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规模化养猪场污水处理和利用工艺探讨
2014-03-14  点击数:
1 引言
始于上世纪80年代的规模化养猪,到2008年,出栏50头以上规模化场(户)出栏猪已占全国出栏总数的50%以上;到2011年,年产500头以上和万头以上的规模猪场出栏猪分别占到了34%和10%。今后,规模越来越大、集约化程度越来越高的趋势仍将继续,而集中饲养所产生的大量粪污,由于处理不当造成的环境污染问题更加突出,已成为制约规模化养猪发展的新问题,特别是猪场污水的处理和利用是从业者普遍感到的最棘手的问题。有资料表明,1头存栏猪平均每天排泄粪尿各3kg,相当于2个人的排泄量,如按BOD5(五日生化需氧量)的消耗量计算,1头猪相当于13个人或19只鸡或0.5头肉牛;按2011年我国存栏猪4.68亿头计,则猪粪的产生量为5.13亿吨,相当于9.36亿人,按BOD5计则相当于60.84亿人。与此同时,鲜猪粪的含水量为81.5%、含有机质24.16%、全氮2.65%、全磷0.68%、全钾1.99%和蛋白质2.22%,故猪粪尿又是极其宝贵的资源,经无害化处理后作为有机肥还田,是实现清洁生产、防止环境污染、降低猪发病率和死亡率、保障食品安全和生态猪场建设的必要措施,也是促进农牧结合、物质良性循环、生态有机农业发展的必然途径,如在有机肥还田的生态链中再加入桑、鱼或蚯蚓、蝇蛆、蘑菇等环节,将更进一步提高资源节约和循环利用的效益。
2 处理工艺
规模化养猪场的污水是以冲洗水为主,混合了粪尿、遗撒的猪饲料和其他猪圈杂质而形成的废水。猪场污水处理工艺的选择要综合考虑清粪方式、粪污处理和利用的目的(作肥料还田、肥塘养鱼、养蚯蚓或蝇蛆或蘑菇等)、当地气候、猪场周边环境等因素,其中首要的是考虑清粪方式。我国规模化猪场清粪方式有干清粪、水泡粪和水冲粪3种。干清粪是用条缝比(板条宽︰缝隙宽)大的缝隙地板将粪和尿、水分离,由于地板缝隙比例小,粪便约有10%~15%落入粪沟,85%~90%的猪粪留在地板上,每天2次或数次人工或机械清除至高温堆肥设备进行堆肥处理(不得设置粪场存放);由于粪便及时清除,较少用水冲刷地板和粪沟,污水量较少、污染物浓度较低,故可由地下管网自行排出。有资料表明,干清、水泡和水冲3种清粪方式,每头猪每天的污水排放量分别为10~15升、20~25升和35~40升;悬浮固体物(SS)分别为3.8~5.7克/升、16.4~20.5克/升和10.3~11.7克/升;化学耗氧量(CODcr)分别为8.8~13.2克/升、27.2~34.0克/升和17.0~19.5克/升;BOD5分别为4.0~5.9克/升、12.3~15.3克/升和7.7~8.8克/升。
目前用于我国猪场污水处理利用的工艺主要有土地消纳、自然处理和厌氧消化处理3种模式。
2.1 土地消纳
土地消纳是将污水经一定时间的厌氧水解酸化处理后,直接施用于土壤中,利用土壤微生物和植物根系的共同作用,分解粪便污水中的有机质,使其转化成腐殖质和植物能吸收利用的肥分供植物生长,同时污水被净化和消纳。以农田进行土地消纳不仅可减少化肥的使用量,还能维持并提高土壤地力,改善土壤的团粒结构,提高土壤的通透性和持水、持肥能力,促进有益微生物的生长。
土地消纳的应用前提是必须有足够的储存设备或设施(不同材料的罐、池或地面的坑、塘等)以及就近有足够面积的农田,若按照每公顷耕地的氮肥施用量150~400千克(以N计)计算,则万头猪场的粪污需要90~235公顷(相当于1350~3525亩)的土地消纳,所以该模式多适用于远离城市、本场有足够土地面积的规模化养猪场。此外,由于污水不便于远途运输,只能以就近的土地进行消纳,有专家研究报道,猪粪的经济运输距离在13.3千米以内,而污水经济输送的距离将会大大缩短。
除了上述2个因素制约土地消纳的应用外,还存在粪污水贮存、地下水污染、畜禽疫病的传播等问题,所以,该模式在我国的应用前景还存在很大的瓶颈。
2.2 自然处理
自然处理模式是利用生物塘(氧化塘、兼性塘、厌氧塘、生态系统塘等)和人工湿地(表面流或潜流)的沉淀、吸附、过滤等物理作用,以及系统中的植物、微生物的吸收和降解等生物作用,使污水中有机污染物得以降解净化的处理系统。适用于远离城市、经济欠发达、土地宽广、地价低廉、气候温和地区的规模化养猪场,特别是以滩涂、荒地、林地或低洼地作为污水自然处理系统的猪场。
