規模化豬場有機廢物無害化處理對策研究

摘 要：規模化豬場在快速發展的同時帶來了不可忽視的環境污染。研究通過規模化豬場發展過程中污染問題現狀分析，探討規模化豬場有機廢物無害化處理模式，并確定了規模化豬場“能源生態型”模式發展下沼氣、沼液以及沼渣利用途徑。

關鍵詞：規模化豬場；有機廢棄物；污染；無害化處理

中圖分類號 X713 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）13-99-04

中國豬肉食用量在肉食消費中一直占有重要地位，養豬業在畜禽養殖中占有很大的比重，豬肉消費占肉食品比例均大于50%。1998-2011年，我國肉類產量總體遞增，從1998年的5 724萬t上升到2011年的7 957萬t，累計增長39%，豬肉產量從1988年的3 884萬t上升到2011年的5 053萬t，累計增長30.10%，豬肉產量居世界第一位，肉類人均占有量達55.73kg/人，其中豬肉36.17kg/人，超過世界豬肉人均的15.74kg/人。2011年我國全年畜禽養殖業糞便廢棄物的產生量為22.57億t，其中豬年排泄糞便為1.35億t，占總糞便量的10.95%。隨著養豬業的發展，必然導致更大量糞便廢棄物的產生，因此豬場糞污水的治理已成為畜禽污染治理的關鍵。

規模化養殖場的建設提高了養豬業的整體科技水平，帶動了養豬業的發展。然而，養豬生產過程中會產生大量的有機廢棄物，這些有機廢棄物中含有大量的生物質能和有機肥資源，如不進行處理和綜合利用而直接排放，不僅嚴重污染了水源、自然生態環境，而且造成資源的極大浪費。隨著養殖業納入全球化經濟體系之中，環境問題更加突出[1]。畜禽糞便處理不當，也將導致疫病傳播，世界衛生組織和聯合國糧農組織的有關資料表明，目前已有200種“人畜共患傳染病”，這些人畜（禽）傳染病的傳播載體主要是畜禽糞尿排泄物。由此可見，規模化養豬場生產過程中產生的有機廢棄物的綜合利用與處理成為一個亟待解決的問題。

1 規模化養豬場主要污染物對環境的危害

規模化豬場與傳統養豬相比集約化程度高，排放的糞尿等污染物量大。以10萬頭規模化豬場為例，每天產生鮮糞達80t，排放污水260t[2]，這些廢棄物若處理不當任意排放，會造成嚴重的環境污染問題。

1.1 糞便污染 糞便是豬場主要的廢棄物，是養殖場重要的污染源。豬食性廣，采食量大且消化能力高，但若飼料中粗纖維含量過多會增加豬糞便排出量。規模化豬場不同生長期豬的糞便排放量詳見表1。糞尿中含有大量的致病菌和寄生蟲，不經任何處理隨意排放，可成為畜禽疫病傳播以及人畜共患病的傳染源。

豬在代謝過程中通過糞便排出的N、P較高。有研究表明，斷奶仔豬、生長肥育豬、母豬的N、P排出量占總攝入量的比例分別為：46%、67%、76%和38%、63%、75%[3]。通過對保育豬、育肥豬、妊娠母豬進行N、P代謝監測和測算，最終獲得這3個不同時期豬的N、P攝入量、排泄量情況（表2）[4]。由表2可以看出，3種類型豬在消化代謝過程中N、P通過糞尿排泄量占攝入總量的比例都很高，其中含N物質主要通過尿液排出體外，含P物質則主要通過糞便排出體外。

糞便中含有的大量N、P物質，若直接排放到環境中會對其造成嚴重的危害，其中N轉變成氨氣，釋放到空氣中，增加空氣中氨的濃度，嚴重時形成酸雨。若農田過度施糞肥或化肥，除一部分氮被植物吸收利用，多余的部分隨地表徑流滲入地下水源，導致水中含氮量增加，人若長期飲用此水將危及身體健康，誘發疾病。含磷污水進入江河容易引起藻類和浮游生物的大量繁殖，導致水質惡化，進而引起魚類和其它生物大量死亡，造成水體污染。

