农村废弃物资源化处理及利用技术研究

作者：相俊红 杨宁 刘强

欢迎访问e展厅 展厅 7 农业环保机械展厅 秸秆粉碎机, 木屑颗粒机, 秸秆压块机, 铡草机, 秸秆气化炉, ... 摘要：废弃物已成为农村地区污染的主要来源，农村废弃物处理问题就是规模化养殖场废弃物资源化处理问题，而养殖场废弃物资源化处理技术目前仍是困绕我国规模化养殖的难点，将养殖场、沼气工程与无公害农业作为一个整体，实现协调、循环和再生，是农村废弃物资源化处理的必由之路。建议将农村废弃物资源化处理与我市农村城镇化发展总体规划相结合，制定政策，加大扶持力度，确保畜禽废弃物得到有效治理。 主题词：农村废弃物 资源化处理 综合利用 1 农村废弃物既是宝贵的资源，又是严重的污染源 农村废弃物是指人畜粪便、作物秸秆、小型加工厂废物、废水等，其中畜禽粪便占农村废弃物的80%以上。每年由畜禽养殖场排放的废水，其COD总量已接近工业废水的COD排放总量，N、P流失量大于化肥流失量，排放的固体物是工业固体废弃物的4倍，达19亿吨。过去一些地方将规模化畜禽养殖作为产业结构调整、增加农民收入的重要途径加以鼓励，却忽视了污染防治工作，致使畜禽养殖产生的污染已成为中国农村地区污染的主要来源。 目前，根据天津市畜牧局的统计数据表明，我市畜总存栏量为447.2万头，禽总存栏量为3702.9万只，年排粪量1530万吨，由于资金与技术等问题，粪便无害与资源化以及商品化处理率不到2%。 大规模集约化养殖业的迅猛发展，使许多畜禽养殖场的废弃物得不到及时处理，长期堆放，任其日晒雨淋，导致圈舍内蚊蝇孽生，瘟疫蔓延，家禽的产蛋率下降，畜禽死亡率增加，企业损失惨重。更为严重的是下雨天粪水大量外溢，对地表水，地下水，土壤和空气造成污染。 “人畜共患疾病”的传染渠道主要是动物性食品、患病动物的粪尿、分泌物、污染的废水、饲料等。畜禽粪尿及废水中的有害微生物、致病菌及寄生虫卵的肆意传播，给人类的健康甚至生命造成严重威胁。如，今年在亚洲地区广泛传播的禽流感让人们感到触目惊心，禽流感病毒在畜禽粪便中可存活180天，因此，畜禽粪便的无害化、资源化处理已成为急待解决的问题，应引起有关部门的高度重视。 另一方面，畜禽粪便又是一种宝贵的饲料或肥料资源。畜禽粪便中含有大量的氮、磷等营养物质，通过加工处理可制成优质饲料或有机复合肥料，从能源和肥料角度初步测算，19亿吨畜禽粪便相当于7000多万吨标煤或近1亿吨有机肥料，开发利用畜禽粪便不仅能变废为宝，解决农村用能问题，而且可减少环境污染，防止疫病蔓延，具有较高的社会效益和一定的经济效益，是保证我国农业可持续发展的重要资源。 2 国内外畜禽废弃物资源化处理的技术模式 规模化畜禽场废弃物处理及资源化利用研究，是国际农业环境的热点研究领域之一，是保证农牧业可持续发展和农畜产品安全的关键技术。 2.1 国外畜禽粪便处理的技术模式 国外对畜禽粪便的开发研究始于20世纪40年代初，在50年代以前，各国的大量小型畜禽养殖场中，畜禽粪便都以传统的固态粪方式进行收集贮存，并作为肥料施入地内。60年代以后，由于大型畜禽饲养场的建立，为了实现机械化和高效率，大量采用了水力清除的方法而形成了大容量的液态粪。大大增加了施入农田的运输负荷。畜禽养殖污染问题在国际上亦引起普遍的关注。许多国家迅速采取措施加以干预和限制，并通过立法进行规范化管理。到60年代中后期养殖场的畜禽粪便无害化处理技术已基本成熟。先进国家推行畜禽养殖清洁生产技术，特别是清粪工艺改为干清粪方式，效果较好。 粪便处理与一个国家的经济发展水平有关，从国外最新资料来看，对经济发达国家而言，粪便作肥料还田成为主要出路，对发展中国家来说，粪便作饲料仍是主要出路。目前欧美、日本等经济发达国家基本上不主张用粪便作饲料，东欧和独联体国家主张粪水分离，固体粪渣用作饲料，液体部分用于生产沼气或灌溉农田。 2.2 国内畜禽粪便处理的技术模式 目前国内用畜禽粪便作肥料、饲料和燃料的三种方式均有应用。 2.2.1 用作肥料的技术模式 随着我国有机食品和绿色食品的发展，有机肥料的需求量不断增加，用畜禽粪便制作有机肥具有一定的市场前景。