种养结合模式下的生猪粪污资源化利用技术的探讨

□汤颖力 汪威 冯传烈 郑宗明/宜宾市农业机械研究所

0 引言

我国养殖业正处于传统养殖业向现代养殖业转型时期，现代养殖业还处于初级阶段，规划布局正逐步趋于合理，中小型养殖场和散户饲养规模群体依然十分庞大，大量的畜禽粪便成为了农业农村的主要面源污染。我国以上海为示范点对畜禽粪便污染治理经历了3个阶段。一是简易治理阶段，主要采用固体粪便还田、发酵产沼，粪液以三格化粪池，氧化塘等工艺为主进行治理。二是生化达标治理阶段，主要采用固体粪便，有机肥加工，尿液应用SBR、A/0、接触氧化，生物滤池等二级生化达标治理。但由于种种原因，绝大部分不能达标运行。三是综合治理阶段，2002年以后提出逐步削减养殖规模，关闭一批敏感区域内污染严重的畜禽养殖场，减少源头减量方式，建设有机肥中心带动一批畜禽养殖场的污染治理和规范畜禽粪便还田技术就地处理等综合治理措施。上海在探索畜禽粪污治理实践中，治理投入高、效益低，资源未充分利用，畜禽粪污污染问题并没有得到根本解决，但在探索示范中得到的启示是只有资源化循环利用才是解决畜禽粪污治理的根本之路。目前，我国主要以沼气工程技术解决粪液的无害化处理，大型规模的养殖场以堆肥发酵方式处理干清粪，但大部分环保不达标。如沼液如何处置，堆肥发酵中散发出来的臭味，滋生蝇虫，发酵处理后的固态有机肥如何科学合理地利用等，还没有形成一套完整的运行机制。

当前，在政府的大力推动下，有部分大型养殖场和养殖业发达的区县已经建立粪污无害化处理场地，畜禽粪污资源化再利用成为今后养殖业的主要趋势。

1 种养结合模式下粪污资源化利用的背景意义

为了贯彻党的十九大精神，以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，牢固树立创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，紧紧围绕乡村振兴战略，以治理农业农村污染，改善土壤地力，促进养殖业转型升级，推动种养结合，将养猪场内的粪便和粪液通过不同的处理技术进行无害化处理后，就近应用于蔬菜、果树、茶园、林木、大田作物的生产施肥，可实现种养良性循环。以农用有机肥和农村能源为主要利用方向，全面推进粪污资源化利用，形成种养循环工艺流程，如图1所示。

图 1 种养循环工艺流程

2 粪污处理技术

2.1 粪液处理技术

粪污包括粪液和粪便，由于其物理性质差异大，需采用两条不同的技术路线对粪液和粪便分别进行处理。

粪液是尿液和冲洗水的混合液，为了节省处理粪液用地和降低能耗，用沼气工程技术对粪液进行厌氧发酵是最佳方式。厌氧发酵是指废弃物在厌氧条件下通过多种微生物共同完成，微生物将有机物大分子化合物转换成甲烷和二氧化碳、水、硫化氢和氨等物质，降低粪水中的有机质含量，消除有害病菌和其他有害元素，并按设计工艺要求获取沼气能源，配套沼气利用产品与设备，使沼气可直接用于日常生活，或发电、烧锅炉、供暖、作为化工原料等。沼渣或沼液制作成复合肥再利用，这不仅减轻了对环境的污染，实现农业生态良性循环，更通过综合利用增加了经济效益。

