对红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺应用及减排效果的研究

肖和良

（湖南省洞口县畜牧水产局，湖南邵阳 422300）

1 猪尿降解工艺应用研究的背景

猪粪便在经过固液分离机分离后，固体部分可通过两种渠道生产有机肥，一种是灌装成袋用车直接运输到田地，沤肥后施肥；一种是发酵后做成有机复合肥，再运输到田地施肥。

但液体部分的猪尿处理起来有难度，即使猪尿进入沼气池生产沼气利用，但沼液依然有污染，还需还田处理，目前处理方式有两种：一种是用灌装车运输到田地实施灌溉，前提是田地有大量机耕路，可供通车才行；一种是从猪场到田地，修建灌溉渠道或PVC管道。这两种方式都需要投入大量人力、物力，猪尿处理成本费用较高。

猪尿污染物属高浓度有机废水，其中pH、悬浮物（SS）、氨氮 （NH3-N）、总磷 （TP） 和化学耗氧量（COD）值均较高。降解猪尿或沼液其中的污染物，实现达标排放或安全回用，是粪污处理环保工程实践中需要认真探讨的问题。笔者所在的湖南省洞口县在粪污减排方面做了大量工作，也投入了较多财政资金[1-3]，曾制订了《洞口县畜禽规模化养殖场粪污排放达标规范》和《洞口县猪粪尿减排与资源化利用模式评估指标》等技术规范和指标体系，但在实践中并未达到满意的效果。

笔者于2019年8—9月考察了湖南省洞口县、新邵县部分规模猪场以及洞口县生活污水处理厂，通过比较生活污水处理的原理和技术，希望对猪尿水的处理有所借鉴。其实猪尿水和生活污水处理一样都要经过厌氧、好氧、微生物以及物理方法的处理。

如今城镇的生活厕所一般都设有化粪池，人的粪尿经过了较长时间的化粪厌氧处理后，污染物得到一定的降解，比直排的猪尿水污染物要少很多。王红燕等[4]等通过对兰州市某居民区化粪池的调查，发现生活污水经化粪池处理后，CODCr、BOD5、总氮、总磷、动植物油浓度均有降低，年平均去除率分别达到83.6%、51.1%、64.3%、68.2%、75.6%。

杨爱华等[5]研究了物化法和生化法处理规模化猪场的粪污水工艺。其中污水中氮的去除由氨化反应—硝化反应—反硝化反应共同完成，其工艺原理如下：①氨化反应。在好氧条件下，氨化菌将污水中有机氮化合物分解转化成NH3-N，以氨基酸为例，其反应式为：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3；②硝化反应。在好氧条件下，硝化菌将NH3进一步氧化为和其反应式为：③反硝化反应。在厌氧（兼氧）条件下，反硝化菌将NOX-N少部分同化为菌体自身的有机氮化合物，大部分（70%～75%）异化（还原）为气态氮N2，其反应式为：2H2O+OH-。

王海芹等[6]以厌氧一好氧联合处理技术为核心，采用生物一生态复合处理方法，探究了规模化猪场养殖废水的深度处理技术。其工艺流程如下：养殖废水经排污管道至化粪池→调节池→泵→气浮设备系统→水解酸化池→A/O生化池→沉淀池→中间水箱→泵→生物滤池→清水箱。其中生物滤池为曝气生物滤池，在池内设置填料，通过人为供氧，使填料上生长大量微生物，废水与填料上微生物充分接触，微生物吸附有机物（污染物），废水得到深度净化后流入清水箱。

就曝气生物滤池填料的选择，有研究者比较分析了天然斜发沸石、页岩陶粒、石灰岩碎石、牡蛎壳、贝壳、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒等8种填料处理污水的效果[7-10]，各地对填料可就地取材，加以利用，如洞口县生活污水处理厂采用石灰岩碎石作为曝气生物滤池填料。

2 红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺以及应用

本文以湖南省新邵县坪上镇筱桂村颜复伟养殖场（年出栏1 000头猪）为例，介绍了红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺以及应用。红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺流程为：尿水预处理→预处理暂存池→红泥塑料膜沼气池→好氧池→净化池→氧化塘（或鱼塘、人工湿地）→达标排放。具体如下：

