董泰麗 陳莉

摘要?針對國內畜禽糞便資源化利用存在的利用率低、循環(huán)體系不完善、市場化水平低等問題，基于山東民和生物科技股份有限公司畜禽糞便資源化循環(huán)利用的產業(yè)模式，重點探討畜禽糞便如何高效資源化產出、產出品如何實現(xiàn)高值化循環(huán)利用、產業(yè)鏈價值如何全面提升。通過畜禽糞便沼氣能源化與肥料化處理方式互補，形成畜禽糞便商品有機肥生產、沼氣熱電聯(lián)產、沼氣提純生物天然氣、沼液濃縮有機水溶肥料高值利用的資源化利用體系，橫向拓展、縱向延伸，構建畜禽糞便資源化循環(huán)利用全產業(yè)鏈模式，使物質高效循環(huán)、能量多級利用、產出品向高值化方向移動，在“三化一銷”市場化運營管理模式下，全面提升經濟、環(huán)境、生態(tài)、社會效益，為規(guī)?；笄菁S便資源化利用提供參考。

關鍵詞?畜禽糞便;沼氣;有機肥料;資源化;循環(huán)利用;關鍵技術;模式

中圖分類號?S?216.4文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）17-0216-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.056

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Discussion on the Key Technology and Model of Livestock Manure Resource Recycling—A Case Study of Minhe， Shandong

DONG Tai?li， CHEN Li

（Shandong Minhe Biological Technology Co.， Ltd.， Penglai，Shandong 265600）

Abstract?Aiming at domestic livestock manure recycling industry problems of low utilization rate， imperfect circulation system and low marketization level，based on the industrial model of recycling and utilization of livestock manure in Shandong Minhe Biotechnology Co.， Ltd.， it focused on how to produce resource efficiently，how to achieve high?value recycling of output products， and how to comprehensively enhance the value of the industrial chain.Combining livestock manure biogas treatment way and fertilizer treatment way， form the resource utilization system， which containing commercial organic fertilizer， biogas cogeneration， bio?natural gas purification，high?valued organic water soluble fertilizer. By expansion and extension of the industry， build up the whole industrial chain model of livestock manure resource utilization， realizing matter efficient recycling， energy multilevel flow， products in high?valued. By the market management model， improve the economic benefit， social benefit， environmental benefit， ecological benefit and supply reference for scale livestock manure resource utilization.

Key words?Livestock manure;Biogas;Organic fertilizer;Resource;Recycling;Key technology;Model

隨著養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模化程度的快速提高，畜禽糞便處理已到非常時期，以沼氣和生物天然氣為主要處理方向，以就地就近用于農村能源和農用有機肥為主要使用方向是規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖糞便處理的重要出路。當前畜禽糞便多未進行資源化深度利用，不能形成科學合理的循環(huán)體系[1]，市場化水平低[2]。畜禽糞便資源化循環(huán)利用發(fā)展的關鍵需要重點解決畜禽糞便如何實現(xiàn)高效資源化產出、產出品如何實現(xiàn)高值化利用、產業(yè)鏈價值如何全面提升，以實現(xiàn)畜禽糞便資源化循環(huán)利用的可持續(xù)發(fā)展，提升生態(tài)環(huán)境、社會及經濟效益。

筆者基于民和畜禽糞便資源化循環(huán)利用的產業(yè)模式，分別探討肥料化與沼氣能源化處理方式下畜禽糞便高效資源產出、沼氣與沼液產出品高值利用關鍵技術以及畜禽糞便資源化利用全產業(yè)鏈模式，實現(xiàn)全產業(yè)鏈經濟效益、社會效益、環(huán)境效益、生態(tài)效益四效合一。

1?畜禽糞便高效資源產出技術

根據不同季節(jié)、不同周齡養(yǎng)殖場的畜禽糞便特性與再利用價值，按照物盡其用的原則，分別選擇適用的肥料化處理或沼氣能源化處理方式。含水量低的糞便選擇肥料化處理方式，含水量高的糞便選擇沼氣能源化處理方式，建立有機肥料+沼氣+沼肥多聯(lián)產的資源化利用體系，實現(xiàn)畜禽糞便高效資源化產出。

