錢 蕾, 林 斌, 官雪芳, 黃菊青, 徐慶賢

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)所, 福建 福州 350003)

近幾年，伴隨著國家農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及市場充分競爭下的優(yōu)勢劣汰，養(yǎng)豬業(yè)集約化發(fā)展趨勢越明顯，養(yǎng)豬規(guī)模也越大。養(yǎng)豬場糞污屬于高濃度有機廢水[1-2]，對環(huán)境影響大。2016年，福建省作為全國首批生態(tài)文明試驗區(qū)的三個省份之一，中央第一個批準(zhǔn)了《國家生態(tài)文明試驗區(qū)(福建)實施方案》。福建省委、省政府認(rèn)真貫徹黨的十九大精神，牢固樹立和踐行“綠水青山就是金山銀山”等綠色發(fā)展理念，對養(yǎng)殖業(yè)進行了規(guī)范化與整治，對養(yǎng)殖業(yè)糞污治理工程達(dá)標(biāo)排放以及廢棄物資源化利用提出了更高要求。針對規(guī)?；B(yǎng)豬場，建立合適的糞污治理工程，促進糞便污水達(dá)標(biāo)排放，避免環(huán)境污染，同時還可以通過廢棄物資源化利用，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟[3-5]。筆者項目組根據(jù)可持續(xù)發(fā)展的理念，以實現(xiàn)糞污達(dá)標(biāo)排放為目標(biāo)，輔以資源化利用最大化為原則，進行技術(shù)集成，建立規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污治理工藝技術(shù)模式。本文通過工程實例進行關(guān)鍵技術(shù)分析總結(jié)，以便為規(guī)?；i場建立實用達(dá)標(biāo)排放生態(tài)型技術(shù)模式提供參考。

1 規(guī)?；B(yǎng)豬場概況

福建省某有限公司位于福州市閩侯荊溪鎮(zhèn)，是一家存欄數(shù)5000頭的規(guī)?；B(yǎng)豬場。養(yǎng)豬場污水屬于高濃度有機污水，主要成分為大量的豬糞尿以及部分散落的殘余飼料，其主要污染物是有機質(zhì)、氮、磷等，并且含有較多的糞大腸桿菌群和蛔蟲卵等寄生蟲卵。豬場糞污前處理采用干清糞工藝，結(jié)合養(yǎng)豬場內(nèi)母豬、育肥豬和保育豬的比例，確定全場產(chǎn)生污水量約75 m3·d-1，其污水指標(biāo)如下：CODCr為9751.3～13412.5 mg·L-1，平均為12574.1 mg·L-1；BOD5為3472.4～5780.8 mg·L-1，平均為4589.3 mg·L-1；SS為3256.2～4515.7 mg·L-1，平均為4148.4 mg·L-1； NH3-N為972.5～1275.6 mg·L-1，平均為1156.7 mg·L-1；TP為72.7～96.9 mg·L-1，平均為86.7 mg·L-1；pH值為7.23～7.38，平均為7.31。本研究以該公司作為研究對象構(gòu)建豬糞污處理和資源化利用模式，解決規(guī)?；i場糞污治理與廢棄物綜合利用問題。

2 糞污治理及資源化利用模式工藝流程

2.1 技術(shù)工藝流程

本技術(shù)工藝最大特點是多項污水治理技術(shù)以及資源化利用技術(shù)的集成與創(chuàng)新，主要包括以下4個方面： 1)實施干清糞，應(yīng)用福建省農(nóng)科院自主研發(fā)FZ-12固液分離機作為前處理固液分離； 2)采用推流式厭氧發(fā)酵和微曝氣生物濾池技術(shù)相結(jié)合處理糞污水； 3)厭氧發(fā)酵池產(chǎn)生沼氣、沼液經(jīng)過凈化處理后進入溫室大棚應(yīng)用； 4)干清糞豬糞和固液分離后產(chǎn)生糞渣進行厭氧干發(fā)酵裝置中堆肥發(fā)酵處理。

綜上所述，根據(jù)循環(huán)經(jīng)濟原理，依據(jù)規(guī)?；B(yǎng)豬場糞污特性，本工藝技術(shù)采用沉砂池-固液分離-酸化池-厭氧發(fā)酵池-好氧池-沉淀池-氧化塘技術(shù)相結(jié)合以及沼氣、沼渣、沼液的綜合循環(huán)利用。其主要工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程圖

