规模化猪场不同粪污处理的机理及经济分析

问 鑫

（北京大伟嘉生物技术股份有限公司，410329）

规模化猪场不同粪污处理的机理及经济分析

问 鑫

（北京大伟嘉生物技术股份有限公司，410329）

随着生猪养殖业的不断发展，由其带来的环境污染已经引起了社会各界的关注。选择一种经济可行的粪污处理模式，是当今养殖业的重要关注点。本文通过对三种主要的规模化猪场粪污处理模式的原理、处理效果及相应的经济效益评价进行详细阐述，旨在通过经济效益层面为养殖户或养殖企业在粪污处理模式的选择上提供一定的参考。

粪污处理；堆肥；厌氧发酵；好氧生物处理；经济评价

1 前言

生猪产业是畜牧业发展的重要组成部分之一，是菜篮子工程的重点项目，同时也是提高人们生活水平、满足市场供应需求、维护国家食品安全战略的重要产业。根据国家统计局的最新数据显示，2015年我国猪肉产量相比2014年下降3.3%，为5487万吨，全年生猪出栏量达到70825万头，同比下降3.7%，年末生猪存量45113万头，下降3.2%，是2009年以来的最低量。造成我国生猪出栏及存栏量下降的主要原因有三个：一是2015年1月1日，新《环保法》正式施行，3月国务院提出农业可持续发展规划，随后农业部提出要对畜禽粪便资源化利用、4月16日，水十条出台、11月28日农业部发布关于促进南方水网地区生猪养殖不佳调整优化的指导意见，同时对一些地区进行了养殖总量的控制，导致了生猪存栏量增长受到抑制。二是随着食品安全事故的不断曝光，消费者对食品安全的日益重视，政府和民众对食品安全都加大了监管力度，导致存在食品安全隐患的猪场逐步被淘汰。三是环保令的强势出现直接导致了猪场环保成本的提高，在此过程中，各猪场也面临着激烈的市场竞争。面临着这三大难题，生猪行业急需转型升级，选择一种效果显著的、低成本的、资源化的粪污处理模式是有效击破限制生猪产业发展瓶颈的重要方式之一。

从文献资料上看，不同的领域的专家对粪污处理模式的优劣有着不同的理解，每个人定义的侧重点不同，总结其不同的理解可以发现，大家对值得推广的粪污处理模式有以下几个要求：投资成本合理、运行成本可控、粪污排放达标、生态平衡、资源可循环利用的高效率粪污处理模式等。国家针对猪场环保提出了许多相应的要求和标准，如：《畜禽场环境质量标准》(NYT/388)、《饲料卫生标准》(GB13 O78)、《病死及死因不明动物处置办法》、《畜禽养殖业排放标准》、《水污染防治法》、《大气污染防治法》、《建设项目环境保护分类管理名录》和《兽药管理条例》等，为猪场环保进行了相应的规范。笔者根据对不同粪污处理模式的进行相应的经济指标进行对比，旨在寻求一种经济可行的粪污处理模式，指导各养殖场根据其自身经济情况和猪场污染情况选择合理的粪污处理模式。

2 猪场粪污处理模式

通过猪场粪污处理模式的作用机理的研究，通常可将其分为物理处理法、化学处理法、物理-化学处理法和生物处理法四类。以物理、化学及物理-化学为原理的处理途径主要有燃烧、固液分离、碱处理、酸化处理、曝气等；以生物方式为原理的处理途径主要有堆肥、人工湿地、厌氧消化和好氧消化等。而在实际应用的过程中，大多是将不同的处理途径结合起来，以达到更加有效的处理粪污的目的，例如，在进行厌氧发酵产生沼气前，大多会采用固液分离将粪便过滤出来，再将剩余粪污进行厌氧处理,厌氧处理后的废液会再次通过人工湿地处理，以达到可排放的标准。目前，比较常用的粪污处理模式一般分为以下几种。

2.1 推肥

堆肥是一种可控制的生物降解和转化过程。通过利用大自然中的细菌、放射菌、菌类等微生物，将废弃物中的有机物通过生物、化学等途径，转换、分解成稳定的腐殖质或土壤改良剂的方法，称为堆肥法。