1.1?糞便肥料化處理方式——好氧堆肥除臭保氮技術

糞便好氧堆肥是在好氧微生物作用下，通過高溫發(fā)酵使有機物礦質化、腐殖化、無害化而變成腐熟肥料的過程，是實現(xiàn)糞便肥料價值的重要方式之一。高效好氧堆肥技術要以生產滿足市場需求的商品有機肥為原則，減少堆肥過程中的臭氣排放與氮流失，確保肥料充分腐熟無二次污染。

畜禽糞便好氧發(fā)酵過程會產生大量臭氣，成分復雜，主要含有氨、含硫化物、胺類和一些低級脂肪酸類。目前主要除臭技術包括物理法、化學法、生物處理法，其中從禽糞、好氧堆肥、土壤等中篩選高效除臭微生物并將其回歸到堆肥體系中，降低堆肥臭味等級，是畜禽糞便好氧堆肥重要的生物除臭方式。顧文杰[3]篩選出了高效除臭的細菌（芽孢桿菌屬、假單孢菌屬等）-霉菌（木霉屬、青霉屬等）組合菌，試驗20 d后雞糞堆肥無臭味，通過減少NH3等臭氣排放，降低堆肥臭味等級的同時，保氮效果明顯，并發(fā)現(xiàn)堆肥過程中，臭味等級、氨氣和硫化氫揮發(fā)量3項有害氣體變化指標與堆肥腐熟度具有一定相關性。趙冬梅[4]篩選出了副球菌屬、假黃色單孢菌屬除臭菌株，用于脫除雞糞堆肥H2S，經測定有效降低了堆肥H2S釋放，除臭效果良好。

民和有機肥生產項目，以純雞糞為主要原料，花生殼、秸稈為輔料，添加生物菌劑等成分，以特定比例配方，達到除臭、保氮、促腐效果。好氧發(fā)酵采用條垛式堆肥，發(fā)酵最高溫度60～65 ℃，翻堆采用行走式翻拋機，發(fā)酵周期20～30 d，發(fā)酵后物料通過晾曬或烘干后包裝。生產過程嚴格執(zhí)行ISO9001：2015標準，商品有機肥料產品執(zhí)行《有機肥料》登記證標準，并通過歐盟EC、美國NOP有機農業(yè)生產資料雙認證。項目年產20 000 t商品有機肥料，產品銷往全國各地，肥效已得到廣泛認可。

1.2?糞便沼氣能源化處理方式——產甲烷效果提升技術

畜禽糞便厭氧發(fā)酵制備沼氣及沼氣利用過程能有效消除糞便污染，減少溫室氣體排放，是一種極具代表性的雙向清潔過程[5]。以下將重點探討影響糞便產甲烷效果的主要因素，結合民和特大型雞糞沼氣工程，介紹雞糞沼氣能源化處理高效產出技術。

畜禽糞便發(fā)酵產甲烷的效果由進料TS、氨氮和VFAs等因素共同作用，目前各因素之間以及對發(fā)酵微生物代謝的影響尚不明確[6]。產甲烷效果提升的研究方向重點集中于進料TS、氨氮、VFAs等參數(shù)優(yōu)化，產甲烷菌種強化，及發(fā)酵產甲烷效果促進。研究方向一，增加進料TS濃度可提高發(fā)酵容積產氣率，但隨著進料TS濃度的提升，發(fā)酵系統(tǒng)氨氮和VFAs濃度提高，產甲烷抑制作用加強，因此需要平衡進料TS、氨氮和VFAs。喬瑋等[7]通過梯度增加雞糞發(fā)酵進料濃度，發(fā)現(xiàn)雞糞在進料TS為5.0%、7.5%，中溫發(fā)酵系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行;進料TS達到10%后，有機物轉化率降低，產甲烷受到抑制，因此建議雞糞中溫發(fā)酵TS不適宜超過10%。研究方向二，產甲烷菌種的生物強化作用，李穎[8]構建了丙酸產甲烷菌系，作為生物強化菌劑，能大幅提高發(fā)酵有機負荷、平均甲烷含量、容積產甲烷率、VS產甲烷率，能有效緩解氨氮抑制、解除酸抑制、促進酸敗恢復，進而提高發(fā)酵性能。研究方向三，產甲烷促進劑提升沼氣工程產甲烷效果，何榮玉等[9]以豬糞和產甲烷培養(yǎng)基為底物，篩選出啤酒糟、物質M（蛋白胨、氨基酸等混合物）和微量元素液Ⅱ（含F(xiàn)e、Co、Ni、Ca、Na、Zn等）3種外源添加物，對沼氣產量有較好的促進作用，其中啤酒糟前4 d的促進效果最為明顯;物質M的促進作用隨著加入濃度的增加而增強;加入適量的微量元素液Ⅱ可促進產氣，但加入量過多產氣量反而下降。

