江西省规模化养殖场调查及沼液理化性质研究

李生　郑林　张英　陆远鸿

摘要针对规模化养殖场粪污处理等一系列农村环境污染问题，以江西省8家规模化养殖场及场内沼气工程为研究对象，获取各养殖场及沼气工程的基本信息，并对养殖场内大气环境进行了监测。同时，采集进料池、发酵罐和沼液池料液样品，对所采集料液的理化特性进行检测和分析。结果表明：沼气工程设计施工规范，配套设施较齐全，主要以畜禽粪便为原料，但进料料液总固体（TS）<3%，以低浓度发酵为主。发酵温度以中温发酵为主，由于冬季气温偏低，难以达到中温发酵标准（25～40℃）。沼气利用方式单一，且沼气产量存在季节差异，夏季沼气产量高，冬季产气量低。沼液、沼渣综合利用配套不足，且利用方式不规范。养殖场恶臭污染物浓度下风向高于上风向，冬季高于夏季，夏季和冬季NH₃和H₂S浓度日均值分别为0.078和0.011mg/³，0.104和0.016mg/³，均低于国家规定的限值。自进料池到沼液池料液pH处于7.2～7.4，呈中至微碱性，经厌氧发酵后沼液中NH₄-N、总氮（TN）和化学需氧量（COD）含量分别>400、>800和>1400mg/L，养分含量仍然非常高。该调查结果可为规模化养殖场及沼气工程的健康运行与发展提供参考。

关键词 规模化养殖场；沼气工程；沼气；沼液；理化性质

中图分类号 S216.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）11-0180-05

近年来，我国规模化养殖发展迅速，散户养殖规模逐渐减小，规模化畜禽养殖逐渐成为目前我国畜禽养殖的生产主体。数量庞大的规模化养殖场，带来了畜禽养殖粪污处理等一系列农村环境污染问题。沼气工程是一项提供清洁能源、潜力巨大的生物质能源工程，可以作为处理规模化畜禽养殖场粪污的一个重要途径。靳红梅等和叶小梅等、林惠花等、姚利等分别对江苏省、福建省和山东省规模化养殖场及沼气工程运行状况进行了研究。

江西省是全国畜禽养殖大省之一，在我国畜禽养殖业中占有重要地位。据2014年统计数据，有规模畜禽场（户）2.5万个，其中年出栏500头以上的生猪规模养殖场1.3万个，生猪出栏3326万头，存栏1943万头，牛出栏150万头，存栏332万头。截至2014年，江西省农村沼气用户保有量达196万户，小型沼气工程5793处，大中型沼气工程1278处，总容积达132万³，年产沼气6.2亿³，减排CO₂110万t。目前，有关江西省规模化养殖场及沼气工程运行状况的报道尚少，对于已建成的规模化养殖场及沼气工程运行状况研究更少。为此，笔者对江西省典型的8个规模化养殖场及场内沼气工程进行调研和采样分析，旨在了解养殖场及沼气工程运行状况，对其进行初步评估，以提升养殖场建设和沼气工程实施能力，改善运行效率，为江西省规模化养殖场及沼气工程建设的健康发展提供借鉴与参考。

1材料与方法

1.1调查与采样 于2016年7月和12月，分2次对江西省8个规模化养殖场及场内沼气工程进行调查取样。其中养猪场7个，年存栏量在2000头以上，出栏量在5000头以上；肉牛场1个，年存栏量超过1000头，出栏量超过3000头。所调查的沼气工程运行时间均大于2年，且规模在300m³以上，其中800m³以上有5个。调查内容主要包括：养殖场及沼气工程基本建设和运行情况、养殖场空气质量。此外，分别在进料池、发酵罐和沼液池取样带回实验室测定，分析从进料池到出料池（沼液池）料液酸碱度（pH）、总固体（TS）、挥发性固体（VS）、氨氮（NH₄-N）、总氮（TN）、化學需氧量（COD）变化情况。

1.2取样方法 养殖场大气（恶臭污染物）监测：分别在养殖场上风向（1个）和下风向（2个）布点，各监测点间距约50m，用空气自动采样器连续4h采集空气，并密封于空气采集瓶内送往实验室分析。进料池样品：取自进料池，取样前开机搅拌5min，用水样采集器采样；发酵罐样品：取自发酵罐沼液排放口，采样前打开阀门放液2min，以保证所取沼液纯度，沼液池样品为厌氧发酵罐直接排放出的沼液。所有采集的液体样品装入500mL聚氯乙烯（PVC）瓶，密封保存。养分指标无法一次性测完的样品加入浓H₂SO₄酸化至pH≤1，放入便携式冰箱中，带回实验室，于0-4℃条件下保存。