堆肥过程是一种由多种微生物参与、对畜禽粪便和屠体中有机物进行的复杂生化反应过程。所有影响微生物活性的因素都将对堆肥化进程和产品的质量造成影响，如温度、水分、pH 值、C/N、通气量等。现代化的堆肥技术大多是指好氧堆肥，欧盟定义堆肥化时仅限于好氧堆肥。其是在有氧条件下，堆肥材料中的微生物或额外添加的微生物将有机物转化为二氧化碳和水的过程。与其他粪污处理相比，该模式的占地面积很小，仅为厌氧发酵池的1/10，不但堆肥结束后可用作肥料，资源化利用，同时在堆肥过程中还可有效的减少粪污产生的恶臭，降低大气污染；缺点是需要增氧、通风设施提供好氧条件，此外，堆肥周期长，一般在30-45天左右。Ishii等（2000）通过变性梯度凝胶电泳法（DGGE）对堆肥过程中微生物菌群的变化进行了研究，发现堆肥过程分为四个不同的阶段：常温阶段（0-4d）、高温阶段（4-13d）、冷却阶段（13-32d）和腐熟阶段（32-45d），如图 1 所示。

图1 猪场粪污堆肥原理示意图

2.2 厌氧发酵

厌氧发酵技术在上世纪60年代兴起于国外许多发达国家，对该技术的基础研究、设备研究和技术处理研究方面取得了巨大成功。而我国则是在70年代引进厌氧发酵技术并迅速将该技术的应用向工业化生产模式发展。

厌氧发酵技术的主要原理是：有机物质在特定的厌氧环境下，厌氧微生物将有机物分解，分别转化为甲烷和二氧化碳的过程。厌氧发酵技术是一个复杂的微生物学范畴的过程，在分解有机物质过程中，多种微生物相互作用，共同完成对各种有机化合物分解、消化的过程。不同的研究这对厌氧发酵的原理有不同的看法，但目前被普遍认可的厌氧发酵原理是Brynat在1967年时提出的四阶段理论，即水解阶段、产酸发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如图2所示。

图2 猪场粪污厌氧发酵原理示意图

水解阶段是通过产酸菌水解酶的催化作用，使纤维素、淀粉等的共价键断裂，从而水解为单糖并进一步形成丙酮的过程，水解阶段对有机物组分、环境温度和PH有较高的要求；产酸发酵阶段是在产酸发酵类微生物的作用下将蛋白质水解为氨基酸，形成有机酸的氨，而脂类物质则被水解为甘油、乙酸、丙酸和乙醇等；第三阶段即产氢产乙酸阶段主要由产氢和产乙酸阶段组成，首先产氢菌群将产酸发酵阶段产生的丙酸、长链脂肪酸和乙醇等分解为乙酸、氢气和少量二氧化碳，然后产乙酸菌则可将粪污或有机物中的糖类物质通过糖酵解过程分解为乙酸；产甲烷阶段则是通过产甲烷菌将三阶段的产物氢气、二氧化碳及一氧化碳、甲酸、甲醇等物质转化成甲烷。作为厌氧发酵的最后一个阶段，产甲烷菌的数量、种类、活性对沼气的产气量起到重要作用，因此，在厌氧发酵阶段，控制发酵过程的水分、温度、原料、PH和发酵池的密闭性是厌氧发酵的关键。厌氧发酵过程中的微生物种类复杂，对温度的要求也各有不同，但一般情况下20-35℃的常温发酵最为适宜，尽管发酵温度在52-58℃时，产气效率最高，但有机质的分解也最快，若不能及时供应原料，则产气持久性难以保障，而发酵温度在10℃以下时，则会大大降低产气效率，增加粪污消解的时间。厌氧发酵过程中的关键是维持产甲烷菌的高活性度，而产甲烷菌只有在中性或微碱性的条件下才能适应，因此一般情况下厌氧发酵的发酵液应当控制在6.5-8.0为宜。此外，产甲烷菌是严格的厌氧型细菌，因此控制好发酵池的密闭性也是至关重要的，如果发酵池漏气，则会对产甲烷菌的正常生命活动造成巨大影响。

