畜禽粪便无害化及沼气资源化利用效益分析

畜禽粪便无害化及沼气资源化利用效益分析

技术简介：

一、引言

由于我国畜禽养殖业发展的特殊性，各地的“菜篮子”工程基地一般分布在城市近郊，集约化、工厂化、养殖头数多，高密度饲养，清粪方式为机械或水冲式。产生的粪便和污水数量大、浓度高，且富含氮、磷，极易腐败，含水率高达98%以上，难以运输，因此造成的污染程度大。特别由于中心城市规模的扩大和城镇化的建设，大中型养殖场的环境问题尤为突出。

畜禽粪便是一种有价值的资源。畜禽粪便中含有高浓度的生物质资源，经厌氧发酵后可以产生优质清洁的能源——沼气。沼气可以用于发电、锅炉、民用燃气等，可节省大量能源，获得可观的经济效益。

二、大中型沼气工程市场发展潜力

大中型沼气工程是一个有效处理畜禽粪便的环境工程，是一个提供干净、便利燃气的能源工程，是一个实现废弃物资源化、生物质多层次利用，促进农业生态良性循环的生态工程，是实现中国农业可持续发展的一个重要环节和技术措施。

据2005年《中国畜牧业年鉴》，中国现有规模型养殖场（出栏500头以上养猪场、存栏100头以上奶牛场、出栏100头以上肉牛场、存栏5万只以上蛋鸡场和出栏5万只以上肉鸡场）7万多个，每天排放的粪尿及冲洗污水是环境的一个主要污染源。但目前处理的数量还很有限，只有20%的粪便污水进行不同程度的处理，其中采用沼气工程仅为10%，多为养牛场和养猪场，80%左右的养殖场则直接将粪水排出场外。因此，畜禽粪便污水资源化利用的潜力很大。

据调查资料，在中国现有的规模养殖场中，年存栏500头以上的大中型奶牛场526个，主要分布在东部地区，如北京、河北、上海、江苏和福建等地。北京、天津、上海和广州等大城市郊区拥有1000头以上的现代化奶牛场180个。年出栏500头以上的大中型肉牛场1485个，主要分布在内蒙古、黑龙江、河北、北京、新疆等地。此外还有为数众多的猪场和鸡场。大中型养猪场共计5000多个（年出栏3000头以上的），主要分布在广东、福建、浙江、河南、湖南、江西、四川等地；养鸡场的地区分布更加普遍，出栏10万只以上（以肉鸡为例）的大中型鸡场有1700多个。所有这些都为大中型沼气工程的发展提供了充足的资源基础和广阔的开发市场。

三、可供选择的技术方案

1．禽畜粪污处理原则

减量化——清洁生产，减少污染物的排放。

资源化——制取沼气能源，生产有机肥，实现资源分级利用及最优化合理利用，实现废弃物零排放。

无害化——污水净化达标排放或作为灌溉水回用。

2．可供选择的技术

（1）厌氧生物处理技术 污水厌氧处理技术是一种把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的核心技术，特别是高浓度和干发酵技术的引进、开发，实现能源与肥料联产，具有较好的环境与经济效益，特别适用于大中型畜禽养殖场的粪污处理。具有处理设备负荷高、占地少、运行费用低和管理方便的优点。目前，适用于处理畜禽粪便污水的厌氧工艺主要有以下几种：

①完全混合式反应器（CSTR）。

②厌氧接触反应器（ACR）。

③升流式厌氧固体反应器（USR）。

④上流式厌氧污泥床（UASB）。

⑤厌氧污泥膨胀床（EGSB）。

（2）生物堆肥技术 堆肥技术在我国已有很长的历史，目前已从传统的家庭式堆肥方式转向规模化集中堆肥处理工艺。可按不同分类法分为：好氧堆肥和厌氧堆肥（按需氧条件）；低温堆肥、中温堆肥和高温堆肥（按堆肥温度）等。

目前先进的生物堆肥技术是利用含有固氮芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、硅酸盐细菌等多种有效微生物菌群的菌剂或菌粉与畜禽粪便均匀混合，控制一定的温度和水分条件，创造一个良好的微生物正常繁殖的环境，促进微生物的代谢进程，加速有机物料分解，放出并聚集热量，提高物料温度，杀灭各种病原菌和寄生虫卵，去除臭味、富集养分，制成农用高效绿色生态型的有机生物肥料。其特点是：

①克服了臭味浓，分解不完全的特点； ②可机械化连续生产；

③发酵周期短，一般为20～30d；

④能量释放多，堆肥温度高达65～90℃，足以杀灭病原菌；

生物堆肥技术设备有日本旋转组合式堆肥设备，韩国填料式无放流堆肥设备，德国的机械翻推机等。

（3）稳定塘处理技术 稳定塘是一种污水自然处理净化系统，一般作为畜禽粪便污水的二级生化处理，具有管理方便，基本无能耗，运行费用低廉等优点，但也存在受气候等自然环境因子的影响较大，占地大的缺点。稳定塘主要分为：好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘等。稳定塘对污水的净化过程本质上是水体自净过程，其中包括物理、化学、生物等多种过程的净化作用，且以生物作用为主，它利用稳定塘生态系统中多种类群生物的菌藻共生关系和在食物链中的相互吞食关系来降解净化。

