规模化奶牛场不同粪污处理技术模式分析

文/张盛南 王永颖 王 煦 王鸿英＊

（1 天津市饲草饲料工作站；2 天津市奶业发展服务中心）

随着我国奶牛养殖的规模化发展，规模养殖带来的牛场粪便、污水等废弃物排放对环境的污染问题日益突出。近年来，为了防治养殖污染，推进养殖废弃物的综合利用和无害化处理，国家相继出台《畜禽规模养殖污染防治条例》《畜禽养殖业污染物排放标准》和《畜禽养殖业污染防治技术政策》等一系列政策、法规和技术标准，推动养殖业污染物的减量化、无害化和资源化发展。

新形势下，规模化奶牛场粪污治理工程应以生态农业循环经济为目标，以养殖场粪污为资源，全方位、多层次、多功能、快速率地开发粪水资源，有效地处理好养殖产生的大量粪便、污水，减少并消除对周围环境的污染。经过调研，目前规模奶牛场的粪污清理方式，主要有人工清粪、刮板清粪、水冲清粪、拖拉机铲车清粪、吸粪车清粪等，新建的大型规模奶牛场主要以机械刮板清粪为主。处理模式主要有“种养一体处理模式”“沼气工程模式”“循环利用模式”“污水纳管模式”和“有机肥模式”，粪污的最终出口以直接或间接还田为主。本文选取天津市3 个具有典型代表性的规模奶牛场作为实际应用案例，介绍了3 种不同粪污处理技术的工艺流程、技术特点及设施设备，分析不同处理模式的优缺点，为奶牛场粪污处理利用提供参考。

1 沼气工程模式

1.1 A奶牛场的基本情况

A奶牛场占地面积731 亩，总建筑面积约70 000 ㎡。符合防疫要求，建有4 个区域：1 个生产区、1 个办公生活区、1 个饲料储藏区（含后勤供应区）和1 个粪污处理区。生产区包括犊牛舍、育成牛及成母牛舍、饲喂棚、产房、挤奶厅。采用高强度钢结构标准牛舍，自由卧栏；引进国际先进的并列式挤奶机，TMR采用集中配送饲喂方式。奶牛常年存栏量5 000 头，其中成母牛2 900头，后备牛2 100 头。

1.2 A奶牛场的排污量

根据设计最大养殖规模和第一次全国污染源普查《畜禽养殖业源产排污系数手册》核算标准，污染物估算见表1。

1.3 A奶牛场的工艺技术方案

干清粪便采用运粪车转运至堆粪棚制肥料、做基质或直接售卖；污水采用调节筛，将固液分离后分为两路，一路进入两级厌氧发酵后进入回冲管路，另外一部分贮存集中后进入多级生物净化塘深度处理后作为水肥资源回用于种植业，非灌溉季节和丰水期，进一步好氧强化处理和多级塘生物净化后作为中水资源用于农田灌水；固液分离后的干物质送至晒场制牛床垫料。厌氧发酵系统前端新增保温增温设施提升系统发酵温度，保障寒冷季节的系统运行。

表1 A奶牛场污染物估算表

工艺流程是牛场粪污、夏季喷淋水和挤奶厅污水经回冲管网进入粪污收集沟，经格栅过滤后进入调节池。调节池的粪污由筛分系统筛分，约50%固形物分离，该固形物含水率在80%左右，送至晾晒场晒干后作为牛床垫料；剩余的干物质与水混合进入暂存池，取120 立方米进入厌氧发酵深度处理系统，进行去除TS深度处理，经过USR和UASB两级处理和好氧脱氮处理后作为回冲稀释备用水。多余的水由暂存池分流至污水贮存池作为灌溉季节的肥水使用，该部分水在非灌溉季节通过多级生物塘深度净化处理，通过混灌池的配水应用于种植业（图1）。运动场和育成牛舍的干清粪则由运粪车输送至堆粪场堆沤腐熟或直接售卖，牛粪可用作制备有机肥或用作食用菌种植基质或用作蚯蚓养殖基质，最终与种植业结合，发挥粪污独有的肥料作用。

1.4 A奶牛场粪污处理技术模式分析

基于水冲粪形式产生的高浓度废水，需要进行两级以上的厌氧发酵处理，基于养殖场规模大，废水产生量大，在不能及时被消纳的前提下，需要建立几个较大生物净化贮存塘，在净化水质的同时发挥废水在非灌溉季节的贮存周转作用。

