我国猪粪资源化利用技术研究与探讨

刘茹飞

（中国城市建设研究院有限公司,北京100120）

我国猪粪资源化利用技术研究与探讨

刘茹飞

（中国城市建设研究院有限公司,北京100120）

生猪养殖业发展的同时，产生的猪粪带来了严重的环境污染问题。论述了我国猪粪常见的资源化处理技术——有机肥化技术、饲料化技术和能源化技术，重点分析了猪粪厌氧消化产沼气的研究现状以及工程应用现状，并提出问题及建议，为猪粪厌氧产沼气资源化工程应用提供参考。

猪粪；资源化；厌氧消化

近年来，经济不断发展，人民群众对猪肉等肉制品需求不断增加，养殖规模逐渐提高，与此同时猪粪产量也不断增大，未有效处理的猪粪对环境造成严重污染[1]。国家高度重视禽畜粪便的处理和资源化，关系农村生活环境，关系农村能源革命，关系能否改善土壤。猪粪的处理方式包括有机肥化、厌氧产沼气资源化等，其中厌氧产沼气处理方式不仅能避免猪粪污染环境，还可以得到沼气清洁能源，沼渣沼液经过处理后可作为农作物肥料，实现废物循环利用[2]。对于猪粪的厌氧消化研究不断深入，通过总结分析目前猪粪厌氧消化的研究现状和问题，旨在为猪粪厌氧产沼气资源化工程应用提供参考。

1 猪粪规模

根据2016年中国统计年鉴，2015年猪肉产量5 486.5万t[3]。按照相关方式估算，2015年全年排放粪便量（包括尿液量）达到65.54亿t，其中猪粪35.61亿t，比重超过50%。

2 猪粪的理化性质

猪粪含有丰富的营养物质，详见表1[4]。

表1 猪粪的养分含量 干基：%

3 猪粪的利用途径

提高规模化养猪养殖效率的同时，增大了环境污染的压力，现代饲料配制和养殖方式使得养殖户过分追求生产性能的最大化，而没有考虑营养过剩问题[5]，规模化养殖一般采用较先进的生产设备，每天用水冲洗粪污会产生大量的猪粪污水[6]。猪粪中Zn，Cu，Mn和As的平均含量分别高达1 064.00，1 018.00，659.90，59.96 mg/kg，长期施用猪粪使得土壤中重金属均有不同程度增加，对农产品和生态环境存在潜在风险[7]。猪粪还含有一定的致病菌，还可以造成一定程度温室效应[8]。虽然猪粪是环境污染的源头之一，但如果进行合理处置，就可以资源化利用，对猪粪的利用方式主要包括有机肥化、饲料化和能源化[9]。根据估算，每年产生的畜禽粪便全部厌氧消化可产生1 300亿m3的沼气，其中猪粪约可产生700亿m3的沼气，若将畜禽粪便中的N，P，K全部转化为肥料，共可提供N量3 675万t，P量735万 t，K量2 273万t[10]。猪粪约可提供N 量1 488万t，P量640万t，K量800万t。

3.1 有机肥化

我国是传统的农业国家，猪粪在相当长时间内都被直接施用或简单堆沤后施用于农田。在农田施用猪粪，可以有效地减少化学肥料的用量，降低成本，还能增加土壤有机质，提高土壤肥力，实现减肥增效和农田可持续利用[11]。但由于该方法不易掌握用量，在一定程度上限制该方法利用，而且容易造成面源污染。堆腐后再利用的形式逐渐被重视，堆肥就是在人为控制的条件下将猪粪与秸秆等按照一定的比例堆积，满足水分含量及pH值等参数要求，对粪便进行腐解，作为有机肥施用，但该方法占地面积大，臭味易影响环境。

3.2 饲料化

畜禽粪便不仅可以作为有机肥料，由于畜禽粪便中含有未消化的粗蛋白、粗纤维、粗脂肪和矿物质等，也可以作为畜禽的饲料来源。江传杰[12]等研究指出，畜禽粪便肥料化利用一段时间内是世界各国处理畜禽粪便最常用的方法。由于鸡粪营养成分高，这种方式一般适用于鸡粪，猪粪饲料化产品一般用于喂鱼[13]，但该方法必须做好防疫，避免疾病的发生和传播。

3.3 能源化

猪粪在能源方面的应用也日趋成熟。其中，厌氧消化产沼气是能源化的重要方式。经过厌氧消化，不仅可以消除畜禽粪便中的臭气、杀死寄生虫卵[14]，并且发酵后的沼渣沼液可综合利用，制作成优质的花卉肥、鱼饵和饲料添加剂等，更重要的是厌氧消化可以在消除畜禽粪便对环境污染的同时，得到可利用的清洁能源和物质。

