蒙牛澳亚示范牧场粪污处理工艺路线的研究
摘要：对蒙牛澳亚示范牧场粪污处理工艺进行了分析，其采用厌氧-还田工艺路线，实现了对牧场粪污的有效处理和综合利用，这对于规模化养殖场粪污处理具有重要的意义。
关键词：粪污；资源化利用；工艺路线
随着畜牧养殖不断向规模化、集约化发展，粪污排放物也越来越多，2007年我国畜禽粪便排放量达26亿吨，已达工业固体废物产生量的2.2倍。由于相关政策法规的缺失以及监督不力等因素，导致了畜类粪便的流失，对环境造成了不良影响[1-2]。然而，由于畜禽废弃物数量大、品质差、危害多的特点，人们对其价值还存在一些消极的观念，没有放在整个社会循环系统中去考虑。随着人类对能源需求的加剧以及对环境保护观念的日益增强，对于粪污的综合利用日益重要[3-4]。将畜牧养殖产生的粪便厌氧消化生产沼气以及沼气发电，将给可再生能源发电的发展带来巨大机遇，而厌氧消化后的沼渣、沼液用作农肥回归土壤，把养殖业和种植业有机结合起来，可实现真正实现零排放[5-6]。因此，粪污的综合利用将是未来发展的趋势。
蒙牛澳亚示范牧场位于内蒙古呼和浩特市和林格尔县盛乐经济园区，作为我国最具规模效益的示范牧场，其采用厌氧-还田模式实现了对粪污的综合利用。 一、畜禽养殖粪污处理模式比较
经大量调查和工程实践表明，国内外畜禽养殖场粪污处理主要有三种模式：厌氧-还田模式、厌氧-自然处理模式和工厂化处理(厌氧-好氧处理)模式。三种模式的比较见表1。
表1 畜禽养殖粪污处理模式比较
Table 1 Compare of waste treatment modes of livestock
模 式 厌氧-还田 适用于远离城市，经济落后，土地宽广，有足的农田消纳养殖场粪污的地区，特别是种植常年施肥的作物，如蔬菜、经济类等作物的地区。当地劳动力价格低，大量使用干清粪，冲洗水量少。 省 低 低 很多 简单 好
厌氧-自然处理 适用于离城市较远，经济欠发达，气温较高，土地宽广，地价较低、有滩涂、荒地、林地或低洼地可作废水自然处理系统的地区。养殖场规模一般不能太大，以干清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。 一般 低 低 多 简单 一般
厌氧-好氧处理 适用于地处大城市近郊，经济发达，土地紧张，没有足够的农田消纳养殖场粪污的地区。采用这种模式的养殖场规模较大，当地劳动力价格昂贵，主要使用水冲清粪，冲洗水量大。 高 高 高 少 复杂 差
适应范围
投资 能耗 运行费用 土地需求 运行管理 资源化程度
由于厌氧—好氧处理模式投资大，运行费用高，也不符合发展循环经济的方针政策，因此，不作为选择方案。
项目所在地内蒙古自治区属于高寒地区，厌氧—自然处理模式在冬天受到很大限制，并且也不符合发展循环经济的方针政策，因此也不作为主选方案。
由于澳亚示范牧场自身拥有7000亩草场，周围还有很多土地，完全能消纳粪污厌氧消化后的沼液即液态有机肥。因此，选择厌氧-还田模式作为本项目的主要工艺方案，另外，对于部分低浓度厌氧消化液，在夏天采用稳定塘(沉淀净化池)对其进行进一步净化与消毒处理，出水回用冲洗牛舍。 二、工艺路线
选择方案(厌氧--还田模式)工艺流程框图见图1，干物质(TS)平衡图见图2，水量平衡图见图3、图4。
图1 工艺流程框图
Fig.1 Process flow diagram
图2物料（TS）平衡图
Fig.2 Materials balance diagram
图3 水量平衡图(冬季)
