鄧良偉1，陳子愛1，袁心飛2，周文龍3

（1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，四川成都610041；2.四川省旺昌縣農(nóng)業(yè)局，四川廣元628200；3.重慶市潼南縣環(huán)境保護局，重慶402660）

 

    對于規(guī)?；i場糞污，除資源化利用外，還可采用物理法、化學(xué)法、物化法以及生物法進行處理；要達到排放標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外公認(rèn)的最經(jīng)濟的手段是生物法。

    生物法又分：① 厭氧處理；② 好氧處理；③ 自然生態(tài)處理三大類。

    ① 厭氧處理有：完全混合式厭氧反應(yīng)器（CSTR）、厭氧濾池（AF）、厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）、厭氧擋板反應(yīng)器（ABR）、厭氧復(fù)合反應(yīng)器（UBF）、上流式厭氧污泥床（UASB）、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）等工藝技術(shù)。

    ② 好氧處理包括： 活性污泥法、接觸氧化法、生物轉(zhuǎn)盤、氧化溝、序批式反應(yīng)器（SBR）、膜生物法（MBR）等工藝方法。

    ③ 自然生態(tài)處理：可采用土地處理系統(tǒng)、氧化塘以及人工濕地等。

    面對種類繁多的處理工藝，養(yǎng)殖場業(yè)主以及政府管理者等非廢水處理專業(yè)人士往往無所適從。因此，很有必要對這些處理工藝技術(shù)在大的方向進行歸納分類，為養(yǎng)殖場業(yè)主選擇糞污處理方法以及決策管理部門對畜禽養(yǎng)殖糞污處理政策定位提供參考。

 

    透過不同工藝技術(shù)的表象，從本質(zhì)上看，規(guī)?；i場糞污處理可總結(jié)為3種模式：

    ① 沼氣（厭氧）-還田模式；

    ② 沼氣（厭氧）-自然處理模式；

    ③ 和沼氣（厭氧）-好氧處理模式（工業(yè)化處理模式）。

    以這3種模式為基礎(chǔ)，根據(jù)規(guī)模化豬場所處的自然環(huán)境、社會經(jīng)濟條件以及飼養(yǎng)規(guī)模，可以對糞污處理模式做出適當(dāng)選擇與準(zhǔn)確定位。

 

    畜禽糞污或沼液還田作肥料是一種傳統(tǒng)、經(jīng)濟的處置方法，可以在不外排污染的情況下，充分循環(huán)利用糞污中有用的營養(yǎng)物質(zhì)，改善土壤中營養(yǎng)元素含量，提高土壤的肥力，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。分散戶養(yǎng)殖方式的畜禽糞污處理均是采用這種方法。

    這種模式適用于遠(yuǎn)離城市、經(jīng)濟比較落后、土地寬廣的規(guī)?；i場。養(yǎng)豬場周圍必須要有足夠的農(nóng)田消納沼液。要求豬場養(yǎng)殖規(guī)模不大，一般出欄規(guī)模在2萬頭以下，當(dāng)?shù)貏趧恿r格低，沖洗水量少。

 

    沼氣（厭氧）-還田模式工藝流程如圖1。

    要真正達到營養(yǎng)物質(zhì)還田利用、污染物零排放，必須解決好4個關(guān)鍵問題。

    也就是要考慮周圍土地的承載力。一些歐美國家就土地對厭氧消化殘余物（沼渣沼液）的承載力有明確的規(guī)定（表1）。我國上海、北京以及江蘇等地也對畜禽糞污土地承載能力進行了研究，提出土地承載能力，見表2。

表1一些國家有關(guān)土地對厭氧消化殘余物營養(yǎng)物質(zhì)承載力的規(guī)定

國家	氮每公頃年 最大負(fù)荷/kg	需要的儲 存時間/月	強制的施用季節(jié)
奧地利 丹麥     意大利 瑞典 英國 法國 美國	100 2003年前：牛210～230、豬140~170；2003年后：牛170、豬140 170～500 基于畜禽數(shù)量 250～500 150 第1年450，以后280	6 9     3~6 6~10 4	2月28日—10月25日 2月1日—收獲     2月1日—12月1日 2月1日—12月1日     12

 