王永成[15]研究了在不同温度条件下猪鸡粪混合厌氧消化的产气性能，结果表明，35℃下猪鸡粪2∶1组、鸡粪组以及猪鸡粪1∶1组的产气性能要优于其他温度下的其余各组，猪粪的加入提高了鸡粪的厌氧消化性能。罗娟等[16]研究了猪粪、牛粪和羊粪3种畜禽粪便的产气特性，结果发现猪粪是3种粪便中产气效果最好的，其干物质产气量可以达到375.5 mL·g-1，而牛粪和羊粪的产气量相差不大。陈智远等[17]分别对猪粪、鸡粪和牛粪进行了厌氧发酵产气性能研究，研究结果表明，3种粪便厌氧发酵在35℃条件下具有明显的厌氧发酵产气优势，温度越低，日产气高峰到来的越晚，总产气量也越小。

关于猪粪的厌氧产沼气的相关研究非常多，国内外关于猪粪厌氧产沼气的工程应用也很多，中国农业大学生物质中心生物天然气中试平台项目（猪粪+玉米秸秆），设计每天产气5 000 m3。中粮肉食（江苏）有限公司金东台农场大型沼气工程，处理规模1 284 t猪粪，发电34 000 kW·h/d，产生的沼液用于周边农田灌溉和改良[18]。在实际工程应用中，规模化及原料稳定性一直是影响工程效果的重要因素，这也导致一些规模较小的项目无法正常运行，很多学者提出将其他物料与猪粪混合厌氧消化的解决思路。

张东旭[19]研究了水葫芦和浮萍与猪粪混合厌氧发酵的产气情况，结果表明，水葫芦与猪粪混合的C/N为18.8时，沼气中的平均甲烷含量可以达到65.1%，当浮萍与猪粪以干重的 1∶1混合，有机负荷为3.5 g（VS）/L/d 时，其 VS 产气率可以达到 0.31 L·g-1，并且与单一猪粪相比，混合厌氧消化的消化性能较优。Wu X等[20]研究了猪粪与玉米秸、燕麦秸和麦秸分别混合厌氧消化的产气性能，批式反应在37℃下进行，设计了3 种 C/N（16，20，25），产气周期为 25 d。研究结果表明，猪粪与玉米秸混合厌氧消化取得了最好的产气效果，其沼气产气比纯猪粪的高出11.4倍，生物气中甲烷含量达到68%。Pornpan Panichnumsin等[21]人研究了木薯纸浆与猪粪混合厌氧消化的产气性能，研究发现，混合厌氧消化可以得到较高的产气量和VS去除率，当木薯纸浆所占的比例为60%时，沼气产量比单一猪粪的高出41%，单位VS产气量和VS去除率最大值为306 mL·gVS-1和61%，此时也获得了较高的系统稳定性（VFA：碱度<0.1）。Elena Comino等[22]人研究了青贮农作物和牛粪在35℃下中温厌氧消化的产气性能。实验设计了3种VS比例：90%青贮农作物+10%牛粪；80%青贮农作物+20%牛粪；70%青贮农作物+30%牛粪。研究结果表明，当农作物所占的比例为70%时，其产气量比单一牛粪的高出109%，而青贮农作物的比例继续提高到80%时，厌氧消化体系所产沼气中的甲烷含量下降到48%。反应体系中的有机负荷的变化范围为 4.45～7.78 gVS·（L·d）-1，平均单位 VS 产气量达到了 237～249 L（CH4）·kgVS-1。庞艳[23]对厨余垃圾与猪粪进行混合中温厌氧消化试验，半连续与序批式进料条件下，混合物料厌氧产气性能都有一定程度的提高。耿晓丽[24]研究表明序批式进料方式下，500 mL猪粪为底物的中温厌氧消化可承受更高的渗滤液有机负荷，达到良好产气效果。朱圣权[25]猪粪厌氧研究采用干式消化工艺，消化时间为20～22 d时，产气量最高，有节约用水、产气率高等优点。结果都表明，猪粪与其他物料混合厌氧消化产气量及甲烷含量等指标都优于单独猪粪厌氧消化，混合物料包括秸秆（麦秸、玉米秸、稻草）、粪便、餐厨垃圾等常见农村及城市有机废弃物[26-32]。

