CN111072244A - 一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，包括牛床垫料和粪污，使用后的牛床垫料与收集的秸秆、其它有机物料、粪污固液分离的固体以及污水厌氧发酵后的沼渣一起混合进行高温好氧堆肥，再经后发酵处理后部分回用作牛床垫料，产生的玉米秆青贮后作为奶牛饲料，其它秸秆与牛床垫料混合进行高温好氧堆肥；收集的奶牛粪污依次经格栅、厌氧消化、NP回收和SBR处理后用于农田灌溉或达标排放，厌氧消化产生的沼液回用；经NP回收后的出水经SBR处理后达到农田灌溉水标准，用于农田灌溉或直接排放。该方法具有投资省、运行成本低、管理方便、出水水质好等特点，适合绝大多数规模化奶牛养殖场，具有较大的推广利用价值。
Description
技术领域
本发明属于环境保护与可再生资源开发利用领域，具体涉及一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，对奶制品的消费量逐年增加。2018年末，全国年产牛奶3074.56万吨。奶牛养殖在增加就业、提高农民收入和改善居民饮食质量方面发挥了重要作用，但大规模集中养殖产生的粪污如不及时得到合理处理处置，将污染周边的水土气环境，成为环境污染的重要来源。
2018年，全国奶牛存栏约4500万头。与其它畜禽相比，奶牛养殖量虽不是最大，但其粪污产生量却不得不关注。按照畜禽粪污产排量折算，1头奶牛相当于10头猪、2头肉牛、30只羊、300只蛋鸡和600只肉鸡的排污量。参照第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册计算出，2018年奶牛养殖产生牛粪5.20亿吨，牛尿液2.50亿吨，COD 9414.32万吨，TN 352.33万吨，TP 63.19万吨，铜5077吨，锌2.23万吨。可以看出，我国奶牛养殖每年产生的粪污量非常可观，如果处置不当，将对生态环境产生严重的污染。
国内的奶牛养殖粪污收集一般采取3种方式；一是水冲粪，二是干清粪后水冲洗圈舍，三是在牛床铺垫料，定期置换垫料并冲洗牛床的方式。其中，直接水冲粪方式因需水量较大已逐渐被淘汰，干清粪后水冲洗在一些规模化养殖场中使用较多，但存在清粪工作量大、污水产量仍较大等问题；奶牛养殖中在牛床铺垫料减少了牛粪清理频次，改善了牛舍内环境卫生状况，减少了用水量，但产生的牛床垫料需及时处理，产生的污水污染物浓度更高。
根据第一次全国污染源普查结果，农业面源已超过工业源成为我国环境污染的第一大污染源，而畜禽养殖污染又是农业面源污染的最主要来源。因此，近年来对畜禽养殖污染治理的关注度不断升温，相关的技术不断涌现，主要包括无害化处理后还田、达标排放和生态净化处理等3种方式。其中，达标排放因其一次性投资和运行成本均较高，仅在部分特大型和大型养殖场使用；生态净化处理适用于中小型且自身拥有少量土地的养殖场；粪污无害化处理后还田适用于周边有足够农田的养殖场。对于规模化奶牛场，一般远离居民区，且周边有大量农田，部分奶牛场有自有饲料基地，这为粪污农用提供了必要条件。但是，由于奶牛场的粪污产生强度大，加之农田用肥具有一定的季节性。因此采用单一的农牧结合方式需配备足够的农田，这使得大部分奶牛场并不具备。
鉴于规模化奶牛场粪污产生特点以及单一粪污处理方式适用面窄的问题，查询国内外大量文献资料，并在大量实验验证的基础上，提出了一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法。通过垫料将绝大部分粪便收集后经高温好氧堆肥及后处理后回用作为奶牛垫料；粪水经固液分离后进行厌氧消化回收碳，沼液经鸟粪石工艺回收氮磷，最后经SBR工艺处理后用于农田灌溉或达标排放，实现了粪水中主要物质（碳、氮和磷）的回收利用，降低了能耗。经过前期多个工程的应用，证明本申请的方法可同时解决粪便和污水的处理问题，适用于绝大多数规模化奶牛场。该方法具有适用性广，粪污处理一次性投资省、运行成本低、处理效果好、占地面积少等特点，具有广阔的应用前景。
发明内容：
