养殖废弃物无害化处理与资源化利用技术

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2010年，国务院公布了《第一次全国污染源普查公报》。普查结果显示，农业源污染对全国污染物总量的贡献率超过了工业和生活污染而成为全国最大的污染源。其中畜禽养殖业污染又是农业源污染中的重中之重。畜禽养殖污染物排放量在全国污染物总排放量中的占比在不断上升。

2013年10月，国务院常务会议通过了《畜禽规模养殖污染防治条例》，自2014年1月1日起施行。该条例是国内首部针对畜禽养殖污染防治方面的法规，对养殖场粪污处理提出了明确要求，其核心是要求养殖场对粪污进行无害化处理，并鼓励采取种植和养殖相结合的方式消纳利用畜禽养殖废弃物，促进畜禽粪便、污水等废弃物就地就近利用。目前，国内外普遍采用好氧发酵和厌氧消化两种技术实现养殖废弃物的无害化处理与资源化利用

一、好氧发酵生产有机肥技术

（一）技术概述

有氧条件下，依靠好氧微生物的作用使废弃物中可生物降解的有机物向稳定的小分子物质和腐殖质转化的过程，称为堆肥技术。发酵生产有机肥是一种有效的养殖场废弃物无害化、资源化处理技术，有利于种植业与养殖业间的物质循环，而且可以根据养殖场规模，因地制宜地采用不同发酵方式，实现禽场粪污的无害化，避免环境污染，是我国正在大力推行的一种养殖废弃物处理方式。

（二）技术要点

养殖废弃物好氧发酵的主要控制因素如图1所示：养殖场废弃物由于C / N比较低，需要在发酵前加入C / N比较高的辅料 （蘑菇渣、作物秸秆等），堆肥原料的C / N比最适为25～35∶1。调节堆肥原料的含水率为55%左右，含水率高于60%或低于40%都会影响发酵进程。微生物菌剂的加入量一般为0.2%～0.5%，以促进发酵进程，减少臭气排放。堆肥过程中，利用铲车或翻抛机混合物料并充氧。堆肥温度达到50～65℃后，至少需要5～7天才能达到无害化。过低的温度将大大延长堆肥达到腐熟的时间，而过高的温度（超过70℃）将对堆肥微生物产生有害的影响。腐熟的有机肥应满足我国有机肥行业标准（NY 525-2011）的要求。

（三）技术方法

1. 堆肥方式

目前，利用养殖废弃物发酵生产有机肥主要采用条垛式堆肥和槽式堆肥两种方式。

①条垛式堆肥（见图2）。通常为露天生产，投资少，但受环境变化的影响较大，而且生产环境卫生条件较差，对周边的环境影响较大。条垛式堆肥中，物料以垛状堆置，可以排列成多条平行的条垛，条垛的断面形状通常为三角形或梯形，一般条垛的宽度为4～6米，高1.5～2.0米，长度则视堆肥规模和场地条件而定。

②槽式堆肥（见图3）。过程发生在长而窄的通道 （槽） 内。物料送入发酵槽进料端，翻抛机开始作业，每翻抛一次物料都会向出料端移动。发酵槽内物料的移动速度是通过调整翻抛机运行方式及翻抛次数来实现。槽式堆肥生产效率高，但投资较大。

2. 工艺流程

①原料的前处理。前处理主要是调节含水率和C / N比。粪便原料通常加入粉碎后的蘑菇渣或秸秆（粒径1.2～6.0厘米）作为辅料，并加入微生物菌剂，使C / N比达到25～35∶1。含水率应控制在50%～55%。当含水率较高时，通常采用晾晒的方法降低含水率；含水率较低时，可使用液体菌剂加水稀释，均匀喷洒在原料上。

②主发酵（一次发酵）。主发酵可在露天（条垛式堆肥）或发酵槽内（槽式堆肥）进行。这一阶段的主要技术措施是向物料供给氧气，可采用翻堆或强制通风的方式充氧。图4为槽式堆肥中的强制通风管道。当温度等条件适宜时，通常1～2天堆体温度即达到55℃，此时需要每天翻堆，混合物料的同时达到充氧的目的，防止温度升到70℃以上。通常将温度升高到开始降低的阶段称为主发酵，主发酵周期为7～12天。这一阶段主要是原料中易分解物质的降解，同时产生大量生物热，原料的含水率降低。

③后发酵（二次发酵）。后发酵是将主发酵中尚未分解的部分易降解有机物和难降解有机物进一步分解转化，得到完全成熟的有机肥制品。此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降，腐殖质不断增多且趋于稳定化，堆肥进入腐熟阶段。后发酵时间通常在20天以上。后发酵完成后得到的成品有机肥可通过造粒机进行造粒，得到颗粒有机肥。