1.4.1 技术特点

（1）优点

被水洗和固液分离后的粪渣中木质素、纤维素和半纤维素的含量较大，质地蓬松，是优质的回床垫料，废弃物被有效的资源化利用，减少了牛场在垫料购置上的成本投入。

（2）缺点

图1 A奶牛场工艺流程图

表2 B奶牛场污染物估算表

一次性投资巨大，一般占到整个奶牛场投资的30%左右，对于大型规模化奶牛场需要在建设初期就考虑到粪污处理的问题，并且部分设施需要专业人员进行管理和维护，同时需要周边提供大量可用于消纳粪污的农田。

1.4.2 投资与运行费用

设备土建投资费用、日常运行管理费、设备维护费用、净化塘日常管理费、沼液利用运输费、牛粪日常翻堆运输费用。

1.4.3 适用范围

适合于养殖规模较大、有能源需求的大型奶牛场，养殖废弃物产生量大，处理难度大，牛床本身可以很好的消纳牛粪制备的回床垫料，牛场需要有足够的土地来建立可存留日产废水量180 倍以上的多级生物净化塘。

2 循环利用模式

2.1 B奶牛场的基本情况

B奶牛场占地370 亩，建筑面积约50 000 ㎡，设计存栏2 200 头。场区附近有苜蓿地8 000 亩，玉米地2 000 亩，绿化植树1 000 亩。环场区有一圈宽6 m，深4 m的防疫沟，防疫沟外是周边农田的灌溉水渠。

2.2 B奶牛场的产排污量

根据设计最大养殖规模和第一次全国污染源普查《畜禽养殖业源产排污系数手册》核算标准。污染物估算见表2。

2.3 B奶牛场的工艺技术方案

挤奶厅和待挤厅的低浓冲洗废水经管网进入格栅和集水井，再进入调节池。牛舍内改用水冲粪模式，大量污水和粪便混合后进入BRU系统。BRU系统由一台固液分离机和一个好氧固态发酵罐组成，通过固液分离将固体输送到好氧固态发酵罐内好氧发酵高温发酵20 h左右，出料直接回垫牛床。固液分离后的液体进入多级沉淀池沉淀后，进入厌氧储存塘，通过3 个月以上的污水储存后混水进入周边自有农田内（图2）。

图2 B奶牛场工艺流程图

表3 C奶牛场污染物估算表

2.4 B奶牛场粪污处理技术模式分析

奶牛舍内粪污采用水冲粪工艺，牛舍内粪污用冲粪系统推送至粪沟。运动场粪污经人工+机械收集后送至有机肥堆肥场，与BRU系统分开。粪沟的污水自流至集污池，集污池内装有搅拌器，粪污经搅拌器搅拌均匀后，由切割泵送物料至BRU系统，物料在BRU系统经过固液分离、高温好氧自发酵、杀菌、除湿，最终形成牛床可以使用的垫料。固液分离生成的液体部分自流至出料池，出料池中设有搅拌器，出水经固液分离机汇集至贮存池，贮存池分流部分污水回冲集污管沟，大部分进入多级沉淀厌氧池。挤奶厅酸碱肥水经预处理后，单独进入MBR系统，膜生物反应器（MBR）可降解有机质，进一步净化废水。处理后的肥水通过进口灌溉系统对周边青贮饲料种植区进行灌溉，施肥系统效率高，能耗少，节省人力资源。

2.4.1 技术特点

（1）优点

B奶牛场带动周边养殖和种植户，组织农民规模化种植青饲，同时，每年可向农民收购玉米、秸秆、苜蓿、干草、大豆、棉籽、胡萝卜，粪污系统能够有效改善外部环境，控制和减少环境污染，加快企业发展速度，提高社会总产值，实现治污与致富同步、环保与创收双赢。建立了一套从前端预防、过程减量控制、末端资源化利用的规模化畜禽养殖污染防控的体系，对改善周边生态环境，保障农产品安全供应，推动地方社会经济与生态环境可持续发展均具有重要意义。

