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近年來,我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,規(guī)模化  養(yǎng)殖水平顯著提高,逐步成為農(nóng)村經(jīng)濟新的增長點  和重要支柱產(chǎn)業(yè),但大量養(yǎng)殖廢棄物沒有得到有效  處理和利用,隨意堆放或者排入河流水體,造成水體CD和氨氮等的含量超標)。據(jù)測算,養(yǎng)殖廢棄物的COD排放量占農(nóng)業(yè)源排放總量的90%以上,總氮排放量占30%以上,總磷排放量占50%以上,畜禽糞污已經(jīng)成為農(nóng)村和城郊地區(qū)的重要污染來源,導致大氣、水體、土壤等環(huán)境污染問題,給農(nóng)村環(huán)境治理帶來一大難題2)。實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的高效處理和資源化利用,關系著備禽養(yǎng)殖業(yè)的長效發(fā)

展和畜禽產(chǎn)品的有效供給,關系著農(nóng)村居民收入水平的提高和生產(chǎn)生活環(huán)境的改善,是重大的民生工程,因此探討及推廣高效的畜禽養(yǎng)殖廢棄物的資源化利用模式成為當前研究的重點和熱點1-4。

據(jù)統(tǒng)計分析,到2020年,全國的畜禽養(yǎng)殖廢棄物總量將達到42.44億噸,大量的畜禽養(yǎng)殖廢棄物是巨大的資源寶庫,但是糞污隨意堆放,處理技術(shù)和工藝不規(guī)范,導致利用率低下,造成環(huán)境污染,給環(huán)境治理帶來很大挑戰(zhàn)。近年來,我國畜禽養(yǎng)殖廢棄物處理工作取得了一些成效,但實現(xiàn)資源化利用還面臨諸多困難。目前,畜禽糞污處理和利用主要

有3種模式,即肥料化利用,能源化、資源化利

用和工業(yè)化處理9。

肥料化利用即將畜禽養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)過堆肥處置后,就近還田處理),主要有兩種方式:一種是經(jīng)自然發(fā)酵后直接施入農(nóng)田;另一種是在人工干預下,在好氧狀態(tài)下,通過微生物發(fā)酵堆肥后還田。還田處  理的關鍵在于要求在不超過土壤承載負荷的前提下,實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖廢棄物的零排放和營養(yǎng)物質(zhì)的利用,但是國家對養(yǎng)殖廢棄物還田的行為支持政策不足,引導調(diào)控較為薄弱,以綠色發(fā)展為導向的農(nóng)業(yè)補貼政策未系統(tǒng)化形成,而農(nóng)業(yè)生產(chǎn)追求速效性,重視產(chǎn)量,輕視農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量,為了追求單純的經(jīng)濟效益,種植戶對化肥的依賴度更高,另外農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的一個重要問題是種養(yǎng)分離,養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)常常是兩個單獨的主體,地理上分離,主觀上不聯(lián)系,客觀上隔絕了糞便還田利用的通道,導致養(yǎng)殖廢棄物無處可還。另一方面,行業(yè)內(nèi)對糞污還田的標準體系不完善,相關制度欠缺,且缺乏相應的技術(shù)規(guī)范指導,因此在糞污還田過程中常常會導致重金屬和鹽類的沉積,引起土壤板結(jié),造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞,并且給地表水和地下水帶來污染,威脅人類健康0,從而使農(nóng)戶對養(yǎng)殖糞污的安全性和效用性產(chǎn)生疑慮

工業(yè)化處理即按照國家污水排放標準的要求,  建造污水處理構(gòu)筑物,通過高耗能的運行措施,將畜  禽養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)格柵過濾、污泥消化處理、污泥沉淀  分離處理,以降低污水COD,脫氮除磷,達標排放為  首要目標812。但由于畜禽糞污有機負荷過大,按  照工業(yè)處理的要求,需要復雜的機械設備和構(gòu)筑物,  基建和設備投資太大,設計和運行維護費用過高,處  理每立方米沼液耗能約2~4kWh,大大增加了養(yǎng)殖  戶的養(yǎng)殖成本,因此養(yǎng)殖企業(yè)普遍對工業(yè)處理的接受度不高3。

