规模化猪场粪污综合利用工程设计

李俊卫，彭英霞，王浚峰，高继伟，顾本家，吕小琳
（北京京鹏环宇畜牧科技股份有限公司 北京 100094）

摘　要：按照“减量化、无害化、资源化”的粪污处理原则，提出了以“固液分离—固体堆肥和液体存储熟化—粪污还田”一体化的生态循环利用模式，以期实现规模化猪场的粪污综合利用。本设计以预处理系统中的“虹吸管道排污+固液分离”和资源化利用系统中的“固体堆肥+液体存储熟化”为主，具有工艺简单、投资低、运行管理难度低、运行费用少的巨大优势，同时具有良好的经济效益和生态效益。
关键词：猪场；固液分离；虹吸管道；存储塘；粪污；利用

近年来，随着规模化猪场的不断发展，我国生猪养殖业发展迅速。据国家统计局的统计数据显示，2013年我国肉猪出栏头数达到71 577万头，生猪存栏达到47 411万头^[1]，再创历史新高。然而，随之而来的废弃物对生态环境的污染也越来越严重^[2]。据污染源普查数据显示，2010年畜禽养殖业的化学需氧量、氨氮排放量就已经达到1 148万t、65万t，占到全国排放总量的45%、25%，已经成为环境污染的重要来源^[3]。我国于2014年1月1日正式实施的《畜禽规模养殖污染防治条例》明确指出：规模养殖场应设置雨污分流设施、粪便污水的贮存设施，国家鼓励和支持采取粪肥还田的模式对畜禽养殖废弃物进行综合利用。

针对畜禽粪便的处置问题，国外多以厌氧发酵产沼气和存储后施肥的工艺技术为主，国内以沼气利用为主的粪污综合利用模式也得到了大规模的发展，但是沼气工程的运行管理复杂、投资运行费用较高，且应用受到地域限制，使得许多猪场并不愿意主动去选择该种模式。因此，寻找一种管理简便、运行费用低、工程投资少的粪污综合利用工程迫在眉睫^[4-8]。为此，本文作者在借鉴丹麦、德国等畜牧业先进国家在粪污存储方面的经验^[9-11]，进行了一系列的工程实践，设计了猪场粪污“固液分离——固体堆肥和液体存储熟化——粪污还田”一体化的生态循环利用工艺，探索出一种工艺简单、投资低、运行管理难度低、运行费用少的规模化猪场粪污综合利用工程新模式。

1  粪污综合利用工艺流程的设计及优势

1.1 粪污综合利用工艺流程的设计

规模化猪场的粪污排放量相对集中，粪污中的有机物浓度高、干物质多且粪污量波动大、流动性好^[12]，粪污中含有大量可以利用的成分，若处理不当，不仅会给周边环境带来严重的破坏，影响周边区域的生态环境安全，而且会造成资源浪费，降低粪污的经济效益^[13-14]。根据猪场原始粪污流动性强的特点，本设计采用虹吸管道的方式并依据猪场地势进行无动力排污（见图1）。由于收集后的粪污干物质含量多，直接进一步利用有诸多不便，因此本设计采用固液分离的方式，降低粪污的含固率，实现易于存储熟化的同时，对分离后的固体部分进行堆肥制成有机肥进一步利用。

图1：尿泡粪虹吸工艺示意图

 

图2：固液分离工艺示意图

综上，本设计根据规模化猪场粪污的特点，采用“固液分离——固体堆肥和液体存储熟化——粪污还田”一体化的生态循环利用工艺（见图2）。该工艺由预处理系统、资源化利用系统等组成，其主要工艺流程见图3。

图3 粪污综合利用工艺流程图

1.2 工艺流程的特点

该粪污综合利用工程工艺的特点是：

1）遵循“减量化、无害化、资源化”的粪污处理原则，实现粪污的综合利用。

2）综合利用粪污中的可回收资源，实现粪污的全部利用。粪污经过固液分离后，固体部分制作有机肥，液体部分经过存储塘的存储熟化后同样用作有机肥，可就近或包装后销往周边的农田、果园、草场等可利用有机肥的区域。

3）工程设计因地制宜。粪污处理区域利用原有粪污收集设施及具体的自然环境条件，建立封闭式的运行区域，结构紧凑、便于管理，并尽可能的简化工艺流程，降低造价，减少动力消耗，实现尽可能高的综合经济效益。

2  主要单元结构设计和关键参数的确定

2.1 预处理系统

本工程的预处理系统主要包括虹吸管道排污、固液分离设施等。预处理系统的设计是整个粪污综合利用工程的关键所在，其直接影响后续资源化利用系统各单元的工程投入和工艺方案选择。

1）虹吸管道排污^[15-16]