表2我國部分地區(qū)畜禽糞污土地承載能力

地區(qū)	土地承載能力
上海     江蘇   北京	糧食作物：每年每公頃11.25 t豬糞當(dāng)量； 蔬菜作物：每年每公頃22.5 t豬糞當(dāng)量； 經(jīng)濟林：每年每公頃15 t豬糞當(dāng)量。 大田：氮40 kg/畝，五氧化二磷18 kg/畝； 大棚：氮80 kg/畝，五氧化二磷32 kg/畝。 糞肥2~3 t/畝

 

    廈門大學(xué)曾悅等以福建為例，研究了糞肥的經(jīng)濟運輸距離，認(rèn)為豬糞的經(jīng)濟運輸距離為13.3 km、雞糞43.9 km、牛糞5.2 km。而丹麥沼氣工程的沼渣沼液運輸距離一般在10 km以內(nèi)。

    規(guī)模化豬場沖洗水量大約是豬糞的10倍。因此，可以推測，規(guī)模化豬場糞污厭氧處理后沼渣沼液的經(jīng)濟運輸距離在2 km以內(nèi)。

 

    必須要有足夠容積的儲存池來貯存暫時沒有施用的沼渣沼液，不能向水體排放廢水。一些歐美國家要求的糞肥或沼渣沼液儲存時間見表1。

 

    目前，我國還沒有制定沼渣沼液作肥料還田利用的標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)保部門往往套用《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-1992）要求：對于水作，化學(xué)耗氧量（COD）<200 mg/L，生化需氧量（BOD5）<80 mg/L，凱氏氮<12 mg/L，總磷（以磷計）<5.0 mg/L；對于旱作，COD<300 mg/L，BOD5<150 mg/L，凱氏氮<30 mg/L，總磷（以磷計）<10.0 mg/L。畜禽糞污處理后沼液基本上達不到這個要求。如果經(jīng)過處理后達到此要求，估計農(nóng)戶也不會利用了，因為氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)都被去除了。

    盡管新的《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084-2005）取消了氮、磷指標(biāo)的要求，但是將有機物指標(biāo)提高了：對于水作，COD<150 mg/L，BOD5<60 mg/L；對于旱作，COD<200 mg/L，BOD5<100 mg/L，這兩個標(biāo)準(zhǔn)比《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001）的要求還要嚴(yán)格，沼液也很難達到這些要求，如果能達到這些標(biāo)準(zhǔn)，也就能達標(biāo)排放了。因此沼液還田利用仍然存在法律障礙。

 

    沼氣（厭氧）-還田模式的主要優(yōu)勢在于：

    1）污染物零排放，最大限度實現(xiàn)資源化；

    2）可以減少化肥施用，增加土壤肥力；

    3）耗能低，無需專人管理;運轉(zhuǎn)費用低。

    但是，沼氣（厭氧）-還田模式也存在以下問題：

    1）需要有大量土地利用沼渣沼液，出欄萬頭豬場至少需要1 000畝土地消納沼渣沼液，因此受條件限制，適應(yīng)性不強；

    2）雨季以及非用肥季節(jié)還必須考慮沼渣沼液的出路；

    3）存在著傳播畜禽疾病和人畜共患病的危險；

    4）不合理的施用方式或連續(xù)過量施用會導(dǎo)致硝酸鹽、磷及重金屬的沉積，從而對地表水和地下水造成污染；

    5）惡臭以及降解過程產(chǎn)生的氨、硫化氫等有害氣體會對大氣構(gòu)成威脅。

 

    豬場糞污經(jīng)過厭氧消化（沼氣發(fā)酵）處理后，再采用氧化塘、土地處理系統(tǒng)或人工濕地等自然處理系統(tǒng)對厭氧消化液進行后處理。

    這種模式適用于離城市較遠(yuǎn)，經(jīng)濟欠發(fā)達，氣溫較高，土地寬廣，地價較低、有灘涂、荒地、林地或低洼地可作糞污自然處理系統(tǒng)的地區(qū)。養(yǎng)殖場飼養(yǎng)規(guī)模不能太大，對于豬場而言，一般年出欄在5萬頭以下為宜，以人工清糞為主，水沖為輔，沖洗水量中等。

 