4 猪粪厌氧消化沼气工程现状

我国猪粪的厌氧消化工程获得很大的发展，主要分为农村小型沼气工程和规模化养殖大型沼气工程。目前，共有沼气工程30 000处，年产沼气约100 000万m3[33]。大部分工程以禽畜粪便为原料，一般采用单独鸡粪、猪粪、牛粪原料中温全混厌氧消化，其中猪粪是最常见的原料[34-36]。比如北京德青源沼气工程以鸡粪为原料，中粮肉食（江苏）有限公司金东台农场大型沼气工程以猪粪为原料，很多农村小型沼气工程也主要以单独物料为原料。在具体实践中，也会适当地补充其他禽畜粪便或者是秸秆共同厌氧消化，产气性能也比较好。但高温厌氧消化、干式厌氧消化、猪粪与污泥、猪粪与餐厨垃圾、猪粪与厨余垃圾等物料共同厌氧消化工程应用很少[37]。

5 猪粪厌养消化沼气工程存在问题及建议

5.1 存在问题

我国沼气工程建设相对德国、丹麦等欧洲沼气工程发达国家起步较晚，工艺设计及运行经验等方面相对不足，虽然我国沼气工程取得了很大成就，但现有沼气工程仍存在一些需要解决的问题[38-40]。

5.1.1 设备问题

国内部分沼气工程设备质量良莠不齐，无法满足沼气工程耐压、耐水、耐腐蚀的要求。部分业主只注重价格，不注重质量，部分企业存在价格垄断、恶性竞争的现象。少数质量好的产品价格高，与进口设备相比竞争力弱，以上种种原因导致实际使用的设备使用寿命短、故障率高，最终使得沼气工程无法正常运行。

5.1.2 工程建设问题

沼气工程投资大，养殖企业本身投资意愿不强，也难以吸引其他投资。而且部分沼气工程部分未经正规设计单位进行设计，还有些工程设计存在很多不合理现象，工程的产气效果与设计值偏差严重，我国沼气理论研究工程化转化低，从业公司技术实力薄弱，有效人才缺乏，这些原因都导致工程产气效率低甚至后期无法正常运行。

5.1.3 沼气、沼液和沼渣利用问题

沼气是最有利用价值的清洁能源，但我国沼气工程规模偏小，产气效率低，热电联产比率低。很多工程冬天只能停止运行，同时由于上网手续复杂，沼气发电上网比率特点低，沼气发电量只有德国的1%。沼液和沼渣的利用受到技术和周边农田情况的限制，无法充分发挥沼液沼渣还田的综合效益。

5.1.4 政策问题

国家对禽畜粪便处理及沼气工程有相关的优惠政策。但政策的激励制度非常有限，而且政策注重建设补贴，而忽视运行监管，发电上网手续要求高，程序复杂。沼气工程行业缺乏系统的规范和标准，同样也缺乏有效的监督管理机制。

5.2 发展建议

5.2.1 加快规范化和标准化建设，制定沼气工程项目管理制度和办法，严加控制设计单位和施工单位资质选定及施工管理，强化安全管理。提高沼气工程资金补贴力度，细化考核方案和奖励机制，重视运行效果，简化沼气发电上网手续，降低准入门槛，强化主管部门监管，提高工程建设积极性，确保工程质量。

5.2.2 鼓励企业自主创新研发，提高沼气工程相关设备的国产化程度和质量水平，降低成本，鼓励科研机构与企业深度合作，加强科研成果工程化转化。探索新物料混合及新方式产气效果工程应用。

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Research and discussion on resource utilization of pig manure in China

LIU Rufei
（China Urban Construction Design＆ Research Institute Corporation Limited,Beijing 100120,China）

With the development of pig breeding industry,pig manure produced serious environmental pollution problems.By reviewing the common Chinese resource treatment technology for pig manure including fertilization technology,feed processing technology and energy technology,this paper mainly analyzes research status and engineering application status of biogas production from pig manure by anaerobic digestion.Then,problems and suggestions were put forward to provide reference for the application of biogas production from swine manure by anaerobic digestion.

pig manure;resource;anaerobic

X713

A

1674-0912（2017）06-0024-04

2017－06－01）

废钢铁产业一体化发展座谈会在湖北召开

刘茹飞（1987-），男，山西人，硕士研究生，工程师，专业方向：固体有机废弃物资源化。

简讯

2017年5月16日，中国废钢铁应用协会在湖北省麻城市组织召开废钢铁产业一体化发展座谈会，工业和信息化部节能与综合利用司、中国钢铁工业协会有关同志，以及来自葛洲坝兴业、安徽诚兴等20余家废钢铁加工企业，宝武、沙钢等10余家钢铁企业的代表参加会议。会议围绕废钢铁加工产业发展面临的挑战和机遇、提高产业创新能力和管理水平、废钢铁加工企业做大做强等进行了交流讨论，并结合产业发展实际，就推动废钢铁加工产业实现一体化、规范化发展提出了意见和建议。