粪液的厌氧发酵原理分四个阶段，即水解作用、发酵作用、产乙酸和产氢作用、产甲烷作用，如图2所示。

图 2 粪液厌氧发酵原理四阶段

2.1.1 粪液处理设施设备

粪液处理采用的沼气工程技术设施设备主要有沼气池、沼气发酵罐（又叫厌氧发酵罐、沼气厌氧罐、沼气厌氧设备）、沼气囊（又叫红泥沼气池）。

传统沼气池已普遍使用，容积通常按一个猪当量匹配0.2～0.3m3。由于发酵受当地自然温度的影响，发酵时间长短不一，且清淤麻烦，并存在一定安全风险；沼气发酵罐有1套完善的自动控制和自动检测装置，能自动调温、中和、调压，自动采集、显示、记录和控制，能实现沼气罐的智能化监控与管理，系统运行可靠、稳定，并且产气量比传统沼气池大，6m3的发酵罐产气量相当于10m3的传统沼气池，10m3的发酵罐产气量相当于24m3的传统沼气池。其容积与发酵留存罐内时间有关系，可用以下公式粗算。

式中：

V——容积 （m3）；

D——罐内发酵存留天数；

N——猪的存栏最大量；

1.2——为总容积系数。

红泥沼气发酵袋中的成分比一般的PVC（聚氯乙烯）多了红泥成分，红泥胶皮是一种改性合金塑料，是一般塑料无法比拟的。具有抗冷、抗暴晒、抗震、抗老化、阻燃、耐腐蚀、无渗漏，以及较好的耐侯性、拉伸性、抗穿孔性能和低温柔性等优点。使用寿命一般可达15～20年。转移方便，安装方便，维护简单易掌握。

2.2 粪便处理技术

生猪粪便处理方法比较多，主要有生物法（好氧发酵法）、化学法（药物混凝沉淀）、高压高温法（湿式氧化处理）、高温堆肥法（粪便污泥自然发酵处理法）等。在生猪粪便资源化利用处理中，生物法以其操作方便、快效特点受到广泛使用。好氧发酵方式主要有堆放发酵、槽式发酵、罐式发酵等模式。农户家庭养猪，因量少，可采用堆放发酵；年出栏量在500～10000头的养猪场，采用罐式好氧发酵技术；10000头以上年出栏规模的养猪场采用槽式发酵技术。好氧发酵技术是利用好氧菌如细菌、放线菌和真菌自身生命活动，通过氧化、还原与合成，把一部分有机质氧化为无机质，提供微生物生长所需的能量；一部分有机质转化成微生物合成新细胞所需的营养物质。处理过程中需不断通入空气以保证好氧发酵能够顺利进行。好氧发酵的原理如图3所示。

图 3 好氧发酵原理

2.2.1 粪便处理设备

对于年出栏量在500～10000头的养猪场，建议采用好氧发酵罐方式对干清粪进行无害化处理。如图4所示的好氧发酵罐，其容积按猪场每天产生的干清粪量（理论数据参考表1或按实际产量计算）和加入辅料后总量的10倍选用。其集约化程度高，从进料发酵到有机肥装袋，有1套完整的流水线装备，生产流程中无味无污物、无苍蝇滋生，对环境无污染，且占地面积小。

表 1 不同阶段生猪日产干清粪量表

好氧发酵罐体主要结构由外壁、保温层、内胆（304不锈钢）组成，有动力部分（液压驱动站）、投料斗、风机、传感器、控制柜等几部分构成。其中，温控及氧气输入量等靠控制柜送风系统进行控制调节。初次使用时，需添加适量好氧发酵菌，物料在完全密封的罐内发酵，每天连续进出料，发酵时间7d或以上。使用过程中需根据粪便含水率来添加适当的秸秆辅料，以增加粪便发酵的通透度。未经干湿分离的干清粪加1/2的辅料拌匀，干湿分离后的粪加1/4的辅料拌匀。干清粪发酵处理整个系统可配置辅助机构与发酵罐配套成一个完整的无害化处理系统，从进料到有机肥装袋，形成一套完整的机械化流水线装备，全程机械化，省工省时，生产流程如图5所示。

