畜禽粪便资源化循环利用关键技术与模式探讨

董泰丽 陈莉

摘要 针对国内畜禽粪便资源化利用存在的利用率低、循环体系不完善、市场化水平低等问题，基于山东民和生物科技股份有限公司畜禽粪便资源化循环利用的产业模式，重点探讨畜禽粪便如何高效资源化产出、产出品如何实现高值化循环利用、产业链价值如何全面提升。通过畜禽粪便沼气能源化与肥料化处理方式互补，形成畜禽粪便商品有机肥生产、沼气热电联产、沼气提纯生物天然气、沼液浓缩有机水溶肥料高值利用的资源化利用体系，横向拓展、纵向延伸，构建畜禽粪便资源化循环利用全产业链模式，使物质高效循环、能量多级利用、产出品向高值化方向移动，在“三化一销”市场化运营管理模式下，全面提升经济、环境、生态、社会效益，为规模化畜禽粪便资源化利用提供参考。

关键词 畜禽粪便;沼气;有机肥料;资源化;循环利用;关键技术;模式

中图分类号 S 216.4文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）17-0216-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.17.056

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Discussion on the Key Technology and Model of Livestock Manure Resource Recycling—A Case Study of Minhe， Shandong

DONG Tai li， CHEN Li

（Shandong Minhe Biological Technology Co.， Ltd.， Penglai，Shandong 265600）

Abstract Aiming at domestic livestock manure recycling industry problems of low utilization rate， imperfect circulation system and low marketization level，based on the industrial model of recycling and utilization of livestock manure in Shandong Minhe Biotechnology Co.， Ltd.， it focused on how to produce resource efficiently，how to achieve high value recycling of output products， and how to comprehensively enhance the value of the industrial chain.Combining livestock manure biogas treatment way and fertilizer treatment way， form the resource utilization system， which containing commercial organic fertilizer， biogas cogeneration， bio natural gas purification，high valued organic water soluble fertilizer. By expansion and extension of the industry， build up the whole industrial chain model of livestock manure resource utilization， realizing matter efficient recycling， energy multilevel flow， products in high valued. By the market management model， improve the economic benefit， social benefit， environmental benefit， ecological benefit and supply reference for scale livestock manure resource utilization.

Key words Livestock manure;Biogas;Organic fertilizer;Resource;Recycling;Key technology;Model

隨着养殖业规模化程度的快速提高，畜禽粪便处理已到非常时期，以沼气和生物天然气为主要处理方向，以就地就近用于农村能源和农用有机肥为主要使用方向是规模化畜禽养殖粪便处理的重要出路。当前畜禽粪便多未进行资源化深度利用，不能形成科学合理的循环体系[1]，市场化水平低[2]。畜禽粪便资源化循环利用发展的关键需要重点解决畜禽粪便如何实现高效资源化产出、产出品如何实现高值化利用、产业链价值如何全面提升，以实现畜禽粪便资源化循环利用的可持续发展，提升生态环境、社会及经济效益。

笔者基于民和畜禽粪便资源化循环利用的产业模式，分别探讨肥料化与沼气能源化处理方式下畜禽粪便高效资源产出、沼气与沼液产出品高值利用关键技术以及畜禽粪便资源化利用全产业链模式，实现全产业链经济效益、社会效益、环境效益、生态效益四效合一。

1 畜禽粪便高效资源产出技术

根据不同季节、不同周龄养殖场的畜禽粪便特性与再利用价值，按照物尽其用的原则，分别选择适用的肥料化处理或沼气能源化处理方式。含水量低的粪便选择肥料化处理方式，含水量高的粪便选择沼气能源化处理方式，建立有机肥料+沼气+沼肥多联产的资源化利用体系，实现畜禽粪便高效资源化产出。

1.1 粪便肥料化处理方式——好氧堆肥除臭保氮技术

粪便好氧堆肥是在好氧微生物作用下，通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化、无害化而变成腐熟肥料的过程，是实现粪便肥料价值的重要方式之一。高效好氧堆肥技术要以生产满足市场需求的商品有机肥为原则，减少堆肥过程中的臭气排放与氮流失，确保肥料充分腐熟无二次污染。

