养殖场粪污处理技术现状与展望

养殖场粪污处理技术现状与展望范龙杰;吴德胜;秦田;谭荣英;汪洋【摘要】针对目前养殖场粪污还田利用率低、处理效果差和资源浪费严重等问题,结合粪污易泵送、致密性好的特点,介绍了畜禽粪污收集的方法和针对不同应用场景收集后粪污的处理方式,分析了养殖场粪污处理的工艺特点.废水经过厌氧处理,多种微生物协同发酵产生有机物,病菌数量显著降低,对农作物中的多种病虫害具有一定的防治作用,和农药相比具有价格低、无抗性等优势,又能够起到改良土壤的作用,是理想的农药代替品.【期刊名称】《农业工程》【年（卷）,期】2018（008）011【总页数】6页（P58-63）【关键词】养殖场粪污;粪污收集;粪污处理技术;研究现状【作者】范龙杰;吴德胜;秦田;谭荣英;汪洋【作者单位】中机华丰（北京）科技有限公司,北京100083;中机华丰（北京）科技有限公司,北京100083;中机华丰（北京）科技有限公司,北京100083;中机华丰（北京）科技有限公司,北京100083;中机华丰（北京）科技有限公司,北京100083【正文语种】中文【中图分类】X7130引言近年来我国养殖业发展迅速，目前正处于由小户散养向规模化、现代化、集约化和标准化养殖转变的发展阶段，集中饲养的数量越来越多。据中国畜牧兽医年鉴统计，2015年我国生猪存栏4.51亿头，牛1.08亿头，家禽58.7亿只，全年肉类总产量8625万t,禽蛋产量2999万t;牛奶产量3755万t［1］。根据畜禽粪污排泄系数计算，2015年年产粪污量牛尿3.99亿t，猪尿5.43亿t［2］。粪污处理针对的目标是可以进行泵送的粪便，即浆料和尿液、养殖场洗刷水和冲洗水等。其特性也非常明显：一是经过搅拌非常均匀;二是致密性好，可以通过泵进行抽送;三是通过适当的技术，可以获得高的氮利用率;四是撒施均匀，植物易吸收;五是养分含量测定简便。粪污处理系统的最终目标是改善环境，并最大限度地利用养分。但如果提供给作物营养物的量大于吸收的量，会造成营养素的损失。如从粪便中释放的氮会造成土壤、河流和湖泊的酸化，会导致地下水中硝酸盐和亚硝酸盐以及氧化亚氮浓度的增加，从而可能破坏臭氧层，氮磷还可能导致湖泊和河流的富养化。长期来看，不合理的施用会导致环境恶化、社会经济效益下降和生态平衡失调，进而对农林渔业等产生负面影响，因此，在无害化处理后，粪肥量不能超过同年作物生长所需的养分含量。在确定粪肥最佳施用量时，采用土壤测试配方施肥法测定土壤肥力和粪肥效率，满足当地环境容量要求。同时，应使用一次以上的土地进行施肥，长期施肥不应施用于同一块土地。畜禽粪污收集畜禽粪污的收集一般是在养殖的过程中就完成的，收集方式主要有干清粪、水冲粪和水泡粪［3］。干清粪工艺是通过机械或人工收集、清除牲畜和家禽排出的粪便的方式。尿液，残余粪便和冲洗水从污水通道排出，因而可以在源头实现粪尿的粗分离。水冲粪工艺指畜禽排放的粪、尿和粪污混合进入粪沟，每天用水冲洗几次，粪水顺粪沟流入粪便主干沟后排出的清粪工艺。水泡粪工艺指在畜禽舍内的排粪沟中注入一定量的水，将混合液一并排放至漏缝地板下的粪沟中，贮存一定时间，待粪沟填满后，打开出口闸门，沟中的粪水顺粪沟流入粪便主干沟后排出的清粪工艺。根据国家环保总局《畜禽养殖业污染防治技术规范》规定：“新建、改建、扩建的畜禽养殖场应采取干法清粪工艺，采取有效措施将粪及时、单独清出，不可与尿、粪污混合排出，并将产生的粪渣及时运至贮存或处理场所，实现日产日清。采用水冲粪、水泡粪湿法清粪工艺的养殖场，要逐步改为干法清粪工艺”。干清粪工艺具有舍内气味相对较小、粪污产生少、干粪养分损失小和肥料价值高等优点，是未来粪污清理工艺的发展趋势。通过不同的收集工艺，废水的来源也不尽相同，干清粪工艺的废水主要是畜禽养殖场产生的尿液、残渣；水冲粪工艺的废水是畜禽养殖场产生的粪尿混合液、冲洗水和生产过程中产生的废水；水泡粪工艺的废水是部分在沟槽中厌氧消化的粪尿混合液、冲洗水和饲养管理用水等［4］。不同清粪方式畜禽养殖场废水中的污染物浓度和pH值如表1所示。雨污分流雨污分流是利用下雨造成雨水与粪污混合而采取的使雨水与粪污分别流出的工艺，采用雨污分流工艺可以提高粪污处理效率、减少稳定塘设计容积、减少养殖粪污产生量和输送量以及减少养殖场粪污处理量，从源头上减少进入处理链的粪污量。