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规模化猪场粪污处理工程模式与技术定位双击鼠标自动滚屏
2010-9-16 20:38:20   文章来源:转载   作者:邓良伟   浏览次数:3098【字号：大中小】
邓良伟1，陈子爱1，袁心飞2，周文龙3
（1.农业部沼气科学研究所，四川成都610041；2.四川省旺昌县农业局，四川广元628200；3.重庆市潼南县环境保护局，重庆402660）
对于规模化猪场粪污，除资源化利用外，还可采用物理法、化学法、物化法以及生物法进行处理；要达到排放标准，国内外公认的最经济的手段是生物法。
生物法又分：① 厌氧处理；② 好氧处理；③ 自然生态处理三大类。
① 厌氧处理有：完全混合式厌氧反应器（CSTR）、厌氧滤池（AF）、厌氧序批式反应器（ASBR）、厌氧挡板反应器（ABR）、厌氧复合反应器（UBF）、上流式厌氧污泥床（UASB）、内循环厌氧反应器（IC）等工艺技术。
② 好氧处理包括： 活性污泥法、接触氧化法、生物转盘、氧化沟、序批式反应器（SBR）、膜生物法（MBR）等工艺方法。
③ 自然生态处理：可采用土地处理系统、氧化塘以及人工湿地等。
面对种类繁多的处理工艺，养殖场业主以及政府管理者等非废水处理专业人士往往无所适从。因此，很有必要对这些处理工艺技术在大的方向进行归纳分类，为养殖场业主选择粪污处理方法以及决策管理部门对畜禽养殖粪污处理政策定位提供参考。
透过不同工艺技术的表象，从本质上看，规模化猪场粪污处理可总结为3种模式：
① 沼气（厌氧）-还田模式；
② 沼气（厌氧）-自然处理模式；
③ 和沼气（厌氧）-好氧处理模式（工业化处理模式）。
以这3种模式为基础，根据规模化猪场所处的自然环境、社会经济条件以及饲养规模，可以对粪污处理模式做出适当选择与准确定位。
1 沼气（厌氧）-还田模式
1.1 沼气（厌氧）-还田模式的适用范围
畜禽粪污或沼液还田作肥料是一种传统、经济的处置方法，可以在不外排污染的情况下，充分循环利用粪污中有用的营养物质，改善土壤中营养元素含量，提高土壤的肥力，增加农作物的产量。分散户养殖方式的畜禽粪污处理均是采用这种方法。
这种模式适用于远离城市、经济比较落后、土地宽广的规模化猪场。养猪场周围必须要有足够的农田消纳沼液。要求猪场养殖规模不大，一般出栏规模在2万头以下，当地劳动力价格低，冲洗水量少。
1.2 沼气（厌氧）-还田模式的工艺流程
沼气（厌氧）-还田模式工艺流程如图1。

1.3 沼气（厌氧）-还田模式的关键
要真正达到营养物质还田利用、污染物零排放，必须解决好4个关键问题。
1.3.1 第1个关键：猪场周围要有足够的土地
也就是要考虑周围土地的承载力。一些欧美国家就土地对厌氧消化残余物（沼渣沼液）的承载力有明确的规定（表1）。我国上海、北京以及江苏等地也对畜禽粪污土地承载能力进行了研究，提出土地承载能力，见表2。
表1一些国家有关土地对厌氧消化残余物营养物质承载力的规定
国家
氮每公顷年
最大负荷/kg
需要的储
存时间/月
强制的施用季节
奥地利
丹麦
意大利
瑞典
英国
法国
美国
100
2003年前：牛210～230、猪140~170；2003年后：牛170、猪140
170～500
基于畜禽数量
250～500
150
第1年450，以后280
6
9
3~6
6~10
4
2月28日—10月25日
2月1日—收获
2月1日—12月1日
2月1日—12月1日
12
表2我国部分地区畜禽粪污土地承载能力
地区
土地承载能力
上海
江苏
北京
粮食作物：每年每公顷11.25 t猪粪当量；
蔬菜作物：每年每公顷22.5 t猪粪当量；
经济林：每年每公顷15 t猪粪当量。
大田：氮40 kg/亩，五氧化二磷18 kg/亩；
大棚：氮80 kg/亩，五氧化二磷32 kg/亩。
粪肥2~3 t/亩
1.3.2 第2个关键：沼渣沼液的经济运输距离。
厦门大学曾悦等以福建为例，研究了粪肥的经济运输距离，认为猪粪的经济运输距离为13.3 km、鸡粪43.9 km、牛粪5.2 km。而丹麦沼气工程的沼渣沼液运输距离一般在10 km以内。
规模化猪场冲洗水量大约是猪粪的10倍。因此，可以推测，规模化猪场粪污厌氧处理后沼渣沼液的经济运输距离在2 km以内。
1.3.3 第3个关键：沼渣沼液的储存。
必须要有足够容积的储存池来贮存暂时没有施用的沼渣沼液，不能向水体排放废水。一些欧美国家要求的粪肥或沼渣沼液储存时间见表1。
1.3.4 第4个关键：沼渣沼液还田利用的标准。