猪场厌氧发酵液是猪粪、尿及其他生活污水经过厌氧反应，在特定的温度、湿度、酸度等条件下经过发酵后剩余的消化液体，通常被称为沼液。厌氧发酵技术处理规模化猪场粪污，既改善了环境污染，同时又能产生可利用资源，但其因为厌氧发酵过程中产生的大量沼液、沼渣未达到排放标准，同时，发酵完成后的沼液沼渣需要大量的土地和长时间的消纳，因此为许多猪场带来了巨大的困扰。盛婧等（2015）研究了养殖场粪污通过厌氧发酵技术处理后，产生的废弃物所需土地消纳的匹配面积，结果表明，粪污厌氧发酵处理模式下，粮油作物地、果树地、蔬菜地每公顷分别可消纳35-37头、8-17头、53-67头猪产生的粪污。因对沼液的理化特性不了解而导致的盲目施肥或过量施肥的现象比较普遍，导致土壤中的重金属、磷以及硝酸盐的含量超标，造成土壤污染。魏世清等（2014）研究表明，经过厌氧发酵处理的猪场粪污，CODCr的去除率为81.2%-95.0%，BOD5去除率达到了81.3%-96.2%，但沼液中的铜、锌、汞和砷分别超标41%，26.5%，60%和280%。余丹妮等（2015）监控了10个规模化猪场的厌氧发酵粪污处理系统，猪场粪污中的分别为1057.6-3873.7mg/L和1847.8-5515.4mg/L，而经过厌氧发酵处理后的水中的CODCr和BOD5的浓度分别降低至266.7-1420.4mg/L和534.4-2490.2mg/L，降幅分别达到了63.33%-90.09%和54.82%-87.06%，但根据 《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）五日生化需氧量和化学需氧量的排放量不能超过150mg/L和400mg/L。此外，厌氧发酵后产生的废水通常是高氮低碳的废水，在厌氧消化过程中，部分有机氮转化为无机氮，氨氮不但没有消解、降低，反而会增加，高达700-800mg/L。由此可见，仅仅使用厌氧发酵处理猪场粪污，还不足以达到《畜禽养殖业污染物排放标准》，还需进行后续处理。

目前，以厌氧发酵技术为核心的粪污处理工艺主要有“厌氧+还田模式”、“厌氧+自然生态处理模式”和“厌氧+好氧处理模式”。“厌氧+还田模式”是指将厌氧后的沼液直接进行农田灌溉，该模式有污染物零排放、减少土地种植成本、运行成本低等优势，但所需的土地面积较大，以满足对废液的消纳和有害气体释放等大气污染问题。“厌氧+自然生态处理模式”是指将固液分离、厌氧发酵后的沼液和沼渣通过人工湿地、氧化塘等系统进行处理。该模式比较适用于清粪工艺为干情粪，用水量小的小规模猪场，此外在气候温暖，土地面积宽广且租赁成本低的地方更适合该处理模式。但该模式在冬季时受气温影响大，处理效果差，并且存在污染地下水的风险。从处理效果、占地面积、受气候影响小等角度来说，“厌氧+好氧处理模式”具有明显优势，但该模式具有投资大、能耗高、运行费用高、设备维护管理成本高等制约因素，更适合规模较大的猪场采用。

2.3 好氧生物处理

规模化猪场粪污废水处理主要是利用环境微生物采取生物处理技术，鉴于微生物代谢过程中对氧气的不同需求情况及代谢过程，可将其分为：好氧微生物、厌氧微生物和介于两者之间的兼性微生物。因此，采取的生物处理技术也相应分为好氧生物处理、厌氧生物处理和兼性生物处理。

好氧生物处理工艺是好氧微生物和兼性微生物联合利用废水中的有机物，在生物酶的作用下进行生化反应，将有机物最终转化为CO2、H2O、NH3或 NO2、NO3、磷酸盐和硫酸盐等，微生物从被彻底分解的有机物中获取能源来不断繁殖。好氧处理过程基本无害、不产生臭味物质、有机物转化速率快、处理时间短和效率高。好氧生物处理分为：活性污泥法和生物膜法；近年来规模化猪场粪污废水处理使用的典型好氧生物处理法有：氧化塘、生物转盘 （Rotating Biological Contactors，RBC）、间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactors,SBR）膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）。

氧化塘源于荷兰，又叫氧化渠，是活性污泥法的一种。氧化塘通常为椭圆、封闭的沟渠；其核心工艺在于对污水的处理为循环混合流动式的。一般采用低负荷延时曝气方式进行，不断进出水，不设置初级沉淀池；在曝气装置中，通过定位处理后污水和活性污泥混合液，表现出曝气和推动，在封闭的渠道里发生持续的循环流动，使污泥呈悬浮状态，便于与污水混合，最终经过二级沉淀池/固液分离器来实现泥水的分离，提高污水净化的效果（段琦琦，2016）。常用的氧化塘类型有：卡罗赛尔式（Carousel）氧化塘、奥贝尔（Orbal）氧化塘、合建式氧化塘（包括BMTS式、船式和侧沟式）、交替式（A、D、VR和T型）和半交替式氧化塘（DE型）。目前氧化塘技术在处理猪场污水方面得到有效的应用。刘建国等（2004）采用T型氧化塘工艺处理规模化猪场粪水时发现，当反硝化与硝化时间比为0.40时，出水水质中COD、BODS、NH3-N和SS含量均能达到排放标准，且对高浓度氨氮猪场粪水脱氮效果较好。张增胜等（2013）研究发现，采用氧化塘/人工湿地复合系统可使养殖池水体中COD、TN、TP、SS和叶绿素a的去除率达到(38.3%～59.4%)、(20.5%～60.2%)、(43.9%～58.7%)、(66.7%～95.2%)和(15.7%～50.7%)，且夏季效果更为明显。随着对出水水质的严格要求，污水处理技术不断发展，氧化塘的工艺不断改进，且还与其他粪污处理技术进行组合，以达到更好的去污效果。