2.2 取樣和測試

2013年1月1日至2013年12月31日期間，每月上、中、下旬分別對測試點進行多點取樣、檢測污水中pH值，CODCr，BOD5，SS，NH3-N和TP。COD測定采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第三版)中重鉻酸鉀法；pH值測定采用電子pH計；NH3-N測定采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第三版)中納氏試劑光度法；BOD5采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第三版)五日生化需氧量測定方法；TP采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第三版)鉬銻抗分光光度法；SS采用過濾烘干法。

3 糞污處理及資源化利用系統(tǒng)構(gòu)筑物及參數(shù)

3.1 預(yù)處理系統(tǒng)構(gòu)筑物、設(shè)備及參數(shù)設(shè)定

預(yù)處理技術(shù)主要包括豬舍中人工清理豬糞、糞污分離技術(shù)以及污水酸化。其主要設(shè)施和設(shè)備有格柵池、沉砂池、固液分離機以及酸化調(diào)節(jié)池。格珊主要是分離去除豬場糞污中豬毛、雜草等雜物，防止阻塞污水泵以及影響后續(xù)處理單元的正常運行。格柵結(jié)構(gòu)為磚混凝結(jié)構(gòu)，設(shè)置有格柵2道，格網(wǎng)尺寸20 mm，格柵傾角65°。沉砂池為磚混凝結(jié)構(gòu)，設(shè)置有2個，尺寸為1.5 m×1.5 m×0.6 m。主要作用是去除污水中的砂石和豬糞污水中較大顆粒。

固液分離機能夠去除污水中大量的粗纖維等有機物質(zhì)，用在規(guī)?；i場糞污處理工藝前處理，可以有效降低排放污水有機物濃度，有效降低了厭氧發(fā)酵池沉渣堆積，延長了使用壽命，避免厭氧發(fā)酵池的階段性清池的麻煩，提高了整個工藝系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性[6]，同時減輕后續(xù)處理工程壓力和減少投資。固液分離機分離出的糞渣等固形物質(zhì)可以通過堆肥發(fā)酵或者干發(fā)酵生產(chǎn)有機肥料。本系統(tǒng)中采用福建省農(nóng)科院自主研發(fā)FZ-12型固液分離機[7～8]，并配套建設(shè)了一個攪拌池。攪拌池結(jié)構(gòu)為圓柱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為φ2.5 m×H 3.0 m。該固液分離機設(shè)備可根據(jù)整體工藝和處理模式的要求，調(diào)節(jié)分離流量與振動篩網(wǎng)目數(shù)，濾取污水中的固態(tài)物，減少固態(tài)物的入池量，實現(xiàn)污水處理的減量化。其長×寬×高為1.1 m×1.2 m×1.8 m，電機功率為0.75 kW，處理污水能力為15 t·h-1。在設(shè)計上，內(nèi)置振動篩系統(tǒng)、螺旋送料系統(tǒng)和自動沖洗系統(tǒng)；在性能上，集污水的輸送、固態(tài)懸浮物的振動篩選與擠壓、篩網(wǎng)的自動沖洗為一體。

酸化調(diào)節(jié)池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，體積為100 m3，尺寸為10.0 m×5.0 m×2.0 m，水力停留時間HRT為0.67 d。其主要作用是對經(jīng)格柵、沉砂池和固液分離池預(yù)處理后的污水進行混合、儲存和調(diào)節(jié)，起到初步酸化水解作用，以滿足后續(xù)厭氧發(fā)酵工藝的技術(shù)要求。

3.2 厭氧發(fā)酵系統(tǒng)構(gòu)筑物及參數(shù)設(shè)定

厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是規(guī)?；i場污水有機物質(zhì)去除的主要設(shè)施，本工藝主要包括推流式厭氧池、推流式厭氧濾池、沉淀貯液池。

厭氧反應(yīng)池是沼氣工程中關(guān)鍵的工藝裝置之一。在厭氧發(fā)酵過程中，規(guī)?；i場高濃度糞污中80%以上的CODCr和BOD5被消化去除。本項目工程選用地埋推流式厭氧池，厭氧池結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土方形結(jié)構(gòu)，并在池內(nèi)設(shè)置破殼裝置和排渣裝置。采用覆土作為保溫層，設(shè)計厭氧反應(yīng)池有效容積1000 m3、水力停留時間HRT為13.3 d，基本上可以做到常年產(chǎn)氣，年平均產(chǎn)氣率≥0.40 m3·m-3d-1。經(jīng)地埋推流式厭氧反應(yīng)池后，污水進入推流式厭氧濾池。推流式厭氧濾池采用鋼筋混凝土方形結(jié)構(gòu)，并采用聚乙烯填料，填料間隔0.5 m。設(shè)計厭氧反應(yīng)池有效容積500 m3、水力停留時間HRT為6.7 d。

