大中型生豬養(yǎng)殖場污染防治模式研究

李汪晟彭河山宋李思瑩吳根義,2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學，湖南長沙 410128；2環(huán)保部華南環(huán)境科學研究所，廣東廣州 510655）

大中型生豬養(yǎng)殖場污染防治模式研究

李汪晟1彭河山1宋李思瑩1吳根義1,2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學，湖南長沙 410128；2環(huán)保部華南環(huán)境科學研究所，廣東廣州 510655）

針對當前規(guī)?；i養(yǎng)殖場污染防治模式選擇上的不確定性，選擇采用工廠化處理與資源化利用兩種典型處理模式的10 000頭 （年出欄量）生豬養(yǎng)殖場，從污染防治設施投資成本、運行費用、效益、適用條件等方面進行對比分析，指出兩種典型防治模式各自的應用范圍及優(yōu)缺點，以指導同類規(guī)模的生豬養(yǎng)殖場選擇合適的污染防治模式。

生豬養(yǎng)殖；工廠化處理；資源化利用；污染防治模式

我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)品種繁多，養(yǎng)殖量大，是世界上主要的畜禽生產(chǎn)大國，其中生豬出欄量連續(xù)多年位居世界第一，養(yǎng)殖量約占世界的50%。隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，畜牧業(yè)將繼續(xù)保持較快速度的發(fā)展[1]，隨之而來的是不斷發(fā)展的畜牧業(yè)所帶來的糞污處理問題，特別是生豬養(yǎng)殖污水產(chǎn)生量大，治理難度也大，其污染防治長期受到人們的關注。目前國內(nèi)生豬養(yǎng)殖糞污處理方式主要有工廠化處理、資源化利用兩種典型模式，兩種模式在投資、運行費用及適應條件均存在較大差異，我國畜禽養(yǎng)殖污染防治起步較晚，養(yǎng)殖企業(yè)對如何正確選擇處理模式還存在一定困惑。全面掌握不同防治模式的應用范圍和適用條件是正確選擇生豬養(yǎng)殖場污染防治模式的前提。

1 畜禽養(yǎng)殖污染存在的問題

1.1 對環(huán)境壓力逐漸增大

全國畜禽糞便的排放量從1988年的18.8億噸逐年上升，1998年已經(jīng)達到35億噸，據(jù)預測，2020年全國畜禽糞便總量將達到42.44億噸[2]。據(jù)第一次污染源普查動態(tài)更新數(shù)據(jù)顯示，2010年畜禽養(yǎng)殖COD、NH3-N排放量分別達到1 148萬噸、65萬噸，分別占全國排放總量的45%和25%、占農(nóng)業(yè)源排放總量的95%和79%[3]。據(jù)測算，一個年出欄10 000頭的生豬養(yǎng)殖場，每年約產(chǎn)生2 190噸固體糞便和5 200 m3尿液，折合COD約460噸、總氮約37噸、總磷約5.6噸。規(guī)?；i養(yǎng)殖場污染物產(chǎn)生量大、排放比較集中，對環(huán)境造成的壓力更大。

1.2 難于選擇適合自身特點的污染防治模式

對于規(guī)?；i場糞污處理方式主要有資源化利用和工廠化處理兩種模式。工廠化處理又有物理法、化學法、生物法以及物化法多種工藝，生物法又可分為厭氧處理、好氧處理以及自然生態(tài)處理三大類，厭氧處理有厭氧序批式反應器（ASBR）、厭氧擋板反應器（ABR）、上流式厭氧污泥床（UASB）和完全混合式厭氧反應器（CSTR）等工藝技術；好氧處理包括活性污泥法、氧化溝、序批式反應器（SBR）、接觸氧化法和膜生物法（MBR）等工藝方法；自然生態(tài)處理可采用氧化塘以及人工濕地等。透過不同工藝技術的表象，從本質上看，規(guī)?；i場糞污處理可總結為沼氣（厭氧）－還田模式（資源化利用模式）和沼氣（厭氧）－好氧處理模式（工廠化處理模式）兩種模式。以這兩種模式為基礎，不同模式應用條件和要求不同，如何結合自身特點，選擇適合的防治模式是當前大部分養(yǎng)殖場存在的技術問題。