Fig.3 Water balance chart (winter)
图4 水量平衡图(春、夏、秋季)
Fig.4 water balance chart (spring summer and autumn) 三、 工艺流程说明 （一）清洁生产。
为了保证粪污处理系统正常运行和减少投资，牧场必须实行节水型的清洁生产工艺，即： 挤奶厅每天使用约360t的挤奶机冷却水冲洗地面。挤奶厅的冲洗水收集沉淀后，将上层清水输送到各泌乳牛舍贮水罐用于冲洗泌乳牛舍及其他牛舍。
牛舍水冲系统(泌乳牛舍及其他牛舍)：春夏秋三季，采用干清粪加水冲工艺，早上干清粪后，用冲洗水冲洗牛舍1次；晚上干清粪后，再用冲洗水冲洗牛舍1次；其他时间，只干清粪不用水冲。冬季采用干清粪工艺。
冲洗后的水经收集、简单处理（沉淀等措施）后循环使用；COD及BOD等物质浓度高的污水进入厌氧消化系统生产沼气。 （二）粪尿收集。
牧场的粪尿来源可分为两部分：鲜牛粪一部分在牛舍，大约占总粪量的85%，另一部分在运动场，约占粪量的15%；牛尿一部分在牛舍，大约占总尿量的40%左右；另一部分在运动场，约占尿量的60%左右，但无法收集，一般被蒸发掉。运动场的牛粪不是每天清除，而是几个月或半年清理一次，大部分易降解有机物已经被分解，并且含有大量泥沙，若进入厌氧消化装置不仅对沼气的产量贡献很少，而且对前处理、料液输送以及厌氧消化装置都有很大影响。因此，运动场的牛粪清理出来以后直接运往有机肥生产车间与沼渣一起进行有机肥。在牛舍的粪尿主要通过机械干清粪运往混合调配池。春、夏、秋季残余的粪尿通过水冲洗清
除。(见图4)。
（三）冲洗水沉淀、循环与收集。
在春夏秋季，挤奶厅冲洗水进入集水池后，泵往牛舍水塔，用于冲洗泌乳牛舍等牛舍，牛舍冲洗水排入集水池，经沉淀后，上清液再抽往牛舍水塔，循环冲洗牛舍。集水池底部浓污水泵入混合调配单元。
在冬季，挤奶厅冲洗水进入集水池后，一部分混合调配单元用于稀释牛粪，另一部分进入沉淀净化池净化处理后回用冲洗牛舍，或者用于稀释沼液。 （四）厌氧消化系统。
针对牧场污水有机物浓度高，残渣固体多容易结壳的特点，厌氧消化工艺采用完全混合式厌氧消化工艺(CSTR) 。内设搅拌器以提高传质效率和破除浮渣。本工程利用发电余热对料液进行加温实现中温厌氧消化，并保证冬季正常产气。 （五）沼液处理与利用。
中温厌氧消化罐的消化液进入沼液暂存池后，泵入泥水分离机进行泥水分离，分离出的沼渣运往有机肥生产车间与运动场清除的牛粪一起进行有机肥发酵。沼液进入沼液储存池储存，以备灌溉草场施用。
（六）沼气净化与贮存系统。
刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料CH4和惰性气体CO2外，还含有H2S(约1500~2000mg/m3)和其它及少量的气体。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。过量的H2S和杂质会危及发动机的寿命，所以新生成的沼气不宜直接用作发动机燃料。电站的沼气系统除常规的贮气和稳压装置外，还需进行气水分离、脱硫等净化处理。牛粪原料产生的沼气中的硫化氢含量约2000mg/m3,经过生物脱硫塔和氧化铁脱硫塔两级脱硫后沼气中的硫化氢含量约400mg/m3。
在稳定工况下，中温厌氧消化罐每天产生约12,000m3沼气，厌氧消化装置产生的沼气经过气水分离器、两级脱硫塔净化处理后，进入1000 m3干式贮气柜，贮气柜的沼气经沼气输送泵输送到发电机房供发电。 （七）沼气发电。
