區(qū)域性畜禽糞污處理中心工藝路線選擇分析

摘要 畜禽糞污集中處理工藝主要分為好氧處理工藝和厭氧處理工藝。為篩選出一條經(jīng)濟(jì)適用的工藝路線，本文根據(jù)不同畜禽糞污處置項(xiàng)目的運(yùn)行情況，從投資、占地面積、沼液產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益及投入產(chǎn)出等方面定量分析兩種工藝的運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)兩種糞污處置方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用情形?；诖颂岢鰠^(qū)域性畜禽糞污處理中心應(yīng)選用好氧發(fā)酵工藝作為主要處理設(shè)施或附屬設(shè)施，否則無(wú)法形成處理閉環(huán)；濕式厭氧工藝和干式厭氧工藝在噸處理量投入產(chǎn)出方面差別不大，但濕式厭氧工藝產(chǎn)生的沼液量較大，在處理量小且沼液能夠有效利用的情況下可以使用濕式厭氧工藝，否則干式厭氧工藝優(yōu)勢(shì)更大；當(dāng)厭氧工藝和好氧工藝在同一項(xiàng)目使用時(shí)，需注意厭氧系統(tǒng)不能消耗過(guò)多的有機(jī)質(zhì)，以免好氧過(guò)程生產(chǎn)的有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量可能達(dá)不到有機(jī)肥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 畜禽糞污；干式厭氧；好氧堆肥；環(huán)境管理

中圖分類(lèi)號(hào) X713；S216.4" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 1007-7731（2024）14-0049-04

DOI號(hào) 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.14.011

畜禽產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為居民肉蛋奶的供應(yīng)作出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)畜禽養(yǎng)殖的規(guī)?；?、集約化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展產(chǎn)生了大量糞污，給周?chē)鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)較大壓力。畜禽糞污資源化利用能夠從根本上減少糞污污染，保障畜禽業(yè)健康、穩(wěn)定發(fā)展。目前，畜禽糞污處理資源化利用的路徑主要分為厭氧處理工藝和好氧處理工藝，厭氧工藝主要生產(chǎn)沼氣，好氧工藝主要生產(chǎn)有機(jī)肥。畜禽糞污綜合處理中心是糞污治理模式創(chuàng)新的有益探索。在養(yǎng)殖密集區(qū)建設(shè)區(qū)域性畜禽糞污處理中心的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)^(qū)域糞污集中處理，生產(chǎn)效率較高，方便管理，末端污染可得到有效控制，生產(chǎn)的有機(jī)肥產(chǎn)品可反哺區(qū)域內(nèi)的種植業(yè)，加快構(gòu)建種養(yǎng)結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，促進(jìn)農(nóng)牧循環(huán)可持續(xù)發(fā)展[1]。

針對(duì)畜禽糞污資源化利用及處理工藝已開(kāi)展了較深入研究，羅娟等[2]針對(duì)當(dāng)前規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)畜禽糞污處理技術(shù)模式區(qū)域差異，構(gòu)建了一套衡量畜禽糞污處理的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，認(rèn)為東北地區(qū)宜采用前分離肥料模式和前分離墊料模式，西北地區(qū)宜采用肥料模式和前分離墊料模式，華北地區(qū)宜采用厭氧發(fā)酵模式。周海賓等[3]統(tǒng)計(jì)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，畜禽固體糞便處理普遍采用堆（漚）肥處理技術(shù)，液體糞污處理主要采用厭氧發(fā)酵和貯存發(fā)酵技術(shù)，糞污處理后還田是主要利用方向。陸則基等[4]提出針對(duì)清糞工藝、畜禽養(yǎng)殖規(guī)模和最終消納方式的不同來(lái)選擇合適的處理工藝。

目前畜禽糞污綜合利用能力已有較大提升，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于地域性的差異及特定項(xiàng)目研究樣本量較少，采用哪種工藝或組合工藝處置效果更佳，暫未得出統(tǒng)一的結(jié)論?；谏鲜鲈颍疚牟扇±碚摲治雠c實(shí)踐相結(jié)合的方式，深度剖析厭氧工藝和好氧工藝在處理畜禽糞污時(shí)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，定量分析項(xiàng)目中各因素對(duì)環(huán)境的影響，從而確定重點(diǎn)影響因子，尋求更為合理的資源化利用技術(shù)手段，旨在為區(qū)域性畜禽糞污處理中心技術(shù)路線優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 處理工藝

1.1.1 好氧工藝" 好氧堆肥是畜禽糞污處置較普遍使用的技術(shù)，利用好氧微生物菌種分解糞污中的有機(jī)質(zhì)，使其分解成二氧化碳和水等無(wú)害物質(zhì)，同時(shí)釋放熱量，殺死糞便中的蟲(chóng)卵和大腸桿菌等有害物質(zhì)。有機(jī)肥發(fā)酵需要控制水分和溫度，發(fā)酵時(shí)由于畜禽糞污需要調(diào)節(jié)碳氮比且自身水分率較高，必須與輔料一同添加，達(dá)到一定碳氮比范圍、含水率和孔隙率要求后，才有利于物料充分與氧氣結(jié)合，達(dá)到更好的好氧發(fā)酵條件[5]。有機(jī)肥摻混輔料主要是農(nóng)作物秸稈或副產(chǎn)品，如玉米秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、稻殼和花生殼等。一般區(qū)域性畜禽糞污處理中心好氧堆肥產(chǎn)物應(yīng)滿足最新的有機(jī)肥料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.2 厭氧工藝" 厭氧工藝是處理有機(jī)類(lèi)廢棄物的常用工藝，有機(jī)物在厭氧環(huán)境中通過(guò)微生物的代謝活動(dòng)被分解為甲烷和二氧化碳等物質(zhì)。厭氧發(fā)酵一般分為3個(gè)階段：第一階段是水解發(fā)酵階段，微生物先將復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)在酶的作用下進(jìn)行水解，切斷大分子物質(zhì)的分子鏈，使其成為較小的分子，以單糖和氨基酸為主；第二階段主要發(fā)揮作用的是產(chǎn)酸菌，其與上一階段已分解的小分子量分子繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生乙酸和氫氣；第三階段是在甲烷菌的作用下，酸和溶解性氮氧化物分解成氨、碳酸鹽、二氧化碳、氫氣和甲烷等[6]。

厭氧發(fā)酵的影響因素主要有碳氮比、溫度和pH值。根據(jù)進(jìn)料含水率，畜禽糞污的厭氧發(fā)酵工藝主要分為濕式厭氧發(fā)酵和干式厭氧發(fā)酵[7]，其中干式厭氧進(jìn)料含水率在70.0%～92.0%，濕式厭氧進(jìn)料含水率高于92%。兩種發(fā)酵方式在原輔料配比、進(jìn)料方式、攪拌強(qiáng)度、過(guò)程控制和沼液產(chǎn)生量等方面存在較大差異。

1.2 工藝參數(shù)計(jì)算

好氧工藝和厭氧工藝的比較應(yīng)建立在相同條件下，如相同的物料種類(lèi)，近似的空間位置和環(huán)境條件，以及同一價(jià)格體系等。由于相同規(guī)模的區(qū)域性畜禽糞污處理中心的相關(guān)數(shù)據(jù)較難得到，因此，比較項(xiàng)目選擇日處理量至少100.00 t的處理廠作為研究對(duì)象，不同處理量的數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)處理量折算進(jìn)行對(duì)比[8]。處理物料均為牛糞，當(dāng)使用其他有機(jī)物料作為原料時(shí)，工藝參數(shù)數(shù)據(jù)可能存在偏差。

厭氧發(fā)酵分為干式厭氧發(fā)酵和濕式厭氧發(fā)酵[9]，因此，厭氧工藝做數(shù)據(jù)推演時(shí)，干式和濕式兩種工藝分別計(jì)算。

