规模化奶牛养殖中粪污资源合理化利用的深入分析

作者: 马建成

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随着现代农业的快速发展,规模化奶牛养殖已经成为提高生产效率和经济效益的重要方式,但此种养殖模式同时伴随着大量粪污的产生,其处理与利用已经成为农业可持续发展中亟待解决的关键问题。传统上,奶牛粪便多以直接排放或简单堆积的形式进行处理,不仅造成了严重的环境污染,还浪费了大量有机资源。因此,探索有效、经济、可持续的粪污资源化利用技术对于促进生态平衡、保护环境质量具有重要意义。在我国推行绿色低碳发展战略背景下,奶牛养殖场粪污资源化利用技术应运而生,并迅速发展。该技术涵盖了从初步收集处理到深度资源化利用等一系列环节,利用科学方法将奶牛粪便转换为能源、肥料和其他有价值物质,不仅可以减少对环境的压力,还可以实现农业生产循环经济模式。因此,探讨如何高效地将规模化奶牛养殖场的粪污转化为资源尤为迫切和必要。本文旨在深入分析现有粪污资源化利用技术,并探讨其优势与具体方法,以期实现规模化奶牛养殖的粪污资源化利用。

一、规模化奶牛养殖场粪污资源利用的价值

1、环境价值

规模化奶牛养殖场产生的粪污数量极多,若得到合理处理与资源化利用,其环境价值极为巨大。奶牛粪便中富含有机物、氮、磷等营养成分,在自然条件下直接排放会导致水体富营养化、土壤退化等环境问题,如果采用现代化处理技术如厌氧消化、堆肥化等,不仅能够将这些有害物质转化为对环境友好的形态,还能够有效控制恶臭气体的产生,减少对周边环境和居民生活的负面影响。而且粪污资源化利用有助于生态平衡,将粪污转化为高质量的有机肥料使用于农田,能够改善土壤结构,增加土壤有机质含量,促进微生物多样性,可恢复和保持生态系统的稳定性。同时,资源化利用也是一种循环农业的实践,有助于构建可持续的农业生态系统,减少化学肥料的依赖,降低农业生产过程的碳排放。

2、经济价值

从经济角度分析,奶牛养殖场的粪污资源化不仅能减少环境治理成本,还能创造额外的经济收益。利用资源化技术将粪污转化为生物能源(如沼气)、有机肥料等产品,养殖场可以实现粪污的零排放,减少了因环境污染产生的治理成本,而且生物能源的生产还可以为养殖场提供部分能源需求,降低能源成本。同时粪污转化产生的有机肥料在市场中需求量大且价格相对较高,与化学肥料相比,有机肥料因其环保和可持续的特性更受农户的青睐,农户所生产的农业产品也会因使用有机肥料价格更贵。所以,从该角度分析养殖场可以通过销售有机肥料获取收入,不仅为养殖场带来了直接的经济收益,同时也推动了农业生产方式向更加绿色可持续的方向转变。

3、社会价值

资源化利用技术的推广应用有助于提高公众对于循环经济和可持续农业的认知。随着环境问题日益受到重视,公众对于生态友好型产品和生产方式的需求日增,而粪污资源化技术是实践循环经济理念的典型案例,有助于提升社会对于可持续发展理念的接受度。从农业经济发展的角度分析,粪污资源化利用还能促进就业和促进农村经济发展。

二、规模化奶牛养殖场粪污资源的利用策略

1、生产生物气体

生物气体指的是沼气,主要成分为甲烷。首先可直接利用机械化设备收集粪便,如自动刮粪机或者吸粪车,从牛舍中迅速收集粪污,或在养殖区域挖设自动化排水沟渠,增加地面坡度,在重力作用下自动将粪污收集到排水沟渠中,再汇集至粪污处理区域,集中利用吸粪车进行收集,以此最大限度减少人工劳动强度,保持收集过程的连续性和高效性。

收集后粪便随即输送至预处理区域。在预处理阶段,应先筛选去除大块杂质,如石块和塑料碎片,以防止后续处理过程中对相关设备造成机械损伤。再进行调水步骤,将粪便与水按2∶1至4∶1的比例进行混合,以达到厌氧消化所需的适宜稠度和流动性,并将其加热或自然温度调节将混合物温度调整至适宜范围内,为微生物活动创造有利条件。