本发明的目的是针对现有规模化奶牛场粪污处理方式单一、一次性投资和运行成本高、占地面积大、操作管理复杂等问题，发明一种可同时满足粪便和污水处理要求，且一次性投资省、运行成本低、操作管理方便的粪污综合处理方法。本处理系统由垫料处理系统和粪污处理系统两部分组成，处理对象包括场区内产生的牛床垫料、奶牛粪污、农业秸秆及其它有机物料，实现奶牛养殖废弃物“零排放”。本方法适用于奶牛场周边有一定面积农田或自有农田，但农田不足以消纳奶牛场产生的所有粪污的规模化奶牛场。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，包括牛床垫料和粪污的处理。所述奶牛粪污的处理方法为：奶牛场采用在牛床铺垫料的养殖方式，使用后的牛床垫料与牛场附近或牛场自有农田收集的秸秆以及其它有机物料（如食用菌菌渣、废弃园艺花卉基质等）混合进行高温好氧堆肥，高温堆肥后的物料经后发酵后部分回用作牛床垫料，部分作为有机肥出售或用于牛场自有农田，农田产生的农产品对外销售，产生的玉米秸青贮作为奶牛饲料用于奶牛养殖，部分农作物秸秆与使用后的牛床垫料混合进行高温好氧堆肥；所述奶牛场产生的粪污经格栅去除大颗粒杂物后经固液分离处理，固液分离产生固体和液体，液体经厌氧消化处理产生沼渣、沼液和沼气，沼气用于场内用热或发电，沼渣与固液分离产生的固体以及使用后的牛床垫料混合进行高温好氧堆肥处理，沼液部分作为液态肥直接用于农田，多余的部分依次经NP回收、SBR处理后，出水部分作为农田灌溉用水，部分达标排放。
在本发明中：所述奶牛场需采用在牛床铺垫料的养殖方式，使用后的牛床垫料中带有大量奶牛粪便和少量牛尿液，垫料的含水率、有机质和木质纤维含量均较高，垫料含水率在75%-85%，干物质中有机质含量在40%-70%，非常适合进行高温好氧堆肥处理。由于牛粪中木质纤维含量较高，经无害化和生物干化处理后可以再次作为牛床垫料，降低奶牛养殖成本。在进行高温好氧堆肥时，混合物料中牛床垫料的干物质比例不得超过50%。
在本发明中，所述粪污为奶牛排出的尿液、饮水滴漏、少量粪便以及冲洗水，粪污中COD、悬浮固体（SS）和氮磷浓度均较高，属于高浓度有机污水，COD为10000mg/L-15000mg/L，SS为10000mg/L-13000mg/L，TN为800mg/L-1200mg/L，TP为300mg/L-600mg/L
在本发明中，所述其它有机物料是指农村常见的食用菌菌渣、废弃园林花卉基质等植物源性有机物料，可以为单一或多种混合物，含水率一般不超过60%，有机物含量在40%以上。
在本发明中，所述高温好氧堆肥是指以牛床垫料、固液分离得到的固体和厌氧消化产生的沼渣为主要原料，辅助添加少量农业秸秆和其它有机物料进行高温好氧堆肥处理以达到杀灭垫料中病原微生物和蛔虫卵的目的，最终实现处理后的垫料再生利用。由于使用后的垫料中带有大量奶牛粪便和奶牛尿液，含水率和有机物含量均较高，C/N相对较低，采用添加含水率低、C/N高的食用菌菌渣、废弃园林花卉基质等植物源性有机物料调节含水率和C/N，将混合物料含水率调节至50%-65%，C/N调节至20-35，堆肥过程中堆温持续50℃以上的时间不低于7天，持续55℃以上的时间不低于3天，高温好氧堆肥周期一般为15天-30天，以确保高温堆肥对病原微生物的杀灭效果。堆肥工艺根据奶牛场资金、场地、人员管理等实际情况选择条垛式、槽式或仓式堆肥工艺。
在本发明中，所述后发酵是以高温堆肥后的物料为原料，在后发酵仓内进行1-2个月的后发酵处理，堆高为2-3米，两周翻堆1次，对堆体形状无特殊要求。堆放场地压实即可，可不硬化，但需避免阳光照射、避雨和避风。
在本发明中，所述固液分离是指将奶牛粪污中的大颗粒物和大部分悬浮固体从粪污中除去，颗粒中带有的氮磷等物质一并去除，降低后续处理负荷。采用的设备可以是带式压滤、板框压滤、螺旋挤压或卧式螺旋离心机中的一种，也可搭配使用斜板筛或振动筛进行预处理，提高固液分离效果。
在本发明中，所述厌氧消化装置的发酵原料是经过固液分离后的粪污，粪污中悬浮固体和COD浓度均大幅降低，可采用高效厌氧发酵装置，如UASB、IC、UBF、EGSB等。对于规模稍小的奶牛场沼气池可采用USR、CSTR、PFR或者采用多个户用沼气池串联的方式，以降低沼气池建设成本，具体需根据养殖场规模和实际情况决定。
在本发明中，所述NP回收是通过调节沼液的pH值和补充Mg2+、PO4 3-生成鸟粪石沉淀达到回收沼液中氮素和磷素的目的。鸟粪石的形成需要一定的酸碱条件和Mg2+、PO4 3-、NH4 +比以及辅助物质，该过程以沼液中的NH4 +浓度为基准，根据形成鸟粪石的最优条件补充Mg2 +、PO4 3-，并调节沼液的pH值，添加少量添加剂。根据大量实验研究，发现添加少量挥发性脂肪酸对提高氮磷去除率和鸟粪石纯度有较好效果。所述生成鸟粪石的最优条件为：反应体系中挥发性脂肪酸浓度为80mg/L-150mg/L，pH值为9.0-10.0，Mg2+：P：N=1：1：1，搅拌速度为250 rpm-300rpm，搅拌时间为30 min -60min。所述挥发性脂肪酸可以是甲酸、乙酸、丙酸和丁酸中的一种或多种。
