规模化养猪场粪污治理模式构建探讨

钱 蕾, 林 斌, 官雪芳, 黄菊青, 徐庆贤

(福建省农业科学院农业工程技术所, 福建 福州 350003)

近几年，伴随着国家农业结构调整以及市场充分竞争下的优势劣汰，养猪业集约化发展趋势越明显，养猪规模也越大。养猪场粪污属于高浓度有机废水[1-2]，对环境影响大。2016年，福建省作为全国首批生态文明试验区的三个省份之一，中央第一个批准了《国家生态文明试验区(福建)实施方案》。福建省委、省政府认真贯彻党的十九大精神，牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”等绿色发展理念，对养殖业进行了规范化与整治，对养殖业粪污治理工程达标排放以及废弃物资源化利用提出了更高要求。针对规模化养猪场，建立合适的粪污治理工程，促进粪便污水达标排放，避免环境污染，同时还可以通过废弃物资源化利用，实现农业循环经济[3-5]。笔者项目组根据可持续发展的理念，以实现粪污达标排放为目标，辅以资源化利用最大化为原则，进行技术集成，建立规模化养猪场粪污治理工艺技术模式。本文通过工程实例进行关键技术分析总结，以便为规模化猪场建立实用达标排放生态型技术模式提供参考。

1 规模化养猪场概况

福建省某有限公司位于福州市闽侯荆溪镇，是一家存栏数5000头的规模化养猪场。养猪场污水属于高浓度有机污水，主要成分为大量的猪粪尿以及部分散落的残余饲料，其主要污染物是有机质、氮、磷等，并且含有较多的粪大肠杆菌群和蛔虫卵等寄生虫卵。猪场粪污前处理采用干清粪工艺，结合养猪场内母猪、育肥猪和保育猪的比例，确定全场产生污水量约75 m3·d-1，其污水指标如下：CODCr为9751.3～13412.5 mg·L-1，平均为12574.1 mg·L-1；BOD5为3472.4～5780.8 mg·L-1，平均为4589.3 mg·L-1；SS为3256.2～4515.7 mg·L-1，平均为4148.4 mg·L-1； NH3-N为972.5～1275.6 mg·L-1，平均为1156.7 mg·L-1；TP为72.7～96.9 mg·L-1，平均为86.7 mg·L-1；pH值为7.23～7.38，平均为7.31。本研究以该公司作为研究对象构建猪粪污处理和资源化利用模式，解决规模化猪场粪污治理与废弃物综合利用问题。

2 粪污治理及资源化利用模式工艺流程

2.1 技术工艺流程

本技术工艺最大特点是多项污水治理技术以及资源化利用技术的集成与创新，主要包括以下4个方面： 1)实施干清粪，应用福建省农科院自主研发FZ-12固液分离机作为前处理固液分离； 2)采用推流式厌氧发酵和微曝气生物滤池技术相结合处理粪污水； 3)厌氧发酵池产生沼气、沼液经过净化处理后进入温室大棚应用； 4)干清粪猪粪和固液分离后产生粪渣进行厌氧干发酵装置中堆肥发酵处理。

综上所述，根据循环经济原理，依据规模化养猪场粪污特性，本工艺技术采用沉砂池-固液分离-酸化池-厌氧发酵池-好氧池-沉淀池-氧化塘技术相结合以及沼气、沼渣、沼液的综合循环利用。其主要工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程图

2.2 取样和测试

2013年1月1日至2013年12月31日期间，每月上、中、下旬分别对测试点进行多点取样、检测污水中pH值，CODCr，BOD5，SS，NH3-N和TP。COD测定采用《水和废水监测分析方法》(第三版)中重铬酸钾法；pH值测定采用电子pH计；NH3-N测定采用《水和废水监测分析方法》(第三版)中纳氏试剂光度法；BOD5采用《水和废水监测分析方法》(第三版)五日生化需氧量测定方法；TP采用《水和废水监测分析方法》(第三版)钼锑抗分光光度法；SS采用过滤烘干法。

3 粪污处理及资源化利用系统构筑物及参数

3.1 预处理系统构筑物、设备及参数设定

预处理技术主要包括猪舍中人工清理猪粪、粪污分离技术以及污水酸化。其主要设施和设备有格栅池、沉砂池、固液分离机以及酸化调节池。格珊主要是分离去除猪场粪污中猪毛、杂草等杂物，防止阻塞污水泵以及影响后续处理单元的正常运行。格栅结构为砖混凝结构，设置有格栅2道，格网尺寸20 mm，格栅倾角65°。沉砂池为砖混凝结构，设置有2个，尺寸为1.5 m×1.5 m×0.6 m。主要作用是去除污水中的砂石和猪粪污水中较大颗粒。