經(jīng)厭氧發(fā)酵后的沼液直接排入沉淀池。沉淀池采用鋼筋混凝土澆筑，有效容積150 m3，水力停留時間HRT為2.0 d。經(jīng)厭氧發(fā)酵后的污水如果有機物濃度過高，可以在此池中投加絮凝劑，進一步去除污水中懸浮物和顆粒物。

3.3 好氧發(fā)酵系統(tǒng)構(gòu)筑物及參數(shù)設(shè)定

好氧發(fā)酵系統(tǒng)是對厭氧發(fā)酵后的沼液進一步進行生化處理的設(shè)施設(shè)備。糞污中有機污染物在有氧條件下大部分被好氧微生物降解，最終出水接近或達(dá)到達(dá)標(biāo)排放。本工藝設(shè)施主要包括微曝氣生物濾池、混凝沉淀池、生物穩(wěn)定塘。

微曝氣生物濾池采用混凝土澆筑，長方體結(jié)構(gòu)，設(shè)計容積100 m3，長×寬×高為20.0 m×2.5 m×2.0 m。采用聚丙烯ZH901彈性立體填料，安裝間隔150 mm，填料成膜后重量60～80 mg，規(guī)格為直徑150 mm×片距60 mm。曝氣方式采用底部微孔曝氣，動能采用三相異步電動機(型號Y100L2-4，電壓380 V，功率8 kW·h)。曝氣設(shè)備采用ZL管式微孔曝氣器，微孔為“V”字型，梅花形打孔可變性好、不易破裂。該曝氣器采用日本進口的EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer)三元乙丙橡膠、改良塑料增強化纖生產(chǎn)而成，規(guī)格φ65 mm×650 mm，安裝間隔500 mm。經(jīng)特殊加工軟管周徑都有氣孔，應(yīng)用國外抗浮力先進技術(shù)，兩頭四點同時進氣，進氣量2.5 m3·m-1h-1，風(fēng)壓控制在2.5 kPa，曝氣時在水中產(chǎn)生微小氣泡，每天可處理水量50 t。該曝氣器的優(yōu)點是能耗低、動力效率高、服務(wù)面積大和氧利用率。

經(jīng)好氧處理后的污水直接排入混凝沉淀池。沉淀池采用鋼筋混凝土澆筑，有效容積50 m3，水力停留時間HRT為0.67 d?？梢栽诖顺刂型都有跄齽?，進一步去除污水中懸浮物和顆粒物。

經(jīng)過微曝氣生物濾池和混凝沉淀池后，污水水質(zhì)基本能達(dá)到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)規(guī)定的排放要求。但如果規(guī)?；i場離居民區(qū)比較近的話，需要達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的二級以上污水排放標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)可能無法達(dá)標(biāo)。因而后續(xù)處理中設(shè)置生物穩(wěn)定塘，合計4667 m3，在水體頂部設(shè)置有6臺葉輪增氧機，促進好氧微生物進一步消耗污水中的有機物質(zhì)。

3.4 資源化利用系統(tǒng)

3.4.1 沼氣利用系統(tǒng)

沼氣利用系統(tǒng)包括貯氣設(shè)備、脫硫器、阻火器、輸配管道以及用能設(shè)施、設(shè)備。豬場糞污經(jīng)厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣，通過氣水分離器脫水后進入脫硫裝置進行脫硫，脫硫后的沼氣計量后進入貯氣設(shè)備貯存，經(jīng)輸配系統(tǒng)，用于豬場內(nèi)溫室大棚示范生產(chǎn)以及職工生活用能。具體工藝如圖2所示。

圖2 沼氣利用工藝流程

豬場內(nèi)溫室大棚為智能控制系統(tǒng)溫室，面積160 m2，棚內(nèi)設(shè)置有10盞沼氣燈。該溫室以厭氧發(fā)酵池所產(chǎn)沼氣為能源，為溫室點沼氣燈增加作物光照時數(shù)，并提供CO2氣肥，結(jié)合應(yīng)用微機“單片機”來實現(xiàn)對溫室的光、溫、濕、CO2濃度的調(diào)控。溫室大棚夜間調(diào)控進行對比試驗結(jié)果見表1。

