對紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應(yīng)用及減排效果的研究

肖和良

（湖南省洞口縣畜牧水產(chǎn)局，湖南 邵陽 422300）

1 豬尿降解工藝應(yīng)用研究的背景

豬糞便處理，固液分離機(jī)分離后，有2 個(gè)渠道作為有機(jī)肥，一個(gè)是灌裝成袋用車直接運(yùn)輸?shù)教锏兀瑵a肥后施肥，一個(gè)是發(fā)酵后做成有機(jī)復(fù)合肥，再運(yùn)輸?shù)教锏厥┓省５i尿處理方式有難度，即使用豬尿水進(jìn)入沼氣池，作為沼氣利用1 次，但沼液依然有污染，還要還田處理。目前兩個(gè)處理方式，一個(gè)是用灌裝車運(yùn)輸?shù)教锏貙?shí)施灌溉，前提是田地有大量機(jī)耕路，通車才行；一個(gè)是從豬場到田地，修建灌溉渠道或PVC 管道。這樣兩種方式都需要投入大量人力、物力，豬尿處理成本費(fèi)用高。如何直接將豬尿或沼液降解成無污染的液體，即對豬尿或沼液降解工藝應(yīng)用及減排效果。本文研究的是紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應(yīng)用及減排效果。

2 豬尿水降解工作原理和污水處理工藝

豬尿污染物包括pH、懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）和化學(xué)耗氧量（COD）。如何降解這些污染物和達(dá)標(biāo)排放？有沒有最好的降解工藝和減排效果？帶著這些問題，筆者于2019 年8—9 月考察了湖南省洞口縣、新邵縣部分規(guī)模豬場以及洞口縣城生活污水處理廠。筆者一直對畜禽糞污處理環(huán)保工程比較關(guān)注，并身體力行，主持制訂了《洞口縣畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖場糞污排放達(dá)標(biāo)規(guī)范》和《洞口縣豬糞尿減排與資源化利用模式評估指標(biāo)》，洞口縣在糞污減排方面做了大量工作，投入的財(cái)政資金也較多[1-3]，但這次考察之前對洞口縣糞污減排未達(dá)到滿意效果。

經(jīng)對生活污水處理廠考察，其實(shí)豬尿水和生活污水處理原理是一樣的，都是要經(jīng)過厭氧、好氧、微生物以及物理方法的處理。現(xiàn)在城鎮(zhèn)人的廁所都設(shè)有化糞池，人的糞尿經(jīng)過了比較長時(shí)間的化糞厭氧處理，對污水污染物具有一定的降解作用，比直排的豬尿水污染物相對要少很多。如2009 年1 月王紅燕等[4]對蘭州市某居民區(qū)化糞池的調(diào)查，生活污水經(jīng)化糞池處理后，COD、BOD、總氮、總磷、動植物油濃度均有降低，年平均去除率分別達(dá)到83.6%、51.1%、64.3%、68.2%、75.6%。城鎮(zhèn)生活污水是洗碗沖洗水、洗衣沖洗水、洗澡洗發(fā)沖洗水、化糞池化糞后糞水以及垃圾廢水，不包括化工廠和造紙廠的污水，化工廠和造紙廠的污水還要另行環(huán)保工程處理。城鎮(zhèn)生活污水收集管網(wǎng)面廣線長，管網(wǎng)投入的資金較多。

（1）生物去除氮機(jī)理：污水中氮的去除由氨化反應(yīng)—硝化反應(yīng)—反硝化反應(yīng)共同完成，其工藝原理如下：①氨化反應(yīng)。在好氧條件下，氨化菌將污水中有機(jī)氮化合物分解轉(zhuǎn)化成NH3-N，以氨基酸為例，其反應(yīng)式為：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3；②硝化反應(yīng)。在好氧條件下，硝化菌將NH3進(jìn)一步氧化為NO2-和NO3-，其反應(yīng)式為：NH3+O2→NO3-+NO2-+2H++H2O；③反硝化反應(yīng)。在厭氧（兼氧）條件下，反硝化菌將NOX-N 少部分同化為菌體自身的有機(jī)氮化合物，大部分（70%~75%）異化（還原）為氣態(tài)氮N2，其反應(yīng)式為：NO2-N+3H+→1/2N2+H2O+OH-，NO2-N+5H+→1/2N2+2H2O+OH-[5]。