2 不同糞污處理方式分析

2.1 典型工廠化處理防治模式案例分析

以采用工廠化處理防治模式的年出欄10 000頭豬場為例，該養(yǎng)豬場采用干清糞工藝，糞便好氧堆肥后生產(chǎn)簡易有機肥，欄舍沖洗水和豬尿采用“固液分離+厭氧沼氣發(fā)酵+SBR好氧生化”模式處理。該養(yǎng)殖場地處于城市周邊，沒有足夠的土地消納豬場糞污，污水產(chǎn)生量為70噸/天左右，糞便產(chǎn)生量約為6噸/天。經(jīng)現(xiàn)場檢測污水 COD為 7 000～7 500 mg/L，BOD5為3 000～4 000 mg/L，SS為 2 500～3 000 mg/L、NH3-N為450～600 mg/L，pH值為6～7.5。根據(jù)當?shù)丨h(huán)保局要求，外排污水須達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》 （GB18596-2001）的要求。該場采用的處理模式如圖1所示。

2.1.1 投資及運行成本分析

⑴土建及設備投資

該養(yǎng)殖場土建投資主要包括：調(diào)沉池7.68萬元（192 m3）、沼氣池40萬元（1 000 m3）、SBR池12.96萬元（216 m3）、混凝沉淀池9.72萬元（162 m3）、污泥濃縮池3.84萬元（64 m3）、有機肥加工房10.00萬元（250 m2）和配電及設備間2.00萬元（40 m2）。設備投資主要包括排污泵1.52萬元（4臺）、污泥泵0.96萬元（2臺）、羅茨鼓風機7.36萬元（2臺）、曝氣器0.9萬元（50個）、水下推流器4.3萬元（1臺）、疊螺脫水機4.88萬元（1臺）、豬糞固液分離機1.95萬元（1臺）、簡易有機肥生產(chǎn)設備10.50萬元（1套）、攪拌系統(tǒng)1.68萬元（1套）、加藥投藥系統(tǒng)1.20萬元（2套）和電控系統(tǒng)1.75萬元（1套）。

綜上所述，糞便和污水處理設施土建和設備兩個部分的投資分別為10萬元、12.45萬元和76.2萬元、24.55萬元，合計123.2萬元，其中設備投資37萬元。

⑵運行、設備維護和折舊成本

養(yǎng)豬場污水采用厭氧-好氧處理模式處理，除土建和設備投資較高外，設備運行、維護、折舊費用也是不可忽略的一部分。該養(yǎng)殖場糞污處理成本主要包含以下幾個方面。

①運行電費：污水處理站日耗電量為125 kW，電費價格為1元/kW，則污水處理站每天的電費為125元，按污水處理站每日處理水量70噸計算，則污水處理電費為1.79元/噸。

②藥劑費：混凝中用到PAC（聚合氯化鋁）和PAM（聚丙烯酰胺）。PAC投加量為30 mg/L，市場價為2 000元/噸，則投加PAC費用為0.06元/噸。PAM投加量為4 mg/L，市場價為16 000元/噸，則投加PAM費用為0.064元/噸。消毒用次氯酸鈉，投加量為30 mg/L，市場價為1 500元/噸，則投加消毒劑費用為0.045元/噸。

生產(chǎn)有機肥需要加入菌種，每生產(chǎn)1噸有機肥需要加入0.4 kg菌種，菌種市場價格為90元/kg，則生產(chǎn)1噸有機肥的藥劑費為36元。按照每4噸糞便產(chǎn)生1噸有機肥計算，每天產(chǎn)有機肥1.5噸，則每天生產(chǎn)有機肥的菌種費為54元。

③人工費

圖1 固液分離+厭氧處理+SBR好氧處理模式

污水站自動化處理程度較高，因此只配備一位兼職管理人員，每月工資為3 000元，則人工費為1.43元/噸。堆糞場發(fā)酵生產(chǎn)有機肥自動化處理程度較低，配備2名工作人員，每月工資為3 000元，則糞便處理需人工費33.33元/噸。

綜上所述，該糞污處理中污水處理直接成本為3.39元/噸，即每天污水站的污水處理費用為237.3元。糞便堆肥發(fā)酵生產(chǎn)有機肥的成本為42.33元/噸，即每天糞便處理費用為254元。

④設備維護費、折舊費

年設備維護費用按設備投資的5%計，維護費為37×5%=1.85萬元/年；設備使用年限按20年計算，折舊費為123.2/20=6.16萬元/年。

2.1.2 效益分析

⑴處理效果分析

單純的厭氧+好氧技術很難去除養(yǎng)殖廢水中的氮、磷，處理后的水難以達到排放標準的要求，必須進一步進行深度處理措施。本部分主要針對污水出水水質和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》 （GB18596-2001）的比較，通過試驗檢測指標后具體情況見表1。