畜禽粪便好氧发酵过程会产生大量臭气，成分复杂，主要含有氨、含硫化物、胺类和一些低级脂肪酸类。目前主要除臭技术包括物理法、化学法、生物处理法，其中从禽粪、好氧堆肥、土壤等中筛选高效除臭微生物并将其回归到堆肥体系中，降低堆肥臭味等级，是畜禽粪便好氧堆肥重要的生物除臭方式。顾文杰[3]筛选出了高效除臭的细菌（芽孢杆菌属、假单孢菌属等）-霉菌（木霉属、青霉属等）组合菌，试验20 d后鸡粪堆肥无臭味，通过减少NH3等臭气排放，降低堆肥臭味等级的同时，保氮效果明显，并发现堆肥过程中，臭味等级、氨气和硫化氢挥发量3项有害气体变化指标与堆肥腐熟度具有一定相关性。赵冬梅[4]筛选出了副球菌属、假黄色单孢菌属除臭菌株，用于脱除鸡粪堆肥H2S，经测定有效降低了堆肥H2S释放，除臭效果良好。

民和有机肥生产项目，以纯鸡粪为主要原料，花生壳、秸秆为辅料，添加生物菌剂等成分，以特定比例配方，达到除臭、保氮、促腐效果。好氧发酵采用条垛式堆肥，发酵最高温度60～65 ℃，翻堆采用行走式翻抛机，发酵周期20～30 d，发酵后物料通过晾晒或烘干后包装。生产过程严格执行ISO9001：2015标准，商品有机肥料产品执行《有机肥料》登记证标准，并通过欧盟EC、美国NOP有机农业生产资料双认证。项目年产20 000 t商品有机肥料，产品销往全国各地，肥效已得到广泛认可。

1.2 粪便沼气能源化处理方式——产甲烷效果提升技术

畜禽粪便厌氧发酵制备沼气及沼气利用过程能有效消除粪便污染，减少温室气体排放，是一种极具代表性的双向清洁过程[5]。以下将重点探讨影响粪便产甲烷效果的主要因素，结合民和特大型鸡粪沼气工程，介绍鸡粪沼气能源化处理高效产出技术。

畜禽粪便发酵产甲烷的效果由进料TS、氨氮和VFAs等因素共同作用，目前各因素之间以及对发酵微生物代谢的影响尚不明确[6]。产甲烷效果提升的研究方向重点集中于进料TS、氨氮、VFAs等参数优化，产甲烷菌种强化，及发酵产甲烷效果促进。研究方向一，增加进料TS浓度可提高发酵容积产气率，但随着进料TS浓度的提升，发酵系统氨氮和VFAs浓度提高，产甲烷抑制作用加强，因此需要平衡进料TS、氨氮和VFAs。乔玮等[7]通过梯度增加鸡粪发酵进料浓度，发现鸡粪在进料TS为5.0%、7.5%，中温发酵系统能够稳定运行;进料TS达到10%后，有机物转化率降低，产甲烷受到抑制，因此建议鸡粪中温发酵TS不适宜超过10%。研究方向二，产甲烷菌种的生物强化作用，李颖[8]构建了丙酸产甲烷菌系，作为生物强化菌剂，能大幅提高发酵有机负荷、平均甲烷含量、容积产甲烷率、VS产甲烷率，能有效缓解氨氮抑制、解除酸抑制、促进酸败恢复，进而提高发酵性能。研究方向三，产甲烷促进剂提升沼气工程产甲烷效果，何荣玉等[9]以猪粪和产甲烷培养基为底物，筛选出啤酒糟、物质M（蛋白胨、氨基酸等混合物）和微量元素液Ⅱ（含Fe、Co、Ni、Ca、Na、Zn等）3种外源添加物，对沼气产量有较好的促进作用，其中啤酒糟前4 d的促进效果最为明显;物质M的促进作用随着加入浓度的增加而增强;加入适量的微量元素液Ⅱ可促进产气，但加入量过多产气量反而下降。

民和创新高浓度高氨氮鸡粪厌氧发酵技术，解决了高氨氮厌氧发酵工程难以稳定运行的世界难题，连续10年稳定调控纯鸡粪CSTR中温厌氧发酵系统，发酵进料TS为8%～10%，系统耐受氨氮能力由3 000 mg/L提升至6 000 mg/L，發酵装置容积产气率1.5 m3/（m3·d）以上，沼气甲烷含量60%以上，已开展产甲烷促进剂的工程应用研究，以期进一步提高进料TS，提升产甲烷效果。