（2）缺点

一次性投资大，设备设施占地面积较大，运行管护费用高，场区必须流转大量自有农田用于本场饲料的种植。

2.4.2 投资与运行费用

设备土建投资费用、日常运行管理费、设备维护费用、沼液利用运输费。

2.4.3 适用范围

适合于无能源需求、自有大量农业用地进行特色种植或养殖的大中型（年存栏量大于1 000 头）规模化奶牛养殖场。

3 纳管排放模式

3.1 C奶牛场的基本情况

C奶牛场占地700 亩，建有研发中心和试验牛舍，研发中心配有先进的实验室仪器设备，包括全套奶牛胚胎移植设备，奶牛饲养常规化验设施，目前存栏量为4 000 头奶牛，其中成母牛2 200 头，青年牛和小牛1 800 头。

3.2 C奶牛场的产排污量

根据设计最大养殖规模和第一次全国污染源普查《畜禽养殖业源产排污系数手册》核算标准。污染物估算见表3。

3.3 C奶牛场的工艺技术方案

3.3.1 污水处理路线

牛舍污水首先进入收集池，然后通过提升泵至螺旋挤压分离机进行固液分离，分离后的水进入搅拌式匀浆池调节浓度。随后由发酵罐厌氧发酵并进行二次固液分离，分离水与挤奶厅废水一同进入酸化调节池。由调节池处理后污水进入二级CSTR反应器再次发酵降解，发酵后自流到SASS池，SASS工艺是选择优势微生物群体达到生物脱氮的目的。污水经过生物降解后进入混凝沉淀池泥水分离，沉淀污泥打入污泥浓缩池，污水经过稳定塘和臭氧消毒后达到纳管标准，其中一部分回冲挤奶厅，其他的进入天津城市污水管网，该场也是天津唯一授权进入市政污水管网的奶牛场（图3）。

3.3.2 污泥处理路线

在整个工艺路线中，有四处排泥：发酵罐、CSTR、二沉池和混凝沉淀池，产生的污泥自流排入污泥浓缩池，由污泥泵打入卧式离心分离机进行污泥脱水。

3.3.3 沼气处理路线

发酵罐和CSTR反应器所产沼气经过水封罐后，首先进入气水分离器，然后进入脱硫罐，经调压后进入气煤两用锅炉或沼气发电机利用。

3.3.4 废渣处理

牛舍粪污经固液分离后产生的粪渣经好氧堆肥处理后用作牛床垫料。

3.4 C奶牛场粪污处理技术模式分析

图3 C奶牛场工艺流程图

达标排放模式：该模式的工艺结构复杂，环环相扣，通过“源头控制—过程减量—末端消纳”的处理路线。严格处理达标后汇入污水管网。

牛场中水回用系统：污水经厌氧发酵、好氧深度处理、膜反应器、混凝沉淀等深度处理步骤后进行臭氧消毒，最终用于牛舍和待挤厅的地面冲洗，为奶牛场节省大量用水。

养殖场采用干清粪工艺，粪便集中送至堆放场进行堆存，尿液、冲洗水等废水通过二级沉淀固液分离后收集到集水井和调节池，通过水泵抽入厌氧发酵系统，产生的沼气可作为燃料利用，粪渣、沼渣送入堆放场处理，经厌氧处理后的出水自流进入中间水池，出水经提升泵及管道系统送入好氧处理系统进一步处理，根据好氧出水水质情况，可直接作为回用水加以利用，或再经泵或自流送入人工湿地系统进一步处理后进行鱼类养殖用水等资源化利用。厌氧及好氧处理系统产生的污泥将进入堆肥场进行堆肥处理。

3.4.1 技术特点

纳管排放模式引进了全过程控制的新型粪污处理模式，结合多种先进处理工艺，保证出水水质。

纳管排放模式使养殖场每年减少粪便污染物排放12 万吨，产生的沼气代替了部分原煤燃烧，减少了二氧化氮等有害气体排放；发酵肥与肥液代替了部分化肥使用，创造了可观的经济效益与生态效益。粪污通过固液分离与厌氧-好氧分级处理的技术工艺，在严格处理达标后汇入天津污水管网，由此，厂区环境得到明显改善，对当地水源保护，改善农业生产生活环境起到显著作用。

3.4.2 投资与运行费用

设备土建投资费用、日常运行管理费、设备维护费用、生态塘日常管理费、污水纳管费、牛粪日常翻堆运输费用。

3.4.3 适用范围

纳管排放模式适合于无或少量自有农业用地的大中型规模化奶牛养殖场。