固液分离机能够去除污水中大量的粗纤维等有机物质，用在规模化猪场粪污处理工艺前处理，可以有效降低排放污水有机物浓度，有效降低了厌氧发酵池沉渣堆积，延长了使用寿命，避免厌氧发酵池的阶段性清池的麻烦，提高了整个工艺系统运行的可靠性和稳定性[6]，同时减轻后续处理工程压力和减少投资。固液分离机分离出的粪渣等固形物质可以通过堆肥发酵或者干发酵生产有机肥料。本系统中采用福建省农科院自主研发FZ-12型固液分离机[7～8]，并配套建设了一个搅拌池。搅拌池结构为圆柱形钢筋混凝土结构，尺寸为φ2.5 m×H 3.0 m。该固液分离机设备可根据整体工艺和处理模式的要求，调节分离流量与振动筛网目数，滤取污水中的固态物，减少固态物的入池量，实现污水处理的减量化。其长×宽×高为1.1 m×1.2 m×1.8 m，电机功率为0.75 kW，处理污水能力为15 t·h-1。在设计上，内置振动筛系统、螺旋送料系统和自动冲洗系统；在性能上，集污水的输送、固态悬浮物的振动筛选与挤压、筛网的自动冲洗为一体。

酸化调节池采用钢筋混凝土结构，体积为100 m3，尺寸为10.0 m×5.0 m×2.0 m，水力停留时间HRT为0.67 d。其主要作用是对经格栅、沉砂池和固液分离池预处理后的污水进行混合、储存和调节，起到初步酸化水解作用，以满足后续厌氧发酵工艺的技术要求。

3.2 厌氧发酵系统构筑物及参数设定

厌氧发酵系统是规模化猪场污水有机物质去除的主要设施，本工艺主要包括推流式厌氧池、推流式厌氧滤池、沉淀贮液池。

厌氧反应池是沼气工程中关键的工艺装置之一。在厌氧发酵过程中，规模化猪场高浓度粪污中80%以上的CODCr和BOD5被消化去除。本项目工程选用地埋推流式厌氧池，厌氧池结构采用钢筋混凝土方形结构，并在池内设置破壳装置和排渣装置。采用覆土作为保温层，设计厌氧反应池有效容积1000 m3、水力停留时间HRT为13.3 d，基本上可以做到常年产气，年平均产气率≥0.40 m3·m-3d-1。经地埋推流式厌氧反应池后，污水进入推流式厌氧滤池。推流式厌氧滤池采用钢筋混凝土方形结构，并采用聚乙烯填料，填料间隔0.5 m。设计厌氧反应池有效容积500 m3、水力停留时间HRT为6.7 d。

经厌氧发酵后的沼液直接排入沉淀池。沉淀池采用钢筋混凝土浇筑，有效容积150 m3，水力停留时间HRT为2.0 d。经厌氧发酵后的污水如果有机物浓度过高，可以在此池中投加絮凝剂，进一步去除污水中悬浮物和颗粒物。

3.3 好氧发酵系统构筑物及参数设定

好氧发酵系统是对厌氧发酵后的沼液进一步进行生化处理的设施设备。粪污中有机污染物在有氧条件下大部分被好氧微生物降解，最终出水接近或达到达标排放。本工艺设施主要包括微曝气生物滤池、混凝沉淀池、生物稳定塘。

微曝气生物滤池采用混凝土浇筑，长方体结构，设计容积100 m3，长×宽×高为20.0 m×2.5 m×2.0 m。采用聚丙烯ZH901弹性立体填料，安装间隔150 mm，填料成膜后重量60～80 mg，规格为直径150 mm×片距60 mm。曝气方式采用底部微孔曝气，动能采用三相异步电动机(型号Y100L2-4，电压380 V，功率8 kW·h)。曝气设备采用ZL管式微孔曝气器，微孔为“V”字型，梅花形打孔可变性好、不易破裂。该曝气器采用日本进口的EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer)三元乙丙橡胶、改良塑料增强化纤生产而成，规格φ65 mm×650 mm，安装间隔500 mm。经特殊加工软管周径都有气孔，应用国外抗浮力先进技术，两头四点同时进气，进气量2.5 m3·m-1h-1，风压控制在2.5 kPa，曝气时在水中产生微小气泡，每天可处理水量50 t。该曝气器的优点是能耗低、动力效率高、服务面积大和氧利用率。