雨污分离设施的建设一般采用雨水和污水分离沟渠等方法，根据农场的实际情况，预制板覆盖粪沟，使规模农场的清洁水和粪便有效转移。雨水过后，生产过程中产生的粪便和粪污经过网格过滤，沉淀和净化。净化水和粪便通过管道输送，用于排放或后续处理。净化水通过雨水管网直接排入河道或鱼塘。粪污经沉淀、微生物厌氧发酵水质达标后再排到河道、排入沼气池等。图1所示为湖南新五丰永安猪场采用的雨污分离措施，猪场上架顶棚，外设排水沟，雨水从图中所示的排水沟排走，而粪污则从猪场后部的排污管道封闭流出，以此达到雨污分流的目的。图1雨污分离措施示例Fig.1Exampleofmeasureforseparationofrainandpollution粪污处理技术3.1固液分离技术固液分离是在粪尿全部收集完成之后用机械的方式进行分离。研究表明NH3和C02是测得的主要氮、碳损失。根据通量测量，分离显著增加了猪浆的温室气体排放量，但牛浆的温室气体排放量却没有增加，此外，导致NH3排放潜力显著降低（猪和牛分别为9%和23%）。然而，根据化学分析，分离导致更大的N损失（分别为猪和牛初始TKN的35%和86%），这一损失很小一部分可能是N2损失，NH3排放的主要贡献是液体馏分，占总损失的70%~80%。因此，强烈建议减少这一来源的排放量，如覆盖储罐和液体组分的酸化。研究结果还证实了搅动引起的干扰，导致NH3排放量大幅增加⑸。因此，应仔细考虑罐体灌装或排空空气等涉及粪污表面扰动和表皮破坏的操作，固液分离冲洗储罐和槽道如图2所示。表1畜禽养殖场废水中的污染物浓度和pH值mgL（pH值除外）Tab.1ContaminantconcentrationandpHofwastewaterofdifferentdefecationmethods养殖种类清粪方式污染物浓度/mg・L-1CODCrNH3-NTNTPpH值猪水冲粪15600~46800平均21600127~1780平均590141~1970平均80532.1~293平均127干清粪2510-2770平均2640234~288平均261317~423平均37034.7~52.4平均43.56.3~7.5肉牛干清粪88722.141.15.33奶牛干清粪918-1050平均98341.6-60.4平均5157.4-78.2平均67.816.3-20.4平均18.67.1-7.5蛋鸡水冲粪2740-10510平均606070-601平均26197.5-748平均34213.2-59.4平均31.46.5-8.5鸭干清粪271.854.700.1397.391•漏缝地板2•风机3•水圭寸图2冲洗储罐和槽道Fig.2Flushtankandchannel动物粪便通常以泥浆形式处置，或利用前贮存一段时间，很少或没有添加垫料。浆料与水相对不同，因其在处理性能方面由于黏度更大的原因，浆液与水相比有很大不同。另一个区别是，处理浆料时流体性质会发生变化，其黏度会下降，但当处理停止时又恢复正常。这种现象取决于加工过程中粪便颗粒物的絮凝作用，加工停止时这些颗粒物会再次形成。浆液长时间储存在罐中，粪便会分离。较轻的部分，如某些杂质（主要是稻草）和一些饲料残留物会上浮。较重的颗粒，如锯末和青贮饲料会沉到底部。沉积和浮壳通常出现在牛粪池中，但也可能在秸秆用作垫料的猪粪池中，在储存发酵过程中易发生变化，变化的程度取决于包括储存期的条件和持续时间等因素。营养物质的流失，以及肥料在储藏过程中的施肥价值，一直是人们关注的问题，估计在粪污储存系统中，奶牛和牛羊粪污的VS损失为10%，猪和家禽粪污的损失为20%。3.2自然处理稳定塘是自然净化处理粪肥的设施的总称，用于容纳、贮存和处理养殖场原始粪污或经过局部处理的粪污，其净化过程与自然水体的自净过程相似。通常是将土地进行适当的人工修整，建成池塘，并设置围堤和防渗层，依靠塘内的微生物来处理粪污［6］。主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。稳定塘粪污处理系统具有基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除粪污中的有机物和病原体及可节省大量人力物力等优点。