表1 工廠化處理不同階段水質指標 （mg/L）

從表1可以看出，豬場廢水經(jīng)厭氧沼氣發(fā)酵、SBR好氧生化處理后NH3-N、TP的值分別為182 mg/L和9.8 mg/L，均比GB18596-2001排放標準要高。設計中試實驗將經(jīng)厭氧、好氧處理出水再經(jīng)過氧化塘處理，試驗結果表明，氧化塘出水的CODcr、BOD5、NH3-N和TP分別為221、58、69和0.63 mg/L?？梢钥闯鼋?jīng)氧化塘處理后的各項指標均能達到GB18596-2001的排放標準。因此，豬場廢水經(jīng)厭氧沼氣發(fā)酵、SBR好氧生化處理后，還需經(jīng)過氧化塘處理這一必不可少的技術環(huán)節(jié)。

據(jù)《污水穩(wěn)定塘設計規(guī)范》（CJJ/T54-93），在進塘BOD5濃度＜300 mg/L時，Ⅲ區(qū)（年平均氣溫在16℃以上的地區(qū)）兼性塘的BOD5表面負荷為85 kg/104m2·天。從SBR出水濃度可以看出，BOD5的出水濃度為73.5 mg/L（表1），可以得出需建設面積為778 m2的兼性塘，按400元/m2的建設成本計算，需投資31.12萬元。

⑵收益分析

該處理模式下產(chǎn)生的利潤主要在于沼氣作為燃料利用和糞便生產(chǎn)有機肥出售。經(jīng)測定日沼氣產(chǎn)量為152 m3（甲烷含量約為76.2%），平均每天有機肥產(chǎn)量為1.5噸。按照目前市場價格沼氣為0.8元/m3（沼氣實際為養(yǎng)殖場自用）、有機肥400元/噸（未注冊商標、未包裝），可以得出該養(yǎng)殖場每天沼氣和有機肥的收入為722元。因此，年出欄10 000頭的生豬養(yǎng)殖場糞污采用工廠化模式，其年處理費用Y1=（日污水處理費用+日糞便處理費用）×365+每年設備維修和折舊費，即為25.93萬元/年，毛收入為26.35萬元/年，則該養(yǎng)殖場糞污采用工廠化處理模式凈收益為0.42萬元/年。

2.2 典型資源化利用防治模式案例分析

同樣以采用資源化利用防治模式的年出欄10 000頭生豬規(guī)?；i場為例，該養(yǎng)殖場采用干清糞工藝，糞便經(jīng)厭氧堆肥發(fā)酵后儲存農(nóng)業(yè)利用，欄舍沖洗水和豬尿采用“糞污儲存（厭氧）+還田”模式處理，糞水經(jīng)沼氣發(fā)酵后產(chǎn)生的沼氣通過脫水、脫硫后利用，沼液儲存在儲存池后作為液態(tài)肥料使用。養(yǎng)殖場地位于農(nóng)村丘陵地區(qū)，周圍有配套消納豬場糞污的土地3 500畝，污水處理量約為70 m3/天，糞便產(chǎn)生量約為6噸/天。具體糞污防治模式見圖2。

2.2.1 投資及運行成本分析

⑴土建及設備投資

圖2 資源化利用-糞污還田模式

資源化利用還田模式，糞便經(jīng)簡單堆肥發(fā)酵后儲存農(nóng)業(yè)利用，污水經(jīng)沉淀、厭氧發(fā)酵后儲存農(nóng)業(yè)利用。年出欄10 000萬頭生豬養(yǎng)殖場土建投資主要包括：沉淀池9.72萬元（162 m3）、沼氣池40.00萬元（1 000 m3）、尿液儲存池9.72萬元（162 m3）、堆糞場10.00萬元（250 m2）和配電及設備間4.80萬元（40 m2）。設備費用主要包括豬糞固液分離機1.95萬元（1臺）、沼液沼渣抽排泵1.20萬元（2臺）。

綜上所述，該豬場糞污防治設施建設土建投資為74.24萬元，設備投資為3.15萬元，合計77.39萬元。

⑵運行、設備維護和折舊成本

該養(yǎng)殖場糞污處理成本主要包含以下幾個方面。

①運行電費：污水處理站、沼液沼渣抽排泵日耗電量為10 kW，電費價格為1元/kW，污水處理站每天的電費為10元，污水處理站每日處理水量為70噸，則污水處理電費為0.14元/噸。