1.2 污水污染 污水主要來源于豬場生產和生活過程中產生的污水。規模化養豬生產中產生的污水量多少取決于清糞的工藝。目前清糞方式主要有干清、水沖和水泡（自流）3種清糞方式。水沖或水泡清糞工藝污水和糞尿混合排出，固、液難以分離，固體糞肥料價值大大降低，液體肥料中可溶性有機物濃度很高。干清糞工藝解決了上述固、液難于分離的弊端，圈舍清潔、無臭味，產生的污水量相對較少，污水中有機物質濃度低，易于后期凈化處理。規模化豬場無論采用何種清糞方式，每天排放的污水量巨大。如一個萬頭豬場每天排泄糞尿達60t，年排泄糞尿量達2.2萬t，采用水沖清糞則日產污水達300t，年排污水10萬t。這些污水均為有機物質含量較高的有機廢水，據測試，規模化豬場排放的污水化學耗氧量（COD）可高達12 000mg/L，超出國家標準排放量的7～13倍，生物需氧量（BOD）高達900mg/L，大大超過國家污水排放標準[5]。污水任意排放，導致水體惡化，水生動物缺氧死亡，厭氧環境下有機物質進一步作用使水質變黑發臭，并產生甲烷、硫化氫和氨等溫室氣體。

1.3 有害氣體污染 豬糞尿中所含有機物質經過露天堆放后，有機物質可分解成各種惡臭物質如甲胺、有機酸、各種醇類、硫酸等和有害氣體如NH3、H2S、CH4、CO2等。這些物質都有著某種特殊的惡臭味污染豬場周圍環境，導致豬群應激，生產性能下降。NH3和H2S等氣體易發呼吸道疾病，濃度過高可使家畜中毒死亡，同時也會影響到人體健康。糞便中磷酸鹽和氮的含量增加，糞便臭味也隨之加重，產生的有害氣體就越多。

2 規模化豬場有機廢棄物無害化處理措施

規模化豬場有機廢棄物無害化處理可分為厭氧-還田、厭氧-自然處理模式和厭氧-好氧處理模式（工業化處理模式）3種模式。厭氧發酵是有機廢棄物無害化處理的核心。本項目研究采用“能源生態型”處理工藝，通過厭氧生物發酵，將養殖中有機廢棄物（糞便、污水等）進行無害化處理，并對厭氧發酵過程中產生的沼氣、沼液和沼渣進行綜合利用，從而達到規模化豬場有機廢棄物無害化處理的目的（如圖1）。高效微生物厭氧發酵的方式處理規模豬場的有機廢棄物，不僅減少了規模豬場有機廢棄物的排放、有效地控制了環境污染，同時進行綜合利用回收能源用于發電，使有機廢棄物的處理達到無害化、資源化和減量化，符合當前畜禽規模化生態養殖、農業循環經濟發展的要求。

2.1 規模豬場有機廢棄物高效厭氧沼氣發電 發酵原料豬糞、尿和沖洗水等統一收集，然后進入勻漿水解池，經過進一步水解和沉砂之后進入厭氧罐發酵。產生的沼氣經生物脫硫、脫水凈化后進入熱電聯產的沼氣發電機組，產生的電能上網，發電機余熱回收利用，用于厭氧罐增溫和沼渣干燥。厭氧發酵后的發酵液經過固液分離，沼渣生產固態有機肥料，沼液用于果園、飼料地和無公害蔬菜基地的有機肥料，在非用肥季節，沼液進入氧化塘凈化處理達到畜禽廢水排放標準后排放。