在本发明中，所述SBR处理是指采用序批式活性污泥工艺处理沼液的方式，即采取批次进、排水的方式，特别适合中小型牲畜养殖场污水产排特点，该工艺不但出水水质好，而且能耗低。该阶段处理的沼液具有氮磷含量低，COD含量相对较高的特点，该阶段的主要目的是去除沼液中的COD，以达到农田灌溉水标准。对于大型奶牛场可采用常规活性污泥法，但投资和运行费用明显增加。SBR反应器为钢混或砖混结构，需做好防水措施，池底成斜对角设置两台气液混合射流曝气机，实现池内污水的曝气和搅拌。
在本发明中，所述规模化奶牛场为奶牛存栏量在500头以上，且采取在牛舍内奶牛活动区铺垫料的养殖方式，自有或周边有大量农田，但农田面积不足以消纳奶牛场所有粪污。
本发明的有益效果：
1、适应面广，适用于绝大多数规模化奶牛场，对养殖场的硬件条件要求相对较低，对土地面积的要求范围广。
2、实行分段分级处理，尽可能回收粪污中的有用资源（碳、氮和磷），实现粪污的高值处理，处理后的污水满足农田灌溉要求，具有一次性投资省，运行成本低，工艺简单，可操作性强，运行管理方便，运行过程中能耗低，且有少量经济效益等特点。
3、同时解决粪便和污水的处理问题，处理后的粪便随垫料一起再次用作奶牛垫料，处理后的污水用于农田灌溉；污水处理产生的沼气可用于发电或场内用能，回收的氮磷是优质的肥料，具有一定的经济效益。
4、该系统运行过程中不产生二次污染，同时可消纳周边农田的秸秆和其它有机物料，对外销售高质量农产品、少量有机肥和鸟粪石产品，既保护了环境，又产生一定的经济效益。
附图说明
图1是规模化奶牛场废弃物综合利用工艺流程图。
具体实施方式
参照说明书附图对本发明的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法作以下详细说明。本发明的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，包括牛床垫料1和粪污2的处理。奶牛场采用在牛床铺垫料的养殖方式，使用后的牛床垫料1与牛场附近或牛场自有农田14收集的秸秆18以及其它有机物料19（如食用菌菌渣、废弃园艺花卉基质等）混合进行高温好氧堆肥20，高温堆肥后的物料经后发酵21后部分回用作牛床垫料24，部分作为有机肥出售23或用于牛场自有农田14，农田14产生的农产品16对外销售，产生的玉米秸青贮作为奶牛饲料17，部分农作物秸秆15与使用后的牛床垫料1混合进行高温好氧堆肥20；奶牛场产生的粪污2经格栅去除大颗粒杂物后再经固液分离4处理，固液分离产生固体5和液体6，液体6经厌氧消化7处理产生沼渣8、沼液9和沼气25，沼气用于场内用热或发电，沼渣8与固体5以及使用后的牛床垫料1进行高温好氧堆肥20处理，沼液9部分作为液态肥直接用于农田14，多余的部分依次经NP回收10、SBR处理11后，出水12部分作为农田14灌溉用水，部分达标排放13。
所述第一步的高温好氧堆肥时，混合物料中牛床垫料的干物质比例不得超过50%。所述第一步中的其它有机物料包括食用菌菌渣、废弃园林花卉基质的一种或两种混合物，其中，含水率不超过60%，有机质含量在40%以上。所述第一步中的高温好氧堆肥的过程为：将混合物料含水率调节至50%-65%，C/N调节至20-35，堆肥过程中堆温持续50℃以上的时间不低于7天，持续55℃以上的时间不低于3天，高温好氧堆肥周期一般为15天-30天。
所述第二步中的后发酵是以高温堆肥后的物料为原料，在后发酵仓内进行1-2个月的后发酵处理，堆高2-3米，两周翻堆1次，对堆体形状无特殊要求。
所述第四步中的粪污为奶牛排出的尿液、饮水滴漏、少量粪便以及冲洗水，粪污中COD为10000mg/L-15000mg/L，SS为10000mg/L-13000mg/L，TN为800mg/L-1200mg/L，TP为300mg/L-600mg/L。所述第四步中固液分离采用的设备为带式压滤、板框压滤、螺旋挤压或卧式螺旋离心机中的一种，或搭配使用斜板筛或振动筛进行预处理。所述第四步中厌氧消化装置为升流式厌氧污泥床、上流式污泥床-过滤器、膨胀颗粒污泥床、内循环厌氧反应器的其中一种；对于规模稍小的奶牛场沼气池可采用升流式固体厌氧反应器、全混合厌氧反应器、推流式反应器或者采用多个户用沼气池串联的方式。