一种应用于养猪场尿泡粪粪污碳氮减排方法

1.本发明涉及养殖场粪污处理技术和环境保护领域，特别是一种应用于养猪场尿泡粪粪污碳氮减排方法。


背景技术：

2.随着我国养殖业的快速发展，其带来的环境污染问题越来越严重。全国畜禽粪污排放量已超40亿t，但综合处理率仅在60％左右，给环境造成了严重的负担，畜牧业已成为国内第三大污染行业。生猪产业是畜牧业的重要组成部分，其带来的环境问题不容小觑，生猪粪污处理问题已成为制约规模化猪场乃至畜牧业可持续健康发展的主要因素，所以解决猪场粪污污染问题刻不容缓。
3.尿泡粪工艺是在猪舍的排粪沟中保持一定深度的水，粪尿冲洗和饲养管理用水一并通过漏缝地板流入粪沟中。粪便在粪沟内漫泡稀释成粪液，储存一定时间后再将沟中粪水排出，粪水顺粪沟流入粪便主干沟，进入贮粪池。该工艺一般包括饲舍-输送(粪沟)-暂存(调浆池)-厌氧发酵(厌氧池)-沼液储存的处理流程(曹玉博,邢晓旭,柏兆海等.农牧系统氨挥发减排技术研究进展[j].中国农业科学,2018,51(3):566-580.)。尿泡粪工艺的主要目的是定时、有效地清除畜舍内的粪便、尿液，减少粪污清理过程中的劳动力投入，减少冲洗用水，提高养殖场自动化管理水平。其优点是利用及时有效的清除粪尿，有效保持猪舍的清洁，但该工艺仅仅保持了猪舍中与畜种直接接触的漏粪板的清洁，而粪沟内由于粪尿较长时间浸泡反而导致养殖舍整体氨气和其他臭气物质增加排放。
[0004]
近年来，我国养猪生产无论在规模上还是现代化管理模式上都呈现持续稳定的提升和发展，养殖生产工艺和后续粪污处理一直是畜牧行业研究的重点环节，然而粪污的舍内收集、舍外运输、暂存、厌氧处理与贮存这个连接舍内养殖工艺和场区粪污处理的环节在大部分养殖场并没有得到应有的重视，以至于很多养殖场投入生产后在粪污收集处理整个链条上管理不畅，导致碳氮排放增加，并造成环境污染。
[0005]
中国专利cn110747126 a公开了一种产脲酶抑制剂的菌株筛选方法及减少粪便氨排放的方法，该专利初筛得到不产脲酶的菌株和产脲酶的菌株，再筛选得到产脲酶抑制剂的菌株，其筛选获得具有脲酶抑制的菌株，以降低畜禽粪便氨排放量，但该专利依靠单一的添加菌株减排，而养殖粪污的处理中单一菌株难以成为优势菌株持续发挥作用。中国专利cn110100961 a公开了一种畜禽养殖过程中氨气减排的复合添加剂，该添加剂一种可提高氮利用率、吸附内源氨气、抑制畜禽粪便中脲酶活性等有密切关系的复合氨基酸、复合酶制剂、复合活菌剂，以促进畜禽生长、提高饲料氮利用率、降低养殖过程中氨气的排放，该专利提供的复合添加剂实际为具有吸附作用的物质，本身有吸附饱和度，达到饱和后必须更换复合添加剂，且该复合菌剂成本较高，难以在养殖业市场中推广应用。
[0006]
中国专利cn110038397 a公开了一种畜禽养殖舍氨减排装置，包括滤墙组合设备和水管，滤墙组合设备包括框架、气体分布板和湿帘，气体分布板和湿帘安装在框架内；气体分布板上具有气体分布孔，气体分布孔包括气孔、挡板和连接柱；在湿帘的正上方设置有
喷淋管，喷淋管上开设有多个喷淋孔；水管有两个分支，分别与喷淋管以及雾化管相连；雾化管设置在气体分布板和湿帘之间。该装置利用雾化的酸化液通过逆流方式增加接触面积，仅仅是将氨气分散开，并未从源头上减少氨气排放；同时其依赖硫酸、盐酸或柠檬酸等化学药剂，不仅增加养殖成本，且这些化学药剂本身对环境造成污染。
[0007]
以上专利仅针对养殖场粪污管理的单个环节开展单项技术的创新，并未对各个环节减排技术进行系统设计，同时形成成本低、适宜养殖场推广应用的成套技术措施。


技术实现要素：

[0008]
针对上述问题，本发明提供一种应用于养猪场尿泡粪粪污碳氮减排方法，针对采用尿泡粪工艺的养猪场在“饲舍-输送-暂存-处理-贮存”各环节粪污的碳氮减排进行调控组合的成套解决方法，实现以废治废、形成可持续减排能力且成本低，宜于推广应用。