目前，我国还没有制定沼渣沼液作肥料还田利用的标准。环保部门往往套用《农田灌溉水质标准》（GB5084-1992）要求：对于水作，化学耗氧量（COD）<200 mg/L，生化需氧量（BOD5）<80 mg/L，凯氏氮<12 mg/L，总磷（以磷计）<5.0 mg/L；对于旱作，COD<300 mg/L，BOD5<150 mg/L，凯氏氮<30 mg/L，总磷（以磷计）<10.0 mg/L。畜禽粪污处理后沼液基本上达不到这个要求。如果经过处理后达到此要求，估计农户也不会利用了，因为氮、磷等营养物质都被去除了。
尽管新的《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）取消了氮、磷指标的要求，但是将有机物指标提高了：对于水作，COD<150 mg/L，BOD5<60 mg/L；对于旱作，COD<200 mg/L，BOD5<100 mg/L，这两个标准比《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）的要求还要严格，沼液也很难达到这些要求，如果能达到这些标准，也就能达标排放了。因此沼液还田利用仍然存在法律障碍。
1.4 沼气（厌氧）-还田模式的优缺点
沼气（厌氧）-还田模式的主要优势在于：
1）污染物零排放，最大限度实现资源化；
2）可以减少化肥施用，增加土壤肥力；
3）耗能低，无需专人管理;运转费用低。
但是，沼气（厌氧）-还田模式也存在以下问题：
1）需要有大量土地利用沼渣沼液，出栏万头猪场至少需要1 000亩土地消纳沼渣沼液，因此受条件限制，适应性不强；
2）雨季以及非用肥季节还必须考虑沼渣沼液的出路；
3）存在着传播畜禽疾病和人畜共患病的危险；
4）不合理的施用方式或连续过量施用会导致硝酸盐、磷及重金属的沉积，从而对地表水和地下水造成污染；
5）恶臭以及降解过程产生的氨、硫化氢等有害气体会对大气构成威胁。
2 沼气（厌氧）-自然处理模式
2.1 沼气（厌氧）-自然处理模式的适用范围
猪场粪污经过厌氧消化（沼气发酵）处理后，再采用氧化塘、土地处理系统或人工湿地等自然处理系统对厌氧消化液进行后处理。
这种模式适用于离城市较远，经济欠发达，气温较高，土地宽广，地价较低、有滩涂、荒地、林地或低洼地可作粪污自然处理系统的地区。养殖场饲养规模不能太大，对于猪场而言，一般年出栏在5万头以下为宜，以人工清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。
2.2 沼气（厌氧）-自然处理模式的工艺流程
沼气（厌氧）-自然处理模式工艺流程如图2。

2.3 沼气（厌氧）-自然处理模式的关键
沼气（厌氧）-自然处理模式主要利用氧化塘的藻菌共生体系以及土地处理系统或人工湿地的植物、微生物净化粪污中的污染物。由于生物生长代谢受温度影响很大，其处理能力在冬季或寒冷地区较差，不能保证处理效果。因此，沼气（厌氧）-自然处理模式的关键问题是越冬。表3显示了某规模化猪场采用厌氧-自然处理模式处理猪场粪污在不同季节的出水水质。
表3厌氧-自然处理模式处理某规模化猪场粪污的处理效果
指标
夏季
秋季
冬季
标准允许排放浓度*
pH
悬浮物（/mg·L-1）
化学耗氧量（/mg·L-1）
生化需氧量（/mg·L-1）
氨态氮（/mg·L-1）
亚硝态氮（/mg·L-1）
硝态氮（/mg·L-1）
总氮（/mg·L-1）
总磷（/mg·L-1）
6.84
22
100
4.4
1.32
1.12
1.50
4.79
2.08
7.62
80
267
11.0
17.2
0.057
5.30
88.5
7.16
7.62
90
330
31.0
149
0.47
1.60
188
11.5
6～9
200
400
150
80
8.0
注：*《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）。
从表3可以看出，夏季、秋季的处理出水均能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）。但是在冬天，化学耗氧量、生化需氧量等有机污染物指标能达到排放标准，而氨态氮、总磷离达标还有一定距离，说明冬季的处理效果不稳定。
2.4 沼气（厌氧）-自然处理模式的优缺点
沼气（厌氧）-自然处理模式的主要优势在于：
1）运行管理费用低，能耗少；
2）污泥量少,不需要复杂的污泥处理系统；
3）没有复杂的设备，管理方便，对周围环境影响小，无噪音。
沼气（厌氧）-自然处理模式主要存在以下缺点：
1）土地占用量较大；
