寒區(qū)規(guī)模豬場糞污沼氣處理研究*

侯如梁，潘曉亮，王新峰，姚 蕾，黃明輝，楊永軍

(1.石河子大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.石河子大學(xué) 動物科技學(xué)院，新疆 石河子 832003；3.新疆兵團農(nóng)八師142團，新疆 石河子 832003)

養(yǎng)豬業(yè)是我國農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟中占重要地位，養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展不僅滿足了人們對豬肉及其產(chǎn)品的消費需求，而且為農(nóng)民增收、農(nóng)村勞動力就業(yè)、糧食轉(zhuǎn)化及推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出了重大貢獻，但是，在發(fā)展的同時，也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境被污染的問題，現(xiàn)就新疆寒區(qū)規(guī)模豬場糞污處理論述如下。

1 寒區(qū)規(guī)模豬場糞污染與沼氣現(xiàn)狀

1.1 生豬糞污染現(xiàn)狀

研究表明：生豬糞便和污水中含有大量的污染物質(zhì)，據(jù)資料介紹，豬糞尿的BOD5為 30 g/L，排放的污水 CODcr為5～20 g/L。這樣的污染物進入到環(huán)境中，給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重危害。據(jù)統(tǒng)計，2007年全國養(yǎng)豬業(yè)糞便排放總量約為13.67×108t，糞尿排放總量達6.76×108t, 其中約 50%來自集約化養(yǎng)殖場；CODcr為0.46×108t，BOD5為 0.38×108t，大大超過工業(yè)廢水和生活污水[1]；根據(jù)檢測結(jié)果，與國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)進行評價，養(yǎng)豬場排放污水CODcr平均超標(biāo)53倍；SS超標(biāo)14倍；氨氮、總磷等超標(biāo)20倍以上。不僅造成可利用資源的大量流失，而且給農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重的破壞，影響經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 新疆寒區(qū)規(guī)模豬場糞污沼氣處理面臨的問題

新疆北疆地區(qū)冬季寒冷，最低溫度達零下30 ℃以下。以新疆北疆較為典型的石河子地區(qū)為例：頭年11月中旬到來年的5月初的6個月內(nèi)地溫在15 ℃以下，其余的6個月在15 ℃以上。據(jù)相關(guān)文獻研究結(jié)論，甲烷菌的產(chǎn)氣能力在10～30 ℃溫度區(qū)間隨著溫度的降低而減小，溫度在15 ℃以下時不適宜產(chǎn)甲烷菌的生長[2]。也就是說新疆沼氣半年能用半年不能用。

另外，因沼氣池?zé)o保溫措施或保溫措施不當(dāng)而造成的冬季停氣甚至造成凍裂池體的現(xiàn)象普遍存在。正常產(chǎn)氣不足6個月。并且氣壓不穩(wěn)，影響使用。冬季沼氣池擱置、凍結(jié)，這不但影響第2年的使用，而且容易造成沼氣池?fù)p壞報廢[3]。

新疆大部分地區(qū)由于干旱缺水區(qū)，而豬場由于采取不當(dāng)?shù)那寮S方式特別是水沖糞，雖然表面看減少了勞動成本，但是造成寶貴水資源的嚴(yán)重浪費，使后續(xù)處理量加大，處理成本隨之增加。

2 項目概況及處理工藝

2.1 試驗項目工程概況

2007年，石河子142團綠野牧業(yè)養(yǎng)殖場自籌資金30余萬元，建設(shè)了一座100 m3膜結(jié)構(gòu)(采用塑料基復(fù)合材料沼氣袋作為內(nèi)膽)能全年使用的水壓式沼氣池[4]，處理500余頭生豬糞便。沼氣池建在育肥圈舍下面(育肥豬糞便量大，便于收集；育肥豬舍面積大，利于沼氣池布局)，所產(chǎn)糞便直接在豬圈內(nèi)處理，既節(jié)省用地、又利于保溫；池底鋪有地暖，冬季采用煤氣兩用鍋爐為圈舍及沼氣池供暖，以達到沼氣池正常運行所需溫度條件，即使冬季最寒冷的時候，沼氣池氣壓仍保持在6.5 kPa以上(設(shè)計氣壓為8 kPa)；沼液用以沖洗豬圈，在用水方面實現(xiàn)循環(huán)。

該沼氣池正常運行5年來，年節(jié)約煤炭100余噸，節(jié)水3 000 余立方米，還可預(yù)防疫病，此外所產(chǎn)沼渣、沼液用于大棚及所承包大田的棉花、線辣椒、瓜果和蔬菜的種植，節(jié)約化肥和農(nóng)藥，對作物的品質(zhì)提高有較大的作用。

2.2 項目處理工藝

本研究的糞污處理工藝流程見圖1。

2.3 指標(biāo)檢測

豬場糞污處理試驗需要檢測指標(biāo)及方法見表1。

圖1 豬場糞污處理工藝流程圖Fig.1 Technological flowchart of treating piggery manure and wastewater

表1 豬場糞污處理試驗需要檢測的指標(biāo)及方法Table 1 Indicators and methods of detection on pig waste treatment trials

