對紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應用及減排效果的研究

肖和良

（湖南省洞口縣畜牧水產局，湖南 邵陽 422300）

1 豬尿降解工藝應用研究的背景

豬糞便處理，固液分離機分離后，有2 個渠道作為有機肥，一個是灌裝成袋用車直接運輸到田地，漚肥后施肥，一個是發酵后做成有機復合肥，再運輸到田地施肥。但豬尿處理方式有難度，即使用豬尿水進入沼氣池，作為沼氣利用1 次，但沼液依然有污染，還要還田處理。目前兩個處理方式，一個是用灌裝車運輸到田地實施灌溉，前提是田地有大量機耕路，通車才行；一個是從豬場到田地，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）和化學耗氧量（COD）。如何降解這些污染物和達標排放？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保工程比較關注，并身體力行，主持制訂了《洞口縣畜禽規模化養殖場糞污排放達標規范》和《洞口縣豬糞尿減排與資源化利用模式評估指標》，洞口縣在糞污減排方面做了大量工作，投入的財政資金也較多[1-3]，但這次考察之前對洞口縣糞污減排未達到滿意效果。

經對生活污水處理廠考察，其實豬尿水和生活污水處理原理是一樣的，都是要經過厭氧、好氧、微生物以及物理方法的處理。現在城鎮人的廁所都設有化糞池，人的糞尿經過了比較長時間的化糞厭氧處理，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]對蘭州市某居民區化糞池的調查，生活污水經化糞池處理后，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到83.6%、51.1%、64.3%、68.2%、75.6%。城鎮生活污水是洗碗沖洗水、洗衣沖洗水、洗澡洗發沖洗水、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保工程處理。城鎮生活污水收集管網面廣線長，管網投入的資金較多。

（1）生物去除氮機理：污水中氮的去除由氨化反應—硝化反應—反硝化反應共同完成，其工藝原理如下：①氨化反應。在好氧條件下，氨化菌將污水中有機氮化合物分解轉化成NH3-N，以氨基酸為例，其反應式為：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3；②硝化反應。在好氧條件下，硝化菌將NH3進一步氧化為NO2-和NO3-，其反應式為：NH3+O2→NO3-+NO2-+2H++H2O；③反硝化反應。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氮化合物，大部分（70%~75%）異化（還原）為氣態氮N2，其反應式為：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-生態復合處理技術，屬于厭氧-好氧聯合處理范疇，工藝：養殖廢水經排污管道至化糞池→調節池→泵→氣浮設備系統→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，在池內設置填料，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、馬強等、曹春艷等[7-10]開展了對天然斜發沸石、頁巖陶粒、石灰巖碎石、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為：活性炭→牡蠣殼→貝殼→天然斜發沸石→頁巖陶粒→建筑陶粒→工程陶粒→石灰巖碎石。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巖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巖碎石填料，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：尿水預處理→預處理暫存池→紅泥塑料膜沼氣池→好氧池→凈化池→氧化塘（或魚塘、人工濕地）→達標排放。

以新邵縣顏復偉養殖場為例（湖南省新邵縣坪上鎮筱桂村顏復偉養殖場，養殖規模：年出欄1 000 頭豬）。

（1）尿水預處理。豬場進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。對預處理的尿水（也叫直排尿水，沒有經過環保工程處理的尿水）送樣檢測，檢測結果見表1。

表1 顏復偉養殖場直排尿水水質檢測情況

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

（3）進入紅泥膜沼氣池（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 個大型袋子，把尿水抽入紅泥塑料膜袋子里，尿水充滿時只在池子平面上，當產生沼氣時，紅泥塑料膜袋子充滿沼氣時，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，經沼氣池密封厭氧后，沼液中的部分有害物質被降解、殺滅。

紅泥膜外表與空氣接觸，吸熱性好，充分利用太陽能，提高池內發酵溫度。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，常規沼氣池（埋在地下的）用太陽能發電充溫才能產沼氣，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沼氣，夏季多產常規沼氣池沼氣的1~2 倍，冬季多產常規沼氣池沼氣的3 倍。紅泥膜沼氣池多產的沼氣，能把氨氮降解率提高25%~30%。

紅泥膜沼氣袋是應用復合膜、膜加高強產業聚酯纖維應用貼合的制造工藝加工而成的，具有密封性好、高強度、重量輕、大跨度、耐溫、耐腐、阻燃、抗老化的材料特點，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）進入好氧池。好氧處理池由4 個池（每個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。并用加氧機充氣，每天4 次，每次20 min，設置自動開機加氧充氣（圖3）。

圖3 好氧池加氧機充氣廢水翻滾的白沫

（5）進入凈化池。經過2 個二級凈化池（每個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 顏復偉養殖場凈化池后尿水水質檢測降解情況

（6）進入氧化池。把這個降解后的廢水，放進5畝以上氧化池里，這種氧化池種上浮萍，能降解環保工程后部分廢水中污染物。這時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%，較環保工程后降解率85.46%，降解率提高6.86 個百分點，達到減排90%的標準（表3）。

