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近年來(lái),我國畜禽養殖業(yè)持續穩定發(fā)展,規?；?nbsp; 養殖水平顯著(zhù)提高,逐步成為農村經(jīng)濟新的增長(cháng)點(diǎn)  和重要支柱產(chǎn)業(yè),但大量養殖廢棄物沒(méi)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)。據測算,養殖廢棄物的COD排放量占農業(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)成為農村和城郊地區的重要污染來(lái)源,導致大氣、水體、土壤等環(huán)境污染問(wèn)題,給農村環(huán)境治理帶來(lái)一大難題2)。實(shí)現畜禽養殖廢棄物的高效處理和資源化利用,關(guān)系著(zhù)備禽養殖業(yè)的長(cháng)效發(fā)

展和畜禽產(chǎn)品的有效供給,關(guān)系著(zhù)農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殖廢棄物的資源化利用模式成為當前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)1-4。

據統計分析,到2020年,全國的畜禽養殖廢棄物總量將達到42.44億噸,大量的畜禽養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)和工藝不規范,導致利用率低下,造成環(huán)境污染,給環(huán)境治理帶來(lái)很大挑戰。近年來(lái),我國畜禽養殖廢棄物處理工作取得了一些成效,但實(shí)現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殖廢棄物經(jīng)過(guò)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)酵后直接施入農田;另一種是在人工干預下,在好氧狀態(tài)下,通過(guò)微生物發(fā)酵堆肥后還田。還田處  理的關(guān)鍵在于要求在不超過(guò)土壤承載負荷的前提下,實(shí)現畜禽養殖廢棄物的零排放和營(yíng)養物質(zhì)的利用,但是國家對養殖廢棄物還田的行為支持政策不足,引導調控較為薄弱,以綠色發(fā)展為導向的農業(yè)補貼政策未系統化形成,而農業(yè)生產(chǎn)追求速效性,重視產(chǎn)量,輕視農產(chǎn)品質(zhì)量,為了追求單純的經(jīng)濟效益,種植戶(hù)對化肥的依賴(lài)度更高,另外農業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)重要問(wèn)題是種養分離,養殖業(yè)和種植業(yè)常常是兩個(gè)單獨的主體,地理上分離,主觀(guān)上不聯(lián)系,客觀(guān)上隔絕了糞便還田利用的通道,導致養殖廢棄物無(wú)處可還。另一方面,行業(yè)內對糞污還田的標準體系不完善,相關(guān)制度欠缺,且缺乏相應的技術(shù)規范指導,因此在糞污還田過(guò)程中常常會(huì )導致重金屬和鹽類(lèi)的沉積,引起土壤板結,造成土壤結構的破壞,并且給地表水和地下水帶來(lái)污染,威脅人類(lèi)健康0,從而使農戶(hù)對養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,  建造污水處理構筑物,通過(guò)高耗能的運行措施,將畜  禽養殖廢棄物經(jīng)格柵過(guò)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(guò)大,按  照工業(yè)處理的要求,需要復雜的機械設備和構筑物,  基建和設備投資太大,設計和運行維護費用過(guò)高,處  理每立方米沼液耗能約2~4kWh,大大增加了養殖  戶(hù)的養殖成本,因此養殖企業(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,以農用有機肥和農村能源為主要利用方向,通過(guò)建設紅泥膜沼氣池沼氣工程及副產(chǎn)物綜合利用項目,將養殖廢棄物經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后,產(chǎn)氣發(fā)電,并進(jìn)行余熱回收,形成能源循環(huán)利用路線(xiàn)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(guò)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階段,大多數糞污處理項目只限于通過(guò)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(xué)技術(shù)支撐不到位,相關(guān)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(shí)有效處

