奶牛养殖场粪污处理沼气工程技术与模式

奶牛养殖场粪污处理沼气工程技术与模式 摘要 本文综述了国内外奶牛养殖场沼气工程技术应用现状，分析了牛粪沼气发酵潜力和三种主要沼气发酵工艺的技术特点。 关键词 奶牛场; 粪污; 处理; 沼气工程技术

发达的畜牧业是现代农业的标志，乳及乳制品占畜产品的比重是衡量畜牧业发达与否的重要指标。规模化养殖业在为发展农村经济，提高城乡居民生活水平做出巨大贡献的同时，随着粪污和冲洗水相对集中排放，也带来系列的环境问题。据有关资料，2002年全国奶牛饲养量为679万头，年产生的粪尿总量近亿吨。由于技术和经济的原因，我国有相当数量的奶牛养殖场粪污没有得到有效处理，粪污处理问题已经严重影响了自身的持续发展,粪污综合治理迫在眉睫。由于沼气技术（厌氧消化）在实现奶牛粪污资源循环利用、改善农村能源、环境、卫生条件和有利于温室气体减排方面的独特作用，日益受到世界各国政府的重视，诸多因素将使沼气技术有更好的发展空间。 （一）奶牛粪组分、对环境的污染特点及其产沼气潜力 1?奶牛粪组分和环境的污染特点 奶牛鲜粪浓度一般在12％~18％TS范围，挥发性固体约占80％。 未经处理的牛场粪污会产生大量硫化氢、醇类、酚类、醛类、氨、酰氨类等污染物,而粪尿中含有的大量病原菌极易传播疾病,细菌和有害气体随风扩散,使污染范围扩大。粪尿聚集区,易于蚊蝇等昆虫滋生,严重地影响了周围地区的卫生。未经处理的奶牛场粪污经雨水冲刷或直接流入江河，使水中硝态氮、硬度和细菌总数超标，水质恶臭。奶牛场粪污中含有较高的氮、磷养分，如果过量还田，进入土壤后会转化为硝酸盐、磷酸盐，破坏土质。另外，目前在饲养牛时大量使用添加剂。添加剂中含有重金属，奶牛食用后只有少量被吸收，大多数随粪便排出，如未经处理直接进入土壤被农作物吸收，人食用后在体内产生富集，影响健康。 奶牛场粪污产生的恶臭气味会影响人和动物的生理机能,刺激嗅觉神经与三叉神经对呼吸中枢发生作用,影响人、动物的呼吸机能。刺激性臭味会使血压与脉搏发生变化,产生不愉快的感觉。对于奶牛场恶臭气味的治理也是环境综合治理的重要内容。 2?奶牛粪产沼气潜力 奶牛粪是非常好的发酵原料，据研究表明，奶牛粪的原料转化率高于猪粪和鸡粪，奶牛粪的产气特点见表1。 表1奶牛粪的产气特点 发酵原料总固体（TS）产沼气潜力M3/KgTSM3/吨新鲜料实际转化率％牛粪18~200?25~0?3048~6085 （二）国内奶牛场粪污沼气工程 我国早期的中小型奶牛养殖场沼气工程是在户用水压式沼气池技术的基础上发展的，地埋式、50~200m3，由数个单池组合而成，无单独的储气柜。如绵阳市农科所农场沼气工程（1980年），以牛粪为原料，12个单池，总容积1 519m3，常温发酵，沼气以集中供气的方式，解决了近百户职工生活燃料。 1982年建成的成都凤凰山畜牧园艺场沼气工程我国最早的农场大型沼气工程。该工程可以说是我国畜禽粪便处理工程的开端，即使从目前的国内技术水平来讲，该工程的综合水平也不落后。该工程由农业部沼气科学研究所设计，采用射流搅拌的全混合发酵工艺。工程日处理1 000头奶牛粪污，装置总容积4×300m3，隧道式，中温发酵，进料浓度6％TS，HRT60天，有机负荷1?0kgTS/m3?d,池容产气率0?238m3/m3?d。日产沼气1 000m3，其中300m3用作沼气发电（50KW4125C沼气-柴油发电机），其余用于1吨锅炉和职工生活燃料。 从20世纪80年代中期开始，上海农垦系统建设了一批我国数量最多的牛场沼气工程，多数采用全混合发酵工艺。由于上海工业微生物研究所和上海交通大学等单位的介入，也研发了一些新的发酵工艺和装备。如上海交大在上海“五四”农场建成同心圆折流反应器，由于增加了原料在装置中的流程，提高了牛粪原料的降解率，在近中温发酵条件下，装置池容产气率达到1?1m3/m3?d。 1991年建成的上海星火农场大型奶牛场沼气工程是当地的标志性工程，也是20世纪90年代国内最大的畜禽场沼气工程。