CN113683255A - 一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，包括如下步骤：步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；步骤二、将废水收集池内的废水泵入调酸池内，调节pH值至5.0‑6.0，之后加入甲烷抑制剂混合均匀后泵入废水贮存池内进行贮存；步骤三、取高含水生物质废物经水解酸化后，生成固体残余物和水解酸化液，将固体残余物制作成生物炭；步骤四、当废水贮存池内废水pH值高于6.5时向池内加入水解酸化液和生物炭，混匀后继续贮存；步骤五、将步骤四贮存后的废水经稀释后进行还田施用。本发明具有保氮效果好，可同时处理固、液态废物，环境友好，且提高了贮存后废水的肥料价值，符合低碳环保和资源循环利用的要求。

Description

一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法

技术领域

本发明涉及生态环境保护和资源循环利用技术领域，尤其涉及一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法。

背景技术

畜禽养殖业在为居民提供肉蛋奶产品的同时，也产生了大量的畜禽粪污。据估计，中国每年产生畜禽养殖粪污总量达38亿吨，其中，养殖废水年产量约20亿吨。与粪便相比，废水量大、分散、难处理，更容易导致面源污染，养殖废水已成为农业面源污染的重要来源之一。《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》(HJ497～2009)指出，畜禽养殖废水是指由畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水的总称。对于采取干清粪的畜禽养殖场，养殖废水主要包括养殖场产生的尿液、少量粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活、生产过程中产生的废水，主要来自牲畜养殖。

将畜禽养殖废水直接贮存后还田一般用于中小型畜禽养殖场(户)养殖废水的处理，具有一次性投资省，运行管理方便、成本低等特点，受到养殖场主的欢迎。近年来，随着畜禽粪污处理问题日趋严峻，农业农村部将养殖废水直接贮存还田作为畜禽粪污处理的主推技术，受到地方农业主管部门和养殖场主的普遍欢迎。然而，在畜禽养殖废水贮存过程中，存在有机氮矿化作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用等过程，造成贮存后废水氮素大量损失，降低了废水还田效果，影响农民接受度，不利于废水还田工作的开展。

大量文献查阅发现，目前对养殖废水达标处理(脱氮除磷)方面的研究很多，相关的论文专利也很多，但针对养殖废水贮存方面的专利未查到，相关的论文也很少。丁京涛等(2020)研究发现，猪场废水直接贮存6个月后，铵态氮损失率达68％以上；张鹏月等(2020)研究了添加硫酸和明矾将奶牛废水pH值调节至6.0后贮存，添加酸化剂可降低6.3％～11.1％的总氮损失；专利(CN201910239399.1)通过氧化剂和纳米级过滤器对畜禽养殖粪水进行氧化后过滤的方法，降低粪水中污染物浓度；专利(CN201911221502.6)公开了一种利用瓜菜秸秆酸化奶牛粪污水的方法，通过添加瓜菜秸秆压滤液的水解酸化液至奶牛场废水中，将奶牛废水pH值调节至5.0～6.5后进行奶牛废水贮存，氨挥发减少95％以上，氮素含量提高40％以上，直接还田施用后，相比较未酸化的奶牛粪污水，肥效提高了60％以上，该专利虽然具有较好的减少奶牛废水贮存过程中氮素损失的效果，但瓜菜秸秆受地域和季节影响，而奶牛废水每天产生，故该技术具有较大的局限性。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，目的是避免畜禽养殖废水在农田利用前贮存过程中氮素大量损失以及农村大量高含水生物质废物的处理问题，且处理成本低，操作简单方便，处理效果好。

基于上述目的，本发明提供了一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，包括如下步骤：

步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；

步骤二、将废水收集池内的废水泵入调酸池内，调节pH值至5.0-6.0，之后加入甲烷抑制剂混合均匀后泵入废水贮存池内进行贮存；

步骤三、取高含水生物质废物经水解酸化后，生成固体残余物和水解酸化液，将固体残余物制作成生物炭；

步骤四、当废水贮存池内废水的pH值高于6.5时，向池内加入水解酸化液和生物炭，混匀后继续贮存，并定期启动池内循环泵进行废水循环；

步骤五、将步骤四贮存后的废水经稀释后进行还田施用。

所述废水收集是养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网进行收集，废水收集池为方形或圆柱形，池壁最高处高出地表20cm，池体为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。

所述步骤二中采用酸化剂进行调节pH值，酸化剂为磷酸、过磷酸钙中的一种或其混合物。

所述甲烷抑制剂为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌中的一种或多种。

所述废水贮存池由砖砌、钢混结构、搪瓷钢板或土工膜材料建成。

所述废水贮存池为地下池，池体深度不超过6m，池内做防渗和防腐处理，池壁最高处高于地表20cm以上，池底部呈坡度设置，坡度角在5°-10°，污水泵安放在池底最低处，池体内设有对池内废水循环回流的循环泵，且贮存池的进水口直径不小于30cm，废水贮存池的顶部设有观察口。