1.3测定方法 氨气（NH₃）采用次氯酸钠一水杨酸分光光度法（GB/T14679-1993）测定；硫化氢（H₂S）采用气相色谱法（GB/T14678-1993）测定。液体TS：105℃电热恒温鼓风干燥箱（202V-1型）中烘至恒定质量进行测定。VS：550℃马弗炉（QXR1400-20a型）中灼烧至恒定质量进行测定。pH：使用精密pH计测定。NH₄-N：采用纳氏试剂分光光度法测定。TN：采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。化学需氧量（COD）：采用重铬酸钾法测定。

1.4数据处理 采用MicrosoftExcel2007进行数据处理及制图，采用SPSS22.0进行数据基本描述统计和方差分析。显著性水平P=0.05。

2结果与分析

2.1养殖场及沼气工程建设内容 该研究调查的8家养殖场及沼气工程基本情况见表1。可以看出，所调查的养殖场有7个养猪场和1个养牛场，养殖规模较大。场内的沼气工程均已运行2年以上，保证了工程运行的正常稳定。其设计、建设均由专业的施工部门和团队完成，同时配有完整的发酵原料、机械进料、沼气输送、污水处理系统，建设水平较高。

2.1.1沼气工程选址和建设规模。沼气工程作为养殖场的配套工程，为节省投资、降低成本，其建设选址应与猪舍保持在合理的范围之内，不宜相距太远，所调研养殖场与沼气工程距离基本保持在200m以内。沼气工程规模方面，8家沼气工程发酵罐容积都在300m³以上，其中容积在800m³以上的有5家，占总调查数的63%，说明沼气工程规模基本上以大型为主。沼气工程储气罐容积一定程度上受到发酵罐容积的影响，基本呈现出发酵罐容积大，储气罐容积相应较大。尽管沼气工程均配备了发电机组，但主要用于养殖场日常用电，用途单一，功率以50kW居多，占75%。仅萍乡一家在满足养殖场日常用电的同时，为周边37户农户免费输送沼气，并且申请了并网发电，因此配备了功率较大的120kW发电机组。

2.1.2工艺类型与储气方式。工艺类型方面主要采用完全混合厌氧反应器（CSTR）和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）2种，均适用于进料高悬浮物、高浓度（高温）废液，对于处理畜禽养殖粪污非常合适。其中CSTR占88%；发酵工艺以一级发酵居多，占总数的75%。在贮气方式上有发酵贮气一体化、双膜式柔性贮气柜和低压湿式贮气3种，贮气一体化厌氧反应器结构为下部产气、上部储气，实现产气储气一体化，可以减少储气柜占地，同时减少中间连通管道，使操作更加简便安全。有一半以上（5家）选用发酵贮气一体化。

2.1.3发酵温度与沼气净化情况。沼气发酵微生物需要适宜的生存条件，对发酵温度有一定的要求。研究表明，在10～60℃的范围内均能正常发酵产气。一般温度越高，微生物活性越高，有机物降解转化速率越快，产气效率越高。综合考虑产气效率与运行成本，所调查的8个沼气工程均采用中温发酵（25-40℃），但由于夏季与冬季温度的变化，发酵温度受其影响明显，夏季温度基本可维持在中温发酵范围内（25～40℃），较好地保证了沼气工程的产期效率，但冬季温度大多低于中温发酵范围，导致发酵不理想，很大程度上影响了沼气产气量。

沼气是一种混合气体，一般含甲烷（CH₄）60%～70%，二氧化碳（CO₂）30%～40%，同时含有少量的H₂S。沼气安全使用是沼气发挥综合效益的前提，H₂S作为沼气成分之一，对人体有一定的毒害性，并对含金属材料的沼气产品有腐蚀性。H₂S燃烧后生成的SO₂对环境造成一定的污染。我国相关规定明确要求在燃气使用过程中H₂S质量浓度不得超过20mg/m³。因此，沼气使用之前有必要进行有效脱硫。在所调查的8家沼气工程中，有6家对沼气进行了脱硫，占总数75%，其余2家尚未安装沼气脱硫设备。