3 結(jié)果與分析

本研究于2012年11月至2013年1月期間對石河子142團綠野牧業(yè)養(yǎng)豬場圈溫、沼氣池池溫及進出水各污染指標(biāo)進行了監(jiān)測。其結(jié)果由圖2可知，從11月3日至1月19日近兩個月的時間中，石河子氣溫經(jīng)歷了從零上10 ℃到最低零下30 ℃的大幅度變化，特別在12月22日前后，氣溫連續(xù)幾天處于零下30 ℃以下。圈內(nèi)溫度、沼氣池內(nèi)溫度走勢趨于平緩，池溫高于圈溫5 ℃左右。

在此期間，豬場采取了煤氣兩用鍋爐為豬圈供暖，基本維持在18～20 ℃之間，即使在12月22日前后的極端低溫下，圈舍溫度仍然能保持在16 ℃以上，為圈舍底下沼氣池保溫起到了良好的效果。豬場沼氣池采用了外墻保溫的同時，在沼氣池底部鋪設(shè)水暖循環(huán)管路，與圈內(nèi)暖氣采取同一熱源，有力保證了低溫下沼氣池的正常運行。特別是22日前后極端低溫下池內(nèi)溫度仍維持在24 ℃上下，充分說明寒區(qū)規(guī)模豬場沼氣池建于圈舍下可行。

由圖3可知，沼氣池進出水pH值變化幅度較小，進水pH處于7.15～7.26之間，出水pH處于7.41～7.51之間，總體均維持在正常范圍之內(nèi)，出水pH值略高于進水pH值。

沼氣池適宜的酸堿度為pH值為6.5～7.5，過高過低都會影響沼氣池內(nèi)微生物的活性。進水口處于沉淀池與沼氣池酸化間連接處，進水在沉淀池長時間發(fā)酵，并受到酸化間產(chǎn)酸菌作用的影響，使得pH值略低。隨著發(fā)酵持續(xù)進行，氨化作用產(chǎn)生的氨中和一部分有機酸，同時甲烷菌的活動使大量的揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化為甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，使pH值逐漸回升。

圖2 豬場圈溫、池溫與同期氣溫走勢Fig.2 The pig pens temperature

圖3 沼氣池進出水pH值變化Fig.3 pH changes of influent and effluent water in methane tank

由圖4、5可知，進水CODcr、 BOD5濃度分別處于24 000、8 000 mg/L之間，經(jīng)過圖1所示工藝流程處理后，出水CODcr、 BOD5濃度分別處于8 000、1 900 mg/L之間，CODcr、 BOD5去除率分別達到了65%、77%左右。總體去除率達到中等水平，但處理水平與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)還有一定的差距。在12月22日前后CODcr、 BOD5去除率均有下降，變化趨勢與溫度變化趨勢相似，說明低溫對去除效果有一定的影響。

由圖6可見，進水NH3-N濃度處于61 900～69 380 mg/L之間，而出水NH3-N濃度處于79 290～87 320 mg/L之間，去除率出現(xiàn)“負(fù)值”的情況，出水NH3-N濃度相對于進水濃度高出近30%。

圖4 沼氣池進出水 CODcr變化Fig.4 CODcr changes of influent and effluent water in methane tank

圖5 沼氣池進出水 BOD5 變化Fig.5 BOD5 changes of influent and effluent water in methane tank

圖6 沼氣池進出水 NH3-N 變化Fig.6 NH3-N changes of influent and effluent water in methane tank

由于養(yǎng)殖場糞污總氮(特別是有機氮)含量較高，一般的異養(yǎng)菌進行高效的氨化作用，氨化反應(yīng)速率高于硝化反應(yīng)速率，生成的氨氮高于硝化的氨氮，導(dǎo)致氨氮總量增加。另外由于該豬場采用沼液回流沖圈的清糞方式，氨氮在一定程度上進行累積，也可導(dǎo)致出水氨氮濃度的升高。

4 結(jié) 論

該膜結(jié)構(gòu)沼氣池正常運行5年來，并未出現(xiàn)新疆常見的因池體凍裂導(dǎo)致沼氣池報廢的情況，說明膜結(jié)構(gòu)沼氣池用于寒區(qū)規(guī)模豬場糞污處理可行。

對豬場圈內(nèi)外溫度及沼氣池內(nèi)溫度監(jiān)測表明，在采用圈舍底下建池及用地暖進行增溫后，即使在冬季低溫條件下，沼氣池內(nèi)溫度仍可保持在24℃以上，充分保證沼氣池正常運行。對沼氣池進出水CODcr、BOD5等指標(biāo)監(jiān)測得知，各指標(biāo)總體去除率較高，但出水NH3-N濃度高于進水，發(fā)酵后沼液中仍有較高濃度CODcr、BOD5，均未達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)。沼液回流沖圈需進行多級厭氧發(fā)酵或者進一步好氧處理。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部,中華人民共和國國家統(tǒng)計局,中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.第一次全國污染源普查公報[EB/OL].[2013-01-24].http://www.staas.gov.cn/tigb/qtfjgb/qgqttjgb/t20100211-402621161.htm.

[2] 劉榮厚.溫度條件對豬糞厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣特性的影響[J].可再生能源,2006(5):25-32．

[3] 劉軍林,李盛林.新疆戶用沼氣池現(xiàn)狀及影響其發(fā)展的因素分析[J].新疆農(nóng)墾科技,2010,33(4):73-75.

[4] 李盛林,劉盛林，危常洲，等.新疆地域氣候條件下沼氣工藝措施分析[J].中國沼氣,2010,28(6):39-41.