所述第四步中的NP回收的方法为：调节沼液的pH值、添加挥发性脂肪酸，补充Mg2+、PO4 3-成鸟粪石沉淀达到回收沼液中氮素和磷素；所述生成鸟粪石的最优条件为：反应体系中挥发性脂肪酸浓度为80mg/L-150mg/L，pH值为9.0-10.0，Mg2+：P：N=1：1：1，搅拌速度为250 rpm -300rpm，搅拌时间为30 min -60min；所述挥发性脂肪酸为甲酸、乙酸、丙酸和丁酸中的一种或多种。所述第四步中SBR处理为采用序批式活性污泥工艺处理沼液的方式，即采取批次进、排水的方式，SBR处理采用的SBR反应器为钢混或砖混结构，反应器池底成斜对角设置两台气液混合射流曝气机。
本发明的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其具体流程参见附图1。该方法中涉及的高温好氧堆肥、后发酵、格珊、固液分离、厌氧消化和SBR处理等设施，除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
下面通过实施例对本发明的有益效果作进一步的阐述。
实施例1：
以一个存栏3000头奶牛的养殖场为例，年产牛粪约3.5万吨，年产污水约5.5万吨。该奶牛场采取在牛床铺垫料的养殖方式，大部分牛粪随垫料一起清出，污水产量较常规养殖要小。奶牛养殖每年产生废弃垫料约4.5万吨，消耗新鲜垫料约1.5万吨。奶牛场建设了2000m2的高温堆肥大棚、1000m2的后发酵仓、机械格珊、螺旋挤压固液分离机3台、CSTR沼气发酵罐5000m3（2个2500m3）、NP回收装置1套（总容积10m3）、SBR处理池50m3以及青贮饲料场10000m3。该奶牛场自有饲料地5000亩，可消纳部分牛场粪污。
本例中，牛床垫料每1个月左右更换一次，清理出的垫料经高温好氧堆肥和后发酵后，含水率和干物质质量大幅降低，部分回用作为牛床垫料，部分作为有机肥农用或出售给有机肥厂；牛场产生的粪污依次经格珊、固液分离、厌氧消化、NP回收和SBR处理后用于农田灌溉或达标排放。格珊为固定棒条筛；固液分离采用螺旋挤压分离机；厌氧发酵装置为CSTR反应器，发酵温度为25℃；发酵后的沼液部分作为液肥还田，部分进入NP回收装置，污水在NP回收装置内停留时间为50分钟，鸟粪石回收纯度70%-75%，总磷去除率达90%-92%，总氮去除率达65%-75%；经NP回收后的沼液进入SBR反应器去除沼液中的COD，沼液经进水、反应、沉淀和排水等4个阶段，出水水质稳定在COD为100mg/L～150mg/L，BOD5为20mg/L～60mg/L，pH值6.5～8.5，符合农田灌溉水标准（GB5084-2005）。
实施例2:
以一个存栏1000头奶牛的养殖场为例，年产牛粪约1.2万吨，年产污水约2.0万吨。采用干清粪工艺，养殖场建有1000m2干粪堆场，1座总容积2000m3的沼气发酵罐，沼液贮存池2000m3，沼液氮磷回收装置1套（10m3），SBR处理池（20m3）、螺旋挤压固液分离机1台以及自有农田1000亩。收集的干粪与奶牛场周边农田及自有农田收集的秸秆混合进行高温好氧堆肥处理，堆肥产品作为有机肥用于自有农田或对外销售；收集的粪污经粗格珊、固液分离、厌氧消化、氮磷回收和SBR处理后，出水达到农田灌溉水标准，用于农田灌溉。
本例中，牛粪经高温好氧堆肥处理40天后，大肠杆菌和蛔虫卵杀灭率均达到国家《有机肥料（NY525-2012）》标准，堆肥产品部分用于自有农田，多余部分销售给有机肥厂。收集的牛场粪污在各阶段的水质数据见表1，沼液部分在沼液贮存池内贮存90天后用于农田，其余沼液进入污水处理流程。粪污经粗格珊、固液分离、厌氧消化、氮磷回收和SBR等多阶段处理后，出水达到农田灌溉水标准，用于农田灌溉。
表1 各阶段进出水数据
| 水质指标 | 原水 | 固液分离 | 厌氧消化 | NP回收 | SBR处理 |
| CODcr | 10000-15000 | 7000-9000 | 1000-1500 | 800-1100 | 100-150 |
| NH<sub>3</sub>-N | 500-800 | 400-650 | 550-850 | 180-250 | 90-120 |
| SS | 10000-13000 | 2000-3000 | 400-600 | 250-400 | 60-80 |
| TN | 800-1200 | 650-1000 | 600-900 | 200-280 | 100-130 |