稳定塘进污和贮污如图3和图4所示。图3稳定塘进污Fig.3Manureslurryentryofstabilizationlagoon图4稳定塘贮污Fig.4Manureslurrystorageofstabilizationlagoon粪污贮存设施的目的是在收集的同时稳定畜禽粪便，并将其部分转化为液体。按照细菌分解的类型稳定塘可分为好氧塘、兼性塘和厌氧塘3种。3.2.1好氧塘和兼性塘好氧塘依赖好氧菌对粪便进行分解，而兼性塘上部依赖好氧菌分解，下部依赖厌氧菌分解。两种型式都必须通入氧气，按供应氧气的方式又可分为自然充气式和机械充气式两种。自然充气式稳定塘依靠水面上藻类植物的光合作用提供氧气。藻类植物生长的温度为4~35°C,最佳温度为20~35°C。在最佳温度下，好氧型自然充气稳定塘可在40d内将BOD值减93%~98%。自然充气式稳定塘池深与需氧量、气候条件和有无沉淀物相关。好氧型自然深度稳定塘的深度常在1m以下。兼性型的深度通常为1.0~2.5m，对于气候温暖粪液预先沉淀过的情况下为1.0m；气温有中等程度的变化，粪液含有可沉淀物质的情况下为1.5~2.0m;气温变化很大，粪液中含可沉淀物质时为2.0~2.5m。机械充气式稳定塘又称曝气氧化塘，利用曝气设备从大气提供氧气，使好氧菌获得足够的氧气，同时使有机物呈悬浮状态，以便对有机物进行好氧分解。作为肥水利用，储存后的厌氧消化液的施用应与植物生长周期相配合。为指导沼液的无害化、资源化利用，国家出台了GBT25246—2010《畜禽粪便还田技术规范》、NYT2065—2011《沼肥施用技术规范》等，地方也出台了相关标准，以促进沼液的安全利用。3.2.2厌氧塘厌氧的本质是在缺氧的条件下，依赖厌氧菌对粪肥进行降解，将脂肪、蛋白质和碳水化合物分解成甲烷、二氧化碳、水、新的细菌细胞、惰性固体、微量的氢气和硫化氢、氨、水蒸气和其他气体。在高密度大规模的畜牧养殖业中，使用厌氧塘是一种经济可行对环境无害的贮存方式。由于厌氧分解过程中产生有害气体和气味，在保证厌氧塘经济性的情况下，厌氧塘的设计和管理尤为重要。厌氧塘的池深一般为3~6m,不设任何曝气设备，由于发酵而形成水面浮渣层，使自然充气也减小到最小程度，所以绝大部分主要由厌氧细菌进行粪便的分解，并进行沉淀分离。厌氧塘主要用于处理高浓度的有机物废水，比好氧塘和兼性塘深，主要目的是维持厌氧条件及保持塘水温度。由于厌氧池的高有机负荷，池塘始终处于缺氧状态，因此一旦废水中的油在厌氧池表面形成不透气膜，内部便从上到下处于厌氧状态。由于池中藻类植物和好氧菌生存的要求，兼性塘和好氧塘一般需要建在温度适宜和光照良好的地方。好氧塘处理废水时需要首先对废水进行预处理，同时机械充气会增加处理成本。与两者对比，厌氧塘不需要能量，不必进行预处理，容纳粪污量大，管理少，节省劳动力，同时能适应含较高固体含量的粪便。其缺点在于臭味较大，贮存污泥较多。综合经济成本和环境效应，厌氧塘作为粪污贮存设施具有优势，既可单独贮存并处理大量粪污，也可作为预处理设施，置于塘系统的首端，与其他类型稳定塘配合使用［7］。目前许多先进国家都在研究并应用厌氧塘，相关试验结果表明厌氧塘能耗低，营养物需要量少，应用水质范围广，有些有机物对好氧微生物来说是难降解的，而厌氧微生物则可降解的，厌氧塘对水温的适宜范围广，厌氧菌能在10~55°C的范围内不同程度地发挥作用［8］。由于厌氧或兼性微生物对有机物只进行不彻底降解，所以厌氧工艺往往作为好氧生物处理的预处理工段，厌氧塘适合于中性pH值粪污的处理［9］。3.3生物处理技术生物处理一般应用在大型的沼气池中。沼液也称厌氧消化液，是沼气池中的人畜类便和各种农作物秸秆等经密闭发酵后残留的液体物质。相关研究已经证明，厌氧消化是减少温室气体排放的有效手段。在无氧条件下，在可控条件下将有机物转化为C02和CH4等气体。厌氧消化是一种有效的畜禽粪便处理和能源回收利用方法，可以有效地降解粪便粪污中的有机物，并产生沼气，既处理了农业废弃物，又能获得清洁能源。猪场废水经过厌氧生物处理后，产生大量的厌氧消化液，出水中氮磷污染物浓度仍然很高，其处理利用仍然是猪场粪污污染控制面临的一大问题。