2.1.4三沼（沼气、沼液、沼渣）的处理及利用。吴佳军等钊对江苏省沼气工程运行及工艺进行了调研分析，发现所调研的沼气工程内有62.5%将所产沼气作为热源使用或用于发电。该研究所调研的8家大中型沼气工程中有7家将所产沼气作为热源使用或用于发电，且发电产生的余热利用效率低，仅萍乡1家参与并网发电。沼气用途单一，会导致大量沼气被浪费，尤其是在产气效率较高的夏季。徐庆贤等对福建省养殖场沼气工程调查中发现，有近82%沼气工程所产沼气实际利用率偏低，造成许多沼气排空，增加了温室气体排放。火焰燃烧器通过燃烧掉富余的沼气，可有效减少温室气体的排放，但所调研的8家沼气工程火焰燃烧器安装或运行情况并不理想。

沼液、沼渣是沼气工程厌氧发酵后的产物，其内含有大量的营养物质，可以作为优质的肥料，增加土壤肥力，提高作物质量与产量。目前，将沼渣、沼液肥料化利用于周边农田、苗木和果园最为常见（表1）。但由于种植规模及施肥周期的影响，无法充分消耗连续产生的沼液和沼渣，部分时间段出现供过于求的现象。沼液、沼渣内含大量营养物质，这些残留物无处消耗容易对周边环境造成污染。因此，将沼液、沼渣加工制成有机肥，既利于保存，又可提高其肥效，同时应该拓展利用途径，争取多元化利用。

2.2养殖场恶臭污染物分布情况 图1为养殖场恶臭污染物NH₄和H₂S的分布情况，通过检测，夏季N}{3浓度日均值在上风向及下风向1、2上分别为0.058、0.087和0.088mg/m³，H2S浓度日均值分别为0.01、0.013和0.011mg/m³。夏季NH₃浓度日均值在不同风向上无显著差异（P>0.05），H₂S浓度日均值下风向1显著高于上风向（P<0.05）。冬季NH₃浓度日均值在上风向及下风向1、2上分别为0.065、0.121和0.125mg/m³，H₂S浓度日均值分别为0.012、0.017和0.017mg/m³。冬季養殖场下风向1、2两处的NH₃和H₂S浓度日均值均显著高于上风向（P<0.05）。受风向的影响，恶臭污染物主要向污染源下风向扩展，整体上下风向污染物浓度高于上风向。受空气湿度的影响，夏季空气湿度相对于冬季更大，有助于大气中污染物的沉降，加快大气净化速度。因此，冬季各监测点NH3和H2s浓度总体上要高于夏季。

我国NYT388-1999《畜禽场环境质量标准》中对养殖场NH₃和H₂S排放浓度有明确的规定（表2），通过对布点在养殖场内各监测点的NH₃和H₂S浓度监测，所检测出夏季和冬季养殖场大气中NH₃和H₂S浓度日均值均处于所规定的限值内，说明各养殖场在恶臭污染物控制上效果明显。

2.3沼气工程运行状况

2.3.1沼气工程日产气情况。不同进料浓度和发酵温度会对沼气工程产气效率产生影响。李晓萍等在研究温度变化对沼气发酵产气率的影响中发现，在中常温发酵条件下，温度变化与产气效果呈现出明显的相关性，随着温度的升高，沼气发酵速率逐渐升高，沼气产量逐渐增加。丁福贵等在研究进料浓度对批式和连续厌氧发酵产沼气的影响中发现最高日产气量和累计产气量出现在进料TS浓度为10%和8%。此次所调研的沼气工程进料浓度偏低，发酵温度采用中温发酵，由于冬季气温较低，大多数沼气工程难以达到中温发酵的标准，导致冬季沼气工程日产气量普遍低于夏季（图3）。因此，应适当提高进料TS浓度以及冬季做好发酵罐保温措施，提高沼气工程的产气效率。

2.3.2沼气工程各处理单元料液的基本指标。养殖场每天有大量的粪污及废水产生，沼气工程可作为处理粪污与废水的一个重要途径，同时也能起到生产清洁能源、改善环境的作用。在沼气工程运行的过程中会导致不同处理单元料液基本指标产生变化（图3）。可以看出，进料池TS与VS含量均<3%，说明所调研的沼气工程以低浓度发酵为主，这主要是因为养殖场的清粪方式以干清粪为主，为了降低粪污的后续处理难度，粪便一般不直接进入发酵罐。不同季节下不同处理单元料液TS及VS含量差异明显，夏季TS与VS含量分别呈现出进料池（TS1.150%，VS0.778%）>发酵罐（TS0.396%，VS0.195%）>沼液池（TS0.298%，VS0.134%），且进料池与沼液池中的TS、VS含量呈现显著差异（P<0.05），而进料池与发酵罐、发酵罐与沼液池之间TS、VS含量并无显著差异（P>0.05）。冬季TS与VS含量同样呈现出进料池（TS2.892%，VS1.856%）>发酵罐（TS0.890%，VS0.518）>沼液池（TS0.290%，VS0.141%）。自进料池到沼液池TS与VS含量削减率分别达90%和92%，且两者之间存在显著差异（P<0.05），而发酵罐与沼液池之间TS与VS含量不存在显著差异（P>0.05）。pH季节变化不大，处在7.2～7.4，呈中至微碱性，各处理单元之间不存在显著差异（P>0.05）。

