規(guī)?；i場糞污的動態(tài)干發(fā)酵處理工藝

摘要：針對當(dāng)前濕式厭氧發(fā)酵存在的沼液難于處理的問題，以解決集約化豬場糞污達(dá)到“近零排放”為目標(biāo)，利用稻草作為污水吸附劑和物料的調(diào)理劑，采用厭氧干發(fā)酵滲濾液回流工藝處理規(guī)模化豬場糞污，通過試驗確定了秸稈飽和吸水率、前處理時間、滲濾液回流周期、厭氧發(fā)酵周期以及后處理周期等工藝參數(shù)。結(jié)果表明，該工藝在規(guī)?；i場糞污處理方面具有可行性，基本上可以解決糞污處理問題。厭氧發(fā)酵結(jié)束后，再進(jìn)一步處理，將沼渣制肥，對外無污染排放，可以實現(xiàn)污染物的“近零排放”。

關(guān)鍵詞：規(guī)?；i場；糞污；動態(tài)干發(fā)酵；處理工藝

中圖分類號：X713 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）10-2273-04

隨著人民生活水平的提高和農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，集約化養(yǎng)殖場數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，同時產(chǎn)生了大量的污染物，主要包括糞便、尿液以及沖洗水。這些污染物直接或間接造成了環(huán)境污染。2005年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，畜禽糞便年產(chǎn)生量達(dá)20.1億t（濕重）[1]。大量的畜禽糞便隨意處置不僅嚴(yán)重污染了空氣、地下水，影響了城市居住環(huán)境，而且產(chǎn)生了大量的甲烷等溫室氣體。

目前，對畜禽糞便主要的資源化利用方式有通過沼氣工程和好氧堆肥生產(chǎn)肥料。然而，無論是沼氣工程還是堆肥工程都有它的缺點。堆肥雖然是一個好的無害化處理方式，但是堆肥的過程中產(chǎn)生大量的臭氣揮發(fā)到空氣中，會造成主要營養(yǎng)元素N素的損失和由此引發(fā)的空氣污染。近年來，政府積極推廣的大中型沼氣工程，由于大部分采用的是濕式發(fā)酵工藝，存在一個較為突出的問題是發(fā)酵后產(chǎn)生大量沼液，通常的做法是作為肥料施入農(nóng)田，但是作物自身的生長周期決定了不能頻繁大量施肥，也就是說作物生長受季節(jié)限制的同時還受土地量的限制，從而就導(dǎo)致了大量的沼液滯留。通常把總固體含量20%～30%的厭氧發(fā)酵稱為干式厭氧發(fā)酵， 固態(tài)發(fā)酵具有發(fā)酵后幾乎不產(chǎn)生沼液、沼渣不需脫水、容積產(chǎn)氣率高等優(yōu)點。但是由于其物料間傳質(zhì)效率低，導(dǎo)致了發(fā)酵周期長等問題。

研究以處理集約化豬場糞污為主，以糞污達(dá)到“近零排放”為目的，設(shè)計了可行的工藝：物料好氧堆置法預(yù)處理，運(yùn)用干發(fā)酵工藝，通過滲濾液反復(fù)回流增加物料之間的傳質(zhì)。通過動態(tài)回流試驗與靜態(tài)小型對照試驗進(jìn)行發(fā)酵效果對比，論證其可行性并最終確定工藝參數(shù)，為該工藝在萬頭規(guī)模以上豬場糞污處理方面推廣應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

動態(tài)回流試驗和靜態(tài)小型對照試驗裝置分別如圖1、圖2所示。

1.2 試驗材料

試驗所用豬糞、沖洗水取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)附近某養(yǎng)豬場；水稻秸稈取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻試驗田（試驗前在干燥狀態(tài)下儲存）；滲濾液使用預(yù)試驗后保存的滲濾液，測得其COD為24 759 mg/L。豬糞、水稻秸稈、沖洗水的理化特性見表1。

1.3 試驗方法

水稻秸稈吸附污水：先將150 kg干水稻秸稈粉碎至長度為3～5 cm、寬度為1～3 mm，使水稻秸稈的表面蠟質(zhì)層破壞。然后，根據(jù)試驗測得的水稻秸稈達(dá)到飽和狀態(tài)所需要的時間，將水稻秸稈浸泡在盛滿污水的水池中浸泡3 h，按試驗結(jié)果計算其飽和含水率為80%。

進(jìn)料：物料比例按試驗測得的豬場糞污實際比例搭配，將水稻秸稈和豬糞按1∶2.2進(jìn)料，其中水稻秸稈150 kg，豬糞330 kg，污水600 kg（水稻秸稈已吸附污水），共計1 080 kg。經(jīng)測定物料飽和含水率為80%，過量污水自流到滲濾液罐中，經(jīng)測定碳氮比為22.11。先攪拌均勻后轉(zhuǎn)移至固體發(fā)酵罐內(nèi)，取出少量物料接種10%滲濾液，做靜態(tài)小型對照試驗3。裝料后，少量滲濾液自流到滲濾液罐中，敞口進(jìn)行好養(yǎng)發(fā)酵升溫。