生物转盘是从60年代开创到现在的工艺，是一种高效的生物膜法处理废水技术。生物转盘是由盘片、接触反应槽、转轴和驱动装置组成 （图3）。在接触反应槽中注入污水、驱动转置驱动转盘使盘片交替和空气与污水接触，一段时间后盘片上附着含大量微生物的生物膜，生物膜交替和空气与污水接触，从中不断获得氧气和污染物，由好氧菌将其分解；随膜厚度的不断增加，因膜与盘转动产生的切应力，流动水层将不断增厚的生物膜冲走以长新的生物膜，以此往复来达到净水的目的。崔东亮等（2016）发现，转盘是作为生物转盘的核心部件，其材料品质严重影响去污率，聚乙烯网状材料作为转盘挂膜材料具有较好的实用性。韦真周等（2016）运用生物转盘工艺对污水中COD、SS、NH3-N和TP的除率分别是85.47%、94.68%、84.48%和78.33%。

图3 生物转盘构造图

间歇式活性污泥法又称序批式活性污泥法，是由活性污泥法曝气池、沉淀池、污泥回流和剩余污泥排除系统组成。污水和活性污泥进入曝气池成混合液，进行曝气（活性污泥与污水充分接触，吸附污水中的悬浮和胶体物）并通入足够的溶解氧气，微生物氧化分解污水中的有机物后混合液进入二沉池，采用重力沉淀法去除有害菌体，使活性污泥与澄清水分离，部分活性污泥不断回流到曝气池，澄清水流出。SBR工艺常用于处理猪场沼液，在较低氨氮浓度（NH3-N为250 mg/L）的沼液中，可直接采用SBR工艺，NH3-N去除率可达到90%。但当氨氮浓度大于500 mg/L时，去除效果难以达到预期。为了达到更好的污水处理效果，多采用组合方法和工艺处理粪污。林霞等（2015）研究发现，若直接采用SBR工艺处理ABR消化液，COD去除率范围在30～60%，NH3-N可达到70%以上，但与排放标准相比仍有一定差距。而使用组合工艺pH调节-曝气吹脱-沉淀-SBR处理厌氧工艺ABR消化液时，出水水质可达到排放标准。邓良伟（2001）采用水解-SBR工艺处理规模化猪场粪污试验发现，水解(HRT=2.0～6.0h)对猪场粪污中SS、COD、BOD5及TP去除效果较好，SBR工艺对水解后NH3-N去除能力相当高。

3 猪场不同粪污处理模式的经济分析

规模化猪场粪污防治项目在前期的建设及后期的运行过程中，选择经济效益合理的技术是减少猪场对周边环境污染的必要条件。如果粪污防治的前期投资建设成本过高，会导致企业无法承担高额的建设费用；而如果粪污防治的运营成本过高，会影响该技术的持续性使用，企业依然难以承担。

根据经济评价体系可将粪污处理项目分为投资成本、运行成本及运行效益三个方面作为经济效益评价的指标，如图4所示。投资成本，即项目设计、基础建设、设备安装、工艺选择等方面投入的资本；运行成本，即项目运行过程中产生的人工成本、设施运行成本、设备折旧成本、设备维护成本等正常费用，运行成本的多少决定了该项目的可持续性；运行效益，即在项目运行过程中，产生的一些可利用资源转化为一定的经济效益。

图4 经济效益指标组成

堆肥模式的成本主要来自于运营成本和管理成本两方面，其中运营成本包括了原料、设备控制、设备维护、场地等；管理成本则包括了堆肥的生产记录、供应商谈判和销售记录等。而堆肥模式的主要经济效益则是通过出售有机肥料所获得的利润，有机肥不仅可用于农作物的使用，还可用于果木、花卉的种植，销售渠道广泛。根据畜禽粪便排泄系数可知，一头猪每天产生粪便2.0kg，排泄尿液3.3kg，根据其饲养周期199天计算，每头猪每年产生粪便为398kg，排泄尿液为656.7kg。谭小琴（2003）测定了一个年出栏万头猪场的堆肥模式的经济效益，该猪场（存栏5000头），每年约产生干粪3300吨，采用干清粪工艺则每天产生的污水总量为40吨，每年产生污水总量为14600吨。根据该实验的研究结果，1吨秸秆可处理9.5吨粪污，同时可产生0.45吨有机肥，而该猪场一年可消耗1500吨秸秆并产生1550吨有机肥，除去折旧、维修、电费、人工费、秸秆原料费、销售、管理等费用成本，生产1吨有机肥的成本为231元，而有机肥的市场价格则为300元/吨，则每吨有机肥可获利370元左右的利润，年利润达到10万余元。