能源化、資源化利用即以紅泥膜沼氣池沼氣和生物天然氣為主要處理方向,以農(nóng)用有機肥和農(nóng)村能源為主要利用方向,通過建設紅泥膜沼氣池沼氣工程及副產(chǎn)物綜合利用項目,將養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后,產(chǎn)氣發(fā)電,并進行余熱回收,形成能源循環(huán)利用路線14-13。厭氧發(fā)酵所得副產(chǎn)物紅泥膜沼氣池沼液和紅泥膜沼氣池沼渣則分別通過深度處理工藝和發(fā)酵堆肥技術(shù)生產(chǎn)有機液肥和固肥16-1?，F(xiàn)階段,大多數(shù)糞污處理項目只限于通過紅泥膜沼氣池沼氣工程利用生物質(zhì)產(chǎn)氣發(fā)電,對末端副產(chǎn)物的處理利用不夠重視,科學技術(shù)支撐不到位,相關材料和技術(shù)標準欠  缺,造成對發(fā)酵副產(chǎn)物的管理不善,不能及時有效處

置,亂排亂放,導致高含量COD,N,P等進入環(huán)境  造成二次污染,成為制約紅泥膜沼氣池沼氣工程運行和發(fā)展的一個重要因素8-9。

本文以山西玉衡同創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有限公司承擔設計建設的某公司牧場糞污資源化處理項目為例,根據(jù)收集的數(shù)據(jù),參考相關文獻,分析出存欄4000奶牛和2000頭后備奶牛的牛場,每年的養(yǎng)殖廢棄物通過養(yǎng)殖廢棄物處理及綜合利用項目可開發(fā)的潛在生物質(zhì)能量及其價值,闡述了此項目中二次生物質(zhì)能源開發(fā)及綜合利用的總體路線和技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成,對整個山西省內(nèi)乃至全國范圍內(nèi)的畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用做出了有益嘗試,對于紅泥膜沼氣池沼氣和沼肥服務體系的建設和維系具有積極的示范推廣作用。1牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目概況

山西玉衡同創(chuàng)公司設計承建的紅泥膜沼氣池沼氣工程及副產(chǎn)  物綜合處理利用項目位于牧場以北,占地面積  14500m2,包含糞污預處理區(qū)、厭氧發(fā)酵區(qū)、發(fā)酵副  產(chǎn)物深度處理區(qū)、人工濕地生態(tài)凈化區(qū)及有機  產(chǎn)加工區(qū)等,每天的糞污處理量可達1000  程設計建設的目標是根據(jù)CNMP( Comprehens  Nutrients Management Plan)的要求,以減量化、無害  化、資源化、綜合利用為原則,減輕養(yǎng)殖生產(chǎn)對水土  壤、大氣等自然資源的影響,幫助養(yǎng)殖企業(yè)將養(yǎng)殖廢  棄物作為資源進行再利用,構(gòu)建產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、市場化  經(jīng)營、科學化管理和社會化服務的畜禽糞污資源化  利用新格局,實現(xiàn)養(yǎng)殖生產(chǎn)盈利和自然資源保護雙  贏。項目建設成功后,由山西玉衡同創(chuàng)環(huán)境技術(shù)有  限公司負責工程運營,具體任務是針對水、土壤、大  氣和動植物等資源規(guī)劃環(huán)境保護措施和管理目標,  實現(xiàn)養(yǎng)殖糞污的安全貯存、處理和再利用,同時監(jiān)測  環(huán)境質(zhì)量變化,最大程度降低養(yǎng)殖生產(chǎn)對周邊環(huán)境  的影響,同時提升末端產(chǎn)品競爭力在政府部門的  助扶持下,拓寬終端產(chǎn)品銷路。實施方式是通過厭  氧微生物發(fā)酵技術(shù)對養(yǎng)殖廢棄物進行無害化處理和  資源化開發(fā)利用,最終實現(xiàn)生物質(zhì)紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電、供熱  發(fā)酵副產(chǎn)物生產(chǎn)有機液肥和固肥,提升農(nóng)業(yè)經(jīng)濟  益,同時避免環(huán)境污染問題,建立起以紅泥膜沼氣池沼氣為紐帶  種養(yǎng)結(jié)合的良性和立體的生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。

2牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用路線圖

牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目工藝路線見圖  1,養(yǎng)殖廢棄物經(jīng)收集后:1)進行物理篩分預處理,  去除無機雜質(zhì)及大顆粒難溶物:2)經(jīng)過篩分后的混合物進入水解酸化系統(tǒng)投加選育馴化后的水解酸化菌,通過自主研發(fā)的微氧曝氣技術(shù),將混合液中的大分子蛋白質(zhì)、脂肪和碳水化合物分解為氨基酸、甘油三酯及多糖類小分子顆粒,為后續(xù)厭氧發(fā)酵提供穩(wěn)定的原料;3)經(jīng)水解酸化的混合液進入?yún)捬醢l(fā)酵塔內(nèi),在中高溫條件控制下,采用自主研發(fā)的低耗變描拌系統(tǒng),講行高效充分發(fā)酵,將小分子顆粒有機

物進一步分解為甲烷、二氧化碳及其他植物易吸收的有機酸類物質(zhì);4)產(chǎn)生的紅泥膜沼氣池沼氣通過脫硫技術(shù)去除硫化氫等雜質(zhì)氣體,用于生物質(zhì)發(fā)電;5)經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的紅泥膜沼氣池沼液進入出料池,通過超導熱管換熱器,將紅泥膜沼氣池沼液余熱進行充分回收利用,作為水解酸化池的熱源補充;6)紅泥膜沼氣池沼液經(jīng)固液分離、高密度微氧曝氣沉淀分解、多介質(zhì)過濾系統(tǒng)后,部分進入自動化復配絡合系統(tǒng),制成植物營養(yǎng)液,用于無土栽培種植用肥,另一部分進入人工濕地、氧化塘進一步降解氨氮和總磷,達到中水回用的標準要求;7)固液分離后的紅泥膜沼氣池沼渣與菌糠進行科學匹配混合,添加高效發(fā)酵復合菌生產(chǎn)育苗和無土栽培營養(yǎng)土及土壤改良劑、鈍化劑。

整個工藝路線中涉及到的主要工藝及關鍵設備  包括以下內(nèi)容。

(1)原料預處理工藝:預處理階段各工藝構(gòu)筑  物直接關系著后續(xù)發(fā)酵工藝的運行情況,影響著總  體設計目標的實現(xiàn)。由于奶牛臥床采用砂臥床,牛  舍采用鏟車清糞的方式,工程中采用了螺旋除砂系統(tǒng)去除養(yǎng)殖廢棄物中的砂石等顆粒物。通過水解酸化將難溶難降解的大分子有機物水解為小分子水溶性有機物,減輕后續(xù)工藝的處理負荷,酸化罐體鋪設保溫層和加熱盤管,依靠紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生的余熱,將發(fā)酵原料溫度提升至35℃~38℃,保證后端發(fā)酵的快速高效進行。為了減少能源浪費,將出料池的余熱回收,供給水解酸化罐。

(2)厭氧發(fā)酵工藝:發(fā)酵罐是整個工程的心臟,  工藝設計及設備選型直接影響紅泥膜沼氣池沼氣工程的運行效率,  其中溫度和攪拌狀況是主要限制因素。在祁縣牧場工

程項目中根據(jù)技術(shù)要求,通過對糞污含固率的分析,綜合考慮工程成本和產(chǎn)氣效率,采用搪瓷拼裝罐作為厭氧發(fā)酵罐,具有防腐性能好,環(huán)境適應性強的優(yōu)點,采用CSTR工藝,使活性區(qū)遍布整個反應器內(nèi),控制溫度在35℃~38℃,滿足中溫發(fā)酵要求,在低耗變頻高強度攪拌下,具有抗沖擊負荷、原料和熱量分布均勻的優(yōu)點,能夠有效控制原料沉淀、分層以及表層浮渣結(jié)殼,并可將物料平均停留時間縮短至15d左右。