[0009]
具体而言，本发明是通过如下技术方案实现的：
[0010]
首先，本技术提供了一种应用于养猪场尿泡粪粪污碳氮减排方法，包括主动减排和被动减排；其中主动减排技术涉及“饲舍-输送-暂存-处理-贮存”每个环节，包括粪污酸化、覆盖、甲烷抑制、c/n调节以及清粪参数和进料负荷等工程参数调节；被动减排技术涉及“饲舍-暂存-处理-贮存”四个环节，包含排气口化学法除氨和应急火炬除甲烷。
[0011]
1)饲舍环节
[0012]
1.1)饲舍环节的主动减排方法包括添加甲烷抑制剂、c/n调节、ph调节、产酸微生物强化和清粪量控制；其中，添加甲烷抑制剂是指在养殖舍粪坑中添加具有甲烷抑制作用的制剂，所述甲烷抑制剂包括三氯甲烷、3-硝基氧基丙醇(3-nop)等常规甲烷抑制剂，其添加量为常规剂量(使用中可参照产品说明书)；
[0013]
所述c/n调节是指添加可溶性碳源物质提高养殖舍尿泡粪暂存过程中的可溶性c/n比大于30，从而减少氨气产生和排放；可溶性碳源物质如餐厨废弃物、果蔬废弃物、水草等；
[0014]
所述ph调节是指添加酸性试剂调节粪污ph值至5以下，所述酸性试剂包括化学试剂或易腐废弃物酸化液，所述化学试剂包括柠檬酸、盐酸、硫酸等，所述易腐废弃物酸化液包括餐厨废弃物、果蔬废弃物或水草等原料经酸化预处理后的液体(采用酸化液调节方式可起到调节c/n和ph的双重作用)；所述“易腐废弃物酸化液”为本领域常规酸性试剂，如文献“何曼妮.不同温度对餐厨垃圾酸化及其产物甲烷化的影响研究[d].北京化工大学硕士学位论文,2013.”所公开；酸性环境条件下氨多以nh
4+
形式存在，从而减少氨气排放；
[0015]
所述产酸微生物强化是指添加常规产酸微生物，如乳酸菌等，微生物利用粪污自身可溶性碳源繁殖，提供可持续酸化能力；
[0016]
所述清粪量控制是指每次在排出养殖舍粪坑中粪污时，余留10％-20％(体积)的粪污作为产酸微生物种源，后续养殖过程中无需再添加产酸微生物菌种。根据猪舍粪坑储粪能力和猪场管理方式不同，目前常规排污间隔包括：a)几天至1周排1次；b)1.5-2个月排1次；c)该批次猪全部出栏后排放三种方式，本技术清粪量控制不改变养殖场现有排污间隔；
[0017]
1.2)饲舍环节的被动减排方法是指利用排气口化学法除氨，所述化学法除氨是指采用酸剂吸收现有饲舍环节各排气口已产生并排放的氨气，所述酸剂包括但不限于柠檬酸、盐酸等；养殖舍排气口的设置为常规技术，如文献“刘娟,柏兆海,曹玉博,张楠楠,赵占
轻,马林.家畜圈舍粪尿表层酸化对氨气排放的影响[j].中国生态农业学报(中英文),2019,27(5):677-685”所公开的设置。
[0018]
2)输送环节
[0019]
所述输送环节的主动减排方法是指由养殖舍粪坑向调浆池输送粪污时，采用暗沟密闭运输或管道运输方式。
[0020]
3)暂存环节
[0021]
3.1)暂存环节的主动减排方法是指，在粪污由养殖舍粪坑输送至调浆池进行暂存时，密封调浆池，同时加入酸性调节剂调节池内粪污的ph值至5以下，与饲舍环节的调节方式相同；
[0022]
上述密封可以采用机械密封盖或膜覆盖方式，即在粪污暂存池顶部安装不透水的帐篷式屋顶或盖子，对于安装有中心搅拌的圆形调浆池优选采用机械密封盖方式，而对于大面积暂存池则优选采用膜覆盖方式，所述膜覆盖是指用塑料薄膜、黑膜等覆盖材料。
[0023]
暂存环节一般使用调浆池，面积通常较小，约50-200m3/个，适合用机械密封；而存储环节使用的沼液贮存池通常面积较大，一般10000-40000m3/个，适宜使用膜覆盖方式；
[0024]
3.2)暂存环节的被动减排方法是指应急火炬技术，即利用沼气燃烧火炬，将多余的沼气及时燃烧掉，避免甲烷这一高碳排放气体排入空气中。沼气组分主要是ch4和co2，燃烧主要是将ch4燃烧转化为co2和h2o，ch4排放到环境中引发的温室效应是co2的二十多倍。该应急火炬为本领域常规技术，如文献“一种用于沼气燃烧的火炬装置[p].实用新型专利,2010.”所公开的技术。