所述高含水生物质包括含水率超过70％的厨余垃圾、白菜、南瓜藤、红薯藤、花生秧、卷心菜等中的一种或多种。

所述高含水生物质水解酸化可采用申请号202010976370.4中的方法，水解产酸可以为好氧条件也可为厌氧条件，根据实际情况决定，以厌氧条件更佳。

所述高含水生物质水解酸化后的酸化液在废水贮存池内废水pH值高于6.5时随生物炭一并加入混匀，其添加量按体积比为废水的5％-10％，生物炭添加量为废水质量的1％-3％，混合均匀后继续贮存，贮存过程中开启贮存池内循环泵，每周开启5-10min。

所述步骤三中生物炭由高含水生物质经水解酸化后的固体残余物制作而成，生物炭制作条件为：将收集的高含水生物质经水解酸化后的固体残余物，用自来水洗净后60℃烘干，粉碎过20目筛后，按照1g固体残余物加入50mL 1moLNaOH溶液浸泡10h；用去离子水清洗至出水pH值稳定后60℃烘干，置于管式炉内密封，保持氮气流速为120mL/min、升温速度为10℃/min条件下升温至400℃，并在400℃保温2h，取出冷却，研磨过100目筛后使用。

所述畜禽养殖废水包括猪、牛、羊、马、鸡、鸭、鹅等养殖过程中产生的废水，干物质浓度低于10％，贮存前需去除废水中塑料袋、砖块等杂物。对于奶牛、鸡场等含有较多沙的废水，在贮存前还需对废水做沉沙处理，去除废水中的沙。

所述废水贮存池的贮存期在南方地区不低于4个月，在北方地区不少于6个月；贮存后的废水在还田前，先兑水后施用，废水与水的比例为1：2-1：3，废水用量小于常规氮肥用量的50％，且分多次施用。

本发明的有益效果：

1、本发明工艺简单，可操作性强，系统运行成本和能耗低，环境友好，污水贮存过程中几乎没有臭味。

2、养殖废水贮存后保氮效果好，经贮存6个月后，氨氮损失率较常规贮存减少95％以上，总氮损失率控制在10％以内，甲烷等温室气体产量减少70％以上。

3、通过本方法，同时解决了农村地区养殖废水和高含水生物质的处理问题，养殖废水贮存后，不仅实现氮素的有效保存，废水无害化效果显著提高，大肠杆菌、蛔虫卵等达到沼肥质量标准。

4、将贮存后的废水用于水稻和小麦种植，可替代50％的化肥，稻麦产量可提高25％以上，农田氮磷利用率提高近40％。

5、本发明在我国畜禽养殖大县、以农牧结合为主的中小型畜禽养殖场以及基于粪污农田处理的畜禽粪污集中处理中心等场所具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1所示，本发明涉及一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，包括如下步骤：

步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池1；

步骤二、将废水收集池1内的废水泵入调酸池2内，调节pH值至5.0-6.0，之后加入甲烷抑制剂7混合均匀后泵入废水贮存池3内进行贮存；

步骤三、取一定量高含水生物质4废物经水解酸化后，生成固体残余物(固体8)和水解酸化液(液体9)，将固体残余物制作成生物炭10；

步骤四、当废水贮存池内废水的pH值高于6.5时，向池内加入水解酸化液(液体9)和生物炭10，混匀后继续贮存，并定期启动池内循环泵进行废水循环；

步骤五、将步骤四贮存后的废水经稀释后进行还田施用。

其中，废水收集是养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网进行收集，雨污分流系统优选采用申请号2020221547902中的雨污分流装置形成的分流系统，也可采用现有技术中其他雨污分流系统实现。废水收集池为方形或圆柱形，池壁最高处高出地表20cm，池体为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。

作为一种可选的实施方式，步骤二中采用酸化剂进行调节pH值，酸化剂为磷酸、过磷酸钙中的一种或其混合物。

甲烷抑制剂在酸化池内添加，用于抑制废水贮存过程中产甲烷，减少温室气体产生，甲烷抑制剂为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌中的一种或多种。

畜禽养殖废水贮存池为酸化处理后畜禽养殖废水贮存的场所，废水贮存池由砖砌、钢混结构、搪瓷钢板或土工膜材料建成。废水贮存池为密封池，需做密封处理，一般为地下池，顶部建有大棚，避免太阳直射和雨水进入，池壁最高处高于地表20cm以上，池内做防渗和防腐处理；贮存池形状无特殊要求，池体深度不超过6m；贮存池底部呈一定坡度，坡度角在5°～10°，将污水泵安放在池底最低处；废水池进水口直径不小于30cm，便于中途补充酸性物料；在贮存池顶部设置观察口，用于观察池内结壳情况；池内按装循环泵，定期对池内废水进行循环回流，避免表面结壳和底部硬化。