四、大中型沼气项目的效益简介

1．能源效益

生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它仅次于煤炭、石油和天然气而居全球能源消耗的第四位。据有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分。到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

我国畜禽场沼气工程的产气情况见表1。猪粪中温（35～38℃）装置产气率达1.7～2.2m3/(m3·d)；猪粪常温（约18～25℃）装置产气率达0.8～1.5m3/(m3·d)；猪粪低温（9～13℃）装置产气率约0.2～0.3m3/(m3·d)；奶牛粪处理装置产气率为1.2～1.5m3/(m3·d)；鸡粪高温发酵工艺装置产气率达3.0～3.6m3/(m3·d)。这些产气率已步入国际先进行列。生产的沼气用于发电、锅炉燃气、民用燃气和集中供气等，已获得显著的能源效益。

表1 中国部分畜禽场沼气工程情况

类别 发酵温度/℃ 工艺类型及罐容/m3 COD去除率/% 产气率/[ m3/(m3·d)] 工程地点

猪粪 35～38 ACR 300 89 1.7～2.2 浙江鄞县

18～28 UBF 500 86 0.94 杭州浮山

常温16～33 UBF 130×2 75.5 0.8～1.5 深圳莲塘尾 常温 UBF 250×2 80 1.0左右 深圳坪山

常温 UBF 1000×2 － 约0.8 深圳广山保

常温 UASB 1000×3 － 约0.8 深圳光明农场

常温9～13 UASB 1000×2 80 0.2～0.3 沈阳马三家

20～30 UASB 8000×1 85 1.0 杭州灯塔养殖场

鸡粪 50和35 推流60+60 61 4.2和2.4 上海农科院

高温50 推流100 56 3.0～3.6 北京留民营

18～28 UBF 250 85 1.24左右 杭州浮山

23～25 UBF 128 85 1.0 上海江南

18～28 UBF 750 80 0.9 杭州蛋鸡场

牛粪 中温 厌氧300 1.5 浙江萧山湘湖农场

近中温 400×6 75～85 1.2 上海星火农场

2．肥料效益

沼气发酵残余物，也称沼肥，是沼液和沼渣的总称。沼肥中含有丰富的养分，特别是含有多种水溶性养分，是一种速效性的优质肥料。因为沼肥中的一部分养分和有机质已转变为腐殖酸类物质，所以它又是一种速效和迟效兼备的优质有机肥料。因发酵原料的配比不同，沼肥中养分含量有一定差异，一般沼肥的养分含量见表2。

表2 沼肥的主要养分含量

肥料种类 有机质/% 腐殖质/% 全氮/% 全磷/% 全钾/%

沼液 － － 0.03～0.08 0.02～0.06 0.05～0.10

沼渣 30～50 10～20 0.8～1.5 0.4～0.6 0.6～1.2

根据各地实践证明，农田施用沼肥比施用一般农家有机肥料，可增产10%左右，并能显著提高农产品的品质，提供无公害的绿色有机农产品。

3．环境效益

规模畜禽场沼气工程的环保卫生效益见表3。一般通过带有前处理的沼气处理系统，COD、BOD和TS的去除率可达到85%，再经好氧或和物化处理，污染物去除率可达95%以上，达到污水排放标准。尽管巨大的环境效益（和卫生、生态、社会效益）已被公认，而这些效益如何通过规范的换算，合理地转变成可用的量化值，尚需研讨。若能计入环境效益的量化值，那么畜禽场沼气工程的经济可行性将显著增加。

表3 畜禽场沼气工程有害物质的去除功能

项目 常温全混式 近中温全混式 高效厌氧装置 TS去除率/% ＞50 ＞70 80～90

COD去除率/% 60 70～75 80～90

大肠杆菌值 10-2～10-1 10-2～10-1 10-1

蛔虫卵死亡率/% 100 100 100

另一方面，CH4是一种温室气体，其温室效应强度是CO2的21倍，对全球气候变暖的贡献率为15%～30%。在农业活动中，70%以上的CH4来自于畜禽粪污、土壤及作物秸秆。畜禽场沼气工程对温室气体甲烷加以收集利用，对温室气体减排作用巨大。

4．经济效益

近年的研究成果表明：

①沼气工程的国民经济内部收益最高，即具有良好的社会环境效益。

②从财务角度看，传统沼气工程的经济效益较差，需国家优惠扶持；当工程实现热、电、肥联产时，效益较好。

③充分开发肥料（饲料）等综合效益，可以显著提高其经济可行性。

④同样的工程项目评价结果有明显差异，其原因在于产品（能源、肥料等）价值定位和设立条件不同所致。因沼气和肥料产品价值的定位及环境效益量化值的不同，对其经济效益的评价相差甚远。此类项目满负荷运转2～3年左右，就可把总投资收回。