   沼氣（厭氧）-自然處理模式工藝流程如圖2。

    沼氣（厭氧）-自然處理模式主要利用氧化塘的藻菌共生體系以及土地處理系統(tǒng)或人工濕地的植物、微生物凈化糞污中的污染物。由于生物生長代謝受溫度影響很大，其處理能力在冬季或寒冷地區(qū)較差，不能保證處理效果。因此，沼氣（厭氧）-自然處理模式的關(guān)鍵問題是越冬。表3顯示了某規(guī)?；i場采用厭氧-自然處理模式處理豬場糞污在不同季節(jié)的出水水質(zhì)。

表3厭氧-自然處理模式處理某規(guī)?；i場糞污的處理效果

指標(biāo)	夏季	秋季	冬季	標(biāo)準(zhǔn)允許排放濃度*
pH 懸浮物（/mg·L-1） 化學(xué)耗氧量（/mg·L-1） 生化需氧量（/mg·L-1） 氨態(tài)氮（/mg·L-1） 亞硝態(tài)氮（/mg·L-1） 硝態(tài)氮（/mg·L-1） 總氮（/mg·L-1） 總磷（/mg·L-1）	6.84 22 100 4.4 1.32 1.12 1.50 4.79 2.08	7.62 80 267 11.0 17.2 0.057 5.30 88.5 7.16	7.62 90 330 31.0 149 0.47 1.60 188 11.5	6～9 200 400 150 80       8.0

注：*《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001）。

    從表3可以看出，夏季、秋季的處理出水均能達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001）。但是在冬天，化學(xué)耗氧量、生化需氧量等有機污染物指標(biāo)能達到排放標(biāo)準(zhǔn)，而氨態(tài)氮、總磷離達標(biāo)還有一定距離，說明冬季的處理效果不穩(wěn)定。

 

    沼氣（厭氧）-自然處理模式的主要優(yōu)勢在于：

    1）運行管理費用低，能耗少；

    2）污泥量少,不需要復(fù)雜的污泥處理系統(tǒng)；

    3）沒有復(fù)雜的設(shè)備，管理方便，對周圍環(huán)境影響小，無噪音。

    沼氣（厭氧）-自然處理模式主要存在以下缺點：

    1）土地占用量較大；

    2）處理效果易受季節(jié)溫度變化的影響；

    3）有污染地下水的可能。

 

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式的畜禽養(yǎng)殖糞污處理系統(tǒng)由預(yù)處理、厭氧處理（沼氣發(fā)酵）、好氧處理、后處理、污泥處理及沼氣凈化、貯存與利用等部分組成。需要較為復(fù)雜的機械設(shè)備和要求較高的構(gòu)筑物，其設(shè)計、運轉(zhuǎn)均需要具有較高知識水平的技術(shù)人員來執(zhí)行。沼氣（厭氧）-好氧處理模式適用于地處大城市近郊、經(jīng)濟發(fā)達、土地緊張、沒有足夠的農(nóng)田消納糞污的地區(qū)。采用這種模式的豬場規(guī)模較大，養(yǎng)豬場一般出欄在5萬頭以上，當(dāng)?shù)貏趧恿r格昂貴，主要使用水沖清糞，沖洗水量大。

 

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式工藝流程如圖3。

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式的關(guān)鍵問題在于：豬場廢水經(jīng)過厭氧處理后，采用好氧生物處理工藝直接處理厭氧消化液的去除效果很差。筆者曾采用序批式活性污泥法（SBR）直接處理豬場廢水厭氧消化液，污染物的去除效果很差。從表4可知，COD僅去除率8.31%，NH3-N去除率78.67%；出水COD、NH3-N均很高，分別為1 169 mg/L、158 mg/L。

表4序批式活性污泥法（SBR）直接處理厭氧消化液的去除效果

項目	進水（/mg·L-1）	出水（/mg·L-1）	去除率/%
化學(xué)耗氧量（COD） 氨態(tài)氮（NH3-N）	1 275±180 741±35.2	1 169±135 158±46.2	8.31 78.67