好氧前處理：將裝滿物料的發(fā)酵裝置敞口放置，自然發(fā)酵，時間不宜過長，以超過55 ℃ 3 d以上為標(biāo)準(zhǔn)。好氧發(fā)酵結(jié)束后，取出一部分接種10%滲濾液做靜態(tài)小型對照試驗2，另取出一部分接種10%污泥做靜態(tài)小型對照試驗1，將裝置上蓋加水密封。

試驗在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工科基地一溫室內(nèi)進(jìn)行，由于固體發(fā)酵罐設(shè)計安裝了夾層隔熱保溫層，罐內(nèi)的溫度波動范圍較小，可認(rèn)為試驗是于接近中溫的環(huán)境中進(jìn)行。靜態(tài)小型對照試驗1、2、3在35 ℃水浴鍋內(nèi)進(jìn)行。

試驗開始后，先進(jìn)行好氧堆置，至溫度升到55 ℃以上3 d后，大概用了7 d的時間，密封。每天19∶00噴淋回流20 min。所產(chǎn)生的氣體通過脫硫器脫硫后，用燃?xì)獗砻刻?9∶00記錄一次產(chǎn)氣量，并于每天19∶00回流后采集滲濾液罐內(nèi)的滲濾液進(jìn)行分析。靜態(tài)小型對照試驗1、2、3不回流。

1.4 測定方法

沼氣成分分析參考文獻(xiàn)[2]的方法；種子發(fā)芽指數(shù)（GI）試驗將滲濾液稀釋10倍，具體做法參照文獻(xiàn)[3]的方法。

啟動時間：啟動時間也是衡量沼氣發(fā)酵好壞的重要指標(biāo)，但是至今沒有人明確定義啟動與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)，如全桂香等[4]以開始產(chǎn)氣為標(biāo)準(zhǔn)，而黃如一等[5]以放氣試火可以點燃為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)沼氣發(fā)酵罐（瓶）可以持續(xù)產(chǎn)氣，沼氣中O2完全消失，CH4含量高于45%時，此時的氣體可以點燃，火焰為淡藍(lán)色，燃燒穩(wěn)定。研究中將啟動標(biāo)準(zhǔn)量化，以沼氣中CH4含量高于45%、O2完全消失、產(chǎn)氣率和甲烷含量快速上升作為判斷標(biāo)準(zhǔn)定義為沼氣發(fā)酵已經(jīng)啟動。

水稻秸稈飽和含水率：粉碎后的水稻秸稈在室溫下浸泡在污水中，分別在吸水0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、20.0 h取樣測定含水率，取樣時以水不滴為準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻秸稈飽和吸水試驗結(jié)果

試驗結(jié)果（圖3）表明，在0.5～1.0 h吸水較快，1.0～3.0 h吸水速度較慢，3 h后含水率幾乎穩(wěn)定在80%，至20 h其含水率也僅僅增加了1%，可見吸水的過程3 h已經(jīng)足夠。吸水速度快的原因是鍘撕機(jī)粉碎將水稻秸稈表面的蠟質(zhì)和氣腔結(jié)構(gòu)破壞。

2.2 不同試驗啟動時間和甲烷含量變化

啟動時間是評價沼氣厭氧發(fā)酵效果好壞的重要指標(biāo)之一。動態(tài)回流試驗于2010年8月開始，發(fā)酵條件屬于明顯的厭氧固體發(fā)酵，采用滲濾液接種，發(fā)酵底物為豬糞和水稻秸稈。厭氧發(fā)酵之前的好氧堆置對大分子物質(zhì)起到了很好的水解作用，加之過濾回流泵使?jié)B濾液從上部噴淋，滲濾液緩慢滲透到底部，增加了底物和微生物之間的接觸，從而可以克服固體厭氧發(fā)酵傳質(zhì)效果差的問題，因此試驗啟動時間較短，豬糞和污泥中大量的微生物將氧氣迅速耗盡，沼氣中甲烷含量如圖4所示。由圖4可知，至第3天沼氣中甲烷含量超過了45.0%，達(dá)到了46.9%，啟動已經(jīng)完成。而靜態(tài)小型對照試驗1、2、3的啟動時間分別為6、8和6 d，較動態(tài)回流試驗分別晚了3、5和3 d。但是，無論回流還是不回流，厭氧發(fā)酵啟動后，沼氣中甲烷含量都會一直處于50%～70%，在整個發(fā)酵周期都較為穩(wěn)定。

2.3 不同試驗容積產(chǎn)氣率變化

如圖5所示，動態(tài)回流試驗前3 d為啟動期，第4天到第23天每立方米共產(chǎn)沼氣20.04 m3，平均每天每立方米約產(chǎn)沼氣1 m3，最大每天每立方米產(chǎn)沼氣1.19 m3，最小每天每立方米產(chǎn)沼氣0.73 m3。將啟動后20 d的容積產(chǎn)氣率與靜態(tài)小型對照試驗1、2、3進(jìn)行多重比較，結(jié)果（表2）表明。啟動后20 d動態(tài)回流試驗容積產(chǎn)氣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜態(tài)小型對照試驗1、2、3，差異極顯著，接種污泥比接種滲濾液產(chǎn)氣效果好，但是動態(tài)回流試驗增加回流后其容積產(chǎn)氣量大幅度提升，可見滲濾液回流對試驗的影響較大。