(3)熱電聯(lián)產(chǎn)工藝:紅泥膜沼氣池沼氣凈化處理后,通過熱電聯(lián)產(chǎn)機組為場區(qū)供熱供電,機組的控制系統(tǒng)可對紅泥膜沼氣池沼氣濃度進行實時甲烷濃度監(jiān)測,自動調(diào)節(jié)混合器的進氣開度,確保最佳空燃比,綜合效率超過80%,運行及維護成本較低。輸出熱量一部分用于提高厭氧  發(fā)酵溫度,一部分用于有機固肥加熱烘干,輸出的電  能安全可靠,一部分用于滿足糞污資源化利用工程  中設備的運行需要,一部分用于滿足牛場養(yǎng)殖生產(chǎn)

需要及員工生活需要。  (4)紅泥膜沼氣池沼液深度處理技術(shù):紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵副產(chǎn)物經(jīng)固  液分離后得到紅泥膜沼氣池沼渣和紅泥膜沼氣池沼液,紅泥膜沼氣池沼液經(jīng)過兼性厭氧水解、  高密度微氧曝氣和梯級過濾工藝,其中未降解的有  機物和顆粒物進一步被去除,之后將一部分紅泥膜沼氣池沼液打  入反應釜中添加外源營養(yǎng)物質(zhì),制成植物營養(yǎng)液和  高端有機肥。另一部分紅泥膜沼氣池沼液經(jīng)深度處理后排入三級人工濕地,在經(jīng)砂石吸附、微生物降解和植物吸收  后,降低其中的COD和氨氮含量。人工濕地采用間歇曝氣技術(shù),模擬AAO工藝,形成好氧、缺氧和厭氧交替的運行環(huán)境,大大提高人工濕地對氨氮的去除率,使人工濕地的出水水質(zhì)達到中水回用標準,儲存于生態(tài)魚塘中,用于漁業(yè)養(yǎng)殖和養(yǎng)殖場沖洗用水,建設生態(tài)觀光區(qū)。

(5)紅泥膜沼氣池沼渣綜合利用技術(shù):固液分離后得到  渣與公司收集的菌糠、醋糟混合,添加高效復合發(fā)  菌進行發(fā)酵堆肥,再通過添加其他補充物料生產(chǎn)  壤修復劑、育秧基質(zhì)及固態(tài)有機復合肥等產(chǎn)品。  (6)整個工程工藝模塊化,設計在線計量監(jiān)  和遠程監(jiān)控管理智能平臺,實現(xiàn)自動化控制與監(jiān)測  生產(chǎn)全過程可測量、可識別、可核查、可追溯,減少了  人力資源投入,保證了工程運行的穩(wěn)定性。

牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目的物料平船圖見圖2,通過分析可知,工程運行過程中,將各個段的養(yǎng)殖糞污利用率達到最大,減少了資源化利路線中的能量消耗和物質(zhì)損耗,實現(xiàn)了資源化利用工程的高效運行,將產(chǎn)品收益最大化,能量損耗最小化,確保每個環(huán)節(jié)不會帶來新的污染問題。

3牧場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用項目效益分析

牛糞作為重要的生物質(zhì)原料來源,通過資源化利用技術(shù)充分開發(fā),變廢為寶,最終實現(xiàn)能源和資源的再生利用20-21。據(jù)統(tǒng)計分析21,場每頭成年奶牛每天排泄的鮮糞大約是50~60kg,后備奶牛每天排泄的鮮糞大約是10~30kg。測算可知,祁縣牧場每天排出的鮮牛糞為400~500t,1個月約產(chǎn)生1.32萬t鮮糞,每年產(chǎn)生的牛糞水達11.88萬t,含固率約為8.75%,每噸原料產(chǎn)氣量約為22m3,其中