| TP | 300-600 | 200-450 | 50-150 | 5-15 | 1-3 |
Claims (10)
1.一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步，奶牛场采用在牛床铺垫料的养殖方式，使用后的牛床垫料与、牛场附近或牛场自有农田收集的秸秆以及其它有机物料混合进行高温好氧堆肥；
第二步，高温好氧堆肥后的物料经后发酵，一部分回用作牛床垫料，一部分作为有机肥出售或用于牛场自有农田；
第三步，农田产生的农产品对外销售，农田产生的玉米秸青贮作为奶牛饲料，农作物秸秆与使用后的牛床垫料混合进行第一步的高温好氧堆肥；
第四步，牛场产生的粪污经格栅去除大颗粒杂物后再经固液分离处理，固液分离产生固体和液体，液体经厌氧消化处理产生沼渣、沼液和沼气，沼气用于场内用热或发电，沼渣用于第一步的高温好氧堆肥，沼液一部分作为液态肥直接用于农田，多余部分沼液依次经NP回收10、SBR处理11后，处理后的沼液出水作为农田灌溉用水，沼液出水也可达标排放。
2.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第一步的高温好氧堆肥时，混合物料中牛床垫料的干物质比例不得超过50%。
3.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第一步中的其它有机物料包括食用菌菌渣、废弃园林花卉基质的一种或两种混合物，其中，含水率不超过60%，有机质含量在40%以上。
4.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第一步中的高温好氧堆肥的过程为：将混合物料含水率调节至50%-65%，C/N调节至20-35，堆肥过程中堆温持续50℃以上的时间不低于7天，持续55℃以上的时间不低于3天，高温好氧堆肥周期一般为15天-30天。
5.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第二步中的后发酵是以高温堆肥后的物料为原料，在后发酵仓内进行1-2个月的后发酵处理，堆高2-3米，两周翻堆1次，对堆体形状无特殊要求。
6.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第四步中的粪污为奶牛排出的尿液、饮水滴漏、少量粪便以及冲洗水，粪污中COD为10000mg/L-15000mg/L，SS为10000mg/L-13000mg/L，TN为800mg/L-1200mg/L，TP为300mg/L-600mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第四步中固液分离采用的设备为带式压滤、板框压滤、螺旋挤压或卧式螺旋离心机中的一种，或搭配使用斜板筛或振动筛进行预处理。
8.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第四步中厌氧消化装置为升流式厌氧污泥床、上流式污泥床-过滤器、膨胀颗粒污泥床、内循环厌氧反应器的其中一种。
9.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第四步中的NP回收的方法为：调节沼液的pH值、添加挥发性脂肪酸，补充Mg2+、PO4 3-成鸟粪石沉淀达到回收沼液中氮素和磷素；所述生成鸟粪石的最优条件为：反应体系中挥发性脂肪酸浓度为80mg/L-150mg/L，pH值为9.0-10.0，Mg2+：P：N=1：1：1，搅拌速度为250 rpm -300rpm，搅拌时间为30 min -60min；所述挥发性脂肪酸为甲酸、乙酸、丙酸和丁酸中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的一种规模化奶牛场废弃物综合利用方法，其特征在于：所述第四步中SBR处理为采用序批式活性污泥工艺处理沼液的方式，即采取批次进、排水的方式，SBR处理采用的SBR反应器为钢混或砖混结构，反应器池底成斜对角设置两台气液混合射流曝气机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200428 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |