大中型生猪养殖场污染防治模式研究

李汪晟彭河山宋李思莹吴根义,2*

（1湖南农业大学，湖南长沙 410128；2环保部华南环境科学研究所，广东广州 510655）

大中型生猪养殖场污染防治模式研究

李汪晟1彭河山1宋李思莹1吴根义1,2*

（1湖南农业大学，湖南长沙 410128；2环保部华南环境科学研究所，广东广州 510655）

针对当前规模化生猪养殖场污染防治模式选择上的不确定性，选择采用工厂化处理与资源化利用两种典型处理模式的10 000头 （年出栏量）生猪养殖场，从污染防治设施投资成本、运行费用、效益、适用条件等方面进行对比分析，指出两种典型防治模式各自的应用范围及优缺点，以指导同类规模的生猪养殖场选择合适的污染防治模式。

生猪养殖；工厂化处理；资源化利用；污染防治模式

我国畜禽养殖业品种繁多，养殖量大，是世界上主要的畜禽生产大国，其中生猪出栏量连续多年位居世界第一，养殖量约占世界的50%。随着中国经济的不断发展和人民生活水平的提高，畜牧业将继续保持较快速度的发展[1]，随之而来的是不断发展的畜牧业所带来的粪污处理问题，特别是生猪养殖污水产生量大，治理难度也大，其污染防治长期受到人们的关注。目前国内生猪养殖粪污处理方式主要有工厂化处理、资源化利用两种典型模式，两种模式在投资、运行费用及适应条件均存在较大差异，我国畜禽养殖污染防治起步较晚，养殖企业对如何正确选择处理模式还存在一定困惑。全面掌握不同防治模式的应用范围和适用条件是正确选择生猪养殖场污染防治模式的前提。

1 畜禽养殖污染存在的问题

1.1 对环境压力逐渐增大

全国畜禽粪便的排放量从1988年的18.8亿吨逐年上升，1998年已经达到35亿吨，据预测，2020年全国畜禽粪便总量将达到42.44亿吨[2]。据第一次污染源普查动态更新数据显示，2010年畜禽养殖COD、NH3-N排放量分别达到1 148万吨、65万吨，分别占全国排放总量的45%和25%、占农业源排放总量的95%和79%[3]。据测算，一个年出栏10 000头的生猪养殖场，每年约产生2 190吨固体粪便和5 200 m3尿液，折合COD约460吨、总氮约37吨、总磷约5.6吨。规模化生猪养殖场污染物产生量大、排放比较集中，对环境造成的压力更大。

1.2 难于选择适合自身特点的污染防治模式

对于规模化猪场粪污处理方式主要有资源化利用和工厂化处理两种模式。工厂化处理又有物理法、化学法、生物法以及物化法多种工艺，生物法又可分为厌氧处理、好氧处理以及自然生态处理三大类，厌氧处理有厌氧序批式反应器（ASBR）、厌氧挡板反应器（ABR）、上流式厌氧污泥床（UASB）和完全混合式厌氧反应器（CSTR）等工艺技术；好氧处理包括活性污泥法、氧化沟、序批式反应器（SBR）、接触氧化法和膜生物法（MBR）等工艺方法；自然生态处理可采用氧化塘以及人工湿地等。透过不同工艺技术的表象，从本质上看，规模化猪场粪污处理可总结为沼气（厌氧）－还田模式（资源化利用模式）和沼气（厌氧）－好氧处理模式（工厂化处理模式）两种模式。以这两种模式为基础，不同模式应用条件和要求不同，如何结合自身特点，选择适合的防治模式是当前大部分养殖场存在的技术问题。