二、厌氧消化技术

厌氧消化是指在厌氧条件下，兼性厌氧和厌氧微生物群体将有机物转化为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的过程。厌氧消化的特点是实现粪污无害化的同时产生沼气。沼气是有机物质在厌氧条件下，经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。沼气是气体的混合物，其中含甲烷50%～70%，此外还含有二氧化碳、硫化氫、氮气和一氧化碳等。

（一）厌氧消化的生化阶段

1. 水解酸化阶段

粪污中的蛋白、脂肪、多糖等复杂有机物由发酵性细菌水解，产生乙酸、丙酸等挥发酸及乙醇、二氧化碳、氢气等。

2. 产氢产乙酸阶段

在产氢产乙酸菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和氢气。

3. 产甲烷阶段

产甲烷菌利用前一阶段的产物，将其转化为甲烷和二氧化碳。

（二）沼气工程的分类标准

按照规模、发酵温度和采取的工艺可分为不同类型（见图5）。

（三）沼气工程工艺组成

沼气工程通常包括预处理系统、发酵系统、增温保温系统、沼气净化系统、沼气储存利用系统（发电和燃烧等）、沼渣沼液储存利用系统和沼气自动监控系统。

1. 预处理系统

预处理系统一般包括进料斗、预处理池、搅拌器、加热盘管、粪污冲洗系统以及进料系统。主要目的是去除原料中的各种杂物，便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障；调节固形物含量；调节温度等。

2. 发酵系统

是有机物料进行厌氧消化的构筑物，主要类型有常规消化器（沼气池）（图6）、完全混合式厌氧反应器（CSTR）（图7）、塞流式厌氧反应器（PFR）（图8）、升流式厌氧反应器（USR）（图9）、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）（图10）等。地下式厌氧反应器宜采用钢筋混凝土结构，地上式厌氧反应器宜采用钢筋混凝土结构或钢结构（图11）。

3. 增温保温系统

该系统的作用是保证厌氧消化在適宜的温度进行。发酵温度是影响沼气发酵的重要因素，发酵底物的分解消化速度随温度的升高而提高。当发酵物料温度低于20℃，厌氧微生物活性受到很大抑制，产气率大大降低。现代化高效沼气工厂要维持中温发酵（35±2℃），甚至高温发酵（53±2℃）。目前采用的主要加热方式有太阳能集热器、发电机余热、热水或蒸汽锅炉等；保温方式可以采用“彩钢板+岩棉板”“彩钢板+聚苯板”“彩钢板+发泡”等。

4. 沼气净化系统

沼气中的水分与硫化氢共同作用，会加速管道、阀门及流量计的腐蚀，硫化氢还会对大气造成污染，所以需要脱除。沼气脱水的方法主要有三种：一是冷分离法，二是固体物理吸水法，三是溶剂吸收法。脱硫的方法有湿法脱硫和干法脱硫两种：干法脱硫具有工艺简单、成熟可靠、造价低等优点，目前家用沼气脱硫基本采用这种方法。干法脱硫剂有活性炭、氧化锌、氧化锰及氧化铁等，从运转时间、使用温度、公害、价格等综合考虑，目前采用最多的脱硫剂是氧化铁。此外，还可以采用生物法脱硫。

5. 沼气存储系统

一般情况下沼气是源源不断地产生，可是用气则根据具体的情况使用，时间并不同步，所以需要一个储存装置将不用的沼气储存起来等需要使用时候使用。双膜储气柜（图12）可以很好地储存利用沼气，其优势包括：工厂化生产，质量可靠；运输方便、施工周期短（3～5天）；膜材料为高强度聚酯纤维，表面经过丙烯酸酯清漆处理，防腐性能优越；储气压力低，安全性高；可解决冬季防冻难题；外膜抗紫外线、抗老化，使用寿命长。

（四）沼气工程运行管理要点

发酵温度要求在45～60℃或30～45℃。物料的浓度通常低于8%，C / N比为20～30∶1，pH值控制在 6.8～7.5。运行前的试车不漏水、不漏气，一切附属设备完好。接种与启动的厌氧污泥达10%～30%。监测指标包括pH值、挥发酸、温度、气压、产气量和沼气成分等。

此外，沼气具有毒性、腐蚀性和易燃性，在沼气工程运行过程中必须注意生产安全和用气安全。具体要求包括：定期检查构筑物、贮气罐、管道及闸阀是否漏气；产沼气后，站内严禁烟火，严禁铁器工具撞击和电气焊操作，操作人员不得穿带铁钉的鞋子；严禁随便进入厌氧消化器、沟渠、管道、地下井室及储气罐，需进入时，必须采取安全防护措施；厌氧消化装置、阀门井或其他构筑物、储气柜等容器清理、维修和拆除时，残留的沼气和有毒、有害气体威胁操作人员的生命安全，所以必须采取通风、换气等措施，待可燃气体与有害气体含量符合人员入内操作规定后，并经活禽动物实验证明无危险，方可下池操作。

（作者联系地址：李复煌 北京市畜牧总站 邮编：100107；王旭明 北京农业技术生物研究中心 邮编：100097）

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