2.4 動態(tài)回流試驗溫度變化

根據(jù)堆肥過程中溫度的變化，可以將堆肥分為3個階段[6]，即中溫階段、高溫階段和腐熟階段。大多數(shù)病原菌對溫度都較為敏感，當(dāng)堆體溫度超過55 ℃，并保持3 d可殺死大多數(shù)致病微生物。正常堆肥兩天左右即可達(dá)到高溫階段。糞便中含有大量的微生物，將其與秸稈一起堆置，其中的微生物有助于秸稈的分解，但是好養(yǎng)過程中氮素的大量揮發(fā)不僅造成肥效的下降還會造成環(huán)境污染。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)物料內(nèi)部溫度和外層溫度差異很小，僅列出內(nèi)部溫度如圖6所示。從圖6可以看出，前7 d好氧階段溫度迅速上升，第3天即達(dá)到中溫階段，第4天溫度達(dá)到50 ℃，進(jìn)入高溫階段，第5、6、7天連續(xù)3 d溫度都超過了55 ℃，達(dá)到了預(yù)想的效果。第8天密閉發(fā)酵罐開始發(fā)酵，初次回流后由于滲濾液的溫度較低，溫度開始下降，到第10天后溫度穩(wěn)定在35 ℃左右，屬于中溫發(fā)酵的范疇。

2.5 動態(tài)回流試驗pH變化

圖7結(jié)果表明，試驗過程中pH始終處于穩(wěn)定的狀態(tài)，略偏堿性，pH 7～8，屬于合理的pH范圍，沒有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。靜態(tài)小型對照試驗雖然產(chǎn)氣量低，但是也沒有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象?？梢?，豬糞和水稻秸稈在該比例下混合發(fā)酵不易出現(xiàn)有機(jī)酸積累。

2.6 種子發(fā)芽指數(shù)試驗結(jié)果

種子發(fā)芽指數(shù)是判斷有機(jī)肥料是否能夠農(nóng)用的重要指標(biāo)。如圖8所示，滲濾液稀釋10倍后處理種子，發(fā)酵20 d后的滲濾液處理時其發(fā)芽指數(shù)雖然整體有上升的趨勢，但是并不穩(wěn)定。說明發(fā)酵后的滲濾液由于含有NH3等物質(zhì)，對農(nóng)作物種子發(fā)芽有一定的影響，需要進(jìn)一步的處理才可以農(nóng)用。

3 結(jié)論與討論

1）動態(tài)回流試驗在中溫的條件下進(jìn)行，啟動時間為3 d，較靜態(tài)小型對照試驗1、2、3分別提前了3、5和3 d。此差異說明好氧堆置預(yù)處理和回流有助于縮短啟動時間。

2）動態(tài)回流試驗容積產(chǎn)氣率較靜態(tài)小型對照試驗有極顯著的提高，動態(tài)回流試驗每天回流20 min，啟動后20 d的容積產(chǎn)氣率比靜態(tài)小型對照試驗1、2、3分別提高了38.61%、87.86%、144.37%，效果較為明顯。說明滲濾液回流有助于沼氣產(chǎn)量的提高，滲濾液反復(fù)回流比接種活性污泥靜態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氣量有大幅度提升，說明干發(fā)酵過程中接種滲濾液替代活性污泥是可行的。

3）動態(tài)回流試驗產(chǎn)氣量持續(xù)在較高水平，pH、CH4含量穩(wěn)定，可以實現(xiàn)持續(xù)供氣。

4）通過試驗研究得出的可行工藝為：使用水稻秸稈作為吸附劑，將規(guī)?；i場污水吸附達(dá)到飽和狀態(tài)后，與豬糞（干、清）混合進(jìn)行好氧發(fā)酵，好氧時間一般為7 d左右。好氧堆置結(jié)束后，進(jìn)行厭氧發(fā)酵，厭氧過程中每天回流滲濾液20 min。厭氧發(fā)酵結(jié)束后，將沼渣和部分循環(huán)沼液制肥，對外無污水排放。前處理不需要水稻秸稈復(fù)合菌劑，發(fā)酵過程也不需要接種活性污泥，可以減少機(jī)械攪拌次數(shù)，節(jié)約動力，該試驗得到的工藝有較大的推廣應(yīng)用價值。

5）限于試驗條件，動態(tài)回流試驗為中試，將中試結(jié)果與靜態(tài)小型試驗比較，略有不足。一般來說小型試驗由于其試驗條件理想，效果優(yōu)于同條件下的中試，所以實際應(yīng)用中此工藝的優(yōu)勢可能更明顯。

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