2.3.3沼气工程各处理单元料液的养分含量。不同季节下不同处理单元中料液的养分含量如图4所示，夏季自进料池到沼液池NH₄-N含量呈现递减趋势，分别为636.38、540.38和518.13mg/L，冬季自进料池到沼液池NH₄-N含量分别为454.00、420.63和481.65mg/L，各处理单元之间不存在显著差异（P>0.05）。从中可发现夏季与冬季发酵罐内的NH₄-N含量均处于厌氧消化适宜的氨氮含量范围（400～1600mg/L），未产生氨抑制现象，总体上各处理单元所测得的NH₄-N含量夏季要略高于冬季。但冬季沼液池NH₄-N含量反而要高于进料池，原因可能是进料池污水中含有大量的蛋白质等有机物，蛋白质中的有机氮被分解成NH₄-N，导致NH₄-N积累，最终导致NH₄-N含量升高。各处理单元TN含量夏季（>1200mg/L）明显高于冬季（<1000mg/L），且夏季TN含量呈现由进料池至沼液池逐渐升高趋势，冬季反之，各处理单元之间无显著性差异（P>0.05）。COD含量自进料池到沼液池在夏季和冬季均呈现递减趋势，夏季COD含量在进料池与发酵罐、进料池与沼液池之间存在显著差异（P<0.05），冬季COD含量在进料池与沼液池、发酵罐与沼液池之间存在显著差异（P<0.05）。但就沼液池所检测的NH₄-N、TN和COD含量均未达到GB18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》规定污水排放标准，如果直接排放会对环境造成污染，应进行后续净化处理方可排放。

3结论与建议

通过调查江西省8家规模化养殖场及场内沼气工程，并分析所采集的样品，得出以下结论：沼气工程设计施工规范，配套设施较齐全，以畜禽粪便为原料，采用中温发酵，多数采用CSTR-级发酵，工艺层次和发酵浓度低，一定程度上影响了产气效率。沼气利用方式单一，且沼气供需存在时问矛盾，夏季沼气产量高，供给量大于需求量，出现富余空排现象。冬季由于发酵温度偏低导致产气效率低，沼气供应不足；沼液、沼渣綜合利用配套不足，主要直接还田或用于附近的苗木基地和林（果）园，且利用方式不规范。养殖场主要恶臭污染物浓度受风向和季节影响明显，总体上污染物浓度下风向高于上风向，冬季高于夏季。夏季和冬季大气中的NH₃和H2S浓度日均值分别为0.078和O.011mg/m³，0.104和0.016mg/m³，均处于国家相关标准所规定的限值内。沼气工程进料池料液TS浓度<3%、VS浓度<2%，以低浓度发酵为主，pH处于7.2～7.4呈中至微碱性；经厌氧发酵夏季料液中NH₄-N含量明显下降，而TN含量却出现不降反升的趋势，其水平在1200mg/L以上，冬季NH₄-N和TN含量有一定的变化，但整体变动不大；经厌氧发酵夏季和冬季料液中COD含量虽然有明显降低，但出料沼液COD含量仍在1400mg/L以上，远高于国家所规定的标准值400mg/L。

基于该研究得出的结论，提出相关建议：①沼气工程可适当提高进料浓度，同时做好冬季发酵罐保温作用，保证产气效率。此外，需配备火焰燃烧器，防止沼气富余时出现空排现象。②实行热电联产产热，提高发电余热利用效率，同时应加快并网发电步伐，充分利用沼气资源，实现效益最大化。③将沼液、沼渣固液分离，加工制成有机肥，方便保存，提高肥效，拓展利用途径，争取多元化利用。④养殖场粪污经厌氧发酵后，沼液中仍含有大量养分物质，在沼液贮存和使用上做到合理、规范，提高沼液肥料于农业生产的安全性，避免出现二次污染。⑤加强培训养殖及沼气工程方面专业技术人员，提高运行管理水平，确保养殖场和沼气工程正常有序的运行。