養(yǎng)殖廢棄物無害化處理與資源化利用技術(shù)

李復(fù)煌+王旭明

2010年，國務(wù)院公布了《第一次全國污染源普查公報(bào)》。普查結(jié)果顯示，農(nóng)業(yè)源污染對(duì)全國污染物總量的貢獻(xiàn)率超過了工業(yè)和生活污染而成為全國最大的污染源。其中畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染又是農(nóng)業(yè)源污染中的重中之重。畜禽養(yǎng)殖污染物排放量在全國污染物總排放量中的占比在不斷上升。

2013年10月，國務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過了《畜禽規(guī)模養(yǎng)殖污染防治條例》，自2014年1月1日起施行。該條例是國內(nèi)首部針對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染防治方面的法規(guī)，對(duì)養(yǎng)殖場糞污處理提出了明確要求，其核心是要求養(yǎng)殖場對(duì)糞污進(jìn)行無害化處理，并鼓勵(lì)采取種植和養(yǎng)殖相結(jié)合的方式消納利用畜禽養(yǎng)殖廢棄物，促進(jìn)畜禽糞便、污水等廢棄物就地就近利用。目前，國內(nèi)外普遍采用好氧發(fā)酵和厭氧消化兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖廢棄物的無害化處理與資源化利用

一、好氧發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥技術(shù)

（一）技術(shù)概述

有氧條件下，依靠好氧微生物的作用使廢棄物中可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的小分子物質(zhì)和腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的過程，稱為堆肥技術(shù)。發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥是一種有效的養(yǎng)殖場廢棄物無害化、資源化處理技術(shù)，有利于種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)間的物質(zhì)循環(huán)，而且可以根據(jù)養(yǎng)殖場規(guī)模，因地制宜地采用不同發(fā)酵方式，實(shí)現(xiàn)禽場糞污的無害化，避免環(huán)境污染，是我國正在大力推行的一種養(yǎng)殖廢棄物處理方式。

（二）技術(shù)要點(diǎn)

養(yǎng)殖廢棄物好氧發(fā)酵的主要控制因素如圖1所示：養(yǎng)殖場廢棄物由于C / N比較低，需要在發(fā)酵前加入C / N比較高的輔料 （蘑菇渣、作物秸稈等），堆肥原料的C / N比最適為25～35∶1。調(diào)節(jié)堆肥原料的含水率為55%左右，含水率高于60%或低于40%都會(huì)影響發(fā)酵進(jìn)程。微生物菌劑的加入量一般為0.2%～0.5%，以促進(jìn)發(fā)酵進(jìn)程，減少臭氣排放。堆肥過程中，利用鏟車或翻拋機(jī)混合物料并充氧。堆肥溫度達(dá)到50～65℃后，至少需要5～7天才能達(dá)到無害化。過低的溫度將大大延長堆肥達(dá)到腐熟的時(shí)間，而過高的溫度（超過70℃）將對(duì)堆肥微生物產(chǎn)生有害的影響。腐熟的有機(jī)肥應(yīng)滿足我國有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY 525-2011）的要求。

（三）技術(shù)方法

1. 堆肥方式

目前，利用養(yǎng)殖廢棄物發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥主要采用條垛式堆肥和槽式堆肥兩種方式。

①條垛式堆肥（見圖2）。通常為露天生產(chǎn)，投資少，但受環(huán)境變化的影響較大，而且生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生條件較差，對(duì)周邊的環(huán)境影響較大。條垛式堆肥中，物料以垛狀堆置，可以排列成多條平行的條垛，條垛的斷面形狀通常為三角形或梯形，一般條垛的寬度為4～6米，高1.5～2.0米，長度則視堆肥規(guī)模和場地條件而定。

②槽式堆肥（見圖3）。過程發(fā)生在長而窄的通道 （槽） 內(nèi)。物料送入發(fā)酵槽進(jìn)料端，翻拋機(jī)開始作業(yè)，每翻拋一次物料都會(huì)向出料端移動(dòng)。發(fā)酵槽內(nèi)物料的移動(dòng)速度是通過調(diào)整翻拋機(jī)運(yùn)行方式及翻拋次數(shù)來實(shí)現(xiàn)。槽式堆肥生產(chǎn)效率高，但投資較大。