目前，厌氧消化液处理利用方式有还田利用、自然处理和生物处理3种。近30年来，生物处理工艺用于处理猪场废水厌氧消化液，常见的有缺氧好氧(AO)工艺、SBR法和MBR法等。AO工艺严格的意义上来说应该属于厌氧消化的后置工艺。研究表明生化处理对抗生素废水的去除效果较好，但由于抗生素类药物的生物抑制性，宜采取适当的预处理工艺再进行厌氧好氧处理。采用AO工艺可使COD、氨氮的去除率达到80%以上，余薇薇等［10］采用的改良工艺甚至达到了更高的去除率，但是AO工艺拥有好处理效果的必要条件是高CN比、高的回流比及高的碱化调节，因此从操作性上不如SBR工艺。SBR全称是序批式反应器，在活性污泥法的基础上增加了闲置缺氧和沉淀过程，是一种按间歇曝气方式运行的活性污泥粪污处理技术。李建政等［11］对SBR方法做了详尽的试验,28°C的氨氮去除率和亚硝酸盐的去除率最好为71.1%和96.7%;邓良伟等［12］改进SBR法，采用添加废水原水的方式，提高了处理效率，使COD去除率达到80%以上，氨氮去除率达到99%，但也要回补碱度。试验和效果证明SBR处理厌氧消化液的方法有耗电量小、工艺简单和操作方便的特点，且氨氮出水量小，pH值接近中性，对环境友好。MBR法即膜生物反应器工艺，用膜组件实现固液分离，随着技术的进步和市场的成熟也越来越成为大型沼气池的一种选择。隋倩雯［13］采用氨吹脱MBR组合工艺处理厌氧消化液，试验得出氨氮去除率73%，TN去除率65%，且此工艺不加入碳源且可回收氨氮；龙用波［14］采用一体式MBR反应器，在增加碱度和曝气量的基础上，可达到COD和氨氮去除率80%以上。MBR有施用简便、反应器结构小和微生物浓度高的特点，但由于膜污染的问题一直无法良好解决，在施用时间长的情况下膜透率下降快，使得MBR法一直无法成为能够大量应用的处理工艺。4结束语废水经过厌氧处理，蕴含经过多种微生物协同发酵产生的有机物，经过厌氧发酵后病菌数量显著降低，其对农作物中的近多种病虫害具有一定的防治作用，和农药相比存在价格低、无抗性等优势，又能够起到改良土壤的作用，是农药的理想代替品。经厌氧发酵后除碳素损失较大外，其他的营养物质均保留在废水浆液中，大团块的有机物和氮磷钾等转化为简单的、易于被植物吸收的小分子或离子状态，如有机氮一部分被转化为铵态氮的形式，相当于速效氮，另一部分则参与代谢或分解为游离氨基酸的形式。研究表明，总氮含量占0.78%~1.61%，总磷含量占0.4%~0.6%,总钾含量占0.61%~1.30%，有机质含量占36.0%~49.9%。黄世文等［15］研究沼液浸种的种子处理技术，试验表明水稻沼液浸种比清水浸种发芽率提高5%~10%，早出苗1~2d,且苗齐苗壮、抗病能力强，成秧率提高10%~20%，产量增产5%~10%。发酵残留物含有多种生物活性物质，其中丁酸和吲哚乙酸、赤霉素以及维生素B12等对病菌有明显的抑制作用。李轶等［16］在种植番茄时添加浆液，结果表明多样性指数在坐果期最低，在苗期和开花期较高，而沼肥和菌肥混施对微生物多样性的影响更为显著。钱靖华等［17］用沼液和化肥进行了配施，结果与仅施化肥相比，西瓜的蛋白质含量增加12.1%，可溶性糖含量增加4.4%,VC含量增加6.6%，硝酸盐含量降低20.0%。“十三五”规划将生态文明建设上升为国家战略，农畜牧业固液体废弃物的排放和治理是重点。我国针对沼液、固液分离等废水系统有一定的突破，但是因其饲养决定成分，收集方式决定含量，处理设施和处理工艺决定排放结果，对于整个畜禽粪污的处理系统没有良好的规范和标准，今后废水处理系统应需加强以下3个方面研究。废水处理过程中对气态溢出物的研究。粪便和粪污在收集过程中由于温度和自热，往往内部的生化温度高于外部，虽然水冲粪和水泡粪可稳定住一部分的溢出气体，但仍有相当一部分不溶于水的废气溢出，针对这些污染源的收集方式、反应机理可进行再研究。废水处理过程中的气味问题。废水处理中的主要臭味来源是氨气、硫化氢和其他气体，不同调配的废水，溶解度也不一样，如在SBR和MBR法中加入碱度是否会增加氨气的排放等。此外由于人对于臭气的耐受性较低，处理系统中对于无法中和的臭气是否需要收集，排放量为多少对于环境的影响最小，臭气的收集设施等还可继续进行研究。