⑴尿水预处理。猪场进行干清粪和雨污分离处理，夏季也不用水冲洗猪栏降温，从源头上对粪污减量化，尽量降低尿水处理量，以提高尿水降解工艺的减排效果。对颜复伟养殖场预处理的尿水（也叫直排尿水，没有经过环保工程处理的尿水）送样检测，COD、生化需氧量（BOD）、SS、NH3-N含量分别为15 633 mg/L、5 809 mg/L、6 176 mg/L、1 089 mg/L，pH值为11.1。

⑵尿水进入预处理暂存池。预处理暂存池为60 m3小型沉淀池。2天用固液分离机对预处理暂存池尿水分离1次，把粪渣分离出来，把分离后的尿水抽入红泥膜沼气池。

⑶进入红泥膜沼气池。红泥塑料膜沼气池是厌氧池，体积为288 m3（12 m×8 m×3 m）。红泥塑料膜是1个密封的大型袋子，将这个大型的红泥塑料膜安装在开放性沼气池里面，把尿水抽入红泥塑料膜袋子里，尿水充满时只在池子平面上，当产生沼气时，红泥塑料膜袋子充满后，红泥塑料膜可高出池子平面80～100 cm，高出的部分充满了大量的沼气。见图1。

图1 充满沼气的红泥膜沼气池塑料膜外表

通过加药箱，将少量益生菌加入红泥膜沼气池。每周加药1次，每次0.5 kg。污水储存在红泥膜沼气池一般20天，经沼气池密封厌氧后，沼液中的部分有害物质被降解、杀灭。

红泥膜外表与空气接触，吸热性好，可充分利用太阳能，提高池内发酵温度。特别是在冬季沼气池温度较低时，如果是常规沼气池（埋在地下的），需要太阳能发电充温才能产生沼气，而这种红泥膜沼气池则不需要，冬季也能自然升温。所以红泥膜沼气池能多产沼气，较常规沼气池夏季多产1～2倍，较常规沼气池冬季多产3倍。红泥膜沼气池多产的沼气，能把氨氮降解率提高25%～30%。红泥膜沼气袋是应用复合膜、膜加高强产业聚酯纤维应用贴合的制造工艺加工而成的，具有密封性好、强度高、重量轻、大跨度，耐温、耐腐、阻燃、抗老化的材料优点，能抗氧化和太阳暴晒，在无外力破坏下，红泥膜沼气袋的使用寿命在20年以上。

⑷进入好氧池。好氧处理池由4个池组成，每个池4 m×3 m×3 m=36 m3。添加氧化剂，每天加入2～3次，每次0.5 kg。并用加氧机充气，每天4次，每次20分钟，设置自动开机加氧充气。见图2。

⑸进入净化池。经过2个2级净化池，每个池8 m×3 m×3 m=72 m3，再排出的水比较清亮，用鼻子闻，基本没有粪尿的异味，此时将抽检的废水样品送检，计算污染物平均降解率为85.46%，见表1。

降解率计算公式如下：降解率（%）=[（直排检测值-净化池后检测值）÷( -直排检测值 达标排放要求值)]×100%

⑹进入氧化池。将经过净化池的废水，放入5亩以上的氧化池里，氧化池中种上浮萍，能降解环保工程后部分废水中污染物。此时排出的池水更加清亮，池水抽样污染物平均降解率达92.32%，较环保工程后降解率85.46%提高6.86个百分点，达到减排90%的标准，见表2。

表1 养殖场尿水经净化池后水质检测结果

表2 养殖场尿水经氧化池后水质检测结果

也可用鱼塘或人工湿地代替氧化塘。代替的鱼塘面积要大10亩以上，还可以养鱼，人工湿地要20亩以上，才能达到后期处理（氧化塘）废水降解的效果。

图2 好氧池加氧机加氧充气时废水翻滚的白沫状况

以上设计规格的环保工程，各类处理池体积636 m3（不含氧化池），投入资金28万元左右，约占猪场建设资金的15%，能实现年出栏1 000头猪规模场的尿水达标排放。

工程设备包括红泥膜袋子（根据规模场大小，袋子设计可大可小）、加药箱、加氧机、沼气恒温加压处理设备和沼气输送管道、小型沼气锅炉等设备，以及益生菌和加氧剂。

利用红泥膜沼气池产生较多的沼气，通过沼气锅炉，让沼气充分燃烧，生产热水，然后架设热水管对猪场冬季供暖。供暖方式两种：一种是地暖，把热水管埋在地板里；一种是舍内供暖，把热水管道安装在猪栏空间里，离地面2.2 m高以上，左右各1条热水管道。

