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生態(tài)養(yǎng)殖

規(guī)?；i場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)?；i場的快速發(fā)展，豬場糞污對環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。我國規(guī)?；i場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、投資回報率低等劣勢。本文在分析現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，借鑒畜牧業(yè)先進(jìn)國家的經(jīng)驗，設(shè)計了“固液分離-固體堆肥和液體存儲熟化-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+液體存儲熟化”資源化利用系統(tǒng)組成，運行中對環(huán)境污染少，且可實現(xiàn)對豬場糞污中養(yǎng)分的完全利用，符合“減量化、無害化、資源化”的糞污處理原則。同時以1000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)模化豬場為例，按照該工藝對其糞污處理進(jìn)行了實例設(shè)計，并對其經(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、運行管理、運行能耗、年利潤等因素，相比于以沼氣工程為主的豬場糞污綜合利用工藝，生態(tài)循環(huán)利用工藝均具有顯著優(yōu)勢，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。

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

近年來，我國生豬養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)國家統(tǒng)計局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2013年我國肉豬出欄頭數(shù)達(dá)到71577萬頭，生豬存欄達(dá)到47411萬頭[1]，再創(chuàng)歷史新高。然而，隨之而來的大量集中糞污對生態(tài)環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計，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t、572.72萬t，已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要來源。為應(yīng)對此問題，國家出臺了《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》，明確要求“國家鼓勵糞肥還田、制造有機(jī)肥等方法對畜禽養(yǎng)殖廢棄物進(jìn)行綜合利用”[5]，尋找一種適合規(guī)?；i場糞污綜合利用的工藝已迫在眉睫。

1規(guī)?；i場糞污綜合利用工藝現(xiàn)狀

目前，我國規(guī)?；i場糞污綜合利用工藝主要以沼氣工程為主，根據(jù)對沼液處理工藝的不同，可以將規(guī)?；i場糞污綜合利用分為“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、運轉(zhuǎn)費用較低等優(yōu)勢，但是存在需求大量土地消納沼液、非施肥季節(jié)沼液的存儲以及惡臭等有害氣體大量釋放等問題，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)對沼液進(jìn)行處理。這種模式具有運行費用低、無復(fù)雜工藝系統(tǒng)等優(yōu)勢，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，但是存在投資大、能耗高、運轉(zhuǎn)費用高、需要專門技術(shù)人員管理等問題。

以上三種規(guī)?；i場糞污綜合利用工藝在全國各地均有實踐，但是均存在產(chǎn)氣量少[8-9]、沼氣利用率低[10-11]、投資回報率低[12]等問題，使得很多規(guī)?；i場并不愿意主動去選擇這種模式。為此，本文基于法國、丹麥等畜牧業(yè)先進(jìn)國家在糞污存儲利用方面的經(jīng)驗[13-14]，以完全利用豬場糞污中的養(yǎng)分為目的，設(shè)計了規(guī)?；i場糞污“固液分離-固體堆肥和液體存儲熟化-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踐。

2　規(guī)模化豬場糞污生態(tài)循環(huán)利用工藝2.1　工藝流程

本工藝根據(jù)規(guī)?；i場糞污流動性強(qiáng)、干物質(zhì)多的特點，設(shè)計了以“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)計應(yīng)保持水平，同時在每一個排污塞處預(yù)留1 000 mm×1 000 mm×100 mm的排糞坑；設(shè)計和施工時，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)境的前提下實現(xiàn)糞污的有序排出，具有投資低、能耗低、勞動強(qiáng)度低的巨大優(yōu)勢。

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)計采用的集污池容積按照豬場日最大排放量的1.5倍確定，以滿足豬場糞污排放量波動大的特點。同時，本設(shè)計選用的固液分離機(jī)分離效率高，經(jīng)過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，實現(xiàn)糞污處理中所有固體物質(zhì)的無害化和資源化利用，提高整個糞污綜合利用工程的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。經(jīng)過實踐，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液體存儲塘存儲熟化本工程中設(shè)計的存儲塘是一種基于防滲防蒸發(fā)技術(shù)的畜禽糞污存儲系統(tǒng)及方法，根據(jù)大田作物施肥要求，一般按糞污存儲6個月設(shè)計存儲塘的容積。該存儲塘的主要結(jié)構(gòu)單元是：