但用畜禽粪便生产有机肥作为资源化利用所占的比例极低，据对上海市有机肥生产的调查，上海市商品有机肥的产量仅占畜禽粪便总量的2%~3%。 2.2.2 用作饲料的技术模式 即粪便资源的饲料化，是畜禽粪便综合利用的重要途径。但由于畜禽粪便是有害物的潜在来源，含有病原微生物、化学农药残留等，1967年美国食品卫生管理部门认为畜禽粪便饲料化不卫生，并发布了一个政策性法令，各国学者对饲料化的安全性进行了广泛的研究，认为，带有潜在病原菌的畜禽粪便经过适当处理后，再用作饲料是安全的。但由于禽流感的肆掠，为防止禽病对人类造成的危害，我们认为不应将饲料化作为发展方向。 2.2.3 用作燃料的技术模式 从1958年至今经历了几次高潮，1958年为解决农村的炊事用能，全国很多省市都修建了沼气池，70年代初，农村家用沼气池的兴建遍及全国，几年间总数达700万个。截止到目前，我国养殖场中有沼气工程的还很少，杭州浮山养殖场、上海星火农场、北京大兴县留民营生态农场是较为成功的范例。2002全国已有大中型沼气工程1100多处，总池容64万m3，集中供气的沼气用户达16.4万户。在能源短缺的今天，利用农村废弃物资源化处理，发展沼气工程，已成为解决农村用能、培肥地力、防治农业污染、清洁生产的双赢之举。 2.3 大城市畜禽废弃物处理概况 上海从20世纪90年代初开始，将畜禽粪便污染治理列入市政府为民办实事工程，到1999年上半年累计建畜禽粪便治理工程项目123个，投资6533万元。坚持畜禽粪便污染治理与村镇发展规划、郊县河道综合整治、生态示范区建设、郊县模范城区建设相结合的原则，制定了4年近期规划和3年中远期规划，从1999~2005年，用7年的时间完成畜禽基地治理项目487家。采用的治理实用技术有：畜禽场棚舍改造、废液冲洗水处理技术、化粪池厌氧消化处理等。综合利用技术有：堆肥沤制发酵还田利用、好氧发酵制有机肥、制作动物饲料。 北京市规模养殖场和养殖小区有2400个，每年畜禽粪便排泄量767万吨，采用发酵等方法得到的无害化处理仅22万吨，不到总量的3%。全市建有15家有机肥厂和十几处能源环保示范点。目前，北京市畜禽粪便的处理方式主要有粪尿撒施、好氧发酵制肥、厌氧发酵制沼气等。 2.4 国内外设备概况 目前，国内外研制出多种畜禽粪便加工处理设备，采用的技术主要有以下几种：一是，沼气发酵；二是，高温烘干；三是，固液分离，堆腐晾晒；四是，机械搅拌，高温堆肥；五是，接种菌剂，塔式翻动发酵。 沼气发酵，其工艺主要是厌氧发酵，产生甲烷，可用作燃料和发电，沼液可用于农田灌溉，沼渣可做肥料。但目前我市多数沼气工程存在投资大，运行效益低，沼液、渣再利用率低，因此，沼液、渣无法消纳或转运，成为二次污染源。 高温烘干技术，粪便经700～900℃的高温直接烘干，形成有机肥料，但烘干法耗能大，成本高，高温烘干过程中产生恶臭气体，对大气环境二次污染，肥料未经腐熟遇水后产生二次发酵。因此，近年来陆续有一些省市明文禁止采用热空气干燥鸡粪，曾经盛行一时的热空气干燥鸡粪生产商品有机肥技术，由于其二次污染严重，已成为被淘汰的技术。 固液分离，堆腐晾晒的方法，是现代化的固液分离机与传统的堆肥相结合。目前国产分离机返修率高，分离干物低，仅20～30%，分离设备尚需进一步改造和提高。传统堆肥露天堆放，没有防渗措施，日晒雨淋，氮素易挥发和淋洗，不仅肥效降低，而且由于粪便中的液体渗入地下，造成水体COD超标，也对环境造成污染。此外，该方法不能解决有机废水的无害化处理问题。 机械搅拌，高温堆肥，主要是处理干清的鸡、猪、羊、牛等粪便，在建有固定的通风发酵池中，定期用机械搅拌，充氧发酵，形成有机肥。该法避免了氮的淋失，但肥料水分含量较高，一般在30～40%，堆放时间较长，需20～30天，占地面积大。该方法也无法解决粪水无害化处理问题。此类设备北京、四川、广东、江苏等省市均有生产，且农业部农业机械工程设计院、北京农机鉴定站研制的产品最具代表性。 