圖1 牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目工藝路線圖

整個工藝路線中涉及到的主要工藝及關(guān)鍵設(shè)備包括以下內(nèi)容。

(1)原料預(yù)處理工藝：預(yù)處理階段各工藝構(gòu)筑物直接關(guān)系著后續(xù)發(fā)酵工藝的運行情況，影響著總體設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)。由于奶牛臥床采用砂臥床，牛舍采用鏟車清糞的方式，工程中采用了螺旋除砂系統(tǒng)去除養(yǎng)殖廢棄物中的砂石等顆粒物。通過水解酸化將難溶難降解的大分子有機(jī)物水解為小分子水溶性有機(jī)物，減輕后續(xù)工藝的處理負(fù)荷，酸化罐體鋪設(shè)保溫層和加熱盤管，依靠沼氣發(fā)電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的余熱，將發(fā)酵原料溫度提升至35℃～38℃，保證后端發(fā)酵的快速高效進(jìn)行。為了減少能源浪費，將出料池的余熱回收，供給水解酸化罐。

(2)厭氧發(fā)酵工藝：發(fā)酵罐是整個工程的心臟，工藝設(shè)計及設(shè)備選型直接影響沼氣工程的運行效率，其中溫度和攪拌狀況是主要限制因素。在祁縣牧場工程項目中根據(jù)技術(shù)要求，通過對糞污含固率的分析，綜合考慮工程成本和產(chǎn)氣效率，采用搪瓷拼裝罐作為厭氧發(fā)酵罐，具有防腐性能好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，采用CSTR工藝，使活性區(qū)遍布整個反應(yīng)器內(nèi)，控制溫度在35℃～38℃，滿足中溫發(fā)酵要求，在低耗變頻高強(qiáng)度攪拌下，具有抗沖擊負(fù)荷、原料和熱量分布均勻的優(yōu)點，能夠有效控制原料沉淀、分層以及表層浮渣結(jié)殼，并可將物料平均停留時間縮短至15 d左右。

(3)熱電聯(lián)產(chǎn)工藝：沼氣凈化處理后，通過熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為場區(qū)供熱供電，機(jī)組的控制系統(tǒng)可對沼氣濃度進(jìn)行實時甲烷濃度監(jiān)測，自動調(diào)節(jié)混合器的進(jìn)氣開度，確保最佳空燃比，綜合效率超過80%，運行及維護(hù)成本較低。輸出熱量一部分用于提高厭氧發(fā)酵溫度，一部分用于有機(jī)固肥加熱烘干，輸出的電能安全可靠，一部分用于滿足糞污資源化利用工程中設(shè)備的運行需要，一部分用于滿足牛場養(yǎng)殖生產(chǎn)需要及員工生活需要。

(4)沼液深度處理技術(shù)：沼氣發(fā)酵副產(chǎn)物經(jīng)固液分離后得到沼渣和沼液，沼液經(jīng)過兼性厭氧水解、高密度微氧曝氣和梯級過濾工藝，其中未降解的有機(jī)物和顆粒物進(jìn)一步被去除，之后將一部分沼液打入反應(yīng)釜中添加外源營養(yǎng)物質(zhì)，制成植物營養(yǎng)液和高端有機(jī)肥。另一部分沼液經(jīng)深度處理后排入三級人工濕地，在經(jīng)砂石吸附、微生物降解和植物吸收后，降低其中的COD和氨氮含量。人工濕地采用間歇曝氣技術(shù)，模擬AAO工藝，形成好氧、缺氧和厭氧交替的運行環(huán)境，大大提高人工濕地對氨氮的去除率，使人工濕地的出水水質(zhì)達(dá)到中水回用標(biāo)準(zhǔn)，儲存于生態(tài)魚塘中，用于漁業(yè)養(yǎng)殖和養(yǎng)殖場沖洗用水，建設(shè)生態(tài)觀光區(qū)。

(5)沼渣綜合利用技術(shù)：固液分離后得到的沼渣與公司收集的菌糠、醋糟混合，添加高效復(fù)合發(fā)酵菌進(jìn)行發(fā)酵堆肥，再通過添加其他補(bǔ)充物料生產(chǎn)土壤修復(fù)劑、育秧基質(zhì)及固態(tài)有機(jī)復(fù)合肥等產(chǎn)品。

(6)整個工程工藝模塊化，設(shè)計在線計量監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理智能平臺，實現(xiàn)自動化控制與監(jiān)測，生產(chǎn)全過程可測量、可識別、可核查、可追溯，減少了人力資源投入，保證了工程運行的穩(wěn)定性。

牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目的物料平衡圖見圖2，通過分析可知，工程運行過程中，將各個階段的養(yǎng)殖糞污利用率達(dá)到最大，減少了資源化利用路線中的能量消耗和物質(zhì)損耗，實現(xiàn)了資源化利用工程的高效運行，將產(chǎn)品收益最大化，能量損耗最小化，確保每個環(huán)節(jié)不會帶來新的污染問題。

圖2 牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用物料平衡圖

3 牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目效益分析

牛糞作為重要的生物質(zhì)原料來源，通過資源化利用技術(shù)充分開發(fā)，變廢為寶，最終實現(xiàn)能源和資源的再生利用[20-21]。據(jù)統(tǒng)計分析[22]，牧場每頭成年奶牛每天排泄的鮮糞大約是50～60 kg，后備奶牛每天排泄的鮮糞大約是10～30 kg。測算可知，祁縣牧場每天排出的鮮牛糞為400～500 t，1個月約產(chǎn)生1.32萬t鮮糞，每年產(chǎn)生的牛糞水達(dá)11.88萬t，含固率約為8.75%，每噸原料產(chǎn)氣量約為22 m3，其中CH4含量約為60%～65%。

3.1 牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用經(jīng)濟(jì)效益分析

按365天計算，牧場年產(chǎn)沼氣量為237.6萬m3，全部用于發(fā)電，發(fā)電總量可達(dá)380.16萬kWh，主要用于場區(qū)生產(chǎn)供電，年產(chǎn)沼渣量約為1.67萬t，沼液量13.9萬t，其中1.1萬t的沼液用于生產(chǎn)植物營養(yǎng)液等產(chǎn)品，其他沼液用于場區(qū)沖洗和綠化用水。按照市場價計算，1 t沼渣生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品價格為650元，成本價為500元，1 t沼液生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品價格為1000元，成本價為800元，每年沼渣沼液相關(guān)產(chǎn)品銷售收入可達(dá) 2185.5萬元，凈利潤達(dá)470.5萬元。

3.2 牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用社會效益分析

實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理和資源化利用，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活綠色化、生態(tài)化，有利于轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，調(diào)整優(yōu)化農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)向產(chǎn)出高效，產(chǎn)品安全，資源節(jié)約，環(huán)境友好的現(xiàn)代化可持續(xù)方向發(fā)展，有效改善衛(wèi)生環(huán)境和人居條件，提高農(nóng)業(yè)收入，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對生活環(huán)境和食品安全的需要，有利于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

3.3 牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生態(tài)效益分析

通過沼氣工程及副產(chǎn)物資源化利用工程的建設(shè)，以環(huán)境資源承載能力為基礎(chǔ)，規(guī)劃出一條畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合處理及資源化利用路線，減輕養(yǎng)殖生產(chǎn)對周邊大氣、水體、土壤等資源的影響，改善環(huán)境質(zhì)量，高效產(chǎn)出新能源、新產(chǎn)品，使養(yǎng)殖生產(chǎn)走上綠色健康、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展的道路。

在第三方公司的參與下，將養(yǎng)殖業(yè)同種植業(yè)聯(lián)合，構(gòu)建科學(xué)合理、專業(yè)化的區(qū)域生產(chǎn)格局，建立“以地定養(yǎng)，以養(yǎng)促種”的種養(yǎng)循環(huán)機(jī)制，實現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)、種植區(qū)在空間上分離，功能上相互促進(jìn)、優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源利用率，整體提升養(yǎng)殖和種植產(chǎn)品的質(zhì)量，形成農(nóng)村“一二三產(chǎn)業(yè)”的循環(huán)發(fā)展聯(lián)動體系，提高種養(yǎng)關(guān)聯(lián)度。

4 結(jié)語

某公司牧場的養(yǎng)殖廢棄物資源化利用工程以系統(tǒng)的科學(xué)理論為指導(dǎo)和先進(jìn)的工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，運用“整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、再生的生態(tài)學(xué)”原理，使養(yǎng)殖廢棄物處理工程不僅局限于政府提供補(bǔ)貼的能源工程和環(huán)境治理工程，更是將環(huán)境工程、能源工程和效益工程結(jié)合為緊密聯(lián)系的有機(jī)整體，將種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的關(guān)聯(lián)度提升，根本上解決了養(yǎng)殖業(yè)的糞污污染問題和種植業(yè)的低效發(fā)展問題，既促進(jìn)了環(huán)境保護(hù)的發(fā)展和資源的再利用，又促進(jìn)了農(nóng)業(yè)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一。