置,亂排亂放,導致高含量COD,N,P等進(jìn)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(gè)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(chǎng)糞污資源化處理項目為例,根據收集的數據,參考相關(guān)文獻,分析出存欄4000奶牛和2000頭后備奶牛的牛場(chǎng),每年的養殖廢棄物通過(guò)養殖廢棄物處理及綜合利用項目可開(kāi)發(fā)的潛在生物質(zhì)能量及其價(jià)值,闡述了此項目中二次生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)及綜合利用的總體路線(xiàn)和技術(shù)系統構成,對整個(gè)山西省內乃至全國范圍內的畜禽養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(wù)體系的建設和維系具有積極的示范推廣作用。1牧場(chǎng)養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(chǎng)以北,占地面積  14500m2,包含糞污預處理區、厭氧發(fā)酵區、發(fā)酵副  產(chǎn)物深度處理區、人工濕地生態(tài)凈化區及有機  產(chǎn)加工區等,每天的糞污處理量可達1000  程設計建設的目標是根據CNMP( Comprehens  Nutrients Management Plan)的要求,以減量化、無(wú)害  化、資源化、綜合利用為原則,減輕養殖生產(chǎn)對水土  壤、大氣等自然資源的影響,幫助養殖企業(yè)將養殖廢  棄物作為資源進(jìn)行再利用,構建產(chǎn)業(yè)化發(fā)展、市場(chǎng)化  經(jīng)營(yíng)、科學(xué)化管理和社會(huì )化服務(wù)的畜禽糞污資源化  利用新格局,實(shí)現養殖生產(chǎn)盈利和自然資源保護雙  贏(yíng)。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(yíng),具體任務(wù)是針對水、土壤、大  氣和動(dòng)植物等資源規劃環(huán)境保護措施和管理目標,  實(shí)現養殖糞污的安全貯存、處理和再利用,同時(shí)監測  環(huán)境質(zhì)量變化,最大程度降低養殖生產(chǎn)對周邊環(huán)境  的影響,同時(shí)提升末端產(chǎn)品競爭力在政府部門(mén)的  助扶持下,拓寬終端產(chǎn)品銷(xiāo)路。實(shí)施方式是通過(guò)厭  氧微生物發(fā)酵技術(shù)對養殖廢棄物進(jìn)行無(wú)害化處理和  資源化開(kāi)發(fā)利用,最終實(shí)現生物質(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,提升農業(yè)經(jīng)濟  益,同時(shí)避免環(huán)境污染問(wèn)題,建立起以紅泥膜沼氣池沼氣為紐帶  種養結合的良性和立體的生態(tài)循環(huán)農業(yè)發(fā)展模式。

2牧場(chǎng)養殖廢棄物資源化利用路線(xiàn)圖

牧場(chǎng)養殖廢棄物資源化利用項目工藝路線(xiàn)見(jiàn)圖  1,養殖廢棄物經(jīng)收集后:1)進(jìn)行物理篩分預處理,  去除無(wú)機雜質(zhì)及大顆粒難溶物:2)經(jīng)過(guò)篩分后的混合物進(jìn)入水解酸化系統投加選育馴化后的水解酸化菌,通過(guò)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(lèi)小分子顆粒,為后續厭氧發(fā)酵提供穩定的原料;3)經(jīng)水解酸化的混合液進(jìn)入厭氧發(fā)酵塔內,在中高溫條件控制下,采用自主研發(fā)的低耗變描拌系統,講行高效充分發(fā)酵,將小分子顆粒有機

物進(jìn)一步分解為甲烷、二氧化碳及其他植物易吸收的有機酸類(lèi)物質(zhì);4)產(chǎn)生的紅泥膜沼氣池沼氣通過(guò)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(guò)厭氧發(fā)酵后的紅泥膜沼氣池沼液進(jìn)入出料池,通過(guò)超導熱管換熱器,將紅泥膜沼氣池沼液余熱進(jìn)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(guò)濾系統后,部分進(jìn)入自動(dòng)化復配絡(luò )合系統,制成植物營(yíng)養液,用于無(wú)土栽培種植用肥,另一部分進(jìn)入人工濕地、氧化塘進(jìn)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(jìn)行科學(xué)匹配混合,添加高效發(fā)酵復合菌生產(chǎn)育苗和無(wú)土栽培營(yíng)養土及土壤改良劑、鈍化劑。

整個(gè)工藝路線(xiàn)中涉及到的主要工藝及關(guān)鍵設備  包括以下內容。

(1)原料預處理工藝:預處理階段各工藝構筑  物直接關(guān)系著(zhù)后續發(fā)酵工藝的運行情況,影響著(zhù)總  體設計目標的實(shí)現。由于奶牛臥床采用砂臥床,牛  舍采用鏟車(chē)清糞的方式,工程中采用了螺旋除砂系統去除養殖廢棄物中的砂石等顆粒物。通過(guò)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,減輕后續工藝的處理負荷,酸化罐體鋪設保溫層和加熱盤(pán)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(jìn)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(gè)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(chǎng)工

程項目中根據技術(shù)要求,通過(guò)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(diǎn),采用CSTR工藝,使活性區遍布整個(gè)反應器內,控制溫度在35℃~38℃,滿(mǎn)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(diǎn),能夠有效控制原料沉淀、分層以及表層浮渣結殼,并可將物料平均停留時(shí)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(guò)熱電聯(lián)產(chǎn)機組為場(chǎng)區供熱供電,機組的控制系統可對紅泥膜沼氣池沼氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)甲烷濃度監測,自動(dòng)調節混合器的進(jìn)氣開(kāi)度,確保最佳空燃比,綜合效率超過(guò)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(mǎn)足糞污資源化利用工程  中設備的運行需要,一部分用于滿(mǎn)足牛場(chǎng)養殖生產(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(guò)兼性厭氧水解、  高密度微氧曝氣和梯級過(guò)濾工藝,其中未降解的有  機物和顆粒物進(jìn)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(yíng)養物質(zhì),制成植物營(yíng)養液和  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(yú)塘中,用于漁業(yè)養殖和養殖場(chǎng)沖洗用水,建設生態(tài)觀(guān)光區。