作为一种可选的实施方式，步骤四当废水贮存池内废水的pH值高于6.5时，向池内加入水解酸化液和生物炭，混匀后继续贮存，并定期启动池内循环泵进行废水循环。

在本发明中，收集高含水生物质的水解酸化可采用申请号202010976370.4中的方法，获得固体残余物和水解酸化液，固体残余物经加工制成生物炭，与水解酸化液一并加入到污水贮存池内。

在本发明中，生物炭的制作方法为：生物炭由高含水生物质经水解酸化后的固体残余物制作而成，生物炭制作条件为：将收集的高含水生物质经水解酸化后的固体残余物，用自来水洗净后60℃烘干，粉碎过20目筛后，按照1g固体残余物加入50mL 1moLNaOH溶液浸泡10h；用去离子水清洗至出水pH值稳定后60℃烘干，置于管式炉内密封，保持氮气流速为120mL/min、升温速度为10℃/min条件下升温至400℃，维持该温度2h，取出冷却，研磨过100目筛后使用。

在本发明中：贮存后的废水已达到稳定化和无害化要求，经稀释后还田。废水贮存池的贮存期在我国南方地区不低于4个月，在北方地区不少于6个月；贮存后的废水在还田前，需兑水后施用，兑水比例为1：2～1：3，废水用量(折算成纯氮)应小于常规氮肥用量的50％，且单次用量不宜过大，需分多次施用。

本方法简单实用，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作进一步的阐述。

实施例1

取猪场固液分离后的废水为对象，以总容积5L的玻璃瓶作为废水贮存容器，分别用浓度20％的硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、甲酸和乙酸将废水pH值调节至5.0后，混合均匀后于室温下贮存。在瓶口用滤纸遮盖，避免杂物进入。3个月后，再次用酸将厌氧罐内废水pH值调节至6.0后直至6个月。取出贮存后的废水用于测定铵态氮、硝态氮、总氮、总磷、大肠杆菌、蛔虫卵和种子发芽率。

本例中，在贮存3个月后，添加甲酸、乙酸和硝酸的废水pH值均快速增加至7.0左右，而添加硫酸、盐酸和磷素的废水pH值在6.0左右；在贮存6个月后，添加甲酸、乙酸和硝酸的废水总氮损失率均在70％以上，添加硫酸和盐酸的废水总氮损失率在40％左右，而添加磷酸的废水总氮损失率仅为30％左右，且添加磷酸的处理大幅提高了废水总总磷和水溶性磷含量，对提高废水的供肥能力效果明显；贮存6个月后，各处理大肠杆菌和蛔虫卵数量均低于沼肥质量要求，添加甲酸、乙酸、磷酸和硝酸的废水种子发芽率均在85％以上，添加硫酸和盐酸的废水种子发芽率在75％左右。考虑到硫酸和盐酸属于强酸，且为国家管控类药品，在生产中大规模使用需有严格的规定，且这两种酸酸性和腐蚀性较强，对设备的要求较高。因此，综合考虑减少氮素损失、贮存后废水农田利用肥料潜力以及无害化效果，选用磷酸作为酸化剂效果更好。

实施例2

取猪场固液分离后的废水为对象，以总容积5L的有机玻璃罐作为污水贮存容器，用20％的磷酸将废水pH值调节至5.0后，加入20mg/L氯仿混合均匀，密封后于室温下贮存，同时设置不密封和整个过程不调酸不做任何干预的对照处理。未密封的处理在瓶口用滤纸遮盖，避免杂物进入。密封的处理每日测定产气量及产气中甲烷体积分数。在废水贮存2个月后，在10L有机玻璃罐内装入白菜和西兰花秸秆混合物，加入少量厌氧发酵液混匀后密封，进行水解产酸实验，20天后将所有液体排出，固体残余物清洗后制作成生物炭，将制作的生物炭与收集的水解酸化液加至磷酸调节且密封的废水贮存容器内，生物炭添加量为废水质量的2％，水解酸化液添加量为废水体积的8％，混合均匀后继续贮存至6个月，贮存过程中每7天人工摇晃废水贮存容器5min。贮存后的废水用于进行小麦盆栽实验。废水用量按折算成纯氮算替代50％的化肥氮，经兑水后分4次施入，分别在播种前一次性施入40％，2月底、3月中下旬和4月上旬分别一次性施入废水20％，废水兑水比设1:0、1:1、1:2、1:3、1:4，观察小麦长势，小麦收获后对小麦产量，秸秆和麦穗中氮磷含量进行分析。

