规模养猪场粪污处理技术分析

王学军，杨金斗

（1.菏泽市经济开发区丹阳街道办事处，山东 菏泽 274016；2.菏泽市牡丹区畜牧水产服务中心，山东 菏泽 274000）

规模化养殖场的发展虽然极大的推动了我国养殖产业的发展，但畜禽污染物的排放量也在不断增加，造成不同程度的水土、土壤、空气污染，也给生态环境带来了巨大的压力。截至2020年我国畜禽污染物排放总量已经达到41×108t，其中生猪粪污排放量已超10×108t，占畜禽粪污排放量首位，而粪污综合利用率＜50%。研究规模化养猪场粪污处理技术对提高规模化养猪场粪污处理有效率及提高资源综合利用率有着重要的意义。

1 研究背景、目的及意义

近几年，随着我国生猪养殖场规模扩大化，养猪场粪污年排放量也在不断的增高，养猪场传统的粪污处理模式资源利用率，污染物流失严重，对于生态环境造成了严重的污染。各地为加强生态环境保护，陆续制定和出台养殖环保政策，加强了对于养猪场的监管问题，无形中推动着养猪场基础设施和配套设施升级，推动养猪场建设和完善粪污处理设施设备，以达到控制养猪场粪污排放量的目的。中小型规模化养猪场在我国养猪业中所占比重较大，规模化养猪场粪污排放一定程度上能够反映出我国养猪业粪污处理情况。本文以规模化养猪场作为研究对象，以规模化养猪场粪污污染为背景，研究高效化、生态化粪污处理技术，其目的在于推广养猪场粪污处理新技术及能源生态模式无害化处理工艺，以及为规模化养猪场创新性的升级粪污处理系统提供一些参考思路。研究该课题对于提升我国规模化猪场粪污处理水平、降低粪污处理成本和提高资源综合利用率有着重要的意义。

2 概念界定

2.1 农业生态系统

2.1.1 系统

系统指在一定的时空范围内，由两个或两个以上相互联系和相互作用的组分构成的，具有某种特定的结构与功能，能向着特定目标运动发展的有机整体。如农业生态系统。

2.1.2 系统形式与特点

根据系统的要素，常见的系统形式有5种：①有一定的边界；②有多个组分；③组分之间有关联；④有特定功能；⑤有运动目标。相对于非系统而言，系统的属性在结构上具有有序性和整体性，在功能上具有整合性和离散性。所谓结构的有序性，指系统结构内部有明显的分层现象，且这种分层具有从微观向宏观综合，从宏观向微观分解的现象。所谓结构的整体性，指系统各组成要素的体要求具有抑制性，各分组之间存在着量比关系和相互作用，量比关系控制着系统结构，相互作用控制性和系统的功能。所谓功能的整合性指系统整体功能大于各组分功能之和。所谓功能的离散性，指系统功能在内部结构失去有序性的状态下整体功能小于各组分功能之和的情况[1]。

2.1.3 农业生态系统

农业生态系统指在人类的积极参与下，利用脓液生物种群和非生物环境之间及农业生物种群之间的相互关系，在人工调节和控制作用下，通过合理的生态结构和高效的生态机能，建立起来的多种形式和不同发展水平的农业生产体系，并利用该体系进行能量转化和物质循环，依照人类社会需要进行物质生态建设的综合体。农业生态系统的物质循环和能量转化系统的构成包含动物、微生物、绿色植物及环境四大要素，它应该具有持续性、稳定性、生产力的基本特征。

2.2 能源生态模式

2.2.1 生态模式

生态模式时基于互惠决定论基础上提出的重视系统之间互惠关系的一种新模式。该模式强调认知行为与环境上的关系与效果。

2.2.2 能源生态模式

能源生态模式即基于生态模式理论的能源系统建设及开发利用。如沼气能源生态模式，是一种基于猪场-沼气-果园开发的一种新型能源生态模式。该模式以沼气为核心，围绕沼气的综合利用、再生能源开发、高效生态农业发展等，深入挖掘农民生产生活需求，开发适应农村家庭基本生活、生产单元的项目。沼气能源生态模式以促进养殖业污染治理和种植业发展为目的，以农户为三元生态圈，建构起能留和物流的良性循环系统，有利于实现养殖业和种植业生态过程中生态效益与经济效益的同比发展。

2.3 无害化

无害化也叫安全化，指将废弃物内的生物性或化学性的有害物质采取安全乌海的处理，如焚烧、微生物杀灭等。

2.4 有机肥

有机肥指以动物废弃物和植物残体为原料，经过特殊处理加工而成的富含大量有益物质的肥力。如有机酸、肽类、氮素、磷素、钾素等。

2.5 微生物巢

微生物巢指基于生物有氧发酵原理建设而成的粪水处理设施。

3 研究思路

养猪场的粪污包括粪便、尿液及圈舍冲洗水。传统的养猪场粪污处理一般先采取干粪便人工收集，用于堆肥原料，再采取圈舍冲洗。圈舍冲洗水中含有粪便残渣、尿液、有害微生物及水等，是造成环境污染的主要污染物来源。本文课题研究的农业生态系统和能源生态模式以传统的粪污干湿分离处理技术为基础，粪污处理技术及其能源处理模式的创新应用侧重点在于湿污染的研究上。该课题将规模化养猪场的粪污处理技术分为前期污染减排、中期粪污稳定高效处理和后期资源综合利用三部分思路，分别研究不同阶段的粪污处理新技术[2]。

3.1 前期污染减排思路

前提减排提出雨污分流、高压水泵冲洗猪圈舍的思路，分别应用到雨污分流技术、高压水泵冲洗技术。

3.2 中期粪污稳定高效处理思路

中期粪污稳定高效处理以沼气能源生态模式和粪污高效稳定发酵系统为基础，应用到好氧发酵技术、新型厌氧发酵、太阳能技术、发酵池保温技术、微生物巢技术等。

3.3 后期资源综合利用思路

后期资源综合利用以综合利用系统为基础，应用沼气发电技术、有机肥处理技术等，实现粪污从资源向再生能源的生态循环利用。

4 农业生态系统的架构

规模化养猪场农业生态系统是基于养猪场粪污粪污现状而提出的多层次、多方面、多元化、高效化的粪污资源综合利用和能源生态处理系统，该系统组合了多种养猪场粪污处理新技术。养猪场农业生态系统组合多稳定高效、功能多样的粪污发酵系统、沼气发电系统、农业生态种植系统等子系统，架构起功能强大、资源利用率高、污染排放量小的体系化生态循环系统。即通过采用雨污分流技术、高效猪圈清理技术、新型厌氧发酵、沼气发电技术、有机肥处理技术、太阳能技术、发酵池保温技术等，使规模化养猪场的粪污从猪圈清理到粪污处理，再到发电、有机肥，使粪污资源得到最大化利用，并回馈到社会和农业生产中，实现资源能源的循环利用。农业生态系统的架构对于规模化养猪场粪污处理设施设备的建设提出了极高的要求，虽然前期投资成本较高，但从长期发展的视角而言，能够极大的提高养猪场的资源综合利用率，减少养猪场污水排放及其对生态环境的污染，有利于降低养猪场疾病的发生率，社会效益、环境效益和长期的经济效益较高，有着及其重要的投资意义。

考虑到前提投资成本较高，规模化养猪场可以先架构稳定高效的粪污处理及运行系统，再逐渐完善和增加其他项目及子系统，并与周边农业生产者建立稳定的合作关系，来输出有机肥和电能，提高资源的转化率，逐渐的回收一部分成本，再引入新技术持续性的对养猪场农业生态系统进行升级改造，完善项目功能，架构完善的农业生态系统循环体系。

5 能源生态模式无害化处理工艺及关键技术

5.1 能源生态模式无害化处理工艺流程

能源生态模式无害化处理工艺流程包含多层相互联系的组分系统，各组分系统之间相互作用，相互联系。基本的无害化处理工艺流程参考如下：猪圈舍粪污清理→送入预处理池预处理→新型厌氧发酵池处理。经过新型厌氧发酵池处理后就会产生沼气、沼液，沼气进入沼气净化存储系统，沼液送入有机肥存储系统。净化后的沼气可通过并入的发电机组进行沼气发电，一部分电用于规模化养猪场内部电网消耗，剩余部分电可通过并网设施输给农村电网系统，用于供给农村家庭基本的生活用电或农业生产使用。有机肥经由存储系统进入利用设施，从利用设施引出后供给种植园区的农户，或直接供给猪场的自有农场，直接作有机肥使用[3]。

