沼液貯存技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的應(yīng)用

南松劍，邵 蕾，楊守軍，羅 星，鞠鑫鑫，董仁杰

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，煙臺 264670）

沼液貯存技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的應(yīng)用

南松劍，邵 蕾，楊守軍，羅 星，鞠鑫鑫，董仁杰*

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，煙臺 264670）

不論是糞便的全混合式發(fā)酵處理，還是低濃度糞水的快速厭氧發(fā)酵處理，都會產(chǎn)生大量的沼液。種植業(yè)對沼液的消納利用具有明顯的季節(jié)性，沼液需要進(jìn)行長期貯存，其中有機(jī)物在貯存過程中繼續(xù)降解產(chǎn)氣。考慮既要進(jìn)一步的回收沼氣能源和控制溫室氣體等向環(huán)境的排放，以減少環(huán)境污染，同時又要滿足農(nóng)田季節(jié)性均衡施用沼液的要求，需構(gòu)筑封閉式沼液貯存穩(wěn)定塘。文內(nèi)對沼液貯存穩(wěn)定塘的選址布局、塘體類型、容積計算以及結(jié)構(gòu)要求等進(jìn)行了闡述，以期為沼液貯存塘的建設(shè)提供一定的理論參考。

糞水；資源化；沼液貯存

在畜禽養(yǎng)殖糞水的沼氣處理工程中，沼液的產(chǎn)生具有連續(xù)性，而沼液的施用具有季節(jié)性，兩者之間存在一定的矛盾，所以沼液利用中必定包括貯存環(huán)節(jié)。沼液貯存過程中，沼液中的養(yǎng)分含量變化對沼液農(nóng)用效果很關(guān)鍵。李 雯等[1]研究了不同發(fā)酵原料沼液的養(yǎng)分含量及變化情況，結(jié)果表明不同發(fā)酵原料沼液的總氮（TN）含量在儲存1個月后有所減少，后期基本保持不變；而不同沼液的總磷含量在儲存1個月后顯著減少，儲存兩個月后仍有所減少；不同沼液總鉀（TK）含量在儲存2個月后無顯著變化。根據(jù)邊文芳等[2]的研究，密閉儲存的沼液N、P、K降低少，優(yōu)于敞口儲存。丁京濤等[3]研究表明，沼液營養(yǎng)成分含量隨儲存時間的延長不斷降低，兩者之間呈顯著負(fù)相關(guān)性，且溫度越高，營養(yǎng)成分損失率越大，以雞糞為發(fā)酵原料的沼液中的氮磷鉀營養(yǎng)元素更容易流失，在夏季儲存90 d，TN含量損失超過了一半，TP含量損失了70%以上，TK含量損失超過了三分之一。所以，從無機(jī)養(yǎng)分含量角度，沼液在施用時，越新鮮肥效越好。我國農(nóng)業(yè)沼氣工程大部分沒有建設(shè)沼渣和沼液貯存設(shè)施，也沒有相應(yīng)的輸送設(shè)備。筆者建議，為了減少沼渣沼液養(yǎng)分流失、防止長期貯存產(chǎn)生的異味，我國沼氣工程應(yīng)建沼渣沼液貯存池，且貯存池必須加蓋[3]。沼液中所含成分與發(fā)酵原料、發(fā)酵工藝與規(guī)模以及貯存時間等有直接關(guān)系，國內(nèi)對沼液長期作為肥料應(yīng)用對農(nóng)田及作物的污染影響僅有少量研究報道，齊琳等（2016）[4]研究認(rèn)為，沼液中污染物總量隨貯存時間增加而下降，3 種有機(jī)污染物中固體懸浮物濃度（SS）、化學(xué)耗氧量（COD）和5日生化耗氧量（BOD5）和5種重金屬（Pb、Cd、Hg、As和總Cr）等主要致污因子均無超標(biāo)，沼液貯存時間大于9 d時，綜合污染評價即為安全級，但農(nóng)田應(yīng)用需兌水稀釋。

