不同清粪工艺下猪、牛、鸡养殖场粪水和污水厌氧消化技术探讨

郑 苇，刘淑玲，靳俊平

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

不同清粪工艺下猪、牛、鸡养殖场粪水和污水厌氧消化技术探讨

郑 苇，刘淑玲，靳俊平

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381）

通过分析不同清粪工艺下猪、牛、鸡养殖场粪水和污水特征，结合厌氧消化工程案例调研，以及常用消化技术特性分析，提出了猪粪水宜采用USR（升流式固体反应器）和CSTR（全混合固体反应器）厌氧技术处理；牛粪水宜采用USR、HCPF（塞流式消化器）和CSTR厌氧技术处理；鸡粪水宜采用CSTR厌氧技术处理；干清粪的污水和水冲粪粪水经固液分离后的污水宜采用UASB厌氧技术处理。

干清粪；水冲粪；粪水；污水；预处理；厌氧消化

我国禽畜粪便产生量巨大，虽然HJ 497—2009畜禽养殖业污染治理工程技术规范、NY/T 1220.1—2006沼气工程技术规范第1部分 工艺设计和GB/T 51063—2014大中型沼气工程技术规范对禽畜粪水和污水厌氧消化做出了统一的规定，但并未针对不同禽畜粪水特征，分析适宜的厌氧消化技术。笔者分析了不同畜种粪水和废水特征，调研了国内养殖场消化工程案例，结合常用厌氧技术特性，确定了猪、牛、鸡粪水和污水的适宜预处理工艺和厌氧消化技术。

1 我国养殖业粪水和污水产生量估算

1.1 不同清粪工艺下各类禽畜粪水和污水产生量

目前，养殖场的清粪工艺包括水泡粪、水冲粪和干清粪3种。水泡粪工艺指在畜禽舍内的排粪沟中注入一定量的水，将粪、尿、冲洗和饲养管理用水一并排放至漏缝地板下的粪沟中，贮存一定时间（一般为1～2个月）、待粪沟填满后，打开出口闸门，沟中的粪水顺粪沟流入粪便主干沟后排出的清粪工艺。水冲粪工艺指畜禽排放的粪、尿和污水混合进入粪沟，每天数次放水冲洗，粪水顺粪沟流入粪便主干沟后排出的清粪工艺，最终产生粪水。干清粪工艺指畜禽排放的粪便一经产生便通过机械或人工收集、清除，尿液、残余粪便及冲洗水则从排污道排出的清粪工艺，最终产生鲜粪和污水。由于水泡粪工艺中，粪便长时间停留在饲舍中，产生大量的有害气体，如H2S、CH4等，恶化舍内空气环境，危及动物和饲养人员的健康，使用较少。因此，目前我国养殖场的主要清粪工艺为水冲粪和干清粪2种。

我国主要养殖的禽畜包括猪、牛、羊、家禽等。羊和牛都属于食草类禽畜，其养殖场产生粪水和污水性质类似，可相互借鉴。家禽中以养鸡为主，养殖规模大于家禽总养殖规模的50%。因此，猪、牛、鸡养殖场水冲粪粪水产生量和干清粪污水产生量见表1。

表1 不同清粪工艺下各类禽畜粪水和污水产生量

表1中禽类的尿与粪在泄殖腔内混合后，排出体外，无单独的尿液产生量。水冲粪粪水产生量和干清粪污水产生量为平均参考值，各类禽畜干清粪污水量仅为水冲粪粪水量的50%左右。羊的粪、尿、冲洗水量按肉牛量的10%计。

1.2 我国养殖业粪水和污水产生量预测

根据中华人民共和国国家统计局网提供数据，近10 a我国猪、大牲畜、羊、家禽的存栏量分别稳定在 （45 915±1 699） 万只、 （12 137±176）万头、 （28 875±968） 万只、 （531 720±15 802）万羽［1］。根据上述数据，结合表1参考值，预测我国养殖业污染物产生量如表2所示。可见，我国禽畜年鲜粪便产生量高达3.03×109t/a，与唐艳芬等［2］报道我国畜禽养殖业鲜粪便排放总量3.264×109t/a相近。2010年的《全国第一次污染普查公告》中指出，畜禽养殖业排放的COD总量高达1.2×107t，占全国化学需氧量排放总量40%左右，氮和磷污染物排放为1.024 8×106t/a和1.604×105t/a，分别占全国氮和磷排放总量的21.7%和37.9%。畜禽养殖业粪便已成为我国重要的污染源。

表2 我国养殖业污染物年产生量预测结果

2 猪、牛、鸡粪水和污水特征

养殖禽畜种类不同和采用的清粪工艺不同，都会导致最终收集的禽畜粪水性质迥异。由于干清粪的清粪工艺，粪不进入污水中，从而可极大减小污水中COD、BOD、SS、NH3-N等污染物含量。不同禽畜采用不同清粪工艺获得的粪水和污水的性质特征见表3。从表3可见，猪和鸡粪水和污水污染物浓度相近，牛粪水和污水污染物浓度较低。另外，猪、牛、鸡粪水物理特征与其食物息息相关，具体特征见表4。

表3 猪、牛、鸡粪水和污水特征

表4 猪、牛、鸡粪水的特征比较

3 我国猪、牛、鸡养殖场厌氧消化工程案例分析

依据禽畜种类不同，清粪工艺差异，厌氧物料进料区别，我国的禽畜粪便沼气发酵工程选择了不同的预处理工艺和厌氧消化反应器形式。我国各类禽畜粪便沼气发酵工程案例总结见表5。