存儲塘本體：在糞污綜合利用工程區(qū)域內(nèi)劃定糞污存儲區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)情況條件挖出一定量的土方形成存儲塘本體，可根據(jù)項目規(guī)模及現(xiàn)場情況設(shè)置為全地下式、半地下式的存儲塘本體，本體側(cè)壁和底部夯實度應(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；糞污儲存于底膜和浮動膜之間，浮動膜上有少量通風(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)出存儲塘均經(jīng)由此服務(wù)裝置進(jìn)行，不會對已有的防滲防蒸發(fā)裝置造成破壞。

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

與傳統(tǒng)的糞污存儲設(shè)施相比，該存儲塘能夠適應(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。同時該存儲塘還具有環(huán)境友好性的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)存儲過程的相對密閉，減少液體部分在存儲過程中的氮損失，隔離糞污的惡臭污染及雨污分流，并具有防滲及報警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)減量化、無害化、資源化的糞污處理及存儲要求。

2.3　工藝特點

該生態(tài)循環(huán)利用工藝的特點是：(1)遵循“減量化、無害化、資源化”的糞污處理原則，實現(xiàn)糞污的綜合利用。(2)完全利用豬場糞污中的養(yǎng)分。糞污經(jīng)過固液分離后，固體部分制作有機(jī)肥，可就近施用于周邊土地，也可實現(xiàn)對外銷售；液體部分經(jīng)過存儲塘的存儲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，建立封閉式的運行區(qū)域，結(jié)構(gòu)緊湊、便于管理，并盡可能的簡化工藝流程，降低造價，減少動力消耗，實現(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場周圍有一定量的土地用來消納液體有機(jī)肥即可適用。

3生態(tài)循環(huán)工藝設(shè)計實例與效益對比分析

3.1　生態(tài)循環(huán)工藝設(shè)計實例及效益分析

以1 000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)?；i場為例，對規(guī)?；i場生態(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)備需求和存儲塘規(guī)模確定如下。

3.1.1關(guān)鍵參數(shù)的確定經(jīng)測算，1 000頭基礎(chǔ)母豬的規(guī)模化豬場每天產(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6個月設(shè)計存儲塘的有效容積為12 060 m3。

3.1.2工程投資概算主要構(gòu)筑物及設(shè)備見表1。從中可知本工程總投入204.6萬元，其中土建投入29.1萬元，設(shè)備投入175.5萬元。

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)利用工藝運行費用與收入見表2，不計糞污生態(tài)循環(huán)利用工藝的生態(tài)效益和社會效益，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　效益對比分析

以1 000頭基礎(chǔ)母豬規(guī)?；i場為例。“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)效益分析比較見表3。

表3表明，四種規(guī)模化豬場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；在運營管理方面，“沼氣工程+好氧處理”工藝需求項目運營管理人員較多，“沼氣工程+自然生態(tài)處理”和“沼氣工程+還田”工藝需求項目運營管理人員次之，“生態(tài)循環(huán)利用工藝”需求項目運營管理人員最少；在工藝運行能耗方面，“沼氣工程+好氧處理”工藝最高，其他三種工藝能耗相差不大；在年利潤方面，“生態(tài)循環(huán)利用”工藝年利潤最高，“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分析，“生態(tài)循環(huán)利用工藝”的綜合效益最好。

表2　工程運行費用與收入(按月計)

注：1. 設(shè)備及工程折舊費計入總投資，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)備平均日運轉(zhuǎn)8 h，電費按0.6元/kW·h；3. 豬場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)肥收入按正常運行后可產(chǎn)月粗肥120 t，目前按每噸售價500元計算，扣除每噸處理成本150元(豬糞收集率按90%計，粗肥含水率≤30%)；5. 液體有機(jī)肥收入按正常運行后可產(chǎn)月粗肥2010 m3計算，目前按每噸售價2元；6. 本工程設(shè)備可使用年限為15年，存儲塘可使用年限為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　投資及效益對比分析(運行費用按年計)

注：投資、沼氣收入數(shù)據(jù)是參考文獻(xiàn)《中德萬頭豬場沼氣工程經(jīng)濟(jì)性對比分析》計算得出。

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，具有對周邊環(huán)境影響小、無污染、投資及運行費用低、收益高、運行管理簡單的特點，豬場周圍有一定量的土地用來消納液體有機(jī)肥即可適用。特別是工藝中的液體存儲塘能夠適應(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)存儲過程的相對密閉，減少液體部分在存儲過程中的氮損失提高肥效，隔離糞污的惡臭污染并實現(xiàn)雨污分流，具有良好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。

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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]S811.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1005-5228(2015)11-0067-05

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

[基金項目]“十二五”國家科技支撐計劃(2014BAD08B07)；2014年度北京市科技計劃(D141100003814002)

*[收稿日期]2014-11-14修回日期：2014-11-27