经好氧处理后的污水直接排入混凝沉淀池。沉淀池采用钢筋混凝土浇筑，有效容积50 m3，水力停留时间HRT为0.67 d。可以在此池中投加絮凝剂，进一步去除污水中悬浮物和颗粒物。

经过微曝气生物滤池和混凝沉淀池后，污水水质基本能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)规定的排放要求。但如果规模化猪场离居民区比较近的话，需要达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的二级以上污水排放标准，部分指标可能无法达标。因而后续处理中设置生物稳定塘，合计4667 m3，在水体顶部设置有6台叶轮增氧机，促进好氧微生物进一步消耗污水中的有机物质。

3.4 资源化利用系统

3.4.1 沼气利用系统

沼气利用系统包括贮气设备、脱硫器、阻火器、输配管道以及用能设施、设备。猪场粪污经厌氧发酵后产生的沼气，通过气水分离器脱水后进入脱硫装置进行脱硫，脱硫后的沼气计量后进入贮气设备贮存，经输配系统，用于猪场内温室大棚示范生产以及职工生活用能。具体工艺如图2所示。

图2 沼气利用工艺流程

猪场内温室大棚为智能控制系统温室，面积160 m2，棚内设置有10盏沼气灯。该温室以厌氧发酵池所产沼气为能源，为温室点沼气灯增加作物光照时数，并提供CO2气肥，结合应用微机“单片机”来实现对温室的光、温、湿、CO2浓度的调控。温室大棚夜间调控进行对比试验结果见表1。

表1 温室大棚夜间调控对比

注:试验数据为2013年12月20日～12月29日10天数据的平均值，温度、湿度、光照度测定为棚内、外各取10个点测得的平均值；由于探头问题，CO2浓度没有测出。

3.4.2 沼液利用系统

沼液是一种速效有机肥，富含17种氨基酸、活性酶、微量元素以及N，P，K等营养物质[9]。本文示范规模化猪场沼液利用主要有两个方面： 1)用于猪场160 m2温室大棚内无土栽培滴管用水。建设了1个容积12.5 m3长方体结构沼液过滤池，长×宽×高为2.5 m×2.5 m×2 m。沼液滴灌管道材质为EPDM橡胶，设置水压1500 mm水柱，滴灌管道定时冲洗，每隔7 d用清水缓冲冲洗，滴灌管道间隔0.7 m，管径2 cm，滴灌孔间隔30 cm。 2)作为猪场周边千亩橄榄树、茶树等经济林施肥灌溉用水。根据猪场地形自然坡度和种植结构特点，建设了1个容积为150 m3的钢筋混凝土储液池，利用泵将沼液从沉淀池处直接抽至储液池。通过沼液集水井缓冲系统，可以实现雨污分流，还可以通过控制沼液的流量、流速和流向，实现远程灌溉，节省大量的劳动力成本，同时保证所有的沼液通过沼液输送管道，输送到经济林和大田中，替代化肥节约大量的种植成本，效益十分显著。

3.4.3 粪渣、沼渣利用系统

粪渣、沼渣利用系统主要是应用厌氧干发酵装置，对干清粪扫出的猪粪、固液分离机分离出粪渣以及厌氧发酵池和沉淀池排出沼渣进行厌氧堆肥熟化，形成有机肥料。

根据产业化生产的厌氧干发酵装置结构的优化设计要求，除必须保证发酵工艺基本条件要求外，更要考虑到装置制作的难易程度、成本的高低以及力学性能、运行管理等综合因素。厌氧干发酵装置设计要点： 1)厌氧干发酵装置采取上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合，容积10 m3，上池高1.765 m，下池高0.3 m，筒直径2.48 m，设计压力600 mm水柱。 2)上半部分球筒冠体和下半部分筒体镶嵌粘合采用橡胶圈和铁件密闭，橡胶圈宽10 cm，安装于凹凸槽内，铁件通过工厂定制，密闭采用活动螺丝件旋紧。 3)厌氧干发酵装置底层设置固液过滤层和沼液储存层，过滤板采用玻璃钢木板结构，厚20 mm，孔隙采用倒梯形结构，上孔隙Ф5 mm，下孔隙Ф8 mm。沼液储存层高30 mm。 4)厌氧干发酵装置外部设置沼液回流池，沼液回流池采用正方体结构，长×宽×高为1 m×1 m×2 m。沼液通过污水泵和淋浴头喷灌回流，实物见图3。