2 不同粪污处理方式分析

2.1 典型工厂化处理防治模式案例分析

以采用工厂化处理防治模式的年出栏10 000头猪场为例，该养猪场采用干清粪工艺，粪便好氧堆肥后生产简易有机肥，栏舍冲洗水和猪尿采用“固液分离+厌氧沼气发酵+SBR好氧生化”模式处理。该养殖场地处于城市周边，没有足够的土地消纳猪场粪污，污水产生量为70吨/天左右，粪便产生量约为6吨/天。经现场检测污水 COD为 7 000～7 500 mg/L，BOD5为3 000～4 000 mg/L，SS为 2 500～3 000 mg/L、NH3-N为450～600 mg/L，pH值为6～7.5。根据当地环保局要求，外排污水须达到《畜禽养殖业污染物排放标准》 （GB18596-2001）的要求。该场采用的处理模式如图1所示。

2.1.1 投资及运行成本分析

⑴土建及设备投资

该养殖场土建投资主要包括：调沉池7.68万元（192 m3）、沼气池40万元（1 000 m3）、SBR池12.96万元（216 m3）、混凝沉淀池9.72万元（162 m3）、污泥浓缩池3.84万元（64 m3）、有机肥加工房10.00万元（250 m2）和配电及设备间2.00万元（40 m2）。设备投资主要包括排污泵1.52万元（4台）、污泥泵0.96万元（2台）、罗茨鼓风机7.36万元（2台）、曝气器0.9万元（50个）、水下推流器4.3万元（1台）、叠螺脱水机4.88万元（1台）、猪粪固液分离机1.95万元（1台）、简易有机肥生产设备10.50万元（1套）、搅拌系统1.68万元（1套）、加药投药系统1.20万元（2套）和电控系统1.75万元（1套）。

综上所述，粪便和污水处理设施土建和设备两个部分的投资分别为10万元、12.45万元和76.2万元、24.55万元，合计123.2万元，其中设备投资37万元。

⑵运行、设备维护和折旧成本

养猪场污水采用厌氧-好氧处理模式处理，除土建和设备投资较高外，设备运行、维护、折旧费用也是不可忽略的一部分。该养殖场粪污处理成本主要包含以下几个方面。

①运行电费：污水处理站日耗电量为125 kW，电费价格为1元/kW，则污水处理站每天的电费为125元，按污水处理站每日处理水量70吨计算，则污水处理电费为1.79元/吨。

②药剂费：混凝中用到PAC（聚合氯化铝）和PAM（聚丙烯酰胺）。PAC投加量为30 mg/L，市场价为2 000元/吨，则投加PAC费用为0.06元/吨。PAM投加量为4 mg/L，市场价为16 000元/吨，则投加PAM费用为0.064元/吨。消毒用次氯酸钠，投加量为30 mg/L，市场价为1 500元/吨，则投加消毒剂费用为0.045元/吨。

生产有机肥需要加入菌种，每生产1吨有机肥需要加入0.4 kg菌种，菌种市场价格为90元/kg，则生产1吨有机肥的药剂费为36元。按照每4吨粪便产生1吨有机肥计算，每天产有机肥1.5吨，则每天生产有机肥的菌种费为54元。

③人工费

图1 固液分离+厌氧处理+SBR好氧处理模式

污水站自动化处理程度较高，因此只配备一位兼职管理人员，每月工资为3 000元，则人工费为1.43元/吨。堆粪场发酵生产有机肥自动化处理程度较低，配备2名工作人员，每月工资为3 000元，则粪便处理需人工费33.33元/吨。

综上所述，该粪污处理中污水处理直接成本为3.39元/吨，即每天污水站的污水处理费用为237.3元。粪便堆肥发酵生产有机肥的成本为42.33元/吨，即每天粪便处理费用为254元。

④设备维护费、折旧费

年设备维护费用按设备投资的5%计，维护费为37×5%=1.85万元/年；设备使用年限按20年计算，折旧费为123.2/20=6.16万元/年。

2.1.2 效益分析

⑴处理效果分析

单纯的厌氧+好氧技术很难去除养殖废水中的氮、磷，处理后的水难以达到排放标准的要求，必须进一步进行深度处理措施。本部分主要针对污水出水水质和《畜禽养殖业污染物排放标准》 （GB18596-2001）的比较，通过试验检测指标后具体情况见表1。