表5 猪、牛、鸡粪便沼气发酵工程案例总结

对于猪粪水，由于其中含有较多浮渣和沉渣，常会采用格栅+沉淀法进行预处理；对于牛粪水，常采用绞龙分离机去除长草的预处理工艺；对于鸡粪水，由于其含有大量沉渣，一般皆会设置除砂设施进行预处理。针对干清粪的污水，以及预处理固液分离的污水，常采用UASB进行厌氧消化处理；对于水冲粪的粪水常采用HCPF、USR、CSTR厌氧处理。

4 猪、牛、鸡粪水和污水厌氧消化适宜技术分析

厌氧消化技术是一种废弃物资源化，有效利用生物质能的常用技术，常用于我国养殖场废物处理。HJ 497—2009畜禽养殖业污染治理工程技术规范建议：禽畜粪水的厌氧生物处理，厌氧反应器宜选用全混合厌氧反应器（CSTR）、升流式固体反应器（USR）和塞流式消化器（HCPF）。禽畜污水的厌氧生物处理，厌氧反应器宜采用升流式厌氧污泥床（UASB）。根据GB/T 51063—2014大中型沼气工程技术规范对各类消化反应器进料TS和SS含量要求：HCPF进料适宜TS为10%～15%；CSTR进料适宜TS为6%～12%；USR进料适宜TS为≤6%；UASB进料适宜SS为≤1 500 mg/L。

因此，结合猪、牛、鸡粪水和污水特征（见表3和表4），USR技术进料要求TS略低，未反应完全的生物固体和微生物靠自然沉淀滞留于反应器内，可消化高悬浮物原料，如猪、牛粪水。

HCPF技术适宜处理质轻、浓度高、长草多的牛粪水，并在实际工程案例中广泛应用（见表5）。由于鸡粪水中沉积物较多，且密实，容易形成大量的死区，严重影响消化器效率，不宜采用HCPF反应器。猪粪中沉积物量虽少于鸡粪，但也不少，也不适于采用HCPF反应器进行处理。

CSTR技术是目前适用最多，适用范围最广的反应器。虽然该种反应器能耗较大，其应用受到一定制约，但由于通过其搅拌和排渣系统的改进，很容易解决顶部浮渣结壳、底部沉渣累积的问题，因此广泛适用于猪、牛、鸡粪水的厌氧消化处理。

UASB技术适用于可溶性废水处理，要求较低的SS含量，适宜处理禽畜养殖场各类污水，包括干清粪污水以及水冲粪粪水经固液分离获得污水。

综上，CSTR技术适宜处理猪、牛、鸡水冲粪粪水；USR技术适宜处理猪、牛的水冲粪粪水；HCPF技术适宜处理牛的水冲粪粪水；UASB技术适宜处理猪、牛、鸡干清粪的污水和水冲粪粪水经固液分离后的污水。

5 结论

1）猪粪水预处理宜采用格栅+沉淀工艺，厌氧宜选择USR和CSTR技术。

2）牛粪水预处理宜采用绞龙分离工艺，厌氧可选择USR、HCPF和CSTR技术。

3）鸡粪水预处理宜采用水解除砂工艺，厌氧宜选择CSTR技术。

4）猪、牛、鸡干清粪的污水和水冲粪粪水经固液分离后的污水厌氧宜采用UASB技术。

［1］ 中华人民共和国国家统计局网［EB/OL］.http://data.stats.gov.cn/search.htm.

［2］ 王宇欣，唐艳芬.大中型沼气工程设计与应用［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.大中型沼气工程技术规范：GB/T 51063—2014［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［4］ 中华人民共和国环境保护部.畜禽养殖业污染治理工程技术规范：HJ 497—2009［S］.北京：中国环境科学出版社，2009.

［5］ 初探规模化养猪水泡粪工艺［EB/OL］.http://wenku.baidu.com/view/2738ac7abb68a98270fefa30.html.

［6］ 张全国.沼气技术及其应用［M］.3版.北京：化学工业出版社，2013.

Anaerobic Digestion Technology of Fecal Water and Wastewater from Pig，Cattle and Chicken Farms with Different Manure Collection

Zheng Wei，Liu Shuling，Jin Junping
（North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.，Tianjin 300381）

We illustrated fecal water and wastewater characteristics from pig，cattle，and chicken farms with different manure collection，investigated anaerobic digestion project cases，and analyzed anaerobic digestion technology peculiarity.Ultimately，the suitable anaerobic digestion technologies were proposed as follows:USR （Up flow Solids Reactor）was suitable for pig and cattle fecal water，CSTR （Continuous Stirred-Tank Reactor）was suitable for pig，cattle，and chicken fecal water，HCPF（High Concentration and Plug Flow Digester）was suitable for cattle fecal water，UASB（Up flow Anaerobic Sludge Bed Reactor）wassuitable for the wastewater of dry collection water and manure cleaning by rinsing water after solid-liquid separation.

dry collection；manure cleaning by rinsing；fecal water；wastewater；pretreatment；anaerobic digestion

X703

A

1005-8206（2017）05-0058-04

2017-08-24

郑苇（1986—），博士，主要从事固体废物处理与处置。

E-mail:zhengweijlu@sina.com。