1.2.1 厭氧發(fā)酵工藝參數(shù)" （1）干式厭氧工藝參數(shù)。某畜禽糞污處置項(xiàng)目使用干式厭氧發(fā)酵工藝，進(jìn)料牛糞的含水率83.0%，日處理牛糞583.55 t，容積產(chǎn)氣率按照3 Nm3/（m3·d）計(jì)算，干式厭氧發(fā)酵工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

（2）濕式厭氧工藝參數(shù)。某畜禽糞污處置項(xiàng)目使用濕式厭氧發(fā)酵工藝，進(jìn)料牛糞的含水率83.0%，日處理牛糞120.00 t，容積產(chǎn)氣率按照1.5 Nm3/（m3·d）計(jì)算，濕式厭氧發(fā)酵工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

1.2.2 好氧工藝參數(shù)" 某畜禽糞污項(xiàng)目使用好氧發(fā)酵工藝，進(jìn)料牛糞含水率83.0%，日處理牛糞583.55 t，發(fā)酵原料質(zhì)量比為牛糞∶秸稈粉∶腐殖酸∶尿素∶菌劑為3 600∶700∶160∶10∶1，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

1.3 工藝參數(shù)對(duì)比

綜合以上數(shù)據(jù)，本文針對(duì)畜禽糞污處置采用的厭氧工藝（濕式與干式）將從投資、占地、沼液產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益及投入產(chǎn)出幾個(gè)角度來(lái)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，再針對(duì)厭氧工藝與好氧工藝從投資、利潤(rùn)及回收期幾個(gè)角度進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干式厭氧發(fā)酵與濕式厭氧發(fā)酵工藝對(duì)比

投資方面，120.00 t處理量的濕式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的設(shè)備投資約為1 596.00萬(wàn)元，583.55 t處理量的干式厭氧系統(tǒng)的設(shè)備投資約為3 346.00萬(wàn)元，折合噸處理量投資成本比為2.32（13.30/5.73）。占地面積方面，折合成相同處理量（583.50 t）的厭氧發(fā)酵工廠，折合系數(shù)4.86，濕式厭氧和干式厭氧的占地面積比為2.86（1 088.7×4.86/1 850）。沼液產(chǎn)生量方面，折合成相同處理量（583.55 t）的厭氧發(fā)酵工廠，折合系數(shù)4.86，濕式厭氧和干式厭氧的沼液產(chǎn)生比例約為2.10（29.32×4.86/67.3），濕式厭氧比干式厭氧工藝高1倍多。經(jīng)濟(jì)效益方面，120.00 t處理量的濕式厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的年天然氣產(chǎn)值643.90萬(wàn)元，583.55 t處理量的干式厭氧系統(tǒng)的年天然氣產(chǎn)值1 571.40萬(wàn)元，噸處理量產(chǎn)值比為1.99（146.67/73.86）。投入產(chǎn)出方面，結(jié)合以上數(shù)據(jù)可知在相同處理量條件下濕式厭氧比干式厭氧工藝投資高，收益也高，因此在投入產(chǎn)出角度分析，兩種工藝沒(méi)有明顯差別（表1—2）。

2.2 干式厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵工藝對(duì)比

以日處理牛糞量583.55 t為計(jì)算依據(jù)，單純使用好氧工藝總投資1 997.00萬(wàn)元，年利潤(rùn)約357.70萬(wàn)元，利潤(rùn)率8.8%（0.98/11.18），不計(jì)利息的回收期為5.6年（1 997.0/357.7），詳見(jiàn)表3。而相同處理量的干式厭氧系統(tǒng)，總投資3 346.00萬(wàn)元，發(fā)酵時(shí)可不添加輔料，每日的原料成本1.16萬(wàn)元，日運(yùn)行成本1.54萬(wàn)元，日天然氣產(chǎn)值4.31萬(wàn)元，日利潤(rùn)1.61萬(wàn)元，年利潤(rùn)約587.65萬(wàn)元，利潤(rùn)率37.4%（1.61/4.31），不計(jì)利息的回收期為5.69年（3 346/587.65），詳見(jiàn)表1。

2.3 厭氧發(fā)酵與好氧發(fā)酵的混合系統(tǒng)