表1 工厂化处理不同阶段水质指标 （mg/L）

从表1可以看出，猪场废水经厌氧沼气发酵、SBR好氧生化处理后NH3-N、TP的值分别为182 mg/L和9.8 mg/L，均比GB18596-2001排放标准要高。设计中试实验将经厌氧、好氧处理出水再经过氧化塘处理，试验结果表明，氧化塘出水的CODcr、BOD5、NH3-N和TP分别为221、58、69和0.63 mg/L。可以看出经氧化塘处理后的各项指标均能达到GB18596-2001的排放标准。因此，猪场废水经厌氧沼气发酵、SBR好氧生化处理后，还需经过氧化塘处理这一必不可少的技术环节。

据《污水稳定塘设计规范》（CJJ/T54-93），在进塘BOD5浓度＜300 mg/L时，Ⅲ区（年平均气温在16℃以上的地区）兼性塘的BOD5表面负荷为85 kg/104m2·天。从SBR出水浓度可以看出，BOD5的出水浓度为73.5 mg/L（表1），可以得出需建设面积为778 m2的兼性塘，按400元/m2的建设成本计算，需投资31.12万元。

⑵收益分析

该处理模式下产生的利润主要在于沼气作为燃料利用和粪便生产有机肥出售。经测定日沼气产量为152 m3（甲烷含量约为76.2%），平均每天有机肥产量为1.5吨。按照目前市场价格沼气为0.8元/m3（沼气实际为养殖场自用）、有机肥400元/吨（未注册商标、未包装），可以得出该养殖场每天沼气和有机肥的收入为722元。因此，年出栏10 000头的生猪养殖场粪污采用工厂化模式，其年处理费用Y1=（日污水处理费用+日粪便处理费用）×365+每年设备维修和折旧费，即为25.93万元/年，毛收入为26.35万元/年，则该养殖场粪污采用工厂化处理模式净收益为0.42万元/年。

2.2 典型资源化利用防治模式案例分析

同样以采用资源化利用防治模式的年出栏10 000头生猪规模化猪场为例，该养殖场采用干清粪工艺，粪便经厌氧堆肥发酵后储存农业利用，栏舍冲洗水和猪尿采用“粪污储存（厌氧）+还田”模式处理，粪水经沼气发酵后产生的沼气通过脱水、脱硫后利用，沼液储存在储存池后作为液态肥料使用。养殖场地位于农村丘陵地区，周围有配套消纳猪场粪污的土地3 500亩，污水处理量约为70 m3/天，粪便产生量约为6吨/天。具体粪污防治模式见图2。

2.2.1 投资及运行成本分析

⑴土建及设备投资

图2 资源化利用-粪污还田模式

资源化利用还田模式，粪便经简单堆肥发酵后储存农业利用，污水经沉淀、厌氧发酵后储存农业利用。年出栏10 000万头生猪养殖场土建投资主要包括：沉淀池9.72万元（162 m3）、沼气池40.00万元（1 000 m3）、尿液储存池9.72万元（162 m3）、堆粪场10.00万元（250 m2）和配电及设备间4.80万元（40 m2）。设备费用主要包括猪粪固液分离机1.95万元（1台）、沼液沼渣抽排泵1.20万元（2台）。

综上所述，该猪场粪污防治设施建设土建投资为74.24万元，设备投资为3.15万元，合计77.39万元。

⑵运行、设备维护和折旧成本

该养殖场粪污处理成本主要包含以下几个方面。

①运行电费：污水处理站、沼液沼渣抽排泵日耗电量为10 kW，电费价格为1元/kW，污水处理站每天的电费为10元，污水处理站每日处理水量为70吨，则污水处理电费为0.14元/吨。