表3 顏復偉養殖場氧化池后尿水水質檢測降解情況

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，還可以養魚，人工濕地要15 畝以上，才能達到后期處理（氧化塘）廢水降解的效果。

以上設計規格的環保工程，各類處理池636 m3（不含氧化池），投入資金28 萬元左右，約占豬場建設資金的15%。能處理年出欄1 000 頭豬規模場的尿水達標排放。

這個環保工程設備有紅泥膜袋子（根據規模場大小設計可大可小的袋子）、加藥箱、加氧機、沼氣恒溫加壓處理設備和沼氣輸送管道、小型沼氣鍋爐等設備，以及益生菌和加氧劑，由山東濰坊達遠環保科技有限公司提供。該公司在湖南各個地區配有總代理和技術人員，負責指導設計、安裝、設備維護以及銷后服務。

位于洞口縣山門鎮大合村的湖南佳境農牧有限公司（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，建有沼氣發電工程設備，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生較多的沼氣量通過沼氣鍋爐，讓沼氣充分燃燒，生產熱水，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酵車間，還是臨時儲氣車間。如果產量相當大時，又可以集中儲存后進行發電、實現經濟的多重收入。

4 紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝應用的減排效果評價

新邵縣顏復偉養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用及減排效果評價是：紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝可行，污水排放達標，投入資金比例合適，產沼氣量大，沼氣發電、供暖等資源化利用率高，經濟實用。

5 討論

5.1 使用紅泥膜沼氣池注意事項

應注意紅泥膜沼氣池的氣壓，及時排出沼氣，防止紅泥膜暴破事故的發生。就這個問題調查新邵縣顏復偉，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。因筆者在現場考察時，稍用力摸了一下紅泥膜外表感覺充氣很滿，擔心暴膜，問陪同的廠家技術員怎樣解決這個的問題，他就說沒發生暴膜事情。因此筆者當場向他建議，設置一套排出沼氣自動化裝備，如在紅泥膜袋子里設置一個沼氣氣壓計和設計氣壓臨界值，并在氣壓臨值時排出沼氣自動化裝備，把這個建議帶回廠家。筆者認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生，這是很重要的。

5.2 對大型規模場使用紅泥膜沼氣池工程建議

經調查3 000 頭以上規模場紅泥膜沼氣池工程，豬尿水污染物降解率在73%~85%之間，未達到污水排放標準。這是什么原因呢？這是由于規模場大養殖數量大污染物排放量增大，不是簡單幾何級數增加排污設施，如2 000 頭在1 000 頭規模設施基礎上增加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，應參考城鎮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、天然斜發沸石、頁巖陶粒、石灰巖碎石活性炭、建筑陶粒、工程陶粒）等環保設施和工藝，才能提高豬尿水污染物降解率，達到污水減排90%的目的。

曝氣生物濾池（BAF）是一種集物理過濾、化學吸附和生物氧化為一體的新型生物污水處理技術[11-12]，凡大型污水處理工程，包括化工廠污水處理都要進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計為：尿水預處理→預處理暫存池→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）→達標排放。

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果，因冬季紅泥膜沼氣池溫度降低，厭氧微生物活性降低，產沼氣減少，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，是對豬場進行干清糞和雨污分離處理，則豬尿水預處理非常重要。因筆者進行了豬場干清糞工藝節水試驗和生豬料槽飼喂器管理飼養試驗[13-14]，劉小元[15]根據洞口縣豬場干清糞工藝節水等科學試驗，對精準飼養方式及畜禽糞污減量化路徑進行了研究，提出精準飼養方式即采取科學飼料配方，調控氮和磷排泄量，控制高銅、高鋅飼料，采取精準飼喂管理、適時出欄模式，改傳統的夏季沖水降溫模式為風扇、空調等夏季控溫技術模式，改水泡糞工藝為干清糞工藝，節約用料用水，從源頭上控制糞污及有害成分的產生量，讓糞污減量排放。因此對生豬進行精準飼養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 結論

紅泥塑料膜，環保新型材料，新型工藝，用紅泥塑料膜沼氣池代替常規沼氣池（地下），能有效提高沼氣池內溫度和微生物活性，提高沼氣池成倍產氣量，特別是冬季的近3 倍的產氣量（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，而具有較強并優于常規沼氣池去污功能。由于新型紅泥膜沼氣工程項目，2019 年才進入湖南邵陽地區，還處于試驗試點階段，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、穩定性、安全性有待進一步考證。

紅泥膜沼氣池豬尿降解工程工藝可行，污水排放達標，投入資金比例合適，產沼氣量大，沼氣發電、供暖等資源化利用率高，經濟實用，可以大力宣傳和推廣。對大型養豬場（3 000 頭以上）增加曝氣生物濾池和填料等環保設施和工藝，預期達到豬尿減排90%的目的，有待進一步試驗和實踐。