[0025]
4)处理环节
[0026]
4.1)所述处理环节的主动减排方法是指对调浆池内的粪污以常规方式进行常规厌氧发酵，同时进行调节原料c/n比以及进料负荷调节；
[0027]
其中原料c/n调节与饲舍环节相同；无论后续发酵采用前端好氧或兼性好氧，还是厌氧发酵，都是微生物作用的结果，而微生物利用有机物实现自身繁殖，进行生长代谢所需的最适c/n为20-30:1；而厌氧环节又涉及到三个阶段，水解阶段(主要水解微生物将大分子有机物水解为小分子有机物)、酸化阶段(即酸化微生物将小分子有机物进一步酸化为小分子有机酸，如c2-c5的挥发性有机酸)和产甲烷阶段(甲烷菌利用挥发性有机酸转化为甲烷和二氧化碳)，因此，即调节物料c/n比大于30，水解阶段和酸化阶段的速度大于产甲烷阶段，容易导致逐步酸化，进而减少氨排放；
[0028]
进料负荷调节是指加大厌氧发酵罐/池的进料负荷，通常比常规进料增加5％-10％，增加有机负荷，促进有机物产酸阶段，可降低发酵系统ph值，进而减少氨气产生(文献“郭建斌,董仁杰，程辉彩,等.温度与有机负荷对猪粪厌氧发酵过程的影响[j].农业工程学报,2011,27(12):217-222.)。“常规进料”的进料量可根据厌氧发酵罐/池的参数设定，为本领域常规设置，如文献“杨红男,邓良伟.不同温度和有机负荷下猪场粪污沼气发酵产气性能[j].中国沼气,2016,34(3):36-43”所公开。
[0029]
上述“厌氧发酵”技术为本领域常规技术，如文献“郝元元.猪粪厌氧发酵工艺条件对产气特性及沼液营养成分的影响[j].沈阳农业大学硕士学位论文,2016.”所公开的厌氧发酵装置和方法。
[0030]
4.2)所述处理环节的被动减排方法是指应急火炬技术，即利用沼气燃烧火炬，将
多余的沼气及时燃烧掉，避免甲烷这一高碳排放气体排入空气中。沼气组分主要是ch4和co2，燃烧主要是将ch4燃烧转化为co2和h2o，ch4排放到环境中引发的温室效应是co2的二十多倍。该应急火炬为本领域常规技术，如文献“一种用于沼气燃烧的火炬装置[p].实用新型专利,2010.”所公开的技术。
[0031]
5)贮存环节
[0032]
5.1)所述贮存环节主动减排方法主要指通过膜覆盖，对沼液存储池进行封闭；
[0033]
5.2)贮存环节的被动减排方法指应急火炬技术，同处理环节。
[0034]
本发明的技术总体性能指标与同类技术比较的优势在于：
[0035]
本技术针对目前养猪场尿泡粪粪污处理的各个环节，提出系统的碳氮减排方法，进行统一管理，采用“以废治废”理念实现多元废弃物协同处理，将传统的减排理论方法转换为与养猪场实际工况相适应的实用方法，便于在“非洲猪瘟”疫情下非猪场工作人员无法进入猪场内的实施，并且以养殖场内全链条粪污减排管理方式提供系统解决方法。
附图说明
[0036]
图1为实施例养猪场粪污碳氮原位减排流程示意图。
具体实施方式
[0037]
实施例以江苏宿迁淮安市某万头养猪场为例，在其现有尿泡粪粪污处理工艺(“养猪舍内-输送-暂存-处理-贮存”)基础上，综合管理其粪污碳氮减排，进行系统的碳氮原位减排试验。
[0038]
以下实施例中使用的乳酸菌为肠膜明串珠乳脂亚种，购自广东省微生物菌种保藏中心(保藏中心编号：atcc 19254)，在具体实施中，也可以使用其他市售乳酸菌。
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
[0040]
实施例1
[0041]
本实施例涉及的系统碳氮原位减排方法流程如图1所示。
[0042]