塔式发酵，该设备为引进日本处理技术，以处理干净的鸡、猪、羊、牛等粪便为主，通过接种快速发酵菌剂，将粪便引入多层发酵塔，充氧、自动翻动发酵，生产活性有机肥，含水量低于20%。该方法发酵时间短，仅5-6天，占地面积小。但该方法也无法解决粪水无害化处理问题。由于塔体为金属结构，使用寿命短。此方法处理量低、设备投资高，北京农技部门曾推广过，北京顺义良种场只使用了2年就废弃了，因此北京已不再使用此方法。 综上所述，目前应用较多的沼气发酵、固液分离、机械搅拌堆肥三种技术中，均存在着有机废水的无害化处理问题，以上方法并没有从根本上消除畜禽废弃物对环境的污染。 3 存在问题及解决的途径 3.1 存在的问题 3.1.1 调查显示，我国畜禽粪便的总体土地负荷警戒值已经达到0.49（正常值应小于0.4），已体现出一定的环境胁迫水平和比较严重的环境压力，因此，应杜绝粪便直接施撒的处理方式。 3.1.2 设备不配套，能耗高，技术不完善，再加之资金问题，使我国畜禽粪便无害与资源化以及商品化处置率不到5%，专家认为：造成畜禽粪便未能进行资源化处理的主要原因是缺乏实用的、具有一定回报率的畜禽粪便处理技术。 3.1.3 目前限制大中型畜禽养殖场沼气工程发展的主要问题有两个：一是基建投资高，一个万头猪场一次性基建投资在100万元左右，以存栏5000头，每头每天提供0.5TS计，每天产沼气近900m3，折合人民币约一千元，年收入约35万元，除去运行成本、贷款利息，靠沼气回收投资是多数养殖场承受不了的。另外，沼气出水浓度太高，以COD计通常超过1000mg/m3，达不到排放标准。若从生态学“整体、协调、循环、再生”的原则来应用沼气技术，上述问题可以解决。 3.2 解决的途径 农村废弃物处理问题就是规模化养殖场废弃物资源化处理问题，而养殖场废弃物资源化处理技术目前仍是困绕我国规模化养殖的难点，将养殖场、沼气工程与无公害农业作为一个整体，实现协调、循环和再生，是农村废弃物资源化处理的必由之路。 3.2.1 方法一：用作肥料 改进畜禽养殖场的清粪工艺，利用清粪机清出干粪后，排出污水，将粪便和污水分开处理。 3.2.1.1 粪便经深槽好氧发酵，制成有机肥。在发酵过程中可接种有效微生物，促进畜禽粪便的好氧发酵，高温无害化处理，制成生物有机肥。 3.2.1.2 采用畜禽养殖污水处理设备，将污水加工、净化，用于畜禽养殖场清洁环境的循环用水。 3.2.1.3此方案的优点： ①应用此方案处理畜禽粪便生产有机肥，与常规方法相比，粪便处理设备的投资少、占地面积小，粪便处理时间短、省工、省力，处理能力强，其产品肥效好，施用安全，且标准化。 ②设备使用寿命长，自动化程度高，可实现全智能操作； ③充分利用温室吸热保温的功效，可一年四季连续生产； ④可减少氮素损失、使有机肥中的微量元素增效； ⑤利用发酵生物热能杀灭各种病虫卵，彻底发酵产品达到无害化要求。 ⑥在堆肥化过程中还可加入不同种类磷肥、矿物与陶粒等材料，使之发生化学放热反应，促进堆肥温度快速上升，缩短堆肥周期，提高脱水效果，实现堆肥快速腐熟。 ⑦材料以木屑为吸附剂、化学法与微生物法综合除臭工艺，加入微生物除臭菌种与有机高分子除臭剂，强化除臭效果。 ⑧水的循环利用使养殖场用水量减少5%，冲棚水基本实现100%回收利用，达到污水“零排放”，降低了养殖成本。 3.2.1.4 经济可行性分析： 存栏量5000头的猪场可筹建一座年产量5000吨的有机肥厂。基建及设备投资为40万元（包括发酵车间20万元，全自动畜禽粪便深槽发酵推进搅拌设备15万元，装载机5万元），处理水设备投资45万元，年生产成本26.5万元，年纯利润120万元，投资回收期一年。 由于本项技术具有的投资省、粪便处理效率高，集无害化处理、干燥及商品有机肥生产、安全标准肥施用为一体，因此非常适合我市规模化养殖场粪便处理。随着食品安全行动计划的实施，绿色食品、无公害食品备受青睐，增施有机肥、减少化肥使用量，使有机肥有着广阔的市场前景。因此，本技术具有广阔的推广应用前景。 3.2.2 方法二：用作燃料 以厌氧消化为主要技术环节，以粪便的资源化综合利用为效益保障，集环保、能源、资源再利用为一体，实现生态农业的良性循环。 