该工程由上海市工业微生物研究所和上海城乡建筑设计院共同设计。处理系统包括6×450m3厌氧消化塔、7×200m3储气柜和固液分离机（HWL-400型8~10m3/hr）。装置日处理来自2000多头牛的80吨粪污和20余吨其他粪污。装置平均产气率1?2m3/m3?d，最高达到2?0m3/m3?d。其发酵装置内部设置有软性纤维填料，发酵工艺类似于UBF反应器；针对奶牛粪中草多、浮渣多的特点，装置设计中尤其考虑了除浮渣装置。发酵温度28～30℃。进料COD浓度37 673mg/l，出料COD 7 723mg/l，去除率79?5％。进料TS5?2％，出料TS3?4％，TS分解率35％。HRT14天，容积负荷3?7KgTS/ m3·d。装置平均沼气产率为1?2m3/m3·d，最高2?0m3/m3·d，所产沼气供应2 868户职工家庭作生活燃料使用。沼渣用制花肥，经处理沼液或喷洒还田，或再经过鱼塘处理后排放，出水COD在100mg/l以下。 近年来随着集约化奶牛养殖业的快速发展，沼气工程发展较快，但是客观来讲工程技术进步不明显。以下是农业部沼气科学研究所在四川一处720头奶牛场沼气工程的设计方案，试图在处理流程上有所创新，见图1。奶牛场污染物包括牛粪和圈舍冲洗水两类。前者浓度高，但是量仅为冲洗水的约1/7。如果将两类粪污放在一起发酵处理，基建投资和运行费用将很高，发酵条件也很难满足，比如要将冲洗水采用中温发酵就很满足。而且由于牛粪和冲洗水的污染程度不一样，无害化的处理要求也不一样。为此，我们在处理工艺设计中，对于奶牛场废水实行干清粪工艺，干粪和冲洗水清污分流、分别处置，综合利用，分别达标，将解决这一问题。高浓度粪污（7％TS），来自牛粪和冲洗水沉淀粪浆，每天约50m3，粪污中COD、BOD、NH-N、TP、粪大肠菌值等的浓度均很高，属于容易生化的废水，主要通过高浓度发酵罐处理。牛舍冲洗水（0?2％TS）每天约144m3，主要通过冲洗水处理系统处理，经过沉淀、厌氧池和兼氧滤池处理后，COD将降低到400mg/L以内，再经过几十天滞留期以上的氧化塘处理，将能够全部满足《畜禽养殖业污染物排放标准》要求。 图1720头奶牛场粪污处理工艺流程图 （三）国外奶牛场粪污处理沼气工程技术与模式 在欧洲、美国等养殖业发达国家，奶牛粪污最常规的处理方法是囤集较长时间后还田（半年以上），称为自然处理。但是近年来调查发现，污染问题并没有很好解决。据资料显示，在养殖业集中的区域，附近农田的氮、磷和重金属元素超标的情况已经非常普遍。在欧洲国家，如德国、荷兰、比利时，25％以上的地下水的硝酸盐超过50mg/L。在美国虽然有较多的农田供粪污消纳，但是50％以上的湖泊和27％以上的河水养分超标。一旦雨季，地表水被畜禽养殖粪污污染，导致BOD超标的现象比比皆是。尤其引起发达国家加强畜禽养殖污染治理的原因是卫生问题。近年来由于人畜共传病，如疯牛病、禽流感、血吸虫病的猖獗传播，促使这些国家加强污染治理力度，而沼气技术被认为是一种符合循环经济发展的有效模式。 欧洲是目前农场沼气工程技术最发达、推广数量最多，技术最成熟的地区。欧洲沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。欧洲处理农村废物的沼气装置分为两类。一类称为农场沼气池（on?farm AD plants）,另一类称为集中厌氧消化系统（Centralized Anaerobic Digestion, 简称CAD），后一类近年来发展很快。集中厌氧消化系统代表了目前欧洲沼气工程的发展趋势。即将一定区域内相临的农场畜禽粪便和其他有机废物收集、运输到一处沼气站集中处理，集中厌氧消化装置的优点是具有规模经济效益、可采用较先进的厌氧消化处理工艺和装置设备从而处理效率更高。 集中厌氧消化系统最早于在1980年代末从丹麦开始运作，目前已经建成20座大型的CAD沼气装置，运行良好。