沼肥还田利用时，废气在农田的排放密度对稻米品质机理的研究，如分析、检测稻米理化性状，明确废气是否存有影响的机理。废水处理标准化技术集成。从饲料成分、营养素含量，到针对不同养殖场的粪尿收集、水冲洗，固液分离方法和雨污分离，再到研究废水大田施用、育秧和浸种等不同使用方法，处理不同植物类型和品种，整合、优化现有的沼肥还田技术，集成一套系统、简便和易于操作的“沼肥施用标准化技术”。废水施用标准化技术培训、示范、推广与效益分析。以“沼肥施用标准化技术”培训农业畜牧业相关人员，使该技术迅速、快捷地形成生产力。提高畜禽养殖废水处理的处理效率、减少运行费用。开展废水施用标准化技术试验、示范和推广。进行废水施用效益分析，比较不同畜禽全程废水处理与常规生产的经济效益、环境和生态效益。参考文献相关文献】中国畜牧兽医年鉴编辑委员会•中国畜牧兽医年鉴2015[M].北京：中国农业出版社，2015.包维卿，刘继军，安捷，等•中国畜禽粪便资源量评估的排泄系数取值J].中国农业大学学报，2018，23(5)：1-14.BAOWeiqing，LIUJijun，ANJie，etal.Value-takingoflivestockandpoultryexcretafactorinChina[J].JournalofChinaAgriculturalUniversity，2018，23(5)：1-14.StevePohl.猪场的粪便管理系统[J].国外畜牧学(猪与禽)，2003(5):41-45.NazimCICEK，DannyMANN.Biofilter：apromisingtoolformitigatingmethaneemissionfrommanurestorage[J].JournalofAridLand，2011(1)：61-70.WANGJ，DUANC，JIY，etal.MethaneemissionsduringstorageofdifferenttreatmentsfromcattlemanureinTianjin[J].JournalofEnvironmentalSciences，2010，22(10)：1564-1569.ZHANGRH，LorimoreJ，MelvinSW.DesignandmanagementofanaerobiclagoonsinIowaforanimalmanurestorageandtreatment[M].Iowa：IowaStateUniversityExtensionpublication，1995.StevePohl.猪场的粪便管理系统(续完)[J].国外畜牧学(猪与禽)，2003(6):38-43.曹坤，赵伟•排泄物储存池的容积是如何确定的[J].黑龙江科技信息，2002(3):14.佚名•猪舍的粪便清除和处理[J].粮油加工与食品机械，1975(4):82-86.余薇薇，张智，毕胜兰，等•改良型两级AO工艺处理畜禽养殖场的沼液研究[J].中国给水排水，2011，27(1):8-11.YUWeiwei，ZHANGZhi，BIShenglan，etal.Improvedtwo-stageAOprocessfortreatmentofbiogasslurryfromlivestockandpoultrybreedingfarm[J].ChinaWater&Wastewater，2011，27(1):8-11.李建政，孟佳，赵博玮，等•养猪废水厌氧消化液SBR短程硝化系统影响因素[J].哈尔滨工业大学学报，2014，46(8):27-33.LIJianzheng，MENGJia，ZHAOBowei，etal.MaininfluencefactorsforshortcutnitrificationinaSBRtreatinganaerobicdigestedpiggerywastewater[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology，2014，46(8):27-33.邓良伟，郑平，李淑兰，等•添加原水改善SBR工艺处理猪场废水厌氧消化液性能[J].环境科学，2005(6):107-111.隋倩雯•氨吹脱与膜生物反