具体来说，本实施例针对现有猪舍养殖、粪污处理的“饲舍-输送-暂存-处理-贮存”环节，进行主动减排和被动减排两种处理，其中主动减排技术涉及“饲舍-输送-暂存-处理-贮存”每个环节，被动减排技术涉及“饲舍-暂存-处理-贮存”四个环节。
[0043]
1、饲舍环节减排方法采用如下组合处理技术：
[0044]
1)添加甲烷抑制剂
[0045]
定期在养殖舍粪坑中添加氯仿(三氯甲烷)，以抑制粪污中甲烷菌利用有机酸组分生成甲烷，有助于粪污体系更快达到酸抑制，本实施例中氯仿添加量为粪污产生量的0.005-0.01％，即每产生100吨粪污需向粪坑中加入氯仿5-10kg。
[0046]
以实施例中一栋存栏500头育肥猪的猪舍为例，采用在粪坑中安装沿坑道长度方向上的分布式沿程加液管道，实现定期自动化定量添加，参考畜禽规模养殖场粪污资源化利用设施建设规范(试行)、《畜禽养殖业污染物排放标准》(gb18596-2001)折算每头育肥猪每天排粪1kg、尿2.2kg、用水进入粪污量6kg计算，该栋猪舍每天产生粪污水总量为4.6吨，折合约22天投放1次甲烷抑制剂(氯仿)，添加量为8kg。
[0047]
2)c/n调节
[0048]
本实施例通过将生活区的餐厨废弃物、果蔬废弃物和周边水草等易腐废弃物先经过粉碎脱水一体机处理后，将汁液泵入塑料桶中暂存，并通过管道分别输送至各养殖舍粪坑中，可定期或不定期添加，最终根据后续对粪污ph值自动监测结果而定，确保c/n比值大于30。
[0049]
c/n调节目的是通过增加有机碳的供给，促进微生物作用下酸化过程，降低系统ph值，进而减少氨气产生及排放。
[0050]
3)ph调节及产酸微生物强化
[0051]
猪舍新一批饲养开始时，首先向粪坑中添加约5公分厚的质量分数为3％的市售柠檬酸液(具体实施中添加浓度3％-5％柠檬酸液均可)，ph值通常在2左右；后续通过投加易腐废弃物酸化液进行调节，维持粪污ph小于5的酸性环境即可。
[0052]
本实施例中使用的易腐废弃物酸化液将按照常规技术，将生活区的餐厨废弃物、果蔬废弃物和周边水草等易腐废弃物先经过粉碎脱水一体机处理后，加入乳酸菌(接种量为物料质量的3％)采用常规方法发酵形成的酸化液，其主要成分是乳酸，ph值通常在4左右。
[0053]
同时，乳酸菌与易腐废弃物酸化液并输送至养猪舍内粪坑中，促进乳酸菌利用酸化液及粪污自身的可溶性碳源实现快速繁殖，提供可持续酸化能力。
[0054]
4)清粪量控制
[0055]
根据试验养殖舍粪坑储粪能力和猪场管理方式，每次排出养殖舍粪坑中粪污时，余留10％-20％(质量)的粪污，直到该批生猪出栏需要防疫消毒时才全部排出粪污
[0056]
5)被动减排
[0057]
采用舍排气口化学法除氨，即在饲舍负压通风管道系统尾端和暂存调浆池机械密封盖的排气孔处，通过与化学喷淋吸收装置相连接，实现粪污减排作业，本实施例使用市售设备，购自河北博森环保设备有限公司的废弃物喷淋塔(pp材质)，实现化学除氮。
[0058]
排气口化学法除氨即为指采用酸剂吸收现有饲舍环节各排气口已产生并排放的氨气，本实施例中使用的酸剂为柠檬酸；养殖舍排气口的设置为常规技术，如文献“刘娟,柏兆海,曹玉博,张楠楠,赵占轻,马林.家畜圈舍粪尿表层酸化对氨气排放的影响[j].中国生态农业学报(中英文),2019,27(5):677-685”所公开的设置。
[0059]
2、输送环节
[0060]
实施例由养殖舍粪坑向调浆池输送粪污时维持现有暗沟密闭运输方式。
[0061]
3、暂存环节
[0062]
1)安装机械密封盖密封调浆池
[0063]
本实施例用于暂存粪污的调浆池为中心有搅拌轴的圆形池，因此在调浆池距离上沿20cm处安装一个平面密封盖，封盖中心与搅拌轴连接处设置一个轴承，并在密封盖上安装2-3个φ50mm的排气孔，以达到粪污输送过程中密封体系泄压目的。在具体实施中，也可以使用覆膜的方式，实现暂存环节密封的目的。
[0064]
2)加入易腐废弃物酸化液调节调浆池内粪污的ph值至5以下，调解方式与饲舍环节的调节方式相同；