②人工费：堆粪场粪便厌氧发酵，自动化处理程度较低，配备1名工作人员，每月工资为3 000元，则需人工费16.67元/吨。

综上所述，污水资源化利用成本为0.14元/吨，即每天污水利用运行费用为10元。堆粪场粪便处理成本为16.67元/吨，即每天堆粪处理运行费用为100元。

③设备维修费、折旧费

年设备维修费用按设备投资的5%计，维修费为3.15×5%=0.1575万元/年；设备使用年限按20年计算，折旧费为77.39/20=3.87万元/年。

2.2.2 效益分析

⑴效果分析

利用农业种植土地消纳养殖粪污，其消纳能力主要是以耕地总氮（TN）的承载力来核定，耕地畜禽承载力可以按以下公式计算[4]：

式（1）中，CN：区域畜禽养殖承载量，单位为头/亩；γ：畜禽粪便有机肥提供TN养分占作物生长、发育全过程TN消耗总量的比值，取值范围0～1，本研究取值0.4；ρ：作物在种植过程中因自然灾害、田间管理不当等因数造成经济产量失真的氮养分消耗校正系数，取值10%；TNZ：畜禽TN的产污系数，单位为kg/头；ε：畜禽粪便有效收集率，取值80%；θ：畜禽粪便收集、运输过程中以氨态形式挥发的流失率，取值30%；τ：作物形成100 kg产量吸收的营养元素的量，单位为kg； ：有机肥利用效率，TN取值45%。

每生产100 kg水稻所需吸收氮量为2.2 kg[4]，生猪养殖TN产污系数为3.7 kg/头[5]。根据上述公式可以计算得出，CN的值为3头/亩，即年出栏10 000头生猪养殖场须配套3 333亩水稻田地对猪场粪污进行消纳，根据场区配套土地来看，完全可以消纳该养殖场产生的生猪粪污，能够实现污染物对环境的零排放。

⑵收益分析

该处理模式下产生的利润主要在于沼气及节约化肥收益，沼气产量和上述工厂化处理模式下产生的沼气产量相同，即152 m3/天。该模式下的费用支出主要在于粪污浇灌田地产生的运输费用，分析该模式下的收益，需要根据运输距离从以下两个方面分析。

①不需要运输工具运输

养殖场周围配套土地可以直接用管道进行运输，此种情况下分析得出：沼气按市场价折算收入为4.44万元/年（沼气为养殖场自用）。据史常亮[6]等分析，水稻种植每亩化肥投入为161.78元/年，考虑到液态肥料需要管道铺设费用，根据实际生产情况，因粪肥（包括堆肥和沼液）的使用，每亩可减少化肥投入80元，3 500亩合计减少化肥投入28万元。每天粪污处理费用（包含设备维护和折旧费）为220.34元，则该养殖场粪污采用资源化利用防治模式的净收益为24.40万元/年。

②需要运输工具运输

如养殖场周边农业种植用地无法利用管道输送，则沼液需采用车辆运输，沼液运输费用的高低受运输距离影响，距离的增加将直接导致成本增加。

从实际情况出发，养殖场周围配套的土地施用粪肥距离远近不一，为进行综合核算，采用运输平均距离进行核算。可以施用粪肥收益与运输成本的比值来确定粪肥运输的临界平均距离（粪肥运输临界平均距离是指年运输费用刚好等于粪肥施用收益），粪肥运输临界平均距离计算具体公式如下。

式（2）中，LTD：粪肥运输临界平均距离，单位为km；R：施用粪肥的收益，单位为万元；SP：粪肥运输单价，取值2.0元/吨·km；BSA：日产粪肥量，单位为吨/天。

3 500亩水稻可减少化肥投入 28万元，年出栏10 000头的生猪养殖场粪污采用典型资源化利用防治模式处理费用Y2=（日污水处理费用+日粪便处理费用）×365+每年设备维修和折旧费，即为8.04万元/年。根据上述公式可以得出，粪肥运输临界平均距离为3.6km。在粪污采用车辆运输施用的情况下，配套土地平均运输距离在3.6 km以内，粪污处理利润都是正值，则养殖场完全可选择该处理方式，如配套土地比较分散，运输平均距离超过3.6 km，则应考虑采用其他方式处理或减量化措施。

3 两种模式优缺点和适用范围

3.1 工厂化处理模式

对比资源化利用的模式可以看出，工厂化处理模式的主要优势在于：适用性广、占地面积小、基本不受土地条件限制；主要缺点在于：投资大，万头猪场粪污处理的投资约154.32万元（包含兼性塘建设费用31.12万元）；运转费用高，处理1吨污水需要3.39元左右；机械设备多，维护管理难度大；需要专门的技术人员进行运行管理。