表1 溫室大棚夜間調(diào)控對比

注:試驗數(shù)據(jù)為2013年12月20日～12月29日10天數(shù)據(jù)的平均值，溫度、濕度、光照度測定為棚內(nèi)、外各取10個點測得的平均值；由于探頭問題，CO2濃度沒有測出。

3.4.2 沼液利用系統(tǒng)

沼液是一種速效有機肥，富含17種氨基酸、活性酶、微量元素以及N，P，K等營養(yǎng)物質(zhì)[9]。本文示范規(guī)模化豬場沼液利用主要有兩個方面： 1)用于豬場160 m2溫室大棚內(nèi)無土栽培滴管用水。建設(shè)了1個容積12.5 m3長方體結(jié)構(gòu)沼液過濾池，長×寬×高為2.5 m×2.5 m×2 m。沼液滴灌管道材質(zhì)為EPDM橡膠，設(shè)置水壓1500 mm水柱，滴灌管道定時沖洗，每隔7 d用清水緩沖沖洗，滴灌管道間隔0.7 m，管徑2 cm，滴灌孔間隔30 cm。 2)作為豬場周邊千畝橄欖樹、茶樹等經(jīng)濟林施肥灌溉用水。根據(jù)豬場地形自然坡度和種植結(jié)構(gòu)特點，建設(shè)了1個容積為150 m3的鋼筋混凝土儲液池，利用泵將沼液從沉淀池處直接抽至儲液池。通過沼液集水井緩沖系統(tǒng)，可以實現(xiàn)雨污分流，還可以通過控制沼液的流量、流速和流向，實現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉，節(jié)省大量的勞動力成本，同時保證所有的沼液通過沼液輸送管道，輸送到經(jīng)濟林和大田中，替代化肥節(jié)約大量的種植成本，效益十分顯著。

3.4.3 糞渣、沼渣利用系統(tǒng)

糞渣、沼渣利用系統(tǒng)主要是應(yīng)用厭氧干發(fā)酵裝置，對干清糞掃出的豬糞、固液分離機分離出糞渣以及厭氧發(fā)酵池和沉淀池排出沼渣進行厭氧堆肥熟化，形成有機肥料。

根據(jù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的厭氧干發(fā)酵裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計要求，除必須保證發(fā)酵工藝基本條件要求外，更要考慮到裝置制作的難易程度、成本的高低以及力學(xué)性能、運行管理等綜合因素。厭氧干發(fā)酵裝置設(shè)計要點： 1)厭氧干發(fā)酵裝置采取上半部分球筒冠體和下半部分筒體鑲嵌粘合，容積10 m3，上池高1.765 m，下池高0.3 m，筒直徑2.48 m，設(shè)計壓力600 mm水柱。 2)上半部分球筒冠體和下半部分筒體鑲嵌粘合采用橡膠圈和鐵件密閉，橡膠圈寬10 cm，安裝于凹凸槽內(nèi)，鐵件通過工廠定制，密閉采用活動螺絲件旋緊。 3)厭氧干發(fā)酵裝置底層設(shè)置固液過濾層和沼液儲存層，過濾板采用玻璃鋼木板結(jié)構(gòu)，厚20 mm，孔隙采用倒梯形結(jié)構(gòu)，上孔隙Ф5 mm，下孔隙Ф8 mm。沼液儲存層高30 mm。 4)厭氧干發(fā)酵裝置外部設(shè)置沼液回流池，沼液回流池采用正方體結(jié)構(gòu)，長×寬×高為1 m×1 m×2 m。沼液通過污水泵和淋浴頭噴灌回流，實物見圖3。

圖3 厭氧干發(fā)酵裝置

本文示范規(guī)模化豬場應(yīng)用厭氧干發(fā)酵裝置，一次性投資較少，運行費用低，并且循環(huán)利用了沼氣，有效杜絕了甲烷氣體對大氣臭氧層的破壞。同時，有助于解決集約化養(yǎng)豬場豬糞便帶來的環(huán)境污染問題，促進農(nóng)業(yè)生態(tài)平衡，杜絕病原微生物和寄生蟲的傳播，有利于養(yǎng)豬場的可持續(xù)發(fā)展，并且生產(chǎn)出的有機肥有利于改善土地結(jié)構(gòu)，減少化肥施用量。干發(fā)酵裝置對于糞便處理，特別是中小型豬場的糞便資源化、無害化和肥料化有很好的應(yīng)用前景。本裝置創(chuàng)新性在于： 1)材料上：應(yīng)用由玻璃加強纖維、不飽和樹脂、固化劑、促進劑和添加劑等原料經(jīng)過特殊配方制作而成的玻璃鋼材料。 2)結(jié)構(gòu)上：干發(fā)酵裝置采用組裝式設(shè)計，可以實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，并且在進出料口進行了特殊的橡膠凹凸槽密封及加強設(shè)計，同時，增加沼液自循環(huán)裝置，緩解酸化。 3)工藝上利用厭氧干發(fā)酵替代好氧翻堆堆肥，節(jié)省能源，在對糞污進行處理的同時實了現(xiàn)豬場糞便的資源化、肥料化。