厌氧消化阶段是生物气体产生的核心阶段。此阶段首先基于奶牛养殖场每天产生粪便的量来决定消化器的容积,应预留20%至30%以上的空间,以应对可能出现的处理高峰期或者未来规模扩张的需要。例如,如果日均粪便产量为10吨,则消化器设计容积则需设计为在12至15吨之间。消化设备应采用密闭式设计,避免氧气进入并保证生成气体不外泄,此类罐体一般由钢材、混凝土或特殊塑料制成,并且要有良好的耐腐蚀性能。并结合养殖场内部空间结构,设计原料输入系统和沼液、沼渣排放系统,确保物料可以顺利进出,同时避免大颗粒物质堵塞管道。运行阶段,厌氧消化前期应将温度控制在35℃至38℃,再将温度提升至55℃至60℃,可采用加热元件或换热器来维持所需温度。例如,在前期消化中,若发现反应缓慢,则可适当升高温度至38℃左右;反之若发现微生物活动过旺导致有害副产物增多,则可适当降低温度至35℃左右。

厌氧消化过程的理想pH值范围在6.8到7.2之间,此方面可以通过添加碱性物质如碳酸钠或者酸性物质如硫酸来进行调整。消化过程中可实时监测pH值,并根据实际情况进行微调。比如,如果pH值低于6.5,则适量添加碱性物质提高pH值;相反,如果超过7.5,则需添加酸性物质。为提高厌氧消化过程的效率,应合理控制厌氧消化过程的有机负荷率(OLR),即向消化器内投加有机物质的速率,具体可以以kgVS(挥发性固体)/m3·d计算,具体OLR取决于具体操作条件和目标产品类型,对于粪污产生甲烷而言,可将该参数范围控制在1-5 kg VS/m3·d内。太高则会导致微生物处理不过来而引起“酸败”,太低则会造成资源浪费。同时为避免厌氧消化过程中,设备内部出现沉积与结块现象,可进行搅拌,使内部粪污均匀分布,具体可以使用机械搅拌或者水力搅拌等方式,并且要确保搅拌强度和频率足够但又不能破坏微生物群落结构。考虑到厌氧整体过程需密封,所以搅拌方面可预先在设备内部安装相关设备,定期进行搅拌。最后,为提升厌氧效率,可使用传感器监控关键参数如温度、pH值、甲烷含量等,并通过自动控制系统进行实时调整。一旦发现异常情况,比如甲烷产量突然下降或者罐内压力异常上升,则要立即检查可能原因并采取相应措施,避免出现不良后果。

每立方米经过预处理后含水稀释粪便可以产出约200到400立方米甲烷(具体数值取决于原料组成及处理条件,波动较大)。对于未及时使用的沼气,则需使用高压罐体进行存储,以在需求增加时迅速供应沼气,上述流程不仅实现了奶牛养殖场粪污资源的最大化利用,还为农场带来了额外的经济利益,并减少了环境污染。

2、制备有机肥料

规模化奶牛养殖场中,粪便和尿液是主要的废物来源,其富含有机物、氮、磷、钾等植物生长所需的营养元素,而制备有机肥料就是将这些废物转换为对作物生长有益的物质的过程。首先,收集过程中,将牛粪和尿液以及养殖场内其他有机废弃物如稻草、饲料残渣等混合,应实现有机肥料的营养平衡。考虑到混合物中碳氮比对于后续的发酵过程极为重要,可将碳氮比约为25∶1至30∶1。如果碳氮比过低,可以添加稻草或锯末等富含碳的物质来调整,如果碳氮比过高,则需添加富含氮的物质,如尿液,进行调整。

混合物经过初步调整后,进行厌氧发酵处理,具体流程与生物气体发酵较为相似,区别为发酵时间较长,且后续资源利用类别不同。可直接将调整好的混合物放入厌氧发酵罐中,发酵罐需保持无氧状态,可通过封闭发酵罐并排除罐内空气实现。发酵过程中,温度控制在35℃至55℃之间。较高的温度有利于加速有机物分解过程,但也可能导致有益微生物的活性降低,同时保持适宜的湿度,将湿度控制在60%至70%为宜,过高或过低的湿度都会影响微生物的活性和发酵效率。在厌氧发酵过程中,发酵罐内会产生大量的甲烷等气体,此类气体需要通过安装在发酵罐上的气体收集系统收集,以避免环境污染并可以作为能源回收利用。和生物沼气发酵的区别为发酵过程产生的液体需要定期排放,以避免液体中积累的有害物质影响发酵效率,排放的液体经过适当处理后,可以作为灌溉水使用或进一步处理用于制备液体有机肥。此发酵过程通常持续20至30天,发酵完成后的有机物需要经过后熟处理。后熟是指在发酵完成后,将有机肥料置于通风良好的环境中,继续进行曝气堆肥化处理,以降低有机物中残余的有害物质含量,提高肥料的稳定性和安全性。后熟过程中,应定期翻堆以保证堆体内部和表面的微生物均能获得足够的氧气,促进有机物的进一步分解和成熟。后熟过程一般需要1至3个月,具体时间应根据堆体的温度、湿度以及有机物的分解程度来确定,但不应少于2个月,以最大限度减低内部有害物质含量。

