利用固液分离技术对规模化奶牛场的粪污治理

张 嫚，翟中葳，张克强，刘福元，杨 鹏，刘鹤莹

1 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨 150036

2 农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191

3 新疆农垦科学院畜牧兽医研究所，新疆石河子 832000

0 引言

随着人们对营养健康需求的不断增加，乳制品产业受到消费刺激而迅速崛起，伴随而来的是奶牛养殖业的复兴，并且逐渐成为极具发展潜力的朝阳产业[1]。经调研，截至2015年，我国存栏100 头以上的奶牛场已接近50%[2]，并且这种规模化的奶牛场数量在逐渐增加。由此可见，未来的奶牛养殖业终将朝着集约化、现代化和规模化的方向发展[3]。规模化奶牛养殖需要规范的养殖及排污流程，以确保乳制品产品的安全[4]，这也是关系到国计民生的大问题[5]，一直受到人们的关注。因此，本研究不但要从技术方面优化集约养殖圈舍粪污治理方案[6]；还要从产业角度上开发符合企业需求同时能够降低污染物总量，节省治污资金的落地技术[7]，使得经过固液分离技术后，实现了规模化奶牛场刮粪、固液分离、肥水外运、回用稀释的全自动智能控制；最后要从行业发展角度上，推进畜、牧、禽养殖业的现代化进程，并从源头上开发能够减量化的环境友好型养殖模式[8]，以期为我国发展智能化、自动化的养殖业提供可靠的技术支持。

1 研究内容与研究方法

1.1 研究区概况

本研究选取天津西青区天津和润畜牧养殖有限责任公司的规模化奶牛场（简称“天津和润奶牛场”）为研究目标。天津和润奶牛场是天津市西青区一家规模化奶牛养殖企业，位于西青区王稳庄镇小孙庄村北（青泊洼农场内）。场区总占地面积约250 亩，其中牛舍建筑面积约6.91 万平方米，现有9栋牛舍，挤奶间、办公住房和料库各1 栋。生产区包括自由卧床牛舍、成年牛舍和犊牛舍。场区奶牛年存栏量约1 600 头，其中泌乳牛约800 头，犊牛约340 头。

1.2 研究内容与方法

由于现阶段规模化奶牛场的清粪模式比较统一，基本分为人工/机械干清粪、水冲粪、刮粪板+水冲粪等几类单一或组合模式[9]。随着规模化水平的不断提升，人工费的逐渐增长，水冲粪、刮粪板+水冲粪[10]等模式逐渐成为重点。但现有水冲粪模式因黏稠度问题，经长期运行后需补充清水稀释粪污，导致后续污染物总量大大增加，处理和利用难度上升。基于以上问题，本任务研发站槽粪污智能清理技术（提升站槽清粪效果、节省冲洗用水、降低污染物总量），并依托站槽粪污清理，开展粪污收-储-分离联动节水技术研究，从粪污收运的源头减少污染物总量。

同步开展同系奶牛场对比试验，检测位于滨海新区的天津神驰农牧发展有限公司固液分离前后样品的常规指标，以提供数据对照。

1.3 样品的采集与前处理

规模化奶牛场站槽粪污智能化收运系统取样范围包括粪污暂存池内的粪浆、匀浆池内的粪浆和晾晒后的粪便，分析粪污在不同阶段、固液分离前后主要参数的变化；检测指标包括总固体含量（TS）、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、总氮（TN）、总磷（TP）等常规指标，分析常规指标趋势。委托天津和润奶牛场管理人员开展日常用水、设施用电记录，分析系统运行效果与能耗，评价用水减量化成效。取样频率每季度1 次，1 次持续3～5 天，管理人员记录用水、用电平均值。

采集天津和润畜牧养殖奶牛场内固液分离前后不同阶段的粪污及污水样品，将污水装于离心管中，盖上盖子。粪便放于阴凉处自然干燥后，过2 mm粪便筛，一部分测定总固体含量[11]，另一部分按照鲍士旦等[12]的《土壤农化分析》中方法对其进行消解前处理，将所得到样品进行稀释待测。将采集的污水用硫酸-硫酸银法消解[13]2 h，待测。

1.4 样品的测定与分析

利用（105±5）℃烘干称重法测定总固体含量，将预处理后的奶牛粪便样品用气相分子吸收光谱法测定TN含量，并用硫酸亚铁铵滴定法测定水中COD值，用标准稀释法测定水中BOD值。