（2）污水處理工藝：采用生物-生態(tài)復(fù)合處理技術(shù)，屬于厭氧-好氧聯(lián)合處理范疇，工藝：養(yǎng)殖廢水經(jīng)排污管道至化糞池→調(diào)節(jié)池→泵→氣浮設(shè)備系統(tǒng)→水解酸化池→A/O 生化池→沉淀池→中間水箱→泵→生物濾池→清水箱。其中生物濾池為曝氣生物濾池，在池內(nèi)設(shè)置填料，通過人為供氧，使填料上生長大量微生物，廢水與填料上微生物充分接觸，微生物吸附有機(jī)物（污染物），廢水得到深度凈化后流入清水箱[6]。

張守彬等、蘇兵等、馬強(qiáng)等、曹春艷等[7-10]開展了對天然斜發(fā)沸石、頁巖陶粒、石灰?guī)r碎石、牡蠣殼、貝殼、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒8 種曝氣生物濾池填料處理污水效果研究，效果從好到差的排序?yàn)椋夯钚蕴俊迪牃ぁ悮ぁ烊恍卑l(fā)沸石→頁巖陶粒→建筑陶粒→工程陶粒→石灰?guī)r碎石。各地對填料可就地取材，加以利用，如洞口縣城污水處理廠用石灰?guī)r碎石作為曝氣生物濾池填料，筆者建議該廠用活性炭取替石灰?guī)r碎石填料，排污效果更好。因洞口縣雪峰山木炭資源豐富，而木炭又是制做活性炭的來源。

3 紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝以及應(yīng)用

3.1 紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝

紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝為：尿水預(yù)處理→預(yù)處理暫存池→紅泥塑料膜沼氣池→好氧池→凈化池→氧化塘（或魚塘、人工濕地）→達(dá)標(biāo)排放。

以新邵縣顏復(fù)偉養(yǎng)殖場為例（湖南省新邵縣坪上鎮(zhèn)筱桂村顏復(fù)偉養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖規(guī)模：年出欄1 000 頭豬）。

（1）尿水預(yù)處理。豬場進(jìn)行干清糞和雨污分離處理，夏季也不用水沖洗豬欄降溫，從源頭上對糞污減量化，盡量降低尿水處理量，以提高尿水降解工藝的減排效果。對預(yù)處理的尿水（也叫直排尿水，沒有經(jīng)過環(huán)保工程處理的尿水）送樣檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 顏復(fù)偉養(yǎng)殖場直排尿水水質(zhì)檢測情況

（2）尿水進(jìn)入預(yù)處理暫存池。預(yù)處理暫存池為小型沉淀池60 m3。2 d 用固液分離機(jī)對預(yù)處理暫存池尿水分離1 次，把糞渣分離出來，分離的同時(shí)，把分離后的尿水抽入紅泥膜沼氣池。

（3）進(jìn)入紅泥膜沼氣池（圖1 和圖2）。288 m3（12 m×8 m×3 m）紅泥膜沼氣池，紅泥塑料膜沼氣池是厭氧池，把這個(gè)大型的紅泥塑料膜安裝在開放性沼氣池里面，紅泥塑料膜是密封的1 個(gè)大型袋子，把尿水抽入紅泥塑料膜袋子里，尿水充滿時(shí)只在池子平面上，當(dāng)產(chǎn)生沼氣時(shí)，紅泥塑料膜袋子充滿沼氣時(shí)，紅泥塑料膜可高出池子平面80~100 cm，高出的袋子部分則是充滿了大量的沼氣。并用加藥箱，加入少量益生菌進(jìn)入紅泥膜沼氣池。每星期加入1 次，每次0.5 kg。污水通過紅泥膜沼氣池一般20 d，經(jīng)沼氣池密封厭氧后，沼液中的部分有害物質(zhì)被降解、殺滅。