參考相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)，本文對沼液貯存穩(wěn)定塘的選址布局、塘體類型、容積計算、結(jié)構(gòu)要求及貯存時間等進(jìn)行了闡述。

1 選址布局

貯存穩(wěn)定塘要根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場規(guī)模、場區(qū)地形和布局、氣候風(fēng)向以及使用規(guī)劃等選擇建造地點(diǎn)、大小和數(shù)量，并做好以后的擴(kuò)建計劃安排。穩(wěn)定塘宜設(shè)在養(yǎng)殖場區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的下風(fēng)向或側(cè)風(fēng)向，與糞水厭氧處理的沼氣工程相鄰[5]?？稍诩S污綜合利用工程區(qū)域內(nèi)劃定糞污存儲區(qū)域，根據(jù)地質(zhì)情況挖出一定量的土方形成貯存塘體。建議與畜禽養(yǎng)殖場生產(chǎn)區(qū)有不小于50 m的間隔距離，在其周圍設(shè)置寬度不小于10 m的綠化隔離帶，以滿足生產(chǎn)及防疫要求[9]。

2 塘體類型

沼液貯存塘以地下式和半地下式為主。根據(jù)開放程度，可分為開放式和封閉式貯存塘[5]。為進(jìn)一步收集沼氣能源及減少對環(huán)境的污染，本文建議相關(guān)企業(yè)選擇封閉式貯存塘。根據(jù)防滲方式不同，封閉式沼液貯存塘可分為兩類，一是采用混凝土結(jié)構(gòu)塘體，同時黑膜覆頂封閉式貯存塘，見圖1；二是全黑膜結(jié)構(gòu)封閉式貯存塘，見圖2；封閉式沼液貯存塘外觀見圖3。

3 容積計算

對于封閉式沼液貯存穩(wěn)定塘，其容積可根據(jù)具體畜禽養(yǎng)殖場的廢水產(chǎn)生量、貯存時間等確定，應(yīng)不小于最大利用間隔期內(nèi)（以當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)用肥的最大間隔時間或冬季封凍期定）廢水排出量，本文按滿足貯存養(yǎng)殖場180 d（6個月）所產(chǎn)廢水量的要求進(jìn)行計算。

糞水（沼液）貯存塘容積計算參考GB/T 26624-2011 畜禽養(yǎng)殖廢水貯存設(shè)施設(shè)計要求第4條執(zhí)行[6]，計算公式如下：

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)沼液貯存塘

圖2 全黑膜結(jié)構(gòu)沼液貯存塘

圖3 封閉式沼液貯存塘外視圖

表1 集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)水沖糞工藝最高允許廢水排量

式中：

V為沼液貯存塘容積（m3）；

N為動物數(shù)量，豬、牛的單位為百頭，雞的單位為千只；

Q為畜禽養(yǎng)殖業(yè)每天最高允許排水量，豬場和牛場的單位為[m3/(百頭·d)]，雞場的單位為[m3/(千只·d)]，其取值見表1和2[7]；

Vr為預(yù)留容積（m3），穩(wěn)定塘預(yù)留高度以0.9 m為宜，預(yù)留容積P按照設(shè)施的實(shí)際長和寬及預(yù)留高度進(jìn)行計算后確定。

對于開放式穩(wěn)定塘，還需考慮沼液貯存最長持續(xù)期內(nèi)的降雨量相應(yīng)增加穩(wěn)定塘容積。

4 塘體結(jié)構(gòu)

1）當(dāng)采用混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定塘?xí)r，一般畜禽養(yǎng)殖場宜建造地下式（對于地下水位較高的畜禽場，可考慮選擇地上式），根據(jù)GB/T 26624-2011 畜禽養(yǎng)殖污水貯存設(shè)施設(shè)計要求[6]，穩(wěn)定塘底面應(yīng)高于地下水位0.6 m以上。根據(jù)CJJ 54-1993-T 污水穩(wěn)定塘設(shè)計規(guī)范[5]，穩(wěn)定塘一般為矩形，長寬比為2～2.5∶1，根據(jù)場地大小、位置和土質(zhì)條件，也可選擇方形或圓形等形式。塘的有效水深3～5 m為宜，塘體深不超過6 m。塘內(nèi)坡度1∶1.5～1∶3，塘外坡度1∶2～1∶4。

2）對于混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定塘，其塘體結(jié)構(gòu)設(shè)計可按CJJ 54-1993-T污水穩(wěn)定塘設(shè)計規(guī)范中第7部分進(jìn)行設(shè)計。其材料、地基、荷載、防滲、耐火、抗震及防腐等均需符合標(biāo)準(zhǔn)要求，具體執(zhí)行時，可參考GB 50069-2002給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范以及GBJ 7-89建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范、GBJ 10-89砼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、GBJ 11-89建筑抗震設(shè)計規(guī)范、GBJ 9-87建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范和GBJ 16-87建筑設(shè)計防火規(guī)范等。

3）以黑膜材料（PE）作為塘底防滲材料時或采用完全膜結(jié)構(gòu)的沼液貯存設(shè)施時，要求膜的厚度大于1.5 mm，防滲處理可按照SL/T 231-98聚乙烯（PE）土工膜防滲工程技術(shù)規(guī)范的第2和3.3等部分和GB/T 50934-2013石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范第5和7等部分規(guī)定執(zhí)行。貯存塘側(cè)壁和底部夯實(shí)度應(yīng)達(dá)到95%。根據(jù)李俊衛(wèi)等[7]建議塘體可由三層膜組成，從下到上依次為安全膜、底膜、浮動膜，底膜是防滲的關(guān)鍵設(shè)施，安全膜為底膜防滲增加一層保障；糞污儲存于底膜和浮動膜之間，浮動膜上有少量通風(fēng)口（每100 m2配置80 cm2的通風(fēng)口）并配備雨水泵，實(shí)現(xiàn)雨水與糞污的分流。在底膜與安全膜之間裝有糞污滲漏報警裝置的收集管道，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)底膜的泄漏情況并采取相應(yīng)的修補(bǔ)措施；在安全膜下方，裝地下水上涌報警裝置收集管道，能夠第一時間發(fā)現(xiàn)貯存塘底部的地下水上涌情況并采取相關(guān)措施減少地下水對貯存塘的影響。

表2 集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)干清糞工藝最高允許廢水排量

表3 部分國家有關(guān)土地對厭氧消化殘余物貯存時間的規(guī)定

對于覆膜或全膜結(jié)構(gòu)封閉式沼液貯存塘，在膜材料的選擇上，應(yīng)選擇成本低、耐老化、抗拉伸、耐氣候性良好的材料，南方要注意防風(fēng)、防雨及防紫外線，北方應(yīng)注意防風(fēng)、防冰凍、防雪等，在膜的表面應(yīng)加壓膜線。

4）根據(jù)GBT 26624-2011 畜禽養(yǎng)殖污水貯存設(shè)施設(shè)計要求的第5.3和6.2等要求[6]，進(jìn)液口設(shè)在底部，高出塘底0.6～1.0 m，進(jìn)液管直徑一般為200～300 mm，可設(shè)置兩至三道0.5 cm×0.5 cm方格過濾網(wǎng)。出液口應(yīng)在水面以下，淹沒深度不小于0.6 m，并要求在浮渣層或冰凍層以下，進(jìn)出液口設(shè)計應(yīng)避免在設(shè)施內(nèi)產(chǎn)生短流、溝流、返混合死區(qū)。也可考慮自流式進(jìn)入和排出，以方便利用，節(jié)省能耗。對于封閉式沼液貯存穩(wěn)定塘，在主塘旁邊應(yīng)增加一具備防滲結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土服務(wù)池，以便于進(jìn)液、取料及觀察液位，不會對主塘防滲防蒸發(fā)裝置造成破壞，在上部需設(shè)置氣體收集管道和燃燒火炬設(shè)施等，在PE土工膜表面應(yīng)加壓膜線[9，10]。

5）貯存塘應(yīng)設(shè)置浮渣及污泥排除設(shè)施。貯存塘周圍應(yīng)進(jìn)行綠化，同時設(shè)置明顯的標(biāo)志和圍欄等防護(hù)設(shè)施，圍欄高度不低于1.2 m[10]。

5 貯存時間

目前，對于沼液污染風(fēng)險情況，尤其是沼液的最短貯存期與安全利用關(guān)系，暫未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏直接參考。因此貯存中沼液污染物變化特點(diǎn)及規(guī)律仍需開展更多研究，并在此基礎(chǔ)上對沼液利用中產(chǎn)生的污染問題做到及時防控和預(yù)防。

對于沼液的最長貯存期，可根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物生產(chǎn)用肥的最大間隔時間或冬季封凍期確定。結(jié)合我國南北方主要大田作物生長期情況，建議我國沼液肥貯存期為3～6個月。

德國法律規(guī)定，自2009年1月1日起運(yùn)行的沼氣工程，沼渣、沼液貯存池必須加蓋，敞開式貯存池會導(dǎo)致氮素好氧分解而流失。貯存池加蓋后還能改善衛(wèi)生環(huán)境，防止異味溢出。德國規(guī)定沼液須經(jīng)過6個月的貯存后可作為農(nóng)作物肥料利用[11]。

表3提供一些歐美國家要求的沼液貯存時間，以供我國沼液貯存和資源化利用實(shí)踐中參考。

6 安全制度

制定檢查日程，至少每兩周檢查1次，防止意外泄露和溢流發(fā)生。制定應(yīng)急計劃，包括事故性溢流應(yīng)對措施等。

[1] 李 雯，曲英華，徐奕琳，等.不同發(fā)酵原料沼液的養(yǎng)分含量及變化[J].中國沼氣，2012， 30(3)：17-20.

[2] 邊文范，張柏松，張玉鳳，等.儲存方式和時間對秸稈沼液養(yǎng)分含量的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30(17)：200-203.

[3] 丁京濤，沈玉君，孟海波，等.沼渣沼液養(yǎng)分含量及穩(wěn)定性分析[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報， 2015，18(4)：139-146.

[4] 齊琳，王飛，徐武軍，等.貯存中沼液污染因子分析評估[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2016，32(13)： 125-128.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.污水穩(wěn)定塘設(shè)計規(guī)范：CJJ 54-1993-T.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[6] 中華人民共和國，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局. 畜禽養(yǎng)殖污水貯存設(shè)施設(shè)計要求：GB/T 26624-2011.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[7] 李俊衛(wèi)，彭英霞，王浚峰，等.規(guī)?；i場糞污綜合利用工藝分析[J].家畜生態(tài)學(xué)報，2015，36(11)：67-71.

[8] 國家環(huán)境保護(hù)總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局.畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 18596-2001.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[9] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 畜禽場環(huán)境污染控制技術(shù)規(guī)范：NY/T 1169-2006.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[10] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 沼氣工程沼液沼渣后處理技術(shù)規(guī)范：NY/T 2374-2013. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[11] 李子富，余敏娜，范曉琳.德國沼氣工程現(xiàn)狀分析[J].可再生能源，2010，28(4)：141-144.

2017-06-21）

山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016ZDJS11A07），山東省科技發(fā)展計劃（2014GGA06074）

作者：南松劍（1977－），男，博士，主要從事設(shè)施養(yǎng)殖環(huán)境方面的研究，E-mail：nansongjian@126.com。

*通訊作者：董仁杰，教授，博導(dǎo)，主要從事生物質(zhì)能、有機(jī)廢棄物資源化研究。E-mail: rjdong@cau.edu.cn