红泥膜沼气袋不仅是发酵车间，又是临时储气车间。如果产量相当大时，还可以集中储存后进行发电，实现经济的多重收入。

综上所述，红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺可行，污水排放达标，投入资金比例合适，产沼气量大，沼气发电、供暖等资源化利用率高，经济实用。

3 讨论

3.1 使用红泥膜沼气池注意事项

注意红泥膜沼气池的气压，及时排出沼气，防止红泥膜暴破事故的发生。建议设置一套沼气排出自动化装备，如在红泥膜袋子里设置沼气气压计和设计气压临界值，并在气压临界值时自动排出沼气。

3.2 对大型规模场使用红泥膜沼气池工程建议

经调查，3 000头以上规模场使用红泥膜沼气池工程，猪尿水污染物降解率在73%～85%，未达到污水排放标准。可能由于随着养殖规模增大，污染物排放量相应增加，不能简单根据养殖规模成几何倍数增加排污设施，如2 000头规模场在1 000头规模场设施基础上增加2倍容积，即处理池636 m3×2，或3 000头规模场红泥膜沼气池容积为636 m3×3如此简单处理，而应参考城镇生活污水处理厂污水处理工艺，增加曝气生物滤池和填料（牡蛎壳、贝壳、天然斜发沸石、页岩陶粒、石灰岩碎石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒）等环保设施和工艺，则能提高猪尿水污染物降解率。

曝气生物滤池法是一种集物理过滤、化学吸附和生物氧化为一体的新型生物污水处理技术[11,12]，凡大型污水处理工程，包括化工厂污水处理都要进行重要的曝气生物滤池处理工艺。建议大型猪场（3 000头以上）红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺设计为：尿水预处理→预处理暂存池→红泥塑料膜沼气池→好氧池→净化池→曝气生物滤池（填料）→氧化塘（或鱼塘、人工湿地）→达标排放。

3.3 对冬季红泥膜沼气池工程污水处理效果的观察

本文呈现的是夏季猪尿水检测结果，因冬季红泥膜沼气池温度降低，厌氧微生物活性降低，产沼气减少，相对氨氮降解率降低。必须观察冬季污水污染物降解率，采取沼气池供热等措施，保证猪尿减排效果。

3.4 对猪尿水预处理好，是红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺减排成功的前提

前文提到红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺第一步是对猪场进行干清粪和雨污分离处理，猪尿水预处理非常重要。笔者曾进行了猪场干清粪工艺节水试验和生猪料槽饲喂器管理饲养试验[13,14]，刘小元[15]对精准饲养方式及畜禽粪污减量化路径进行了研究，提出精准饲养方式即采取科学饲料配方，调控氮和磷排泄量，控制高铜、高锌饲料，实施精准饲喂管理、适时出栏模式，改传统的夏季冲水降温模式为风扇、空调等夏季控温技术模式，改水泡粪工艺为干清粪工艺，节约用料用水，从源头上控制粪污及有害成分的产生量，让粪污减量排放。因此实行生猪精准饲养和猪场干清粪和雨污分离处理等粪污减量化处理，是红泥膜沼气池猪尿降解工程工艺减排成功的前提。

4 结论

红泥塑料膜属新型环保材料，用红泥塑料膜沼气池代替常规沼气池（地下），能有效提高沼气池内温度和微生物活性，提高沼气池产气量，尤其是冬季产气量理论上可提高近3倍，氨氮降解率提高近1/3。总体来说，工艺可行，污水排放达标，投入资金比例合适，产沼气量大，沼气发电、供暖等资源化利用率高，经济实用，可以大力宣传和推广。

但由于新型红泥膜沼气工程项目2019年才进入湖南邵阳地区，还处于试验试点阶段，没有大面积推广，对污染物降解率，特别是在冬季的处理效率，其去污功能、稳定性、安全性有待进一步考证。据调查，3 000头以上大型养猪场污染物降解率还未达到90%，建议增加曝气生物滤池和填料等环保设施和工艺，结论有待进一步试验和实践。