2）处理效果易受季节温度变化的影响；
3）有污染地下水的可能。
3 沼气（厌氧）-好氧处理模式（工业化处理模式）
3.1 沼气（厌氧）-好氧处理模式的适用范围
沼气（厌氧）-好氧处理模式的畜禽养殖粪污处理系统由预处理、厌氧处理（沼气发酵）、好氧处理、后处理、污泥处理及沼气净化、贮存与利用等部分组成。需要较为复杂的机械设备和要求较高的构筑物，其设计、运转均需要具有较高知识水平的技术人员来执行。沼气（厌氧）-好氧处理模式适用于地处大城市近郊、经济发达、土地紧张、没有足够的农田消纳粪污的地区。采用这种模式的猪场规模较大，养猪场一般出栏在5万头以上，当地劳动力价格昂贵，主要使用水冲清粪，冲洗水量大。
3.2 沼气（厌氧）-好氧处理模式的工艺流程
沼气（厌氧）-好氧处理模式工艺流程如图3。

3.3 沼气（厌氧）-好氧处理模式的关键
沼气（厌氧）-好氧处理模式的关键问题在于：猪场废水经过厌氧处理后，采用好氧生物处理工艺直接处理厌氧消化液的去除效果很差。笔者曾采用序批式活性污泥法（SBR）直接处理猪场废水厌氧消化液，污染物的去除效果很差。从表4可知，COD仅去除率8.31%，NH3-N去除率78.67%；出水COD、NH3-N均很高，分别为1 169 mg/L、158 mg/L。
表4序批式活性污泥法（SBR）直接处理厌氧消化液的去除效果
项目
进水（/mg·L-1）
出水（/mg·L-1）
去除率/%
化学耗氧量（COD）
氨态氮（NH3-N）
1 275±180
741±35.2
1 169±135
158±46.2
8.31
78.67
为了证明试验的可靠性，也与其他研究者采用SBR直接处理猪场废水厌氧消化液的结果进行比较。其他研究者采用厌氧-SBR工艺处理猪场废水的小试结果见表5。试验发现，猪场废水经过厌氧消化后，再利用SBR工艺进行厌氧消化液好氧后处理，硝化作用易导致处理系统酸化，致使SBR出水pH降至6.0左右，有时甚至低于5.0，造成反应器工作不稳定。随着试验的推进，后期处理效果持续恶化。NH3-N去除率为70%～90%，出水NH3-N浓度高于100 mg/L；COD最高去除率为50.0%左右，出水COD浓度一般在1 000 mg/L以上。出水水质不能满足《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596-2001）。
表5研究者采用SBR处理猪场废水厌氧消化液的小试结果
项目
化学耗氧量（/mg·L-1）
氨态氮（/mg·L-1）
pH
去除率/%
资料来源
化学耗氧量
氨态氮
进水
出水
1429.1～1 440.9
389.3～407.3
1393.7～1 422.0
594.9～634.8
8.00～8.14
5.46～5.68
71.5～73.0
55.0～57.3
杨虹等（2000）
进水
出水
592～1 560
540～1 349
449～911
100～232
7.20～7.50
4.60～6.50
-59.0～35.6
67.4～88.9
Edgerton等（2000）
进水
出水
2 794
1 161
575
180
7.75
5.91
58.4
31.3
Ng W G等（1987）
采用其他新工艺，如膜生物法（MBR）处理猪场废水厌氧消化液，处理结果也差不多。孟海玲等（2007）进行了膜生物反应器用于猪场污水深度处理中试试验，结果发现，COD去除率在64%～85%，出水COD浓度大约250～550 mg/L。氨态氮去除率达55.5%～92.8%,平均去除率为73.1%，氨态氮出水浓度大约150～200 mg/L。
采用SBR序批式反应器工艺直接处理厌氧消化液，COD和NH3-N去除效率低，反应器工作性能不稳定，针对这些问题，农业沼气科学研究所的研究人员开发了Anarwia工艺畜禽粪污处理专利技术（anaerobic-adding raw wastewater-intermittent aeration，专利授权号ZL200410040855.3）。该工艺已经成功用于某养殖总场废水处理，该工程日处理存栏120 000头猪（年出栏20万头肥育猪）猪场的废水3 000 t。运行效果见表6。
表6 Anarwia工艺处理猪场废水的运行效果
项目
进水
厌氧处理
SBR
总去除率
化学耗氧量（/mg·L-1）
生化需氧量（/mg·L-1）
氨态氮（/mg·L-1）
总氮（/mg·L-1）
悬浮物（/mg·L-1）
pH
5616～9965
3960～4460
278～1114
754～1415
2 310～5410
7.1～7.5
711～1423