2.1.1 預處理 混合糞污進入勻漿水解池，在此進一步勻漿水解，去除泥砂等雜質，在勻漿水解池內將料液增溫至30℃，再用螺桿泵泵入厭氧罐內。

2.1.2 厭氧消化工藝 厭氧消化工藝包括進料單元、厭氧消化單元、沼氣貯存等構成。（1）進料方式。糞污經由螺桿泵泵入厭氧消化單元，分批間歇進料。（2）厭氧反應器工藝。本研究采用完全混合厭氧反應器。完全混合厭氧反應器（CSTR）適用于畜禽糞污發酵工藝（如圖2）。它在沼氣發酵罐內采用攪拌和加溫技術，這是沼氣發酵工藝中的一項重要技術突破。攪拌和加熱，使沼氣發酵速率大大提高，完全混合式厭氧反應器也被稱為高速沼氣發酵罐。其特點是：固體濃度高，TS6%～12%，可使畜禽糞便污水全部進行沼氣發酵處理。優點是處理量大，產沼氣量多，便于管理，易啟動，運行費用低。一般適宜于以產沼氣為主，有使用液態有機肥（水肥）習慣的地區。由于這種工藝適宜處理含懸浮物高的畜禽糞污和有機廢棄物，具有其他高效沼氣發酵工藝無可比擬的優點，在歐洲等沼氣工程發達地區廣泛采用。因此，選擇完全混合厭氧反應器（CSTR）是較為合適的，有利于節省投資；較長的水力停留時間也有利于豬糞污的充分分解與消化，沼氣的產量也相對穩定，同時更有利于項目的順利實施與運行管理。

（3）厭氧罐配置。厭氧反應器內設置攪拌器，使進料均勻分布并充分與厭氧微生物接觸，并使厭氧罐內料液溫度均勻，有利于提高產氣率，而且還可以破除浮渣，防止結殼。反應器上部設出料系統，溢流進入下一個處理單元。

（4）保溫與增溫。厭氧消化反應過程受溫度影響很大，如圖3所示。本研究厭氧處理單元設計為中溫，其最佳溫度范圍為35～38℃。為了保證厭氧反應在冬季仍可正常運行，必須對系統實施增溫和整體保溫措施。①保溫。系統整體保溫包括管道、閥門保溫；厭氧消化罐體的保溫。對厭氧消化罐采用高密度擠塑板等材料進行強化保溫。②增溫。增溫主要是在預處理勻漿水解池和厭氧罐內同時進行。增溫的熱源來自熱電聯供發電機組產生的余熱；在罐體內設置加熱管，發電機余熱經交換管交換熱量，實現對罐體的增溫。發電機余熱給厭氧消化罐進行增溫后，熱交換后的水再回到發電機系統。

2.2 規模豬場有機廢棄物高效微生物發酵生產有機肥 豬糞便經過厭氧消化處理后，進行固液分離。沼渣、沼液作為優質有機肥料，用于綠色食品生產，使糞便得到能源、肥料多層次的資源化利用，生態農業得以持續發展。高效有機肥生產工藝流程如圖4。

我國現有的農田種植面積約1.33億hm2，每年使用各種肥料數以億t計，其中90%以上是化肥，有關資料表明，目前全國的化肥年用量達1.4億t。許多地區由于長期施用單一化肥，有機肥施用量不足10%，從而造成土壤板結、環境污染、作物品質下降。而從發達國家的情況看，生物有機肥料的使用普遍受到重視，歐洲一些國家的有機肥使用量已占肥料總量的45%～60%，美國從20世紀70～80年代就進行農用肥料的變革，將有機肥的使用量從10%提高到了90%[6]。因此，在我國大力推行有機肥的使用已經成為刻不容緩的重大任務。

據有關資料，我國有機肥料的用量若能達到化肥使用量的10%，其市場容量便將達到1 400萬t，而且每年還會以400萬～500萬t的速度遞增[7]。在可預見的時期內，有機肥的生產和供應都遠遠不能滿足市場的需要。本研究的沼渣肥具有肥效高、可防病抗蟲害和改良土壤的特性，可實現糧食安全和無公害瓜果、蔬菜的生產，從而實現農民增收增效，無疑有著巨大的潛在市場。

2.3 沼液綜合利用 本研究根據圖5的生產工藝流程，利用高密度濾網分機過濾（四級），分級沉降方式（四級）實現沼渣、沼液的固、液分離。沼液用于設施農業（溫室大棚）果蔬、花卉等的無土栽培營養液，土壤調節劑，作為浸種、育秧、育苗的基液。大量的沼液用于大田作物水肥耦合灌溉，根據不同作物生長期均衡施肥和灌溉，依灌溉施肥季節用罐車運至田間施肥，在規劃的田塊修筑沼液貯存池，備作施肥季節使用。

圖5 沼液綜合利用技術流程

3 有機廢棄物“能源生態型”無害化處理模式市場調查與競爭能力預測

3.1 沼氣市場分析與預測

3.1.1 開展沼氣發電，減少大氣污染物排放 據有關資料統計，我國的能源結構不盡合理，煤炭仍是主要的發電燃料，大約占總能源投入量的88%。燃煤電廠排放的CO2、SO2、NOx、煙塵是我國大氣污染的主要來源。燃煤電廠的NOx排放量占我國NOx排放總量的80%。1997年，中國工業SO2排放量為1 852萬t，原電力工業部直屬6兆瓦及以上火電廠的SO2排放量達700萬t，達38%，而且這一比例還呈進一步增加的趨勢[8]。電廠大氣污染物的排放對人體健康、農作物和建筑物都產生了不同程度的影響，造成了巨大的經濟損失。

開展規模化豬場有機廢棄物能源轉化建設，所產生的沼氣可以用來發電。沼氣發電可以大大地減少或消除SO2、NOx、煙塵的排放，同時由于沼氣的生產有效地降低了有機廢棄物自然堆放過程中釋放的CH4的排放，有利于緩和溫室效應。據測算，每減少1tCH4的排放，相當于減少25tCO2的排放[9]，因此，沼氣發電被稱為“綠色新電”。

3.1.2 開展沼氣發電，緩解當地電力緊張 隨著社會經濟的快速發展，電力緊缺狀況日趨嚴重，郊區農村用電更難得到保證，將嚴重影響畜禽養殖的正常生產。同時由于目前集約化養殖步伐加快，現代化養殖技術的利用，污水和糞便的清理采用機械化，由于停電造成清理不及時，導致養殖場污水四溢，蚊蠅孳生，嚴重影響養殖場的防疫和安全生產。通過沼氣發電，可解決規模化豬場的日常用電，減少電網供電壓力，確保集約化規模化養殖場正常生產。

3.2 沼渣、沼液市場分析與預測

3.2.1 沼渣、沼液成分及其作用 厭氧發酵過程中，發酵料液中的可溶物主要由分子量不等的有機物及各種離子組成。沼渣、沼液中含有氮、磷、鉀等營養元素，以及氨基酸、維生素、蛋白質、赤霉素、生長素、糖類、核酸等對作物及畜禽的生長發育有調控作用“生理活性物質”，還含有鈣、磷、鐵、鋅、鉬等刺激作物發芽和生長的離子[7]。

（1）沼液經過充分發酵，其中富含有多種作物所需的營養物質，因而非常適宜作根外施肥，特別是當農作物以及果樹等進入花期、孕穗期、灌漿期、果實膨大期，噴施效果明顯。沼液作為葉面肥可調節作物生長代謝，補充營養，促進生長平衡，增強光合作用能力，尤其是施用于果樹，有利于花芽分化，保花保果，果實增重快，光澤變好，成熟一致，品質好，商品果率顯著提高。

（2）由于沼液含有豐富的有機質和較多的腐殖酸，既是一種優質的基肥，也是良好的土壤改良劑。沼液的施用可增加土壤團粒結構，增加土壤中的空隙度，協調土壤中水、肥、氣、熱條件；同時沼液養分全面，緩急相濟，可以提高協調植株內激素平衡的作用。

（3）沼液中含有多種生物活性物質，如氨基酸、微量元素、植物生長激素、B族維生素及某些抗生素等。其中有機酸中的丁酸和植物激素中的赤霉素、吲哚乙酸以及維生素B12對病菌有明顯的抑制作用。沼液中的氨和銨鹽及某些抗生素對作物的蟲害有著直接抑制作用。因此，沼液在我國部分地區用于防治病蟲害。

3.2.2 沼渣、沼液市場分析與預測 利用“能源生態型”有機廢物處理獲得的沼渣、沼液肥具有肥效高、可防病抗蟲害和改良土壤的特性，可實現糧食安全和無公害瓜果、蔬菜的生產，可大幅度為農民增收增效，無疑有著巨大的潛在市場。

4 結論

規模化豬場有機廢棄物“能源生態型”處理模式的建立，可極大地改善農村環境，促進生態農業的發展。沼氣發電產生的電力為可再生能源，稱為“綠電”，替代煤等化石能源產生的電力，減輕了大氣污染，還降低了溫室氣體的排放；沼渣、沼液是優質有機肥，改善土壤質量，增加土壤肥力，減輕農業面源污染，促進規模化養豬場周邊水土資源的合理利用和生態環境的良性循環，達到“畜禽→污染→治理→肥料→飼料→畜禽”生態循環系統，是一種可持續發展的良好模式。

參考文獻

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