民和創(chuàng)新高濃度高氨氮雞糞厭氧發(fā)酵技術，解決了高氨氮厭氧發(fā)酵工程難以穩(wěn)定運行的世界難題，連續(xù)10年穩(wěn)定調控純雞糞CSTR中溫厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，發(fā)酵進料TS為8%～10%，系統(tǒng)耐受氨氮能力由3 000 mg/L提升至6 000 mg/L，發(fā)酵裝置容積產氣率1.5 m3/（m3·d）以上，沼氣甲烷含量60%以上，已開展產甲烷促進劑的工程應用研究，以期進一步提高進料TS，提升產甲烷效果。

規(guī)?；託夤こ贪l(fā)酵系統(tǒng)啟動后，需要根據發(fā)酵物料特性長期平衡TS、氨氮、VFAs等參數(shù)。民和創(chuàng)新的發(fā)酵“三定原則”，使民和厭氧發(fā)酵系統(tǒng)10年持續(xù)平衡穩(wěn)定，不需停產維護。民和“三定原則”如圖1所示，包括進料穩(wěn)定原則（定時進料、定料量、定料種類）、操作穩(wěn)定原則（穩(wěn)定攪拌、固定排渣排砂等運行操作）、定期監(jiān)測原則（定期監(jiān)測發(fā)酵罐內參數(shù)，如VFAs、堿度、pH、TS、氨氮等運行參數(shù)）。

2?產出品高值化利用技術

2.1?沼氣高值利用技術

當前適用于規(guī)?；⑸虡I(yè)化沼氣工程的沼氣利用途徑主要包括沼氣發(fā)電和沼氣提純生物天然氣，以下將討論沼氣發(fā)電與沼氣提純生物天然氣2種高值化利用方式下，如何提升沼氣利用價值。

2.1.1?沼氣熱電聯(lián)產技術。

沼氣發(fā)電過程除產生電能外，還產生了大量熱能，沼氣熱電聯(lián)產機組通過連接換熱器、余熱鍋爐或溴化鋰機組等不同換熱、取熱、制冷設備，將熱能進行回收，充分用于供熱或制冷，提高沼氣的能源利用率，因此沼氣熱電聯(lián)供是沼氣發(fā)電高值化利用的重要途徑之一，選擇高效、自動化程度高的熱電聯(lián)產機組是保證沼氣發(fā)電高值化利用的關鍵因素。

在沼氣發(fā)電配套技術方面，沼氣預處理尤為關鍵。沼氣中雜質成分主要包括硫化氫、水分、二氧化碳，其中硫化氫在潮濕環(huán)境下，對發(fā)電機組進氣管道、火花塞、中冷器具有強烈腐蝕性[10]。沼氣凈化除了脫硫，還需進行沼氣脫水、除雜、加壓輸配，與發(fā)電工藝段銜接、負荷調配、自動化控制，以最大程度滿足后續(xù)發(fā)電機組穩(wěn)定運行的要求，減少停機時間及運行成本。