5.2 能源生态模式无害化处理关键技术

5.2.1 雨污分流技术

雨污分流技术指养猪场设计两套排水系统，即雨水系统和污水系统，将二者分离开，有效的控制养猪场污水的排放量，为猪场粪污精细化处理奠定基础。

5.2.2 高压水泵冲洗技术

对猪圈舍清理时采用高压水泵系统冲洗，选用密孔高压细水流的喷头，通过加大水流的压力来增强对圈舍粪污的冲洗效果。高压水冲冲相对于普通水管冲洗一方面冲洗效率高、效果好，另一方面用水量小，成本低，且污水量小，污水浓度相对较高，便于后期发酵处理。

5.2.3 沼气综合利用技术

（1）发酵处理技术。①新型好氧发酵技术。好氧发酵技术主要用在干性粪污在有机肥发酵阶段，可以采用立式发酵罐对粪污进行发酵处理。发酵过程中微生物通过自身的生命活动将粪污中的一部分有机物氧化为无机物，用于满足微生物活动的能量，另一部分合成细胞质，加速微生物的繁殖，以产出更多的微生物体。预处理后粪污经过好氧发酵后达到腐熟，经过两次腐熟后堆存即可。②新型厌氧发酵。这里的新型厌氧发酵技术指基于上流式厌氧发酵池流态的粪污处理技术。需要将发酵池设置为多格池，中下部设置粪污流进，中上部设置流出，粪污在池内处理持续性的流动过程，每个池底的污泥受流态冲击作用处于悬浮状态，不会随粪污流失，具有较好的处理效果。

（2）沼气发电技术。养猪场设置沼气池集中处理粪污，经过发酵后产生的沼气和净化存储，并用于沼气发电。养猪场只需要购置100kW的沼气发电机组和配套并网系统，即可用沼气发电，并将余电输入电网[4]。

（3）有机肥处理技术。好氧发酵、厌氧发酵产生的腐熟肥，以及沼气发酵后的沼渣、沼液都是属于优质有机肥料。养殖场可以将有机肥分类集中存储，与当地农场或农户合作，用于农业生产。

（4）发酵池保温技术。在厌氧发酵池的设计中，发酵池外壁采用了填充珍珠岩保温采用的设计，并在发酵池顶部建造温室大棚，在棚顶设置太阳能板，在池壁保温层间设置真空集热管加温系统，应用太阳能和保温材料对发酵池进行加温保温，来满足发酵池内的热交换条件。

（5）微生物巢技术。微生物巢技术在有氧发酵原理的基础上发展而来的一种复合微生物巢粪水处理新技术，粪污处理可达到无害化、资源化、零排放的效果。微生物巢技术需要养猪场建设统一的粪污收集池，每个猪舍设有通向粪污收集池的管道。粪污通过管道流向粪污收集池，再通过压力泵和喷淋机送到阳光棚内的发酵槽上的垫料上，垫料上采用喷雾器喷上高效微生物制剂，经过堆积发酵60～90 h，堆积发酵物的上层20 cm以上的温度保持在60℃，即所谓的微生物巢[5]。微生物巢需要抛翻机翻堆，用喷淋机往返不断喷淋污水，同时随喷淋机循环持续性的补充垫料，循环往复的进行发酵处理。多次翻堆降温最终腐熟为有机肥料。

6 结语

综上所述，规模化养猪场粪污产出量大，传统的粪污处理污染排放量大，不仅造成生态环境污染，还增加了养猪场疾病感染和传播的风险。本文研究的能源生态模式无害化处理工艺流程采用了多种新型技术，有效提高了粪污资源向能源的转化率和利用率，降低了污染排放量，实现了粪污资源在农业生态体系中的循环利用。研究表明，基于能源生态模式进行粪污无害化处理，是实现规模化养猪场资源多层次综合化利用的关键，也是保证粪污发酵系统高效、稳定运行和建构和逐步的完善农业生态系统的必然路径。规模化养猪场在资金允许的情况下应该充分考虑农业生态系统在促进养猪场中长远发展方面的优势和综合效益，积极地对沼气技术进行创新，引入新技术扩充能源生态系统模式层次，利用能源生态模式主动构建农业生态系统，最大程度开发和利用猪场粪污发掘沼气项目的附属产品及其价值，全面提升养猪场粪污处理的经济效益、环保效益和社会效益。