与堆肥模式相比，厌氧发酵的运营环节相对来说更加复杂，因此，厌氧发酵模式的投资成本、运营成本及管理成本比堆肥模式的成本高，主要来自于设备购买、设备维护、设备管理及人员成本。但与此同时，厌氧发酵模式的效益来源更加多样化，包括沼气产热、沼气发电、沼液和沼渣制作的肥料等。Nolan等（2012）调查了英国某500头母猪场采用厌氧发酵粪污处理模式产生的效益，通过沼气发电，该猪场每天可得利润为188欧元/天，年收益约为6.8万欧元，通过沼气产热每天可节约46.5欧元，每年可节约燃气或汽油消耗约1.7万欧元。程璜鑫（2013）调查了湖北某3000头母猪场的厌氧发酵模式的投资成本和经济效益，该场在沼气工程系统及猪场内排污系统改造、沼液贮存和输送管网等环节共投入360万元，因此带来的相关经济效益有两个方面：沼气，该猪场每天可产生沼气1840m3，用于猪场内部的取暖和发电，每年可减少135万元左右的燃煤和电费；沼渣，通过厌氧发酵工程后的沼渣作为有机肥，每年可产生41.5万元的经济效益。尽管前期投资较高，但根据调查可知，该猪场的环保投资2-3年即可全部收回并产生持续的经济效益。

好氧生物处理模式的投资成本与运行成本与厌氧发酵模式相似，都比堆肥模式更加复杂，但好氧生物处理在运行成本尤其是管理成本和技术人员成本等方面要低于厌氧发酵模式。而在运行效益方面，好氧生物处理没有例如有机肥、沼气、沼液等直接产生效益的资源，其在运行效益方面，更多的是通过将处理后的废水用于农田灌溉并因此减少农田本身所用的水及肥料或是用于种植青饲料喂猪节约饲料而产生的间接效益。某500头母猪场采用了好氧生物处理猪场粪污并将处理后的废水用于灌溉农田，每年可节约5万元的化肥成本。辽宁丹东某猪场将好氧处理后的废水灌溉串叶松香草并将其用于喂猪，1头猪可节省精料25kg，约40余元，年出栏万头猪场产生的间接效益则达到了40余万元；厦门某养殖公司用废水灌溉种植的狼尾草做成青饲料喂猪，每头猪每天可减少精料饲喂0.5-1.0kg，且猪只健康程度提高，减少了添加剂和药物的使用，平均每头猪的毛利可提高40.54元，该年出栏万头猪场种植了6.7公顷狼尾草，每年节约开支40万元左右。连海明（2010）对比了堆肥模式、厌氧发酵模式和好氧生物处理模式的经济效益分析并将各模式的收益按照每头基础母猪来折算，结果表明，同样规模的猪场采用堆肥、厌氧发酵、好氧生物处理的模式下，每头母猪产生的效益分别为76.9元、39.8元和87.04元。

综上所述，堆肥模式通过有机肥产生的效益虽然较低，但由于其投资成本小，管理环节简易，所以堆肥模式的经济效益居中；厌氧发酵模式虽然可通过沼气发热、沼气发电、沼液施肥等方面产生经济效益，但因其前期投资成本高，管理过程复杂以及土地对沼液的消纳能力有限等因素的影响，该模式产生的经济效益最低；而好氧生物处理模式投资成本、管理成本和运行后的间接效益相抵消后，产生的经济效益最优。

4 小结

对规模化猪场的不同粪污处理模式的经济评价是最直观的一种评价方式，也是各个养殖公司、环保公司最关注的。但是仅仅通过经济效益层面去判断一种粪污处理模式还是非常片面的，粪污处理的核心在于它对粪污处理的效果，其次才是粪污处理后产生的额外效益。因此评价不同的粪污处理除了从经济层面判断外，还应当从环境层面、技术层面、社会层面等综合判断，不仅要考虑粪污处理带来的效益，同时也应当综合考虑能源耗竭、全球变暖、环境酸化、富营养化、技术可靠性、操作安全性、资源化、减量化和公众满意度等多个角度综合判断。因此，如何制定一套全面的规模化猪场粪污处理模式综合评价体系，是未来养殖业工作的重点。

（略）