2. 工藝流程

①原料的前處理。前處理主要是調(diào)節(jié)含水率和C / N比。糞便原料通常加入粉碎后的蘑菇渣或秸稈（粒徑1.2～6.0厘米）作為輔料，并加入微生物菌劑，使C / N比達(dá)到25～35∶1。含水率應(yīng)控制在50%～55%。當(dāng)含水率較高時(shí)，通常采用晾曬的方法降低含水率；含水率較低時(shí)，可使用液體菌劑加水稀釋，均勻噴灑在原料上。

②主發(fā)酵（一次發(fā)酵）。主發(fā)酵可在露天（條垛式堆肥）或發(fā)酵槽內(nèi)（槽式堆肥）進(jìn)行。這一階段的主要技術(shù)措施是向物料供給氧氣，可采用翻堆或強(qiáng)制通風(fēng)的方式充氧。圖4為槽式堆肥中的強(qiáng)制通風(fēng)管道。當(dāng)溫度等條件適宜時(shí)，通常1～2天堆體溫度即達(dá)到55℃，此時(shí)需要每天翻堆，混合物料的同時(shí)達(dá)到充氧的目的，防止溫度升到70℃以上。通常將溫度升高到開始降低的階段稱為主發(fā)酵，主發(fā)酵周期為7～12天。這一階段主要是原料中易分解物質(zhì)的降解，同時(shí)產(chǎn)生大量生物熱，原料的含水率降低。

③后發(fā)酵（二次發(fā)酵）。后發(fā)酵是將主發(fā)酵中尚未分解的部分易降解有機(jī)物和難降解有機(jī)物進(jìn)一步分解轉(zhuǎn)化，得到完全成熟的有機(jī)肥制品。此時(shí)微生物活性下降，發(fā)熱量減少，溫度下降，腐殖質(zhì)不斷增多且趨于穩(wěn)定化，堆肥進(jìn)入腐熟階段。后發(fā)酵時(shí)間通常在20天以上。后發(fā)酵完成后得到的成品有機(jī)肥可通過造粒機(jī)進(jìn)行造粒，得到顆粒有機(jī)肥。

二、厭氧消化技術(shù)

厭氧消化是指在厭氧條件下，兼性厭氧和厭氧微生物群體將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的過程。厭氧消化的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)糞污無害化的同時(shí)產(chǎn)生沼氣。沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)微生物作用（發(fā)酵）而產(chǎn)生的可燃性氣體。沼氣是氣體的混合物，其中含甲烷50%～70%，此外還含有二氧化碳、硫化氫、氮?dú)夂鸵谎趸嫉取?/p>

（一）厭氧消化的生化階段

1. 水解酸化階段

糞污中的蛋白、脂肪、多糖等復(fù)雜有機(jī)物由發(fā)酵性細(xì)菌水解，產(chǎn)生乙酸、丙酸等揮發(fā)酸及乙醇、二氧化碳、氫氣等。

2. 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段

在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的作用下，第一階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和氫氣。

3. 產(chǎn)甲烷階段

產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，將其轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。

（二）沼氣工程的分類標(biāo)準(zhǔn)

按照規(guī)模、發(fā)酵溫度和采取的工藝可分為不同類型（見圖5）。

（三）沼氣工程工藝組成

沼氣工程通常包括預(yù)處理系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、增溫保溫系統(tǒng)、沼氣凈化系統(tǒng)、沼氣儲(chǔ)存利用系統(tǒng)（發(fā)電和燃燒等）、沼渣沼液儲(chǔ)存利用系統(tǒng)和沼氣自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1. 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)一般包括進(jìn)料斗、預(yù)處理池、攪拌器、加熱盤管、糞污沖洗系統(tǒng)以及進(jìn)料系統(tǒng)。主要目的是去除原料中的各種雜物，便于用泵輸送及防止發(fā)酵過程中出現(xiàn)故障；調(diào)節(jié)固形物含量；調(diào)節(jié)溫度等。

2. 發(fā)酵系統(tǒng)

是有機(jī)物料進(jìn)行厭氧消化的構(gòu)筑物，主要類型有常規(guī)消化器（沼氣池）（圖6）、完全混合式厭氧反應(yīng)器（CSTR）（圖7）、塞流式厭氧反應(yīng)器（PFR）（圖8）、升流式厭氧反應(yīng)器（USR）（圖9）、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）（圖10）等。地下式厭氧反應(yīng)器宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地上式厭氧反應(yīng)器宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)（圖11）。

3. 增溫保溫系統(tǒng)

該系統(tǒng)的作用是保證厭氧消化在適宜的溫度進(jìn)行。發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因素，發(fā)酵底物的分解消化速度隨溫度的升高而提高。當(dāng)發(fā)酵物料溫度低于20℃，厭氧微生物活性受到很大抑制，產(chǎn)氣率大大降低?，F(xiàn)代化高效沼氣工廠要維持中溫發(fā)酵（35±2℃），甚至高溫發(fā)酵（53±2℃）。目前采用的主要加熱方式有太陽能集熱器、發(fā)電機(jī)余熱、熱水或蒸汽鍋爐等；保溫方式可以采用“彩鋼板+巖棉板”“彩鋼板+聚苯板”“彩鋼板+發(fā)泡”等。

4. 沼氣凈化系統(tǒng)

沼氣中的水分與硫化氫共同作用，會(huì)加速管道、閥門及流量計(jì)的腐蝕，硫化氫還會(huì)對(duì)大氣造成污染，所以需要脫除。沼氣脫水的方法主要有三種：一是冷分離法，二是固體物理吸水法，三是溶劑吸收法。脫硫的方法有濕法脫硫和干法脫硫兩種：干法脫硫具有工藝簡單、成熟可靠、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，目前家用沼氣脫硫基本采用這種方法。干法脫硫劑有活性炭、氧化鋅、氧化錳及氧化鐵等，從運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、使用溫度、公害、價(jià)格等綜合考慮，目前采用最多的脫硫劑是氧化鐵。此外，還可以采用生物法脫硫。

5. 沼氣存儲(chǔ)系統(tǒng)

一般情況下沼氣是源源不斷地產(chǎn)生，可是用氣則根據(jù)具體的情況使用，時(shí)間并不同步，所以需要一個(gè)儲(chǔ)存裝置將不用的沼氣儲(chǔ)存起來等需要使用時(shí)候使用。雙膜儲(chǔ)氣柜（圖12）可以很好地儲(chǔ)存利用沼氣，其優(yōu)勢(shì)包括：工廠化生產(chǎn)，質(zhì)量可靠；運(yùn)輸方便、施工周期短（3～5天）；膜材料為高強(qiáng)度聚酯纖維，表面經(jīng)過丙烯酸酯清漆處理，防腐性能優(yōu)越；儲(chǔ)氣壓力低，安全性高；可解決冬季防凍難題；外膜抗紫外線、抗老化，使用壽命長。

（四）沼氣工程運(yùn)行管理要點(diǎn)

發(fā)酵溫度要求在45～60℃或30～45℃。物料的濃度通常低于8%，C / N比為20～30∶1，pH值控制在 6.8～7.5。運(yùn)行前的試車不漏水、不漏氣，一切附屬設(shè)備完好。接種與啟動(dòng)的厭氧污泥達(dá)10%～30%。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH值、揮發(fā)酸、溫度、氣壓、產(chǎn)氣量和沼氣成分等。

此外，沼氣具有毒性、腐蝕性和易燃性，在沼氣工程運(yùn)行過程中必須注意生產(chǎn)安全和用氣安全。具體要求包括：定期檢查構(gòu)筑物、貯氣罐、管道及閘閥是否漏氣；產(chǎn)沼氣后，站內(nèi)嚴(yán)禁煙火，嚴(yán)禁鐵器工具撞擊和電氣焊操作，操作人員不得穿帶鐵釘?shù)男?；?yán)禁隨便進(jìn)入?yún)捬跸鳌锨?、管道、地下井室及?chǔ)氣罐，需進(jìn)入時(shí)，必須采取安全防護(hù)措施；厭氧消化裝置、閥門井或其他構(gòu)筑物、儲(chǔ)氣柜等容器清理、維修和拆除時(shí)，殘留的沼氣和有毒、有害氣體威脅操作人員的生命安全，所以必須采取通風(fēng)、換氣等措施，待可燃?xì)怏w與有害氣體含量符合人員入內(nèi)操作規(guī)定后，并經(jīng)活禽動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明無危險(xiǎn)，方可下池操作。

（作者聯(lián)系地址：李復(fù)煌 北京市畜牧總站 郵編：100107；王旭明 北京農(nóng)業(yè)技術(shù)生物研究中心 郵編：100097）