紅泥膜外表與空氣接觸，吸熱性好，充分利用太陽能，提高池內(nèi)發(fā)酵溫度。這種紅泥膜裝置的沼氣池能有效提高沼氣池溫度，特別是冬季沼氣池的溫度較低，常規(guī)沼氣池（埋在地下的）用太陽能發(fā)電充溫才能產(chǎn)沼氣，這種紅泥膜沼氣池則不需要，冬季也能升溫。紅泥膜沼氣池能多產(chǎn)沼氣，夏季多產(chǎn)常規(guī)沼氣池沼氣的1~2 倍，冬季多產(chǎn)常規(guī)沼氣池沼氣的3 倍。紅泥膜沼氣池多產(chǎn)的沼氣，能把氨氮降解率提高25%~30%。

紅泥膜沼氣袋是應(yīng)用復(fù)合膜、膜加高強(qiáng)產(chǎn)業(yè)聚酯纖維應(yīng)用貼合的制造工藝加工而成的，具有密封性好、高強(qiáng)度、重量輕、大跨度、耐溫、耐腐、阻燃、抗老化的材料特點(diǎn)，能抗氧化和太陽暴曬，在無外力破壞下，紅泥沼氣袋的使用壽命可達(dá)20 年以上。

圖1 充滿沼氣的紅泥膜沼氣池塑料膜外表

圖2 充滿沼氣的紅泥膜沼氣池塑料膜全景

（4）進(jìn)入好氧池。好氧處理池由4 個(gè)池（每個(gè)4 m×3 m×3 m=36 m3）組成，加氧化劑，每天加入2~3次，每次0.5 kg。并用加氧機(jī)充氣，每天4 次，每次20 min，設(shè)置自動開機(jī)加氧充氣（圖3）。

圖3 好氧池加氧機(jī)充氣廢水翻滾的白沫

（5）進(jìn)入凈化池。經(jīng)過2 個(gè)二級凈化池（每個(gè)8 m×3 m×3 m=72 m3），再排出的水比較清亮，用鼻子聞基本沒有糞尿的異味，這時(shí)抽檢的廢水樣品送檢，污染物平均降解率85.46%，見表2。

表2 顏復(fù)偉養(yǎng)殖場凈化池后尿水水質(zhì)檢測降解情況

（6）進(jìn)入氧化池。把這個(gè)降解后的廢水，放進(jìn)5畝以上氧化池里，這種氧化池種上浮萍，能降解環(huán)保工程后部分廢水中污染物。這時(shí)取排出的池水更加清亮，池水抽樣送檢污染物平均降解率92.32%，較環(huán)保工程后降解率85.46%，降解率提高6.86 個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到減排90%的標(biāo)準(zhǔn)（表3）。

表3 顏復(fù)偉養(yǎng)殖場氧化池后尿水水質(zhì)檢測降解情況

也可用魚塘和人工濕地代替氧化塘。代替的魚塘面積要大1 倍10 畝以上，還可以養(yǎng)魚，人工濕地要15 畝以上，才能達(dá)到后期處理（氧化塘）廢水降解的效果。

以上設(shè)計(jì)規(guī)格的環(huán)保工程，各類處理池636 m3（不含氧化池），投入資金28 萬元左右，約占豬場建設(shè)資金的15%。能處理年出欄1 000 頭豬規(guī)模場的尿水達(dá)標(biāo)排放。

這個(gè)環(huán)保工程設(shè)備有紅泥膜袋子（根據(jù)規(guī)模場大小設(shè)計(jì)可大可小的袋子）、加藥箱、加氧機(jī)、沼氣恒溫加壓處理設(shè)備和沼氣輸送管道、小型沼氣鍋爐等設(shè)備，以及益生菌和加氧劑，由山東濰坊達(dá)遠(yuǎn)環(huán)保科技有限公司提供。該公司在湖南各個(gè)地區(qū)配有總代理和技術(shù)人員，負(fù)責(zé)指導(dǎo)設(shè)計(jì)、安裝、設(shè)備維護(hù)以及銷后服務(wù)。

位于洞口縣山門鎮(zhèn)大合村的湖南佳境農(nóng)牧有限公司（年出欄豬5 000 頭）采用的是黑膜沼氣池，其黑膜沼氣池豬尿降解工藝同紅泥膜沼氣池豬尿降解工藝一樣，該公司黑膜沼氣池是1 000 m3，建有沼氣發(fā)電工程設(shè)備，并用種植蓮子的150 畝來代替氧化池。