168～278
348～1029
590～917
510～960
7.2～7.5
216～341
11.2～19.9
2.4～9.9
51.8～51.9
70～110
6.6～7.5
>98%
>99%
>98%
>93%
>97%
表6结果表明，处理工程对化学耗氧量、氨态氮的去除率达到98%以上、生化需氧量去除率达到99%以上、悬浮物去除率达到97%以上、总氮去除率达到93%以上。出水化学耗氧量、生化需氧量、氨态氮、悬浮物分别低于350 mg/L、20 mg/L、15 mg/L、120 mg/L，达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）。
3.4 沼气（厌氧）-好氧处理模式的优缺点
沼气（厌氧）-好氧处理模式的主要优势在于：
1）占地少；
2）适应性广，不受地理位置限制；
3）季节温度变化的影响比较小。
沼气（厌氧）-好氧处理模式的缺点主要表现在：
1）投资大，万头猪场的粪污处理，投资约150～200万元；
2）能耗高，处理1 m3污水耗电约2～4 kWh；
3）运转费用高，处理1 m3污水运转费2.0元左右；
4）机械设备多，维护管理量大；
5）需要专门的技术人员进行运行管理。
4  以上3种处理模式的经济分析
以年出栏10 000头猪的规模化猪场为例。3种模式都采用干清粪工艺，每天污水量大约100 m3，进水化学耗氧量6 000～8 000 mg/L、生化需氧量3 500～4 500 mg/L、悬浮物3 000～4 000 mg/L、氨态氮500～700 mg/L、pH 7～7.5。沼气（厌氧）-自然处理模式、沼气（厌氧）-好氧处理模式的处理出水达到国家《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001），即化学耗氧量<400 mg/L，生化需氧量<150 mg/L，悬浮物<200 mg/L，氨态氮<80 mg/L，pH 6～9。3种模式的经济比较见表7。
表7：万头出栏猪场粪便污水不同处理模式的投资及运行费用比较
费用
沼气（厌氧）-好氧处理模式
沼气（厌氧）-自然处理模式
沼气（厌氧）-还田模式
污水处理投资/万元
年耗电量/kWh
年污水处理运行费用/万元
年节约化肥收入或种植收益/万元
年沼气产量/m3
沼气收益/万元
年总收益（沼气及节约化肥收益）/万元
年利润/万元
170
101 470
-11.17
73 000
5.84
5.84
-5.33
180
3 285
-3.27
73 000
5.84
5.84
2.57
160
4 745
-2.32*/-182.32**
1.28*/30.0**
73 000
5.84
7.12*/35.84**
4.80*/-146.48**
注：*猪场自有土地足够消纳猪粪水厌氧消化液；**猪场没有自有土地消纳猪粪水厌氧消化液。
表7分析表明，几种处理模式的投资比较接近，以沼气（厌氧）-自然处理模式稍高，沼气（厌氧）-好氧处理模式次之，沼气（厌氧）-还田模式最低。
沼气（厌氧）-好氧处理模式的耗电量和运行费用均高于沼气（厌氧）-自然处理模式和沼气（厌氧）-还田模式。
如果规模化猪场没有足够自有土地消纳厌氧消化液，靠租用土地来消纳，沼气（厌氧）-还田模式的运行费用明显高于沼气（厌氧）-自然处理模式与沼气（厌氧）-好氧处理模式。对于拥有土地的猪场，采用沼气（厌氧）-还田模式，即使种植作物或饲料没有利润，其运行费用显著低于沼气（厌氧）-好氧处理模式。
沼气（厌氧）-好氧处理模式运行费用非常高，小的规模化猪场是难以承受的，即使能修建处理设施，也可能会因为高运行费用而无法运转，该模式只能在前两种模式无条件应用时才选用。沼气（厌氧）-还田模式可以实现污染物零排放，资源化程度最高，但是，如果规模化猪场没有足够的农田消纳粪污，需要周围农户使用粪污，这就存在着与周围农户协调问题；如果租用土地来消纳粪污，也存在非常高的运行费用。沼气（厌氧）-自然处理模式的运行费用较低，在规模化猪场没有土地的情况下，租用土地的运行费用也低于沼气（厌氧）-好氧处理模式。如果计算产生沼气以及节约化肥的收益，沼气（厌氧）-自然处理模式与拥有自有土地的沼气（厌氧）-还田模式均能获得利润，而沼气（厌氧）-好氧处理模式仍然入不敷出。
我国规模化猪场大多建在离城市较远的地区，饲养规模不大。因此，粪污处理应优先考虑沼气发酵，沼渣沼液还田利用，利用不完而剩余的再采用自然处理模式进行处理。只有在猪场规模比较大，并且周围土地十分紧缺的情况下，才推荐采用沼气（厌氧）-好氧处理模式。