(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(jìn)行發(fā)酵堆肥,再通過(guò)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(gè)工程工藝模塊化,設計在線(xiàn)計量監  和遠程監控管理智能平臺,實(shí)現自動(dòng)化控制與監測  生產(chǎn)全過(guò)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定性。

牧場(chǎng)養殖廢棄物資源化利用項目的物料平船圖見(jiàn)圖2,通過(guò)分析可知,工程運行過(guò)程中,將各個(gè)段的養殖糞污利用率達到最大,減少了資源化利路線(xiàn)中的能量消耗和物質(zhì)損耗,實(shí)現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(gè)環(huán)節不會(huì )帶來(lái)新的污染問(wèn)題。

3牧場(chǎng)養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(lái)源,通過(guò)資源化利用技術(shù)充分開(kāi)發(fā),變廢為寶,最終實(shí)現能源和資源的再生利用20-21。據統計分析21,場(chǎng)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(chǎng)每天排出的鮮牛糞為400~500t,1個(gè)月約產(chǎn)生1.32萬(wàn)t鮮糞,每年產(chǎn)生的牛糞水達11.88萬(wàn)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(chǎng)養殖廢棄物資源化利用經(jīng)濟效益分析  按365天計算,牧場(chǎng)年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣量為237.6萬(wàn)m3,全部用于發(fā)電,發(fā)電總量可達380.16萬(wàn)kWh主要用于場(chǎng)區生產(chǎn)供電,年產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼渣量約為1.67萬(wàn)紅泥膜沼氣池沼液量13.9萬(wàn)t,其中1.1萬(wàn)t的紅泥膜沼氣池沼液用于生產(chǎn)植物營(yíng)養液等產(chǎn)品,其他紅泥膜沼氣池沼液用于場(chǎng)區沖洗和綠化用水。按照市場(chǎng)價(jià)計算,1t紅泥膜沼氣池沼渣生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格為650元,成本價(jià)為500元,1t紅泥膜沼氣池沼液生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格為1000元,成本價(jià)為800元,每年紅泥膜沼氣池沼渣紅泥膜沼氣池沼液

相關(guān)產(chǎn)品銷(xiāo)售收入可達2185.5萬(wàn)元,凈利潤達  470.5萬(wàn)元。  3.2牛場(chǎng)養殖廢棄物資源化利用社會(huì )效益分析  實(shí)現養殖廢棄物的無(wú)害化處理和資源化利用,  將農業(yè)生產(chǎn)生活綠色化、生態(tài)化,有利于轉變農業(yè)發(fā)  展方式,推進(jìn)農業(yè)供給側結構性改革,調整優(yōu)化農村  產(chǎn)業(yè)結構,推進(jìn)農業(yè)向產(chǎn)出高效,產(chǎn)品安全,資源節  約,環(huán)境友好的現代化可持續方向發(fā)展,有效改善衛  生環(huán)境和人居條件,提高農業(yè)收入,滿(mǎn)足人們日益增長(cháng)的對生活環(huán)境和食品安全的需要,有利于建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )。

3.3牛場(chǎng)養殖廢棄物資源化利用生態(tài)效益分析

通過(guò)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,規劃出一條畜禽養殖廢棄物綜合處理及資源化利用路線(xiàn),減輕養殖生產(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,使養殖生產(chǎn)走上綠色健康、生態(tài)、可持續發(fā)展的道路。

在第三方公司的參與下,將養殖業(yè)同種植業(yè)聯(lián)  合,構建科學(xué)合理、專(zhuān)業(yè)化的區域生產(chǎn)格局,建立  “以地定養,以養促種”的種養循環(huán)機制,實(shí)現養殖  區、種植區在空間上分離,功能上相互促進(jìn)、優(yōu)勢互  補、協(xié)調發(fā)展,提高農業(yè)生產(chǎn)的資源利用率,整體提  升養殖和種植產(chǎn)品的質(zhì)量,形成農村“一二三產(chǎn)業(yè)”的循環(huán)發(fā)展聯(lián)動(dòng)體系,提高種養關(guān)聯(lián)度。

結語(yǔ)

某公司牧場(chǎng)的養殖廢棄物資源化利用工程以系統的科學(xué)理論為指導和先進(jìn)的工藝技術(shù)為基礎,運用“整體、協(xié)調、循環(huán)、再生的生態(tài)學(xué)”原理,使養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合為緊密聯(lián)系的有機整體,將種植業(yè)與養殖業(yè)的關(guān)聯(lián)度提升,根本上解決了養殖業(yè)的糞污污染問(wèn)題和種植業(yè)的低效發(fā)展問(wèn)題,既促進(jìn)了環(huán)境保護的發(fā)展和資源的再利用,又促進(jìn)了農業(yè)區域經(jīng)濟的發(fā)展,實(shí)現了經(jīng)濟效益社會(huì )效益和生態(tài)效益的統一。

摘自《中國沼氣》2018第4期