图3 厌氧干发酵装置

本文示范规模化猪场应用厌氧干发酵装置，一次性投资较少，运行费用低，并且循环利用了沼气，有效杜绝了甲烷气体对大气臭氧层的破坏。同时，有助于解决集约化养猪场猪粪便带来的环境污染问题，促进农业生态平衡，杜绝病原微生物和寄生虫的传播，有利于养猪场的可持续发展，并且生产出的有机肥有利于改善土地结构，减少化肥施用量。干发酵装置对于粪便处理，特别是中小型猪场的粪便资源化、无害化和肥料化有很好的应用前景。本装置创新性在于： 1)材料上：应用由玻璃加强纤维、不饱和树脂、固化剂、促进剂和添加剂等原料经过特殊配方制作而成的玻璃钢材料。 2)结构上：干发酵装置采用组装式设计，可以实现工厂化生产，并且在进出料口进行了特殊的橡胶凹凸槽密封及加强设计，同时，增加沼液自循环装置，缓解酸化。 3)工艺上利用厌氧干发酵替代好氧翻堆堆肥，节省能源，在对粪污进行处理的同时实了现猪场粪便的资源化、肥料化。

4 运行效果与分析

该规模化猪场粪污处理采用达标排放与废弃物资源化利用相结合的治理模式，根据2013年1月～2013年12月跟踪测试结果来看，运行效果较稳定，出水水质良好。通过对固液分离预处理系统、厌氧发酵系统以及好氧发酵系统等出口多次监测，污水处理基本达到了预设目标(见表2)。

表2 污水处理水质的检测结果

注:1)各单元出口值为下一单元入口值； 2)去除率为单元去除率； 3)各项指标均为多点、多次检测平均值。

表3显示各主要单元处理效果。从污水水质主要指标参数CODCr，BOD5，SS，NH3-N和TP来看，在预处理系统中，猪场粪污通过格栅、固液分离等技术处理后，去除率分别达到60.9%，54.8%，60.3%，27.4%和32.8%，说明固液分离大大降低了后处理单元的负荷，起到系统减负的关键作用；在厌氧发酵系统中，CODCr和BOD5的去除率分别达到86.0%，67.5%，而对于NH3-N和TP的处理效率都很低，说明该系统主要是去除粪污中的有机物质，同时也表明该系统是污水处理中的关键环节。根据好氧处理系统对各种主要指标参数的降解情况来看，整个好氧阶段对于有机物质，NH3-N和TP的去除率都很高，说明了该工艺系统中，好氧阶段是污水后续处理的重要组成部分，也是污水达标排放的关键技术。

从污水处理的整体效果上来看，最终出水水质的各项指标均符合GB18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》排放标准，除TP达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的三级污水排放标准外，其余污水指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的二级污水排放标准，说明该工艺在技术上是可行的。

5 小结

本文构建的规模化养猪场粪污治理与资源化利用模式，是以达标排放为主的集成工艺技术，辅以沼气、沼渣、沼液以及猪粪渣的资源化利用工艺技术，主要通过物质流和能源流的循环利用进行规划设计。通过福建省优康种猪有限公司规模化养猪场的实践应用，结果表明：通过优化工艺流程、集成技术创新以及配套废弃物资源化利用设施和途径，可以实现规模化猪场粪污达标排放以及废弃物资源有效利用，解决猪场粪污治理可持续化发展，有望为规模化养猪场建立一种实用达标排放生态型技术模式。该模式主要有以下几种特点： 1)预处理中采用干清粪清洁生产与固液分离相结合的方法，有效减轻后续处理工程处理压力； 2)主反应系统采取二级厌氧处理与二级好氧处理相结合，处理后的污水中NH3-N，CODCr，BOD5等的去除率均达到90%以上； 3)资源化利用系统因地制宜地对沼肥、沼液和沼气资源化利用进行试验示范探索，整个污水治理系统工程不仅能实现达标排放，而且实现了资源与生态化。