②人工費：堆糞場糞便厭氧發(fā)酵，自動化處理程度較低，配備1名工作人員，每月工資為3 000元，則需人工費16.67元/噸。

綜上所述，污水資源化利用成本為0.14元/噸，即每天污水利用運行費用為10元。堆糞場糞便處理成本為16.67元/噸，即每天堆糞處理運行費用為100元。

③設備維修費、折舊費

年設備維修費用按設備投資的5%計，維修費為3.15×5%=0.1575萬元/年；設備使用年限按20年計算，折舊費為77.39/20=3.87萬元/年。

2.2.2 效益分析

⑴效果分析

利用農(nóng)業(yè)種植土地消納養(yǎng)殖糞污，其消納能力主要是以耕地總氮（TN）的承載力來核定，耕地畜禽承載力可以按以下公式計算[4]：

式（1）中，CN：區(qū)域畜禽養(yǎng)殖承載量，單位為頭/畝；γ：畜禽糞便有機肥提供TN養(yǎng)分占作物生長、發(fā)育全過程TN消耗總量的比值，取值范圍0～1，本研究取值0.4；ρ：作物在種植過程中因自然災害、田間管理不當?shù)纫驍?shù)造成經(jīng)濟產(chǎn)量失真的氮養(yǎng)分消耗校正系數(shù)，取值10%；TNZ：畜禽TN的產(chǎn)污系數(shù)，單位為kg/頭；ε：畜禽糞便有效收集率，取值80%；θ：畜禽糞便收集、運輸過程中以氨態(tài)形式揮發(fā)的流失率，取值30%；τ：作物形成100 kg產(chǎn)量吸收的營養(yǎng)元素的量，單位為kg； ：有機肥利用效率，TN取值45%。

每生產(chǎn)100 kg水稻所需吸收氮量為2.2 kg[4]，生豬養(yǎng)殖TN產(chǎn)污系數(shù)為3.7 kg/頭[5]。根據(jù)上述公式可以計算得出，CN的值為3頭/畝，即年出欄10 000頭生豬養(yǎng)殖場須配套3 333畝水稻田地對豬場糞污進行消納，根據(jù)場區(qū)配套土地來看，完全可以消納該養(yǎng)殖場產(chǎn)生的生豬糞污，能夠實現(xiàn)污染物對環(huán)境的零排放。

⑵收益分析

該處理模式下產(chǎn)生的利潤主要在于沼氣及節(jié)約化肥收益，沼氣產(chǎn)量和上述工廠化處理模式下產(chǎn)生的沼氣產(chǎn)量相同，即152 m3/天。該模式下的費用支出主要在于糞污澆灌田地產(chǎn)生的運輸費用，分析該模式下的收益，需要根據(jù)運輸距離從以下兩個方面分析。

①不需要運輸工具運輸

養(yǎng)殖場周圍配套土地可以直接用管道進行運輸，此種情況下分析得出：沼氣按市場價折算收入為4.44萬元/年（沼氣為養(yǎng)殖場自用）。據(jù)史常亮[6]等分析，水稻種植每畝化肥投入為161.78元/年，考慮到液態(tài)肥料需要管道鋪設費用，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，因糞肥（包括堆肥和沼液）的使用，每畝可減少化肥投入80元，3 500畝合計減少化肥投入28萬元。每天糞污處理費用（包含設備維護和折舊費）為220.34元，則該養(yǎng)殖場糞污采用資源化利用防治模式的凈收益為24.40萬元/年。

②需要運輸工具運輸

如養(yǎng)殖場周邊農(nóng)業(yè)種植用地無法利用管道輸送，則沼液需采用車輛運輸，沼液運輸費用的高低受運輸距離影響，距離的增加將直接導致成本增加。

從實際情況出發(fā)，養(yǎng)殖場周圍配套的土地施用糞肥距離遠近不一，為進行綜合核算，采用運輸平均距離進行核算。可以施用糞肥收益與運輸成本的比值來確定糞肥運輸?shù)呐R界平均距離（糞肥運輸臨界平均距離是指年運輸費用剛好等于糞肥施用收益），糞肥運輸臨界平均距離計算具體公式如下。

式（2）中，LTD：糞肥運輸臨界平均距離，單位為km；R：施用糞肥的收益，單位為萬元；SP：糞肥運輸單價，取值2.0元/噸·km；BSA：日產(chǎn)糞肥量，單位為噸/天。