4 運行效果與分析

該規(guī)?；i場糞污處理采用達(dá)標(biāo)排放與廢棄物資源化利用相結(jié)合的治理模式，根據(jù)2013年1月～2013年12月跟蹤測試結(jié)果來看，運行效果較穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好。通過對固液分離預(yù)處理系統(tǒng)、厭氧發(fā)酵系統(tǒng)以及好氧發(fā)酵系統(tǒng)等出口多次監(jiān)測，污水處理基本達(dá)到了預(yù)設(shè)目標(biāo)(見表2)。

表2 污水處理水質(zhì)的檢測結(jié)果

注:1)各單元出口值為下一單元入口值； 2)去除率為單元去除率； 3)各項指標(biāo)均為多點、多次檢測平均值。

表3顯示各主要單元處理效果。從污水水質(zhì)主要指標(biāo)參數(shù)CODCr，BOD5，SS，NH3-N和TP來看，在預(yù)處理系統(tǒng)中，豬場糞污通過格柵、固液分離等技術(shù)處理后，去除率分別達(dá)到60.9%，54.8%，60.3%，27.4%和32.8%，說明固液分離大大降低了后處理單元的負(fù)荷，起到系統(tǒng)減負(fù)的關(guān)鍵作用；在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，CODCr和BOD5的去除率分別達(dá)到86.0%，67.5%，而對于NH3-N和TP的處理效率都很低，說明該系統(tǒng)主要是去除糞污中的有機物質(zhì)，同時也表明該系統(tǒng)是污水處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)好氧處理系統(tǒng)對各種主要指標(biāo)參數(shù)的降解情況來看，整個好氧階段對于有機物質(zhì)，NH3-N和TP的去除率都很高，說明了該工藝系統(tǒng)中，好氧階段是污水后續(xù)處理的重要組成部分，也是污水達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵技術(shù)。

從污水處理的整體效果上來看，最終出水水質(zhì)的各項指標(biāo)均符合GB18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》排放標(biāo)準(zhǔn)，除TP達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的三級污水排放標(biāo)準(zhǔn)外，其余污水指標(biāo)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的二級污水排放標(biāo)準(zhǔn)，說明該工藝在技術(shù)上是可行的。

5 小結(jié)

本文構(gòu)建的規(guī)模化養(yǎng)豬場糞污治理與資源化利用模式，是以達(dá)標(biāo)排放為主的集成工藝技術(shù)，輔以沼氣、沼渣、沼液以及豬糞渣的資源化利用工藝技術(shù)，主要通過物質(zhì)流和能源流的循環(huán)利用進行規(guī)劃設(shè)計。通過福建省優(yōu)康種豬有限公司規(guī)模化養(yǎng)豬場的實踐應(yīng)用，結(jié)果表明：通過優(yōu)化工藝流程、集成技術(shù)創(chuàng)新以及配套廢棄物資源化利用設(shè)施和途徑，可以實現(xiàn)規(guī)?；i場糞污達(dá)標(biāo)排放以及廢棄物資源有效利用，解決豬場糞污治理可持續(xù)化發(fā)展，有望為規(guī)?；B(yǎng)豬場建立一種實用達(dá)標(biāo)排放生態(tài)型技術(shù)模式。該模式主要有以下幾種特點： 1)預(yù)處理中采用干清糞清潔生產(chǎn)與固液分離相結(jié)合的方法，有效減輕后續(xù)處理工程處理壓力； 2)主反應(yīng)系統(tǒng)采取二級厭氧處理與二級好氧處理相結(jié)合，處理后的污水中NH3-N，CODCr，BOD5等的去除率均達(dá)到90%以上； 3)資源化利用系統(tǒng)因地制宜地對沼肥、沼液和沼氣資源化利用進行試驗示范探索，整個污水治理系統(tǒng)工程不僅能實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，而且實現(xiàn)了資源與生態(tài)化。