民和3 MW特大型雞糞沼氣發(fā)電工程日產沼氣30 000 m3，配套3臺1 063 kW GE顏巴赫JMS320熱電聯(lián)產機組，根據工程特點制定并執(zhí)行機組操作與維護保養(yǎng)規(guī)程，機組連續(xù)運行10年來，年均運行時間8 000 h以上，電效率41%、熱效率43%，持續(xù)高熱電效率。目前機組運行時間已超過70 000 h，仍可正常運行，有效延長機組壽命，年可售電22 000 000 kW·h。

民和余熱回收與梯級利用經驗做法：①充分回收熱電聯(lián)產機組不同品相的余熱，并挖掘厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內部沼液的余熱，優(yōu)化沼氣制備工藝各環(huán)節(jié)的熱能匹配，可滿足北方沼氣工程冬季沼氣發(fā)酵系統(tǒng)對熱能的需求。②根據工程總熱能產出量、沼氣發(fā)酵工藝特點、熱量需求，在熱平衡原則下，匹配沼氣工程規(guī)模。民和3 MW熱電聯(lián)產機組余熱在滿足30 000 m3/d沼氣發(fā)電工程熱能需求情況下，多余熱能依據“以熱定產”原則，可另外匹配民和70 000 m3/d的沼氣提純生物天然氣工程發(fā)酵系統(tǒng)熱能需求，無需消耗其他任何常規(guī)能源，有效提升工程整體熱利用率。③按照“季節(jié)性用能差異”及“低品位余熱優(yōu)先利用、高品位熱能高值利用”的余熱梯級利用原則，結合沼氣發(fā)酵系統(tǒng)季節(jié)性需熱不同的特點，建立冬夏季不同余熱利用模式。夏季優(yōu)先利用低品位熱水余熱，剩余大量高品位蒸汽余熱通過增設燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)，可增加電能、冷能，提高系統(tǒng)能量輸出率。

以上高效熱電聯(lián)產、余熱高效回收、余熱梯級利用技術與裝備提升沼氣能源轉化效率，同時民和3 MW特大型雞糞沼氣發(fā)電工程已注冊為聯(lián)合國CDM（國際清潔發(fā)展機制）項目，連續(xù)6年累計獲碳減排收益約4 000萬元，進一步實現(xiàn)沼氣高值化效益。

2.1.2?沼氣提純生物天然氣技術。

沼氣提純是將沼氣中甲烷（占50%～70%）、二氧化碳（占25%～40%）及其他雜質氣體分離，制取生物天然氣的過程。產品氣（生物天然氣）的甲烷含量、熱值等是決定生物天然氣市場價值的關鍵。另外尾氣主要成分二氧化碳，是一種可回收、可利用的資源，通過回收高純度的二氧化碳，可提高沼氣提純項目經濟性，或者尾氣達到環(huán)保排放標準，無需二次處理，提高沼氣提純過程環(huán)保性，降低提純成本，因此需從提升產品氣品質、實現(xiàn)尾氣可利用性與環(huán)保性的角度出發(fā)，實現(xiàn)沼氣利用高值化。

沼氣提純技術包括吸收法（物理和化學）、變壓吸附法、膜分離法等，其中吸收法能耗小、提純成本低，但原料氣適應性不強，需要較為復雜的預處理系統(tǒng)，吸收劑的再生循環(huán)操作較為繁瑣。變壓吸附法能耗小、效率高、成本低、自動化程度較高，需要進一步研究高性能吸附劑，降低系統(tǒng)復雜度與維護管理難度。膜分離法較其他提純技術，氣體分離過程未發(fā)生相變;能耗低;只需特定膜組件，不需要其他耗材，環(huán)保性高;膜分離過程穩(wěn)定性較強，操作和維護容易;得到的產品氣可以達到天然氣管網的純度和壓力，無需再次純化和壓縮[11]。

民和特大型雞糞沼氣提純生物天然氣工程的沼氣提純技術采用膜分離法，以下將以民和沼氣膜提純裝置為例，介紹膜分離法在提升產品品質及尾氣可利用性、環(huán)保性、經濟性等方面的作用。