每座装置规模在2 000~4 000m3，中温或者高温，厌氧消化工艺主要是全混合沼气发酵（CSTR）和推流式发酵工艺（Plug flow），停留时间在12~20天，在对发酵原料预处理或后处理中，还包括一个巴氏灭菌高温消毒过程，以防止处理过程中病菌传播。沼气一般用于当地社区集中供热，或热电联用（CHP）。 美国发展沼气工程起步较晚，目前约有40个农场沼气工程投入运行（主要是处理奶牛场粪污。 印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家，已经建成约300万口户用沼气装置。此外还实施了近2000个大中型沼气工程。印度的户用沼气装置主要用作生产农村能源，以牛粪为主要原料，沼渣沼液用作有机农肥。 国外奶牛场沼气工程发酵装置主要采用以下三种工艺： 1?推流式发酵工艺 近年来美国农场沼气工程发展很快，多数是采用的推流式发酵工艺。这类沼气装置多数采用半地埋式、上部用复合橡胶袋覆盖，主要用于处理干清粪式的奶牛粪污。沼气装置容积一般为2?5m3/头奶牛左右。进料浓度在10％~13％TS，HRT20天以上。沼气发酵后的沼液经过固液分离后，固体部分用于堆肥，液体部分经过氧化塘处理后排放或用于农业灌溉。处理工艺见图2。 目前在美国北方寒冷地区（纽约州、明尼苏达州，这里冬季平均气温低于摄氏零度）运行良好的6座奶牛场沼气工程中，有5座采用的是推流式发酵工艺，处理规模分别是1 000-2 400头牛，多数是2001年后建成的。全部采用了热电联用技术，发电机的规模在130-200kW，发电余热用于发酵装置增温。被认为，关于寒冷地区沼气装置的设计有几个要点， （1）原料池要防冻； （2）要有热电联用系统； （3）可以通过原料加温和罐体热交换两种方式加温、保温； （4）要加强进出水管道保温。 图2推流式沼气发酵处理系统流程示意图2?全混合发酵工艺 德国和丹麦的农场沼气工程大多数采用全混合发酵工艺、装置为钢板结构、热电联用为主要沼气利用形式。由于解决了搅拌、输送等机械设备问题，现在欧洲沼气装置的发酵浓度越来越高，可以达到11％TS以上。为了提升沼气装置的卫生效果，新建设的沼气装置多数采用高温发酵，HRT5天以上，这样有利于对人畜共患病菌的消毒和灭活杂草种子。中温发酵装置的最短HRT为15天。 美国奶牛场沼气装置采用全混合发酵工艺的不多，被认为主要适用于处理水冲式粪污，原料浓度在3％~8％TS范围。装置造价比推流式发酵装置高。在纽约的Matlink奶牛场2001年建设了一座全混合沼气发酵装置，中温发酵，HRT20天。除了处理700头奶牛粪污外，还有部分原料来自食品加工废水。该装置配置了1套130kW的发电机组，从2001年启动以来一直运行良好。发酵后出水的后处理方法与推流式发酵装置相似。 加拿大近年来也建造了处理几千头牛粪污的大型全混合沼气发酵装置。 3?厌氧过滤器发酵工艺 奶牛粪污水质的特点是悬浮物（SS）含量很高。如果沼气发酵前先经过固液分离，则可以采用厌氧滤器（AF），甚至采用UBF、UASB等发酵工艺。采用这些高效工艺可以缩短原料HRT，从而提高发酵效率，但是也存在一些问题，比如能源化程度不高（部分原料未进入装置），卫生效果不好 （滞留时间太短）。 在美国弗罗里达州有一处500头奶牛场粪污沼气处理工程，455m3厌氧滤器、进料浓度大约为1％, HRT≤3d, COD去除率≥50％。 (四）结语 我国的农村大中型沼气工程数量已经达到1500处，其中相当一部分是处理奶牛场粪污。与国外相比，我国的奶牛场粪污处理沼气技术还有一定差距，主要问题包括， （1）沼气工程的沼气发电率很低，不到2％，热电联用（CHP）更几乎是空白。热电联用技术既可以提高沼气工程的经济效益，同时也解决了沼气装置的增温问题，这对于在北方推广沼气工程技术尤其重要。 （2）我国沼气工程装备技术方面还有一些技术瓶颈，比如固液分离机械的效率、耐用性，高浓度输送和搅拌机械等等。 我国奶牛养殖中有相当高的比例是小型养殖场或养殖专业户，每处几头到几十头，要重视对这类规模养殖场粪污处理的沼气技术研究和开发。