沼气用于发电是生物质能转换为更高品位能源的一种表现方式，其资金回报率较高，属于国家积极提倡和扶持的项目。
本工程发电系统是按照日产沼气12,000m3，每m3沼气发电2.2kWh（沼气气质：饱和水蒸气的体积比≤1%，H2S含量≤400mg/m3，热值≥21.0MJ/Nm3）设计，预计日发电量26000kWh，发电余热用于中温厌氧消化加热升温。 （八）发电余热利用。
为维持料液中温厌氧消化所需的温度，需要对料液进行加热，加热料液的热量需要由外部热源提供，本项目利用粪尿污水厌氧消化产生的沼气进行发电，沼气发电系统运行中产生的大量余热，作为加热料液的热源，这将节约大量的热能。因此利用发电余热进行料液和厌氧消化罐升温是本项目的关键之一。热交换流程见图5，集料池中料液经加压分别通过中温水换热器、高温水换热器和烟气换热器。发电机的中温水、高温水和烟气在热交换器中将热量传送给料液，中温水和高温水经冷却后循环使用，烟气换热冷却后排放。
图5 热交换流程图
Fig.5 The flow diagram of heat exchange （九）有机肥生产系统
整个工程平均每天产生沼渣约62t，运动场清除的干粪约42t，共计大约104t，干物质16t左右。
牛舍运动场的粪便搜集后与、固液分离的粪渣以及沼渣一起经太阳能好氧有机肥发酵生产有机肥。有机肥采用深槽（粪层厚度一般为0.8m）连续式发酵干燥工艺，发酵干燥全过程需要15~20天左右，具体时间根据当地气候条件及最终成品的含水率要求进行具体调整，发酵槽内原料的移动速度通过调整翻抛机运行方式及次数来实现的。
本工序采用太阳能发酵系统，该系统由PC阳光温室、翻抛机、充氧系统、电控组成。充氧系统主要由高压风机、通风管道组成。充分利用太阳能，并有效地利用原料自身发酵过程中的生物能，加之必要的机械手段来完成粪便发酵干燥的全过程，是目前能耗（即处理成本）
最低的一种处理形式，它不但解决了环境污染问题，达到无害要求，而且可制成高效有机肥，便于包装、贮运。
预测日生产有机肥约35t，年生产12，775t。有机肥生产工艺流程框图如图6所示。
图6有机肥生产工艺流程框图
Fig.6 The flow diagram of organic fertilizer 四、结论
采用厌氧-还田模式建设蒙牛澳亚示范牧场大型沼气发电综合利用工程，将使该牧场粪便及其污水得到有效处理，生产沼气、沼气发电上网，回收有机肥资源，达到污染治理、能源回收与资源再生利用的多重目的，构建蒙牛澳亚示范牧场种养殖循环经济体系，实现农牧业可持续发展。
参考文献：
[1]林代炎，叶美锋，吴飞龙，等．规模化养猪场粪污循环利用技术集成与模式构建研究[J]．农业环境科学学报，2010，29(2)：386-391．
[2]邱士可，周文宗．畜禽养殖粪污资源化利用现状与趋势[J]．科技创新，2009，12：26-27． [3]林清，昝林森．规模化牛场粪污无害化处理及资源化利用方法探讨[J]．家畜生态学报，2011，32（1）：73-75，
[4]邓良伟，陈子爱，袁心飞，等．规模化猪场粪污处理工程模式与技术定位[J]．养猪，2008，6：21-24．
[5]周国安，严建刚．规模养殖场污水的减量化与无害化处理探析[J]．江苏农业科学，2011，39(2)：479-481．
[6]柴仲平，贾宏涛，余雄，等．新疆奶牛养殖及粪污处理现状研究[J]．中国牛业科学，2009，35(1)：74-77．
蒙牛澳亚示范牧场粪污处理工艺路线的研究