3.2 紅泥膜沼氣池豬尿降解工程沼氣利用

利用紅泥膜沼氣池產(chǎn)生較多的沼氣量通過沼氣鍋爐，讓沼氣充分燃燒，生產(chǎn)熱水，然后用熱水管對豬場供暖。供暖方式兩種，一種叫地暖，把熱水管埋在地板里；一種叫舍內(nèi)供暖，把熱水管道安裝在豬欄空間里，離地面2.2 m 高以上，左右各1 條熱水管道。

紅泥膜沼氣袋不僅是發(fā)酵車間，還是臨時(shí)儲氣車間。如果產(chǎn)量相當(dāng)大時(shí)，又可以集中儲存后進(jìn)行發(fā)電、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的多重收入。

4 紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應(yīng)用的減排效果評價(jià)

新邵縣顏復(fù)偉養(yǎng)殖場紅泥膜沼氣池豬尿降解工程減排效果：①凈化池后豬尿污染物平均降解率85.46%，其中pH 7.8，降解率87.1%；懸浮物（SS）852 mg/L，降解率90.6%；氨氮（NH3-N）206 mg/L，降解率89.3%；化學(xué)需氧量（COD）3 499 mg/L，降解率81.8%；生物需氧量（BOD）1 484 mg/L，降解率78.5%。②氧化池后豬尿污染物平均降解率92.32%，其中pH 7.6，降解率92.2%；懸浮物（SS）439 mg/L，降解率91.6%；氨氮（NH3-N）151 mg/L，降解率94.8%；化學(xué)需氧量（COD）1 705 mg/L，降解率93.9%；生物需氧量（BOD）811 mg/L 降解率89.1%。達(dá)到了豬尿減排90%的目的。

筆者對紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應(yīng)用及減排效果評價(jià)是：紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝可行，污水排放達(dá)標(biāo)，投入資金比例合適，產(chǎn)沼氣量大，沼氣發(fā)電、供暖等資源化利用率高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

5 討論

5.1 使用紅泥膜沼氣池注意事項(xiàng)

應(yīng)注意紅泥膜沼氣池的氣壓，及時(shí)排出沼氣，防止紅泥膜暴破事故的發(fā)生。就這個(gè)問題調(diào)查新邵縣顏復(fù)偉，他說夏季4~5 d 紅泥膜沼氣池就充滿氣了，所以4~5 d 排1 次氣。筆者網(wǎng)上查了紅泥膜沼氣池是充氣膜和沼氣暫存庫，沒有暴膜事情，更沒有防止暴膜這一說。因筆者在現(xiàn)場考察時(shí)，稍用力摸了一下紅泥膜外表感覺充氣很滿，擔(dān)心暴膜，問陪同的廠家技術(shù)員怎樣解決這個(gè)的問題，他就說沒發(fā)生暴膜事情。因此筆者當(dāng)場向他建議，設(shè)置一套排出沼氣自動化裝備，如在紅泥膜袋子里設(shè)置一個(gè)沼氣氣壓計(jì)和設(shè)計(jì)氣壓臨界值，并在氣壓臨值時(shí)排出沼氣自動化裝備，把這個(gè)建議帶回廠家。筆者認(rèn)為人為感觀排氣不可靠，自動化裝備排氣才能防止暴膜安全事故的發(fā)生，這是很重要的。

5.2 對大型規(guī)模場使用紅泥膜沼氣池工程建議

經(jīng)調(diào)查3 000 頭以上規(guī)模場紅泥膜沼氣池工程，豬尿水污染物降解率在73%~85%之間，未達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)。這是什么原因呢？這是由于規(guī)模場大養(yǎng)殖數(shù)量大污染物排放量增大，不是簡單幾何級數(shù)增加排污設(shè)施，如2 000 頭在1 000 頭規(guī)模設(shè)施基礎(chǔ)上增加2 倍如處理池636 m3×2，3 000 頭增加3倍636 m3×3……這樣簡單處理，應(yīng)參考城鎮(zhèn)生活污水處理廠污水處理工藝，增加曝氣生物濾池和填料（牡蠣殼、貝殼、天然斜發(fā)沸石、頁巖陶粒、石灰?guī)r碎石活性炭、建筑陶粒、工程陶粒）等環(huán)保設(shè)施和工藝，才能提高豬尿水污染物降解率，達(dá)到污水減排90%的目的。