虹吸管道排污主要适用于采用尿泡粪的规模化猪场。此工艺主要是结合管道首末端的排气阀，依靠在密闭环境中形成的负压，利用虹吸原理，使猪舍内的粪污均匀有序的排出。根据不同的排污面积选择不同直径（10~50 cm）的排污管道、管件；粪沟底部的设计应保持水平，同时在每一个排污塞处预留1 m×1 m×0.1 m的排粪坑；设计和施工时，应保证每条排污管道的首末端均需安装排气阀形成系统内的压力差实现排污，并保持坡度大于等于0.5%，管路应保持平直、不拐直角弯。本工程设计的虹吸管道排污配以合适的环控系统即可在不影响猪舍内部环境的前提下实现粪污的有序排出，具有投资低、能耗低、劳动强度低的巨大优势（见图4）。

图4 虹吸管道排污的管道预埋工程

2）固液分离设施^[17-19]

猪舍内的粪污经虹吸排污管道清理后进入集污池，由于排出的粪污混有猪粪尿、动物毛发、饲料等大量固液混合物，因此需要在池内安装搅拌机对粪污进行搅拌、混合；搅拌混合均匀后的粪污经带有双重切割功能的切割泵提升到固液分离机进行固液分离（见图5）。本设计采用的集污池容积按照猪场日最大排放量的1.5倍确定，以满足猪场粪污排放量波动大的特点；同时，本设计选用的固液分离机分离效率高，经过固液分离后的固体部分（含水率75%左右）和液体部分（含固率2%左右）分别进入资源化利用系统进行进一步的资源化利用处理（见图6）。

 

 

 

 

图5 固液分离车间

 

图6 固液分离效果

2.2 资源化利用系统

资源化利用系统是整个粪污综合利用工程的根本系统，是直接关系到粪污能否作为肥料利用的关键因素。本工程的资源化利用系统主要包括固体部分堆肥制作有机肥和液体部分存储熟化后直接利用。

1）固体堆肥制作有机肥

将粪污经过固液分离后的固体部分直接进行堆肥处理，或添加一定量的秸秆、矿物质、发酵菌剂等进行堆肥处理，生产自用有机肥或者可售有机复合肥，实现粪污处理中所有固体物质的无害化和资源化利用，提高整个粪污综合利用工程的经济效益和生态效益（见图7）。经过实践，猪粪堆肥的最佳环境控制参数为秸秆添加量5%，固体堆肥初始含水量应控制在60%左右，通风量为每立方米物料102  m³/d，添加一定量的菌剂能促进猪粪堆肥快速发酵^[20-23]。

图7 固体堆肥发酵

2）液体存储塘存储熟化

本工程中设计的存储塘是一种基于防渗防蒸发技术的畜禽粪污存储系统及方法，一般按照每年施肥两次的频率（即粪污存储6个月）设计存储塘的容积，该存储塘的主要结构单元是（见图8-10）：

存储塘本体：在粪污综合利用工程区域内划定粪污存储区域，根据地质情况条件挖出一定量的土方形成存储塘本体，可根据项目规模及现场情况设置为全地下式、半地下式的存储塘本体，本体侧壁和底部夯实度应达到95%。

防渗防蒸发装置：主要由三层膜组成，从下到上依次为安全膜、底膜、浮动膜，底膜是防渗的关键设施，安全膜为底膜防渗增加一层保障；粪污储存于底膜和浮动膜之间，浮动膜上有少量通风口（每100 m²配置80 cm²的通风口）并配备雨水泵，实现雨水与粪污的分流。

注入输出服务装置：由具备防渗结构的钢筋混凝土服务池和连接防渗防蒸发装置的连接管道组成，粪污进出存储塘均经由此服务装置进行，不会对已有的防渗防蒸发装置造成破坏。

报警装置：由粪污渗漏报警装置和地下水上涌报警装置组成，粪污渗漏报警装置的收集管道位于底膜与安全膜之间，能够第一时间发现底膜的泄漏情况并采取相应的修补措施；地下水上涌报警装置的收集管道位于安全膜下方，能够第一时间发现存储塘底部的地下水上涌情况并采取相关措施减少对地下水对存储塘的影响。

图8 液体存储塘存储熟化工艺

与传统的粪污存储设施相比，该存储塘能够适应各种规模的粪污综合利用工程，最大单体容积可达到25 000 m³，施工工期短、投资成本低。同时该存储塘还具有环境友好性的特点，能够实现存储过程的相对密闭，减少液体部分在存储过程中的氮损失，隔离粪污的恶臭污染及雨污分流，并具有防渗及报警系统，能够实现减量化、无害化、资源化的粪污处理及存储要求。

图9 液体存储塘应用实例

图10 液态肥抛洒应用于农田中

3 结果与讨论

本文以1 000头基础母猪场为例，对综合利用模式进行效益分析。猪场日产粪污量估算数据见表1.