2 粪污资源利用

2.1 沼液的利用及设备

许多研究表明，粪液经沼气工程厌氧发酵熟化处理后形成的氮磷养分能够替代化学肥料补充土壤中的养分，同时，大量的有机质进入土壤后，粪水中的活性物质能活化土壤吸附的磷，使土壤中被固定的磷发挥出明显的成效。粪水也能增加土壤空隙度和有机物含量。在种养结合模式中，采用水肥一体化工程用于种植区域的施肥，将沼液存储池中的沼液泵安装到一个高位池里，根据实际所需培肥配药，再通过管网输送到田间地头。高压水肥一体化系统主要由沼液加压设备、首部控制系统、运输管网、终端设备组成。水肥一体化流程如图6所示。

2.2 固体有机肥的利用

粪便经好氧发酵熟化处理后，富含大量有益物质，包括多种有机酸、肽类以及氮、磷、钾在内的丰富营养元素，这不仅能为农作物提供全面营养，而且肥效长，可增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，是绿色食品生产的主要养分。可直接置于种养区域的土壤里，作为果林、蔬菜、茶园、农作物的底肥或追肥。种植区域内消纳不完的剩余粪肥，则经过深加工后形成颗粒状、粉状、柱状等固态商品有机肥（如图7）。

3 种养结合土地对粪肥的承载力测算

图 4 好氧发酵罐

图 5 干清粪处理流程

图 6 水肥一体化流程图

土地对粪肥的承载力是单位种植面积内的作物养分总需量中对粪肥提供的养分最大量的消纳能力。在种养结合模式中，要求粪肥中所含的氮、磷养分基本满足作物养分需求，达到施用粪肥的养分与作物需求养分总量达到平衡，施粪肥量不能超过当地土地消纳承载能力，否则会造成土壤板结、农作物渗透失水死亡和地表水、地下水体受污染。

图 7 固态有机肥

3.1 种植区域内单位面积作物总养分需求量

种植区域内单位面积中作物总养分需求量为主要粮食作物、蔬菜和水果的产量与每种作物单位产量所需的氮、磷、钾养分量之积的总和，即：

式中：

Atotal——种植区域内单位面积中各种作物总产量下需要吸收的营养元素的量，t；

γi——种植区域内单位面积中第i种作物总产量，t；

αi——第i种作物收获100kg产量吸收的营养元素的量。主要作物形成100kg产量所吸收营养元素的量见表2。

3.2 养猪场粪肥养分总产量和供给量

养猪场内每天排泄的粪便和粪液量与其中的含氮（磷）量浓度值之积乘以养猪周期，即：

式中：

NM——养猪场内猪的排泄物的总氮（磷）量，kg/头；

Ms，Ml——养殖场猪每天产生的粪便和粪液量，kg/d；

Cs，Cl——猪粪和尿液中的含氮（磷）量，g/kg，猪粪便和尿液中总氮总磷平均含量见表3；

D——养猪周期，d；

NMsup——养殖场养分总供给量，t；

P——粪便管理运输过程中氮（磷）的损失率，一般为30%～40%。

3.3 种养结合模式下种植面积的确定

养殖场猪的粪肥总养分供给量除以种植场内单位面积内所有作物所需粪肥量之和，即：

由此可根据养殖场产生的粪肥及周边具体作物种类测算可施肥的面积，反之，可根据种植作物种类和面积规划养殖场的规模。若养猪场规模过大，产生的粪肥养分总量超过了当地种植作物需求量的总和，则应该适当减少养猪数量，或者将粪污制作成商品有机肥。

表 2 形成100kg产量所吸收营养元素的量

表 3 猪粪和猪尿中总N总P平均含量

4 结束语

畜禽粪污无害化处理成有机肥利用将是今后环保和农业使用粪肥的主要发展方向。《全国畜禽粪污资源化利用整县推进项目工作方案（2018-2020年）》，更是将支持包括畜禽粪污收集、贮存、处理、利用等环节的基础设施建设，推进粪污处理利用设施建设、粪污处理配套设施改造升级作为重点工作内容。采用粪污无害化处理与种养结合模式，能有效利用有机肥替代化肥，解决粪污面源污染，实现零排放，提高土壤地力，改善土壤结构，解决土壤板结问题。