曝氣生物濾池（BAF）是一種集物理過濾、化學(xué)吸附和生物氧化為一體的新型生物污水處理技術(shù)[11-12]，凡大型污水處理工程，包括化工廠污水處理都要進(jìn)行重要的曝氣生物濾池處理工藝。

對大型豬場（3 000 頭以上）紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝設(shè)計(jì)為：尿水預(yù)處理→預(yù)處理暫存池→紅泥塑料膜沼氣池→好氧池→凈化池→曝氣生物濾池（填料）→氧化塘（或魚塘、人工濕地）→達(dá)標(biāo)排放。

5.3 對冬季紅泥膜沼氣池工程污水處理效果的觀察

本文中公布的是夏季豬尿水檢測結(jié)果，因冬季紅泥膜沼氣池溫度降低，厭氧微生物活性降低，產(chǎn)沼氣減少，相對氨氮降解率降低。必須觀察冬季污水污染物降解率，采取沼氣池供熱等措施，保證豬尿減排效果。

5.4 對豬尿水做好預(yù)處理好是紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝減排成功的前提

前文3 提到紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝第一步，是對豬場進(jìn)行干清糞和雨污分離處理，則豬尿水預(yù)處理非常重要。因筆者進(jìn)行了豬場干清糞工藝節(jié)水試驗(yàn)和生豬料槽飼喂器管理飼養(yǎng)試驗(yàn)[13-14]，劉小元[15]根據(jù)洞口縣豬場干清糞工藝節(jié)水等科學(xué)試驗(yàn)，對精準(zhǔn)飼養(yǎng)方式及畜禽糞污減量化路徑進(jìn)行了研究，提出精準(zhǔn)飼養(yǎng)方式即采取科學(xué)飼料配方，調(diào)控氮和磷排泄量，控制高銅、高鋅飼料，采取精準(zhǔn)飼喂管理、適時(shí)出欄模式，改傳統(tǒng)的夏季沖水降溫模式為風(fēng)扇、空調(diào)等夏季控溫技術(shù)模式，改水泡糞工藝為干清糞工藝，節(jié)約用料用水，從源頭上控制糞污及有害成分的產(chǎn)生量，讓糞污減量排放。因此對生豬進(jìn)行精準(zhǔn)飼養(yǎng)方式和豬場干清糞和雨污分離處理等糞污減量化處理，是紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝減排成功的前提。

6 結(jié)論

紅泥塑料膜，環(huán)保新型材料，新型工藝，用紅泥塑料膜沼氣池代替常規(guī)沼氣池（地下），能有效提高沼氣池內(nèi)溫度和微生物活性，提高沼氣池成倍產(chǎn)氣量，特別是冬季的近3 倍的產(chǎn)氣量（理論上），將氨氮降解率提高近三分之一，SS（懸浮物）等污染物降解率也有所提高，而具有較強(qiáng)并優(yōu)于常規(guī)沼氣池去污功能。由于新型紅泥膜沼氣工程項(xiàng)目，2019 年才進(jìn)入湖南邵陽地區(qū)，還處于試驗(yàn)試點(diǎn)階段，沒有大面積推廣，對污染物降解率，特別是冬季降解率，其去污功能、穩(wěn)定性、安全性有待進(jìn)一步考證。

紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝可行，污水排放達(dá)標(biāo)，投入資金比例合適，產(chǎn)沼氣量大，沼氣發(fā)電、供暖等資源化利用率高，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可以大力宣傳和推廣。對大型養(yǎng)豬場（3 000 頭以上）增加曝氣生物濾池和填料等環(huán)保設(shè)施和工藝，預(yù)期達(dá)到豬尿減排90%的目的，有待進(jìn)一步試驗(yàn)和實(shí)踐。