规模化沼气工程发酵系统启动后，需要根据发酵物料特性长期平衡TS、氨氮、VFAs等参数。民和创新的发酵“三定原则”，使民和厌氧发酵系统10年持续平衡稳定，不需停产维护。民和“三定原则”如图1所示，包括进料稳定原则（定时进料、定料量、定料种类）、操作稳定原则（稳定搅拌、固定排渣排砂等运行操作）、定期监测原则（定期监测发酵罐内参数，如VFAs、碱度、pH、TS、氨氮等运行参数）。

2 产出品高值化利用技术

2.1 沼气高值利用技术

当前适用于规模化、商业化沼气工程的沼气利用途径主要包括沼气发电和沼气提纯生物天然气，以下将讨论沼气发电与沼气提纯生物天然气2种高值化利用方式下，如何提升沼气利用价值。

2.1.1 沼气热电联产技术。

沼气发电过程除产生电能外，还产生了大量热能，沼气热电联产机组通过连接换热器、余热锅炉或溴化锂机组等不同换热、取热、制冷设备，将热能进行回收，充分用于供热或制冷，提高沼气的能源利用率，因此沼气热电联供是沼气发电高值化利用的重要途径之一，选择高效、自动化程度高的热电联产机组是保证沼气发电高值化利用的关键因素。

在沼气发电配套技术方面，沼气预处理尤为关键。沼气中杂质成分主要包括硫化氢、水分、二氧化碳，其中硫化氢在潮湿环境下，对发电机组进气管道、火花塞、中冷器具有强烈腐蚀性[10]。沼气净化除了脱硫，还需进行沼气脱水、除杂、加压输配，与发电工艺段衔接、负荷调配、自动化控制，以最大程度满足后续发电机组稳定运行的要求，减少停机时间及运行成本。

民和3 MW特大型鸡粪沼气发电工程日产沼气30 000 m3，配套3台1 063 kW GE颜巴赫JMS320热电联产机组，根据工程特点制定并执行机组操作与维护保养规程，机组连续运行10年来，年均运行时间8 000 h以上，电效率41%、热效率43%，持续高热电效率。目前机组运行时间已超过70 000 h，仍可正常运行，有效延长机组寿命，年可售电22 000 000 kW·h。

民和余热回收与梯级利用经验做法：①充分回收热电联产机组不同品相的余热，并挖掘厌氧发酵系统内部沼液的余热，优化沼气制备工艺各环节的热能匹配，可满足北方沼气工程冬季沼气发酵系统对热能的需求。②根据工程总热能产出量、沼气发酵工艺特点、热量需求，在热平衡原则下，匹配沼气工程规模。民和3 MW热电联产机组余热在满足30 000 m3/d沼气发电工程热能需求情况下，多余热能依据“以热定产”原则，可另外匹配民和70 000 m3/d的沼气提纯生物天然气工程发酵系统热能需求，无需消耗其他任何常规能源，有效提升工程整体热利用率。③按照“季节性用能差异”及“低品位余热优先利用、高品位热能高值利用”的余热梯级利用原则，结合沼气发酵系统季节性需热不同的特点，建立冬夏季不同余热利用模式。夏季优先利用低品位热水余热，剩余大量高品位蒸汽余热通过增设燃气-蒸汽联合循环冷热电三联供系统，可增加电能、冷能，提高系统能量输出率。

以上高效热电联产、余热高效回收、余热梯级利用技术与装备提升沼气能源转化效率，同时民和3 MW特大型鸡粪沼气发电工程已注册为联合国CDM（国际清洁发展机制）项目，连续6年累计获碳减排收益约4 000万元，进一步实现沼气高值化效益。

2.1.2 沼气提纯生物天然气技术。

沼气提纯是将沼气中甲烷（占50%～70%）、二氧化碳（占25%～40%）及其他杂质气体分离，制取生物天然气的过程。产品气（生物天然气）的甲烷含量、热值等是决定生物天然气市场价值的关键。另外尾气主要成分二氧化碳，是一种可回收、可利用的资源，通过回收高纯度的二氧化碳，可提高沼气提纯项目经济性，或者尾气达到环保排放标准，无需二次处理，提高沼气提纯过程环保性，降低提纯成本，因此需从提升产品气品质、实现尾气可利用性与环保性的角度出发，实现沼气利用高值化。