CH4含量約為60%~65%。  3.1牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用經(jīng)濟效益分析  按365天計算,牧場年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣量為237.6萬m3,全部用于發(fā)電,發(fā)電總量可達380.16萬kWh主要用于場區(qū)生產(chǎn)供電,年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼渣量約為1.67萬紅泥膜沼氣池沼液量13.9萬t,其中1.1萬t的紅泥膜沼氣池沼液用于生產(chǎn)植物營養(yǎng)液等產(chǎn)品,其他紅泥膜沼氣池沼液用于場區(qū)沖洗和綠化用水。按照市場價計算,1t紅泥膜沼氣池沼渣生產(chǎn)的相關產(chǎn)品價格為650元,成本價為500元,1t紅泥膜沼氣池沼液生產(chǎn)的相關產(chǎn)品價格為1000元,成本價為800元,每年紅泥膜沼氣池沼渣紅泥膜沼氣池沼液

相關產(chǎn)品銷售收入可達2185.5萬元,凈利潤達  470.5萬元。  3.2牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用社會效益分析  實現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理和資源化利用,  將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活綠色化、生態(tài)化,有利于轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)  展方式,推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革,調(diào)整優(yōu)化農(nóng)村  產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),推進農(nóng)業(yè)向產(chǎn)出高效,產(chǎn)品安全,資源節(jié)  約,環(huán)境友好的現(xiàn)代化可持續(xù)方向發(fā)展,有效改善衛(wèi)  生環(huán)境和人居條件,提高農(nóng)業(yè)收入,滿足人們?nèi)找嬖鲩L的對生活環(huán)境和食品安全的需要,有利于建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。

3.3牛場養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生態(tài)效益分析

通過紅泥膜沼氣池沼氣工程及副產(chǎn)物資源化利用工程的建設,以環(huán)境資源承載能力為基礎,規(guī)劃出一條畜禽養(yǎng)殖廢棄物綜合處理及資源化利用路線,減輕養(yǎng)殖生產(chǎn)對周邊大氣、水體、土壤等資源的影響,改善環(huán)境質(zhì)量,高效產(chǎn)出新能源、新產(chǎn)品,使養(yǎng)殖生產(chǎn)走上綠色健康、生態(tài)、可持續(xù)發(fā)展的道路。

在第三方公司的參與下,將養(yǎng)殖業(yè)同種植業(yè)聯(lián)  合,構(gòu)建科學合理、專業(yè)化的區(qū)域生產(chǎn)格局,建立  “以地定養(yǎng),以養(yǎng)促種”的種養(yǎng)循環(huán)機制,實現(xiàn)養(yǎng)殖  區(qū)、種植區(qū)在空間上分離,功能上相互促進、優(yōu)勢互  補、協(xié)調(diào)發(fā)展,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的資源利用率,整體提  升養(yǎng)殖和種植產(chǎn)品的質(zhì)量,形成農(nóng)村“一二三產(chǎn)業(yè)”的循環(huán)發(fā)展聯(lián)動體系,提高種養(yǎng)關聯(lián)度。

結(jié)語

某公司牧場的養(yǎng)殖廢棄物資源化利用工程以系統(tǒng)的科學理論為指導和先進的工藝技術(shù)為基礎,運用“整體、協(xié)調(diào)、循環(huán)、再生的生態(tài)學”原理,使養(yǎng)殖廢棄物處理工程不僅局限于政府提供補貼的能源工程和環(huán)境治理工程,更是將環(huán)境工程、能源工程和效益工程結(jié)合為緊密聯(lián)系的有機整體,將種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的關聯(lián)度提升,根本上解決了養(yǎng)殖業(yè)的糞污污染問題和種植業(yè)的低效發(fā)展問題,既促進了環(huán)境保護的發(fā)展和資源的再利用,又促進了農(nóng)業(yè)區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展,實現(xiàn)了經(jīng)濟效益社會效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一。

摘自《中國沼氣》2018第4期