[0065]
3)被动减排
[0066]
采用排气口化学法除氨，设备同饲舍环节。
[0067]
4、处理环节
[0068]
处理环节以常规方法进行常规厌氧发酵，同时进行调节原料c/n以及进料负荷：
[0069]
1)c/n调节方法与饲舍环节相同，即通过添加易腐废弃物确保原料c/n比值大于30；
[0070]
2)进料负荷调节是指指加大厌氧发酵罐/池的进料负荷至常规的10％，通过调节厌氧发酵体系中水解产酸速率略高于产甲烷速率，促进系统ph值低位运行，从源头上实现原位减少氨气产生和排放目的，具体实施中比常规进料增加5％-10％即可实现发明之目的。
[0071]
本实施例中，猪场粪污在发酵罐/池的固物滞留时间(srt)25天，常规每天进料为发酵罐有效容积的1/25，加大厌氧发酵罐/池的进料负荷之后，进料量增加10％，即进料量增加到有效容积的1/22.5。
[0072]
上述“厌氧发酵”技术为本领域常规技术，如文献“郝元元.猪粪厌氧发酵工艺条件对产气特性及沼液营养成分的影响[j].沈阳农业大学硕士学位论文,2016.”所公开的厌氧发酵装置和方法。
[0073]
3)被动减排
[0074]
采用沼气燃烧火炬技术，设备购自济宁市力扬环保节能设备制造有限公司，型号：hjnr-100。
[0075]
5、贮存环节
[0076]
1)贮存环节采用密封沼液贮存池的方式，本实施例为膜覆盖。
[0077]
氨减排效果检测：
[0078]
对以上多个管理环节的运行物资消耗情况碳氮原位减排效果进行跟踪监测(以1栋存栏500头育肥猪为例)，监测要点如下：
[0079]
(1)饲舍环节：每饲养1个批次育肥猪约消耗120kg三氯甲烷药品，同时处理餐厨垃圾约0.4吨，果蔬废弃物或水草约30吨，采用便携式氨气监测仪(型号：td1198)对处理前后猪舍氨排放情况监测发现，平均氨浓度由处理前的(4.22
±
0.31)mg
·
m-3
(夏季)、(5.48
±
0.26)mg
·
m-3
(秋季)分别降低至处理后的平均氨浓度(2.83
±
0.22)mg
·
m-3
、(3.13
±
0.18)mg
·
m-3
，氨减排率为32.94％-42.88％；采用大气采样器在猪舍内采集气体分析甲烷含量，监测发现平均甲烷含量由处理前的8.20％降低至处理后的2.34％，甲烷减排率达71.46％；
[0080]
(2)输送环节：由于与传统处理技术相同，不做监测；
[0081]
(3)暂存环节：为了便于监测处理前后的碳氮减排效果，同样采用加装机械密封盖形式，暂存时间结束后，监测暂存池内氨气浓度以及被动减排技术的化学吸收喷淋塔尾气，监测结果显示，氨气浓度由处理前的(2.53
±
0.14)mg
·
m-3
降低至(0.73
±
0.08)mg
·
m-3
，而经过化学吸收喷淋后的尾气中氨气浓度仅0.07mg
·
m-3
，因此通过组合预处理减排措施后实际的减排效果是97.23％。此处酸化液继续利用饲舍环节的果蔬废弃物或水草水解酸化所产生的，故本环节不再计算废弃物处理量。
[0082]
(4)处理环节：如果饲舍环节已采用了c/n调节措施，那此处无需再次调节，反之则需要调节。由于处理环节是密闭的厌氧池为对象，通过监测处理前后沼气中氨气浓度可知，平均氨浓度由处理前的(18200
±
1260)mg
·
m-3
降低至(4800
±
160)mg
·
m-3
，氨减排率达73.63％；
[0083]
(5)贮存环节：由于增加膜覆盖措施后，沼液中所产氨气基本储存于膜内，基本无排放，故氨减排率达100％。
[0084]
实施例氨气减排前后各环节氨气浓度如下表1所示：
[0085]
表1养猪场粪污管理各环节氨减排技术实施前后氨气浓度对比
[0086][0087]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。