    為了證明試驗的可靠性，也與其他研究者采用SBR直接處理豬場廢水厭氧消化液的結(jié)果進行比較。其他研究者采用厭氧-SBR工藝處理豬場廢水的小試結(jié)果見表5。試驗發(fā)現(xiàn)，豬場廢水經(jīng)過厭氧消化后，再利用SBR工藝進行厭氧消化液好氧后處理，硝化作用易導(dǎo)致處理系統(tǒng)酸化，致使SBR出水pH降至6.0左右，有時甚至低于5.0，造成反應(yīng)器工作不穩(wěn)定。隨著試驗的推進，后期處理效果持續(xù)惡化。NH3-N去除率為70%～90%，出水NH3-N濃度高于100 mg/L；COD最高去除率為50.0%左右，出水COD濃度一般在1 000 mg/L以上。出水水質(zhì)不能滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596-2001）。

表5研究者采用SBR處理豬場廢水厭氧消化液的小試結(jié)果

項目	化學(xué)耗氧量（/mg·L-1）	氨態(tài)氮（/mg·L-1）	pH	去除率/%		資料來源
				化學(xué)耗氧量	氨態(tài)氮
進水   出水	1429.1～1 440.9 389.3～407.3	1393.7～1 422.0 594.9～634.8	8.00～8.14   5.46～5.68	71.5～73.0	55.0～57.3	楊虹等（2000）
進水 出水	592～1 560 540～1 349	449～911 100～232	7.20～7.50 4.60～6.50	-59.0～35.6	67.4～88.9	Edgerton等（2000）
進水 出水	2 794 1 161	575 180	7.75 5.91	58.4	31.3	Ng W G等（1987）

    采用其他新工藝，如膜生物法（MBR）處理豬場廢水厭氧消化液，處理結(jié)果也差不多。孟海玲等（2007）進行了膜生物反應(yīng)器用于豬場污水深度處理中試試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，COD去除率在64%～85%，出水COD濃度大約250～550 mg/L。氨態(tài)氮去除率達55.5%～92.8%,平均去除率為73.1%，氨態(tài)氮出水濃度大約150～200 mg/L。

    采用SBR序批式反應(yīng)器工藝直接處理厭氧消化液，COD和NH3-N去除效率低，反應(yīng)器工作性能不穩(wěn)定，針對這些問題，農(nóng)業(yè)沼氣科學(xué)研究所的研究人員開發(fā)了Anarwia工藝畜禽糞污處理專利技術(shù)（anaerobic-adding raw wastewater-intermittent aeration，專利授權(quán)號ZL200410040855.3）。該工藝已經(jīng)成功用于某養(yǎng)殖總場廢水處理，該工程日處理存欄120 000頭豬（年出欄20萬頭肥育豬）豬場的廢水3 000 t。運行效果見表6。

表6 Anarwia工藝處理豬場廢水的運行效果

項目	進水	厭氧處理	SBR	總?cè)コ?/DIV>
化學(xué)耗氧量（/mg·L-1） 生化需氧量（/mg·L-1） 氨態(tài)氮（/mg·L-1） 總氮（/mg·L-1） 懸浮物（/mg·L-1） pH	5616～9965 3960～4460 278～1114 754～1415 2 310～5410 7.1～7.5	711～1423 168～278 348～1029 590～917 510～960 7.2～7.5	216～341 11.2～19.9 2.4～9.9 51.8～51.9 70～110 6.6～7.5	>98% >99% >98% >93% >97%

    表6結(jié)果表明，處理工程對化學(xué)耗氧量、氨態(tài)氮的去除率達到98%以上、生化需氧量去除率達到99%以上、懸浮物去除率達到97%以上、總氮去除率達到93%以上。出水化學(xué)耗氧量、生化需氧量、氨態(tài)氮、懸浮物分別低于350 mg/L、20 mg/L、15 mg/L、120 mg/L，達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001）。

 

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式的主要優(yōu)勢在于：

    1）占地少；

    2）適應(yīng)性廣，不受地理位置限制；

    3）季節(jié)溫度變化的影響比較小。

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式的缺點主要表現(xiàn)在：

    1）投資大，萬頭豬場的糞污處理，投資約150～200萬元；

    2）能耗高，處理1 m3污水耗電約2～4 kWh；

    3）運轉(zhuǎn)費用高，處理1 m3污水運轉(zhuǎn)費2.0元左右；

    4）機械設(shè)備多，維護管理量大；

    5）需要專門的技術(shù)人員進行運行管理。

 