利用自然处理猪场污水不需要复杂设备的投入,其管理方便、对周围环境影响小,处理后的中水可用作肥水还田、肥塘养鱼,或进一步处理后达标排放。其缺点是需要一定的土地面积、净化效果易受季节和温度变化的影响,并且对地下水会产生一定程度的污染。此外,如利用人工湿地处理系统,由于悬浮物过多则极容易产生堵塞,从而抑制微生物的生长。此外,养猪场的清粪方式和周边的环境状况也影响该种处理工艺的选择和处理效果,所以,除在我国南方和温暖地区较大型的猪场有应用外,尚未大面积推广。
2.3 厌氧消化
厌氧消化是微生物在厌氧条件下,利用自然微生物或接种微生物,将有机质通过复杂的分解代谢,最终产生沼气和沼肥的过程。厌氧消化不仅可以除去猪粪便的臭味,还能杀灭大部分的寄生虫及有害微生物。与其他处理技术相比,厌氧消化技术具备能耗低、二次污染少、可产生清洁的生物能源等优点,具有明显的环境优势和更高的投入产出效益,是一种可持续的处理方法。随着我国畜禽养殖业的快速发展以及世界能源枯竭进程的加快,采用厌氧消化工艺处理规模化猪场大量的高浓度污水,就更赋予了现实的经济和生态意义,因此,得到了国家和各级政府的大力推荐和资金支持。
根据对厌氧消化处理的产物沼气、沼液和沼渣利用目的的不同,厌氧消化工艺可分为集中供气、沼气发电和以沼气为纽带的物质资源多级利用这3种模式。
沼气主要成分是CH4,含量约60%,热值较高,是一种优质绿色能源,我国沼气的发展已经开始注重集中供气系统的建设。集中供气系统是采用增加和减压的调节装置,通过输送管网将沼气配送到用户,形成区域性的供气网络,为用户供应沼气。对于养猪场而言,沼气也可用于消毒、照明、炉灶、冬季供暖等的能源。沼气锅炉、沼气饭煲、沼气灯等各类设备的开发,都为沼气的利用提供了很好的条件,为沼气在养猪场的使用拓宽了范围,替代猪场日常消耗的一部分商品能源,最大程度地降低了日常运行成本,实现猪场清洁生产、节能减排、资源循环利用,在解决环境污染问题的同时也提高了粪污水处理的经济效益。
沼气发电技术是随着沼气综合利用的不断发展而出现的一项新型沼气利用技术,它是将沼气和发动机相结合,配备综合发电装置,从而产生电能和热能双重成果。国外沼气发电技术较为先进,如德国已经把沼气发电连入国家电网,使之成为一个盈利性的新兴行业,而我国现有养猪场所建的沼气工程规模相对较小,沼气发电多为猪场自用,如用来饲料加工和供水动力、猪场电动设备(通风、降温、供暖等)、电器和照明以及火焰消毒等。随着沼气技术的进一步推广应用,新的利用设备会不断地创新,整个沼气技术势必日臻完善,推动养猪场粪污水处理、环境保护和可持续健康发展。
以沼气为纽带的物质资源多级利用技术具有我国鲜明的农业特色。沼气发酵不仅是一个生产沼气的过程,也是一个造肥的过程。在这个过程中,可被作物利用的氮、磷、钾和微量元素基本都保留下来,同时存留了丰富的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子,所以沼肥是一种高效的有机肥料。以沼气为纽带的物质资源多级利用还可以建立多环节的复杂食物链系统,将沼气和沼肥进行多级综合利用,使能量流动和物质循环更加合理。我国已经实现了“猪—沼—果”、“猪—沼—鱼”、“猪—沼—菜—猪”等多种良性循环生态农业生产模式,一些规模化养猪场也把经厌氧处理后的沼液用于场区的绿化和林地灌溉,实现了良好的生态效益和社会效益。
经过几十年的研究和应用,猪场污水厌氧消化生产沼气的工艺已经比较成熟,特别是近年来国家在养殖场沼气工程建设方面给予了很大的资金支持,加快了厌氧生物技术在养殖污水处理方面的应用。但在实际应用过程中仍存在一些需要解决的问题,一是沼气工程设计必须请专业设计人员设计,处理工艺与方案选择的合理性和适宜性能否满足项目单位的需要,设计合理与否,都关系运行效果;二是厌氧消化物能转换率不高,厌氧消化有机物去除率不能达到污水排放标准;三是沼液的合理施用以及非灌水用肥季节沼液的储存与消纳。这些问题都迫切需要探讨。此外,对于厌氧消化罐的启动阶段是最关键的环节,但初次启动是一个十分复杂和缓慢的过程,所以接种比例十分重要,其技术含量要求较高,沼气站的建设、运行和日常管理都对粪污水处理的效果和经济效益起到了至关重要的影响,所以对于沼气站管理人员的专业技能有一定的要求。
3 结论
猪场污水无论采用土地消纳、自然处理还是厌氧消化处理,如管理得当都能有效地解决规模化猪场废弃物污染环境的问题。由于土地消纳和自然处理受季节、气候、土地承载力等因素的影响,故在处理工艺、配套设施等方面都有一定提升的空间,还需进一步深入探索和研究。厌氧消化处理工艺更适合处理猪场的高浓度污水,其应用技术也日趋成熟,是一种可续发展污水处理模式,在我国应用前景广泛。

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