1.5 数据分析

文中数据处理都采用平均值±标准差的方式，并用Excel 2016绘制部分图表，另一部分图采用Origin 8.5绘制。

2 结果与分析

2.1 规模化奶牛场的固液分离技术路线

天津和润奶牛场粪污处理采用图1所示流程图。泌乳牛舍的粪污经自动刮板机将粪污高效刮入粪污暂存池，通过电控系统反馈的粪污量信息，实现自动刮粪机和固液分离机的有序工作，暂存池粪尿通过长杆泵打入固液分离机后快速实现固液分离，分离的干粪经发酵灭菌后部分作为牛床垫料回用牛舍，部分作为有机肥原料，进入有机肥加工车间；而分离的尿液部分作为稀释剂，回冲粪污暂存池，部分经匀浆池后作为肥水贮存，用于制作青贮饲料。此种模式下，年处理养殖废水1.9 万m3，可提供再生可回用水肥每年1.5 万m3，节省水、肥费用45 万元以上，使用青贮饲料种植节肥增产2%（以使用1 年计）。生产优质牛床垫料1 700 吨/年，减少沙子、稻壳的每年直接投入51 万元以上，减少天气极端变化时乳房炎发病率10%以上，经济效益达到40 万元/年。因采用益生菌，减少奶牛肠胃疾病，改善舍区环境，经济效益达到20 万元/年；利用牛粪、秸秆等原料年产1 万吨有机肥，纯利润达每年50 万元；节约人工投入17%，节约用水支出20%～23%，年节约用水、减少粪污处理污水达5 100 吨，经济效益达到80 万元；合计产生经济效益286 万元。

图1 奶牛场粪污处理技术路线

2.2 规模化奶牛场粪污的固液分离过程

由上述流程中的固液分离机，在粪污暂存池填至80%时开始工作，前期工作4 h/天，自动刮粪板改为定时运行，全天固定运行3 次，直至固液分离机的液体将匀浆池充至50%，液位控制器开始工作，稀释匀浆过程如图2所示。液位控制器同时控制外运水泵及固液分离机的回用稀释水泵。回用稀释水泵与固液分离机、自动刮粪板同时工作，当水位位于匀浆池50%深度以上时，设定每小时固液分离和回用稀释水泵运行1 次，每次15 min，每天运行5 次，进行粪污的固液分离，而自动刮粪板运行1.5 个来回，将站槽50%的粪便刮至粪污暂存池内。外运水泵在回用稀释水停止运行后运行10～20 min，采用变频控制，将匀浆池内的污水运输至肥水贮存池内等待农用。当匀浆池内的液位下降至50%并且自动刮粪板切换至加速运行模式，恢复至往返刮粪9～10 次，直至液位控制器重新开始运作。

图2 奶牛场粪污固液分离过程

2.3 固液分离过程中粪污的收运技术

在对奶牛圈舍内的粪污进行收集的过程中，使用奶牛场站槽自动刮粪板可减少对奶牛日常生活的不利影响。通过障碍物红外传感器在自动刮粪板上的使用，减少刮粪板强制通过导致刮伤牛蹄的现象。在使用中，障碍物红外传感器刮粪板的障碍物漫反射距离为20 cm，整个刮粪板以20 m/min的速度向前清粪，当识别到牛蹄后，减速至停止，停止距离控制在奶牛3～5 cm处。通过刮粪板运行时每月1次的情景记录所得到的数据如图3所示。从图3可以发现，初运行2 个月内奶牛选择跨越刮粪板的比例为54%，选择远离刮粪板的比例为23%，选择原地不动的比例为23%；养殖3 个月后奶牛选择跨越刮粪板的比例为75%，选择远离刮粪板的比例为14%，选择原地不动的比例为11%；养殖5 个月左右时奶牛选择跨越刮粪板的比例为91%，满足运行要求。运行过程中，自动刮粪板碰触到牛蹄0 次。奶牛场内未使用传感器的刮粪板初运行2 个月内碰触牛蹄比例高达60%，采用挤开牛蹄的方式通过；运行5 个月时仍有20%的比例奶牛不躲闪后被挤开。

图3 奶牛对自动刮粪板的行为比例

综上所述，站槽自动刮粪板采用障碍物红外传感器可减少规模化奶牛场日常管理中对奶牛的损伤，避免出现意外导致奶牛淘汰。但由于清粪时刮粪板停止频率高，传感器被粪污遮挡的几率相应增加。在运行过程中平均4 天需要检查传感器是否被粪污遮挡，且总清粪时间较传统刮粪板清粪时间延长1 h左右。

2.4 固液分离技术对规模化奶牛场产污的影响

2.4.1 固液分离对污水水质的影响

规模化奶牛场固液分离前置技术能够解决水带粪的难题。固液分离前置技术分离的牛粪渣含水率为68%～73%，分离液的含固率为4%～6%。在夏季初步运行时，由于喷淋水量较大，固液分离机出现过喷浆情况。在加快清粪频率、减少喷淋水后恢复正常。通过固液分离前置技术缩短粪污运输距离，检测固液分离前后污水中COD和BOD等常规参数值，以监测污水水质的变化。检测收集样品中的COD和BOD，得到结果如图4所示，可以看出，污水中COD在固液分离前为10.00 万～12.80 万mg/L，分离后的COD在3.48 万～4.20万mg/L；固液分离前BOD值为8.27 万～9.08 万mg/L，分离后的BOD在2.65万～3.49 万mg/L。污水中BOD和COD值下降，说明固液分离效果较好，而这两项参数值下降原因可能是将粪污中未消化完全的饲料分离为牛粪渣，使水中的COD和BOD值发生变化。数值在第3季度出现较大波动，原因是夏季喷淋水量较大导致粪污过稀，固液分离效果不佳。