表1  1 000头基础母猪猪场粪尿量（按天计）

猪群结构	存栏数	粪便量 kg/d·头	尿量 kg/d·头	粪便量 t/d	尿量 t/d
公猪	16	2.6	8.4	0.042	0.134
分娩母猪	220	2.5	6.4	0.55	1.408
配种母猪	260	2.5	6.4	0.65	1.664
妊娠母猪	564	2.5	6.4	1.41	3.61
后备母猪	152	1.8	4.2	0.274	0.638
哺乳仔猪	1 760	0.9	1.5	1.584	2.64
保育猪	2 896	1.1	3.4	3.184	9.984
育肥猪	5 558	1.8	4.2	10.006	23.346
合计	11 426	—	—	17.7	43.28
粪尿合计 t/d				60.98
粪尿、冲洗污水合计 t/d				80

经测算，原始粪污粪便含固率18%左右，原始粪污经固液分离后的固体部分含固率约为25%，每天可产生固体部分约为13 t、液体部分67 t。存储塘根据施肥期及其他情况，按照存储期6个月进行设计，存储塘有效容积应为12 060 m³。

3.1 工程投资概算

粪污综合利用工程设计以虹吸管道排污工艺的1 000头基础母猪场为单位，其主要构筑物及设备见表2，从中可知本工程总投入204.6万元，其中土建投入29.1万元，设备投入175.5万元。

表2  主要构筑物及设备

	编号	名称	规格	数量	金额/万元	备注
构筑物	1	集污池	8 m×6 m×5 m	1座	9.6
	2	固液分离车间	10 m×12 m	1座	4.5
	3	存储塘	70 m×60 m×6 m	1座	10	半地下半地上式
	4	堆肥场	16 m×30 m	1座	5
	投资合计				29.1万元
设备	1	固液分离机	定制	1台	23.9	进口
	2	搅拌机	定制	1台	6.2	进口
	3	切割泵	定制	1台	5.4	进口
	4	存储塘	定制	1座	140	进口
	合计				175.5万元
工程总投入					204.6万元

3.2 经济效益分析

粪污综合利用工程运行费用与收入见表3，不计粪污综合利用工程的生态效益和社会效益，每月可获得的净收入，即工程直接效益为：46 020-4 376=41 644元。本工程总投入为204.6万元，大约4年就可以收回全部投资，投入与产出比是可行的。

表3  工程运行费用与收入（按月计）

项目	费用（元）	项目	收入（元）
运行能耗	2 376	固体有机肥	42 000
人工管理	2 000	液体有机肥	4 020
合计	4 376元	合计	46 020元

说明：1. 设备及工程折旧费计入总投资，不再单算；

2. 本工程设备总装机容量大约为16.5 kW，所用设备平均日运转8 h，电费按0.6元/kW·h；
3. 猪场粪污综合利用工程只需1人负责管理，按平均每人月工资为2 000元；
4. 固体有机肥收入按正常运行后可产月粗肥120 t，目前按每吨售价500元计算，扣除每吨处理成本150元（猪粪收集率按90%计，粗肥含水率≤30%）；
5. 液体有机肥收入按正常运行后可产月粗肥2 010 m³计算，目前按每吨售价2元；
6. 本工程设备可使用年限为15年，存储塘可使用年限为30年。

3.3 讨论

目前国内使用的粪污存储设施多为防渗膜结合混凝土或方砖保护层的结构，且敞口设计居多，该形式的存储塘由于有防护层设计，造成施工进度慢、施工费用高，且由于敞口设计，无法阻止外界雨水流入或降至粪污存储塘中，同时存储过程中容易对周边大气环境造成不良影响。本工程设计的存储塘带有浮动膜作为塘盖，实现了雨污分离，也有效地隔离了粪污的不良气味，在实现粪污“减量化”的同时兼具环境友好性的特点；同时该存储塘使用注入输出服务装置实现粪污注入和输出，工艺结构简洁，施工快捷，具有投资费用低、实现雨污分离、防渗效果好、使用年限长的优势。

4 结论

按照“减量化、无害化、资源化”的粪污处理原则，本文提出了“固液分离——固体堆肥和液体存储熟化——粪污还田”一体化的粪污综合利用模式。该模式投资低、运行管理简便、运行费用低、粪污综合利用率高，具有良好经济、生态和社会效益。工程实践结果表明该模式同时适用于新建猪场或原有猪场的粪污处理。

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本文原文刊于《中国动物保健杂志》2015年2月刊，更多内容可关注本刊微信订阅号zgdwbj，可发送“目次”获得最新期目次页，或其他关键词获得相关信息。