3.2.2.1 选择与无公害农业生产基地较近的规模化养殖场，建设沼气工程，形成养殖场、沼气工程、农业生产区整体性的生态区域，将沼气发酵的全部产物在农业生产的养殖业和种植业中加以利用，以沼气技术为结合点，实现种养连作的良性循环。 3.2.2.2 以市场经济推动农业产业化，使沼气综合利用向商品化方向发展。利用养殖废弃物生产高质量有机肥和“准生物农药”，以经济效益促沼气工程的推广应用。 沼气用于养殖场采暖、在塑料大棚蔬菜生产中供大棚加温保温、保鲜和储存农产品、储粮等；沼液可浸种、养鱼、叶面喷洒、水培蔬菜、果园滴灌、喂猪、喂鸡等；沼渣可用作肥料还田、制作营养钵、栽培蘑菇等。 3.2.2.3优化厌氧消化器设计，减少制备投资。采用结构简单、适用于高悬浮固体原料的升流式固体反应器，厌氧消化器（UASR）及曝气池均采用搪瓷钢板拼装制罐技术制成。 该技术已在北京、河南、山东、山西、湖南等地应用于猪场废水的处理。2002年捷克维特科维策公司通过中国农大在河北省固安县宝生牛场，利用国外搪瓷钢板拼装制罐技术设备建造了厌氧消化器总体积为2600m3牛粪综合利用工程。 3.2.2.4 此方案的优点： ①结构简单：原料从底部进入消化器内，不需要安置三相分离器，不需要污泥回流，也不需要搅拌装置。 ②未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物，靠被动沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部排出，可得到比HRT高得多的SRT和MRT。提高固体有机物的分解率和消化器的效率。 ③其施工期比建造同样规模的混凝土罐可缩短60%，罐体自重仅为混凝土罐的10%，比普通钢板焊接节省材料达50%以上，造价比混凝土和普通钢板焊接罐节省30~40%。具有施工周期短、造价低、质量高等优点，耐腐蚀、使用寿命可达20年以上。 ④消化后产生的沼气、沼渣、沼液得到了充分利用，经济效益显著。 3.2.2.4 经济可行性分析： 日处理量为15吨的消化器，可年产沼渣438吨，沼液4380吨，沼气26万立方米，若70%得到利用，可实现产值64.6万元，利润21万元。 4 建议 养殖业的发展和规模直接与市民的副食品供应息息相关。但是，大量畜禽废弃物如不经妥善处理而排放，将对环境产生严重污染。因此，我们建议： 4.1 加强环境调查、监测，逐步建立防治畜禽养殖业污染的环境法规及排放标准，加大监管力度。 4.2 根据天津的实际情况，按照现代化国际港口大都市的需要，努力建设与天津经济、社会地位相适应，具有高度产业化、集约化特性，融生产性、生态性、生活性于一体的现代化沿海都市型畜牧业。制定3~5年的农村废弃物控制管理规划，在保证适当畜禽产品自给率的前提下，以消除畜禽废弃物对环境的严重污染为目标，大力推行清洁生产，变废为宝，实现畜禽粪便减量化、无害化、资源化。 4.3 将农村废弃物资源化处理与农村城镇化发展总体规划相结合，制定政策，加大扶持力度，确保畜禽废弃物得到有效治理。 4.4 以财政、科委、农委等相关部门立项的方式，给予经费支持，成立调研组，对国内外农村废弃物资源化处理技术和设备进行调查研究，制定适用于我国特点的技术模式。 4.5 在充分调研的基础上，引进先进适用的技术和设备，选择投资省、处理效率高的技术方案，开发新型高效、低成本、集无害化处理为一体的设备和工艺，在规模化养殖场大力推广应用，趋利避害，变废为宝，在取得良好的社会效益的前提下，经济效益、生态效益统筹兼顾。 相俊红 天津市农机试验鉴定站，副站长、高级工程师 杨 宁 天津市农机试验鉴定站 ，助理工程师 刘 强 天津市农机试验鉴定站， 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文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/24/2005)