图4 固液分离前后水质的变化

2.4.2 固液分离对粪污中污染物含量的影响

由上述可知，采用规模化奶牛场固液分离前置技术，可一定程度上改善污水水质，又进一步研究了此项技术对水中污染物含量的影响，得到结果如图5所示。从图5可以看出，固液分离前的总悬浮颗粒物在8%～10%，而分离后则在4%～6%；分离前的总氮含量在604～712 mg/L，分离后则为398～426 mg/L；固液分离前TP含量处于148～191 mg/L，而分离后则介于93～116 mg/L之间。与常规条件下的奶牛场产污量相比，粪污浓度提高约20%，粪污总量下降约21%。这可能是因为规模化奶牛场固液分离前置技术，使得外源水稀释粪污，减少了粪污总量。

图5 固液分离前后水中污染物含量的变化

2.5固液分离后固体的回收再利用

在天津和润奶牛场示范实施了固液分离前置技术后，使得整个系统实现了刮粪、固液分离、肥水外运、回用稀释的全自动智能控制，每3 天需要工作人员检查设备的状态，减少了规模化奶牛场的人工消耗，并且可将分离出来的干牛粪在晾晒棚内堆积发酵后晾晒干燥，如图6所示，干燥后的固体可以作为卧床垫料通过抛洒机使用，从而节约了奶牛场的垫料消耗，不但实现了资源的回收再利用，还为奶牛提供舒适安全的卧床垫料，降低除污成本的同时，也提高了产业的生产效益。

图6 固液分离后的固体进行晾晒后制作卧床垫料

3 讨论

规模化奶牛场以生产生鲜乳为主，是乳制品的源头，为得到更安全健康的食品，奶牛场必须对奶牛的身体健康、所处环境及产品生产环境[14]进行严格管控。其中，环境是非常重要的因素，健康安全的环境才是生产安全产品的保障。因此，本研究以天津和润奶牛场为案例，实施了自动控制刮粪板、固液分离系统前置、原位粪污两相分离、液位控制等集成联动模式的除污方案，并针对系统运行过程中的物料TS浓度、主要污染物浓度、用水量、能耗等参数进行收集，分析技术运作的关键参数、节点控制、不同季节的区别，维持系统的稳定运行，并结合经济效益分析，总结技术模式，为规模化奶牛场提供可复制、可推广、实用的粪污治理减量化模式。

在整个除污系统中，最核心的板块是收-储-分离联动站槽粪污智能化收运系统、舍后粪污储存系统、高效固液分离系统三个环节的协调联动，从而形成收集-储存-分离的奶牛场粪污收储运体系，并优化体系控制单元，实现养殖粪污收储运系统的污染控制。经调研发现，常规1 500 头养殖量奶牛场污水产生量为67 吨/天[15]，而本研究的示范奶牛场管理人员日常记录显示，系统污水产生量52 吨/天，污水产生总量较同规模常规奶牛场下降22%。通过固液分离后匀浆池的上清液进行回冲稀释，系统未额外增加粪污稀释水，固液分离机每天工作1 h，可处理40～60 吨的粪污，分离出的牛粪渣含水率68%～73%，分离液含固率4%～6%。根据常规奶牛场运行经验对比，系统可节约稀释用水14～16 吨/天，奶牛场总用水量下降20%～24%。但夏季初步运行时因牛舍喷淋用水量大，固液分离机出现过喷浆情况。后在加快清粪频率、减少喷淋水后固液分离机正常运行。

固液分离技术除减少用水量和降低产污量的同时，也降低了粪污中污染物的含量，同时改善了污水水质，大大节约了粪污处理的成本。经固液分离之后的污水COD和BOD值相较于未分离之前分别降低了67%和61%左右，而污水中总悬浮颗粒物、TN和TP含量也相对降低。此结果证明，经固液分离后，不但减少了除污、治污的成本，也改善了场区及周边环境，提高了空气质量，减少了疫病传播、抗生素用量及迁移转化环境风险，对企业、产品和环境都产生了正向的促进作用，该技术对规模化奶牛场有着重要的现实意义。

4 小结

4.1 降低成本

天津和润奶牛场实现了人力成本节支15%，用水量节支15%，天气极端变化时乳房炎发病率降低10%以上；节约人工投入17%，节约用水支出20%～23%，年节约用水、减少粪污处理污水达5 100 吨。

4.2 污水处理效果佳

经固液分离之后的污水COD和BOD值相较于未分离之前分别降低了67%和61%左右，污水中总悬浮颗粒物、TN和TP含量也相对降低。

4.3 实现废物利用

固液分离后的固体经过晾晒、发酵等处理后，干燥的固体可以作为卧床垫料重新利用，节约奶牛卧床垫料的成本。