膜提純裝置需要根據工程、環(huán)保等要求進行不同級別的膜組配。民和采用三級膜組合形式，可提高產品氣甲烷含量，提高尾氣二氧化碳含量、減少甲烷含量。經測試，采用三級膜提純的產品氣較二級膜提純氣，甲烷含量稍高，但增加第三級膜后，尾氣甲烷含量明顯降低、二氧化碳濃度提高，可達99%以上，利于尾氣回收二次利用或安全排放，如表1所示。三級膜提純后產品氣指標高于GB 18047—2017《車用壓縮天然氣》標準及GB 17820—2012《天然氣》一類天然氣標準，如表2所示。膜提純裝置還可根據不同用戶的不同需求，調整膜運行參數(shù)，控制生物天然氣品質、產量，生產符合市場需求的生物天然氣，實現(xiàn)工程生產與市場需求靈活匹配，從而提高生物天然氣市場價值及項目經濟效益。

民和雞糞沼氣提純生物天然氣工程，日產沼氣70 000 m3，配套2套1 000 m3/h三級膜提純裝置，年可提純生物天然氣13×106 m3，供工業(yè)、車輛及農村生活用。已建設了農村集中供氣系統(tǒng)，在蓬萊首次實現(xiàn)農村生物天然氣的集中穩(wěn)定供應，為改善農村生態(tài)環(huán)境、推進新農村建設起到積極作用。

2.2?沼液高值化利用技術——沼液膜濃縮

沼液直接還田方式設施投資、人工投入少，是一種低成本的沼液利用模式，有利于推進局域“果-沼-畜”生態(tài)循環(huán)農業(yè)發(fā)展，但規(guī)?；託夤こ讨苓叺耐恋孛娣e往往無法滿足沼液的消納需求，使局域性及季節(jié)性沼液大量過剩。沼液濃縮技術能回收沼液營養(yǎng)物質、分離水分，拓展沼液應用范圍，解決沼液直接還田存在的問題，并提升沼液利用價值。早期沼液濃縮主要依靠加熱蒸餾法，該法能耗高，對沼液營養(yǎng)成分破壞大，后期隨著膜工藝發(fā)展，利用不同膜工藝對沼液進行濃縮分離已逐漸發(fā)展成為沼液濃縮的重要技術手段[12]，以下將基于山東民和300 m3/d雞糞沼液膜濃縮工程，介紹沼液膜濃縮關鍵技術及高值化產品開發(fā)與綠色種植應用。

2.2.1?沼液膜濃縮技術。

沼液膜濃縮技術主要存在膜污染問題，為解決或緩解膜污染，需要根據不同沼液的實際情況確定與選擇相匹配的預處理工藝及膜組合[13]。民和通過研發(fā)高效低耗的生物水解預處理技術，在國內率先解決了工程中膜系統(tǒng)易堵塞的難題，其主要通過調控生物水解參數(shù)，使沼液中大分子與膠體物質被分解與打破，減輕后續(xù)膜堵塞、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，同時改善了沼液特性，濃縮后沼液更利于被作物吸收。預處理過程無需添加任何外源物質（如絮凝劑），保持沼液原有營養(yǎng)體系，且較機械預處理方法耗能更低。

沼液通過膜濃縮有效去除難溶雜質、大量水分，并富集濃縮100多種有機活性小分子物質及離子態(tài)營養(yǎng)物質，存儲與運輸成本大幅度降低，濃縮產品可銷往全國。分離后清液殘余營養(yǎng)成分的含量是衡量濃縮技術及效果的重要指標，直接影響清液后續(xù)處理成本與工程環(huán)保性。民和雞糞沼液濃縮工程采用多級膜濃縮提純技術，沼液的大部分營養(yǎng)物質截留在濃縮液中，COD、氨氮截留率分別為99.8%、90.0%，而清液中所剩營養(yǎng)物質很少，致病菌、病毒為0，水質安全，可回用于沖刷雞舍，沖刷雞舍污水再次回到沼氣工程發(fā)酵產氣，實現(xiàn)水資源閉合循環(huán)，達到零排放、零污染，降低二次處理成本。

2.2.2?沼液濃縮產品高值化開發(fā)。

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