3 500畝水稻可減少化肥投入 28萬元，年出欄10 000頭的生豬養(yǎng)殖場糞污采用典型資源化利用防治模式處理費用Y2=（日污水處理費用+日糞便處理費用）×365+每年設備維修和折舊費，即為8.04萬元/年。根據(jù)上述公式可以得出，糞肥運輸臨界平均距離為3.6km。在糞污采用車輛運輸施用的情況下，配套土地平均運輸距離在3.6 km以內(nèi)，糞污處理利潤都是正值，則養(yǎng)殖場完全可選擇該處理方式，如配套土地比較分散，運輸平均距離超過3.6 km，則應考慮采用其他方式處理或減量化措施。

3 兩種模式優(yōu)缺點和適用范圍

3.1 工廠化處理模式

對比資源化利用的模式可以看出，工廠化處理模式的主要優(yōu)勢在于：適用性廣、占地面積小、基本不受土地條件限制；主要缺點在于：投資大，萬頭豬場糞污處理的投資約154.32萬元（包含兼性塘建設費用31.12萬元）；運轉費用高，處理1噸污水需要3.39元左右；機械設備多，維護管理難度大；需要專門的技術人員進行運行管理。

工廠化處理模式適用于經(jīng)濟比較發(fā)達、養(yǎng)殖場周邊沒有足夠的可消納養(yǎng)殖糞污土地的養(yǎng)殖場，采用這種模式的豬場規(guī)模較大，年出欄量一般在10 000頭以上。

3.2 資源化利用模式

對比工廠化處理模式可以看出，資源化利用模式下的主要優(yōu)勢在于：最大限度地實現(xiàn)資源化和污染物零排放，投資費用低（比工廠化處理要低99.41%）、運行成本低（比工廠化處理要低371.16%）、無需專人管理；同時還可減少種植業(yè)的化肥施用，增加土壤肥力。主要缺點在于：需要配套大量土地消納豬場產(chǎn)生的糞污，年出欄10 000頭的生豬養(yǎng)殖場至少需要約3 300畝土地；雨季和非施肥季節(jié)需考慮糞肥的儲存；不合理的利用會造成大氣、水體以及土壤的污染。

資源化利用模式適用周邊農(nóng)業(yè)種植發(fā)達，特別是周邊有可常年施肥的蔬菜、果樹等集中式農(nóng)業(yè)種植區(qū)，如沼液采用車輛運輸，一般來說運輸平均距離以不超過3.6 km為宜。

4 結論

⑴生豬養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞污進行資源化利用模式，若周圍配套土地為“不需要運輸工具運輸”情況下，其運行費用為8.04萬元/年，產(chǎn)生的年收益為24.40萬元/年；若周圍配套土地為“需要運輸工具運輸”情況下，其年運行費用Y3=8.04+0.38×t×d×104萬元（式中t表示每天豬場產(chǎn)生的廢水，單位為噸；d為糞污運輸?shù)木嚯x，單位為km），產(chǎn)生的收益為Y*=32.44-Y3萬元；資源化利用模式下糞污處理運行成本和其運輸距離有很大關系，本文給出的糞污運輸臨界距離計算公式為LTD=R× 104/（SP×BSA×365），根據(jù)年出欄10 000頭生豬養(yǎng)殖場，可以得出糞污運輸臨界距離為3.6 km。

⑵對于年出欄10 000頭生豬養(yǎng)殖場，工廠化處理模式下建設投資為154.32萬元，資源化利用模式下建設投資為77.39萬元。養(yǎng)殖場可以從兩個方面進行糞污處理模式的選擇：①養(yǎng)殖場周邊沒有足夠土地消納糞污的地區(qū)，則考慮選擇工廠化處理模式；②養(yǎng)殖場周圍有配套土地消納生豬養(yǎng)殖場糞污，可根據(jù)糞污運輸距離進行選擇，若糞污運輸距離在3.6 km以內(nèi)，則考慮選擇資源化利用模式。

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1673-4645(2016)11-0024-05

2016-09-27

國家水體污染控制重大專項，農(nóng)業(yè)源控制管理制度與減排政策示范研究（2014ZX07602-004）

李汪晟（1993-），湖南常德人，在讀研究生，Tel：18673124591，E-mail：550593667@qq.com*

吳根義（1973-），湖南長沙人，教授，E-mail：wugenyi99@163.com