    以年出欄10 000頭豬的規(guī)?；i場為例。3種模式都采用干清糞工藝，每天污水量大約100 m3，進水化學(xué)耗氧量6 000～8 000 mg/L、生化需氧量3 500～4 500 mg/L、懸浮物3 000～4 000 mg/L、氨態(tài)氮500～700 mg/L、pH 7～7.5。沼氣（厭氧）-自然處理模式、沼氣（厭氧）-好氧處理模式的處理出水達到國家《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18596-2001），即化學(xué)耗氧量<400 mg/L，生化需氧量<150 mg/L，懸浮物<200 mg/L，氨態(tài)氮<80 mg/L，pH 6～9。3種模式的經(jīng)濟比較見表7。

表7：萬頭出欄豬場糞便污水不同處理模式的投資及運行費用比較

費用	沼氣（厭氧）-好氧處理模式	沼氣（厭氧）-自然處理模式	沼氣（厭氧）-還田模式
污水處理投資/萬元 年耗電量/kWh 年污水處理運行費用/萬元 年節(jié)約化肥收入或種植收益/萬元 年沼氣產(chǎn)量/m3 沼氣收益/萬元 年總收益（沼氣及節(jié)約化肥收益）/萬元 年利潤/萬元	170 101 470 -11.17     73 000 5.84 5.84   -5.33	180 3 285 -3.27     73 000 5.84 5.84   2.57	160 4 745 -2.32*/-182.32** 1.28*/30.0**   73 000 5.84 7.12*/35.84**   4.80*/-146.48**

注：*豬場自有土地足夠消納豬糞水厭氧消化液；**豬場沒有自有土地消納豬糞水厭氧消化液。

    表7分析表明，幾種處理模式的投資比較接近，以沼氣（厭氧）-自然處理模式稍高，沼氣（厭氧）-好氧處理模式次之，沼氣（厭氧）-還田模式最低。

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式的耗電量和運行費用均高于沼氣（厭氧）-自然處理模式和沼氣（厭氧）-還田模式。

    如果規(guī)?；i場沒有足夠自有土地消納厭氧消化液，靠租用土地來消納，沼氣（厭氧）-還田模式的運行費用明顯高于沼氣（厭氧）-自然處理模式與沼氣（厭氧）-好氧處理模式。對于擁有土地的豬場，采用沼氣（厭氧）-還田模式，即使種植作物或飼料沒有利潤，其運行費用顯著低于沼氣（厭氧）-好氧處理模式。

    沼氣（厭氧）-好氧處理模式運行費用非常高，小的規(guī)?；i場是難以承受的，即使能修建處理設(shè)施，也可能會因為高運行費用而無法運轉(zhuǎn)，該模式只能在前兩種模式無條件應(yīng)用時才選用。沼氣（厭氧）-還田模式可以實現(xiàn)污染物零排放，資源化程度最高，但是，如果規(guī)模化豬場沒有足夠的農(nóng)田消納糞污，需要周圍農(nóng)戶使用糞污，這就存在著與周圍農(nóng)戶協(xié)調(diào)問題；如果租用土地來消納糞污，也存在非常高的運行費用。沼氣（厭氧）-自然處理模式的運行費用較低，在規(guī)模化豬場沒有土地的情況下，租用土地的運行費用也低于沼氣（厭氧）-好氧處理模式。如果計算產(chǎn)生沼氣以及節(jié)約化肥的收益，沼氣（厭氧）-自然處理模式與擁有自有土地的沼氣（厭氧）-還田模式均能獲得利潤，而沼氣（厭氧）-好氧處理模式仍然入不敷出。

    我國規(guī)?；i場大多建在離城市較遠(yuǎn)的地區(qū)，飼養(yǎng)規(guī)模不大。因此，糞污處理應(yīng)優(yōu)先考慮沼氣發(fā)酵，沼渣沼液還田利用，利用不完而剩余的再采用自然處理模式進行處理。只有在豬場規(guī)模比較大，并且周圍土地十分緊缺的情況下，才推薦采用沼氣（厭氧）-好氧處理模式。