沼气提纯技术包括吸收法（物理和化学）、变压吸附法、膜分离法等，其中吸收法能耗小、提纯成本低，但原料气适应性不强，需要较为复杂的预处理系统，吸收剂的再生循环操作较为繁琐。变压吸附法能耗小、效率高、成本低、自动化程度较高，需要进一步研究高性能吸附剂，降低系统复杂度与维护管理难度。膜分离法较其他提纯技术，气体分离过程未发生相变;能耗低;只需特定膜组件，不需要其他耗材，环保性高;膜分离过程稳定性较强，操作和维护容易;得到的产品气可以达到天然气管网的纯度和压力，无需再次纯化和压缩[11]。

民和特大型鸡粪沼气提纯生物天然气工程的沼气提纯技术采用膜分离法，以下将以民和沼气膜提纯装置为例，介绍膜分离法在提升产品品质及尾气可利用性、环保性、经济性等方面的作用。

膜提纯装置需要根据工程、环保等要求進行不同级别的膜组配。民和采用三级膜组合形式，可提高产品气甲烷含量，提高尾气二氧化碳含量、减少甲烷含量。经测试，采用三级膜提纯的产品气较二级膜提纯气，甲烷含量稍高，但增加第三级膜后，尾气甲烷含量明显降低、二氧化碳浓度提高，可达99%以上，利于尾气回收二次利用或安全排放，如表1所示。三级膜提纯后产品气指标高于GB 18047—2017《车用压缩天然气》标准及GB 17820—2012《天然气》一类天然气标准，如表2所示。膜提纯装置还可根据不同用户的不同需求，调整膜运行参数，控制生物天然气品质、产量，生产符合市场需求的生物天然气，实现工程生产与市场需求灵活匹配，从而提高生物天然气市场价值及项目经济效益。

民和鸡粪沼气提纯生物天然气工程，日产沼气70 000 m3，配套2套1 000 m3/h三级膜提纯装置，年可提纯生物天然气13×106 m3，供工业、车辆及农村生活用。已建设了农村集中供气系统，在蓬莱首次实现农村生物天然气的集中稳定供应，为改善农村生态环境、推进新农村建设起到积极作用。

2.2 沼液高值化利用技术——沼液膜浓缩

沼液直接还田方式设施投资、人工投入少，是一种低成本的沼液利用模式，有利于推进局域“果-沼-畜”生态循环农业发展，但规模化沼气工程周边的土地面积往往无法满足沼液的消纳需求，使局域性及季节性沼液大量过剩。沼液浓缩技术能回收沼液营养物质、分离水分，拓展沼液应用范围，解决沼液直接还田存在的问题，并提升沼液利用价值。早期沼液浓缩主要依靠加热蒸馏法，该法能耗高，对沼液营养成分破坏大，后期随着膜工艺发展，利用不同膜工艺对沼液进行浓缩分离已逐渐发展成为沼液浓缩的重要技术手段[12]，以下将基于山东民和300 m3/d鸡粪沼液膜浓缩工程，介绍沼液膜浓缩关键技术及高值化产品开发与绿色种植应用。

2.2.1 沼液膜浓缩技术。

沼液膜浓缩技术主要存在膜污染问题，为解决或缓解膜污染，需要根据不同沼液的实际情况确定与选择相匹配的预处理工艺及膜组合[13]。民和通过研发高效低耗的生物水解预处理技术，在国内率先解决了工程中膜系统易堵塞的难题，其主要通过调控生物水解参数，使沼液中大分子与胶体物质被分解与打破，减轻后续膜堵塞、提高系统运行稳定性，同时改善了沼液特性，浓缩后沼液更利于被作物吸收。预处理过程无需添加任何外源物质（如絮凝剂），保持沼液原有营养体系，且较机械预处理方法耗能更低。

沼液通过膜浓缩有效去除难溶杂质、大量水分，并富集浓缩100多种有机活性小分子物质及离子态营养物质，存储与运输成本大幅度降低，浓缩产品可销往全国。分离后清液残余营养成分的含量是衡量浓缩技术及效果的重要指标，直接影响清液后续处理成本与工程环保性。民和鸡粪沼液浓缩工程采用多级膜浓缩提纯技术，沼液的大部分营养物质截留在浓缩液中，COD、氨氮截留率分别为99.8%、90.0%，而清液中所剩营养物质很少，致病菌、病毒为0，水质安全，可回用于冲刷鸡舍，冲刷鸡舍污水再次回到沼气工程发酵产气，实现水资源闭合循环，达到零排放、零污染，降低二次处理成本。

2.2.2 沼液浓缩产品高值化开发。

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