本例中，在贮存近3个月后，不做任何处理的废水pH值在7.6左右，磷酸调节后密封贮存的废水pH值在5.5左右，磷酸调节后敞口贮存的废水pH值在6.0左右；贮存6个月后，磷酸调节密封贮存的废水pH值在5.7左右，磷酸调节不密封的废水pH值在6.3左右，而不做任何处理的对照pH值接近8.0；添加20mg/L氯仿的废水在密封贮存过程中，除前两天有少量产气后，之后均不产气，添加氯仿对抑制废水贮存过程中产气有较好的效果；贮存6个月后，磷酸处理密封贮存、磷酸处理密封+生物炭+水解酸化液贮存、磷酸处理敞口贮存和不做任何处理的对照总氮损失率分别为5％、2％、32％和68％；将贮存后的废水用于种植小麦，对促进小麦生产，增加产量和氮磷吸收均有较好的效果，小麦产量最高出现在磷酸处理密封+生物炭+水解酸化液贮存的处理，小麦产量较常规施肥显著提高25％以上，稻穗和秸秆中氮磷含量较常规施肥均有一定程度地增加，且当兑水比为1:2～1:3时对促进小麦生长，提高小麦产量和籽粒中氮磷含量均有更好的效果。此外，施用磷酸处理密封+生物炭+水解酸化液贮存的废水，农田氮磷利用率较不添加生物炭+水解酸化液的处理提高40％以上，小麦产量提高20％以上。因此，建议以磷酸调节废水pH值至5.0后加入20mg/L氯仿，混匀后于室温下密封贮存，并在贮存近3个月时加入由高含水生物质制作的水解酸化液和生物炭，贮存后的废水按照兑水比1:2～1:3后还田，可替代50％的化肥氮。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将废水经收集后汇入废水收集池；

步骤二、将废水收集池内的废水泵入调酸池内，调节pH值至5.0-6.0，之后加入甲烷抑制剂混合均匀后泵入废水贮存池内进行贮存；

步骤三、取高含水生物质废物经水解酸化后，生成固体残余物和水解酸化液，将固体残余物制作成生物炭；

步骤四、当废水贮存池内废水的pH值高于6.5时，向废水贮存池内加入水解酸化液和生物炭，混匀后继续贮存，并定期启动池内循环泵进行废水循环；

步骤五、将步骤四贮存后的废水经稀释后进行还田施用。

2.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述废水的收集是养殖场已建有完备的雨污分流系统的基础上，通过废水收集管网进行收集，废水收集池为方形或圆柱形，池壁最高处高出地表20cm，池体为砖砌或钢混结构，池内部做防渗处理，顶部有遮雨棚。

3.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述步骤二中采用酸化剂进行调节pH值，酸化剂为磷酸、过磷酸钙中的一种或其混合物。

4.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述甲烷抑制剂为替硝唑、氯仿、焦油、乙炔、蒽醌中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述废水贮存池为地下池，池体深度不超过6m，池内做防渗和防腐处理，池壁最高处高于地表20cm以上，池底部呈坡度设置，坡度角在5°-10°，污水泵安放在池底最低处，池体内设有对池内废水循环回流的循环泵，且废水贮存池的进水口直径不小于30cm，废水贮存池的顶部设有观察口。

6.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述高含水生物质包括含水率超过70％的厨余垃圾、白菜、南瓜藤、红薯藤、花生秧、卷心菜中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述高含水生物质水解酸化后的酸化液的添加量按体积比为废水的5％-10％，生物炭添加量为废水质量的1％-3％，酸化液、生物炭在废水贮存池内混合均匀后继续贮存，贮存过程中开启废水贮存池内循环泵，每周开启5-10min。

8.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述步骤三中生物炭由高含水生物质经水解酸化后的固体残余物制作而成，生物炭制作条件为：将收集的高含水生物质经水解酸化后的固体残余物，用自来水洗净后60℃烘干，粉碎过20目筛后，按照1g固体残余物加入50mL 1moLNaOH溶液浸泡10h；用去离子水清洗至出水pH值稳定后60℃烘干，置于管式炉内密封，保持氮气流速为120mL/min、升温速度为10℃/min条件下升温至400℃，并在400℃保温2h，取出冷却，研磨过100目筛后使用。

9.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述畜禽养殖废水包括猪、牛、羊、马、鸡、鸭、鹅养殖过程中产生的废水，干物质浓度低于10％，贮存前去除废水中杂物；对于含沙的废水，在贮存前对废水做沉沙处理，去除废水中的沙。

10.根据权利要求1所述以农田利用为基础的畜禽养殖废水贮存方法，其特征在于，所述废水贮存池的贮存期在南方地区不低于4个月，在北方地区不少于6个月；贮存后的废水在还田前，先兑水后施用，废水与水的比例为1：2-1：3，废水用量小于常规氮肥用量的50％，且分多次施用。

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