同樣日處理牛糞量583.55 t的干式厭氧和好氧發(fā)酵的混合系統(tǒng)，總投資為6 755.00萬(wàn)元（包含有機(jī)肥車(chē)間），發(fā)酵時(shí)可不添加輔料，每日的總成本為3.20萬(wàn)元（包含原料成本和運(yùn)行成本），日天然氣產(chǎn)值4.31萬(wàn)元，厭氧發(fā)酵后的產(chǎn)物采用堆漚肥方式，每天可產(chǎn)土肥約95.30 t，單價(jià)按200.00元/t核算，肥料產(chǎn)值為1.91萬(wàn)元，總產(chǎn)值為6.22萬(wàn)元。因此該混合系統(tǒng)日利潤(rùn)為3.02萬(wàn)元，年利潤(rùn)1 102.30萬(wàn)元，利潤(rùn)率高達(dá)48.6%（3.02/6.22），不計(jì)利息的回收期為6.13年（6 755.0/1 102.3）。

3 結(jié)論與討論

部分大型畜禽糞污處理中心因沼液?jiǎn)栴}未得到很好解決導(dǎo)致生產(chǎn)受限，沼液產(chǎn)生量直接影響糞污處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。從占地面積考慮，相同處理量條件下，濕式厭氧處理設(shè)備的占地面積是干式厭氧處理設(shè)備占地面積的2.86倍，在場(chǎng)地受限的條件下，干式厭氧反應(yīng)工藝更具優(yōu)勢(shì)。實(shí)踐中，如果一個(gè)區(qū)域性畜禽糞污處理中心單純配置厭氧設(shè)備，厭氧發(fā)酵后的混合物處理因無(wú)法形成閉環(huán)而成為新的問(wèn)題。因此，如果采用厭氧工藝，在其后端必須配置好氧發(fā)酵處理設(shè)備，以解決發(fā)酵后的混合物處置問(wèn)題[11-12]。綜合分析，單純使用干式厭氧工藝或好氧發(fā)酵工藝在投資回收期上基本相當(dāng)，使用兩種工藝的混合模式的投資回收期較單純使用兩種模式的較長(zhǎng)，但能夠形成產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)[13]且利潤(rùn)率較優(yōu)。經(jīng)過(guò)回收期后，干式厭氧與好氧發(fā)酵的組合工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，獲取利潤(rùn)更大。

本文針對(duì)畜禽糞污處置采用的厭氧工藝（濕式與干式）從投資、占地面積、沼液產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益及投入產(chǎn)出幾個(gè)角度來(lái)進(jìn)行綜合對(duì)比分析，再針對(duì)厭氧工藝與好氧工藝從投資、利潤(rùn)及回收期幾個(gè)角度進(jìn)行綜合對(duì)比分析。通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，區(qū)域性畜禽糞污處理中心建議選用好氧發(fā)酵工藝，不管是作為主要處理設(shè)施還是附屬設(shè)施，以形成處理閉環(huán)；而濕式厭氧工藝和干式厭氧工藝在噸處理量投入產(chǎn)出方面差別不大，但濕式厭氧工藝產(chǎn)生的沼液量較大[14]，因此，在處理量小且沼液能夠有效利用并有出口的情況下建議使用濕式厭氧工藝，否則干式厭氧工藝優(yōu)勢(shì)更大；當(dāng)厭氧工藝和好氧工藝在同一項(xiàng)目使用時(shí)，需注意厭氧系統(tǒng)不能消耗過(guò)多的有機(jī)質(zhì)，否則后續(xù)的好氧過(guò)程生產(chǎn)的有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)含量可能達(dá)不到相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]，當(dāng)遇到這種情況時(shí)需在好氧系統(tǒng)增加原始物料（牛糞），實(shí)際運(yùn)行時(shí)須摸索最優(yōu)的解決方案。

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（責(zé)任編輯：何 艷）

作者簡(jiǎn)介 張丹丹（1988—），女，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，從事污水處理技術(shù)研究。

收稿日期 2024-03-27