工厂化处理模式适用于经济比较发达、养殖场周边没有足够的可消纳养殖粪污土地的养殖场，采用这种模式的猪场规模较大，年出栏量一般在10 000头以上。

3.2 资源化利用模式

对比工厂化处理模式可以看出，资源化利用模式下的主要优势在于：最大限度地实现资源化和污染物零排放，投资费用低（比工厂化处理要低99.41%）、运行成本低（比工厂化处理要低371.16%）、无需专人管理；同时还可减少种植业的化肥施用，增加土壤肥力。主要缺点在于：需要配套大量土地消纳猪场产生的粪污，年出栏10 000头的生猪养殖场至少需要约3 300亩土地；雨季和非施肥季节需考虑粪肥的储存；不合理的利用会造成大气、水体以及土壤的污染。

资源化利用模式适用周边农业种植发达，特别是周边有可常年施肥的蔬菜、果树等集中式农业种植区，如沼液采用车辆运输，一般来说运输平均距离以不超过3.6 km为宜。

4 结论

⑴生猪养殖场产生的粪污进行资源化利用模式，若周围配套土地为“不需要运输工具运输”情况下，其运行费用为8.04万元/年，产生的年收益为24.40万元/年；若周围配套土地为“需要运输工具运输”情况下，其年运行费用Y3=8.04+0.38×t×d×104万元（式中t表示每天猪场产生的废水，单位为吨；d为粪污运输的距离，单位为km），产生的收益为Y*=32.44-Y3万元；资源化利用模式下粪污处理运行成本和其运输距离有很大关系，本文给出的粪污运输临界距离计算公式为LTD=R× 104/（SP×BSA×365），根据年出栏10 000头生猪养殖场，可以得出粪污运输临界距离为3.6 km。

⑵对于年出栏10 000头生猪养殖场，工厂化处理模式下建设投资为154.32万元，资源化利用模式下建设投资为77.39万元。养殖场可以从两个方面进行粪污处理模式的选择：①养殖场周边没有足够土地消纳粪污的地区，则考虑选择工厂化处理模式；②养殖场周围有配套土地消纳生猪养殖场粪污，可根据粪污运输距离进行选择，若粪污运输距离在3.6 km以内，则考虑选择资源化利用模式。

[1]梁华东,何迅,巩细民,等.中国畜禽粪便污染问题、无害化处理及开发生产有机肥料技术与政策 [J].中国农学通报,2014,30 (增刊):75-80.

[2]陈丹丹,谷子林,王圆圆,等.畜禽粪便污染及其防治措施的研究 [A].见:中国畜牧兽医学会,中国农业工程学会,生态环境与畜牧业可持续发展学术研讨会暨中国畜牧兽医学会2012年学术年会和第七届全国畜牧兽医青年科技工作者学术研讨会会议论文集——T01畜舍环境与调控技术专题[C].北京:2012.

[3]李冉.我国畜禽养殖污染防治现状、问题及政策建议——基于生猪养殖大省湖南的调查[J].经济研究参考,2013(43):41-46.

[4]陈天宝,万昭军,付茂忠.基于氮素循环的耕地畜禽承载力评估模型建立与应用[J].农业工程学报,2012(1):193.

[5]苏文幸.生猪养殖业主要污染源产排污量核算体系研究[D].长沙:湖南师范大学,2009.

[6]史常亮,朱俊峰.我国粮食生产中化肥投入的经济评价和分析[J].干旱区资源与环境,2016(9):59.

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1673-4645(2016)11-0024-05

2016-09-27

国家水体污染控制重大专项，农业源控制管理制度与减排政策示范研究（2014ZX07602-004）

李汪晟（1993-），湖南常德人，在读研究生，Tel：18673124591，E-mail：550593667@qq.com*

吴根义（1973-），湖南长沙人，教授，E-mail：wugenyi99@163.com