成熟后的有机肥料中含有丰富的有机质和营养元素,但在实际使用前还需进行筛选和包装,去除较大的未完全分解的物质和杂质,保证肥料的质量,最后再根据市场需求,将有机肥料包装成不同规格的产品,以便于储存和运输,实现有机肥料方面的资源化利用。

3、粪污水处理再利用

规模化奶牛养殖场的粪污中,液体含量较高,所以可直接将粪便和尿液等废水进行处理过程转化为可用于农田灌溉或作为工业用水资源。粪污水处理主要包括初步处理、生物处理、固液分离、进一步的净化和消毒等步骤。具体而言,粪污水从养殖场收集后,进行初步处理,使用格栅或筛网过滤大颗粒固体如饲料残渣、毛发等,以防这些物质堵塞后续处理设备,再使用沉淀池去除水中的沉积物和浮动物,此过程需要根据水流量和池体设计调整停留时间,通常为几小时到1天不等。

生物处理阶段,可采用厌氧消化和好氧消化。厌氧消化是在无氧条件下,利用微生物分解有机物质,转化为甲烷和二氧化碳的过程(生物气体发酵过程),此过程不仅能减少废水中的有机物质,还能产生可作为能源利用的生物气体。好氧消化则是在有氧条件下,利用微生物氧化有机物质,此过程需要充分的氧气供应和适宜的温度控制。好氧处理系统包括活性污泥系统、生物滤池或旋转生物接触器等,依托此类系统可以有效降低废水中的生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD),使水质得到改善。以好氧处理系统中的活性污泥系统为例,可将预处理后的废水引入初沉池,沉降更细小的悬浮固体,减少进入生物处理单元的固体量,进一步提高后续处理的效率。将清理过的废水被引入曝气池,此阶段对废水进行充分曝气,以提供足够的溶解氧,支持好氧微生物的生长和活动。微生物利用废水中的有机物作为食物源,将其转化为二氧化碳、水和生物质(活性污泥),同时添加额外的微生物种群和营养物质(如磷和氮)以促进微生物的增长和活动。为提高曝气效果,可将活性污泥处理系统的温度控制为20℃至30℃、pH值控制在6.5至8.5,溶解氧水平保持在2至4 mg/L以上。最后,将曝气后的混合液引入二沉池,利用活性污泥进行沉降。沉降的污泥一部分回流到曝气池中以维持所需的微生物浓度,其余则作为剩余污泥排出系统进行进一步处理或处置。

好氧处理后,将粪污资源进行固液分离,可采用滤带压榨或机械筛网等技术,将处理过的水从固体物质中分离出来,以减少水中的悬浮固体含量,为进一步的水质净化打下基础。后续净化可使用活性炭过滤、反渗透或其他膜处理技术,以有效去除水中的微生物、余留的有机物及某些溶解性物质,提高水质至可再利用的标准,具体流量、压力和处理时间需根据具体的技术要求和水质标准进行调整。最后消毒处理可通过紫外线、臭氧或氯化处理杀死或去除水中的细菌和病毒,确保水质安全无害。紫外线消毒不添加任何化学物质,对环境友好,但需要确保水质较为清澈(避免光线折射)以保证消毒效果,氯化处理则是添加一定量的氯气或氯化物,通过化学反应杀灭微生物,其处理效果受水中有机物含量和pH值的影响。

4、构建虫肥共生系统

虫肥共生系统可将养殖废弃物转化为有机肥和蛋白质饲料,该系统主要利用特定昆虫(如黑水虻)的生命周期实现废物的生物转化。此系统的构建与生成生物气体或制备有机肥料不同,收集工作需要每日进行,以确保废物的新鲜度。预处理则利用机械筛选去除大块杂物和初步的水分调节,以达到昆虫生长所需的湿度条件,即70%至80%之间。经过预处理的废物转移到特定的虫肥培养容器中,此容器需设计为易于通风、保湿且能够维持一定的温度,以适应黑水虻等昆虫的生长需要。温度可控制在25℃至30℃之间,容器内部可使用遮光网、保温材料等方式调节内部环境。以黑水虻幼虫为例,将其引入到这些容器中,开始消化和转化废物。黑水虻幼虫具有将有机废物高效转化为蛋白质的能力,其生命周期大约为2至4周,此期间需要密切监控容器内的环境条件,确保幼虫能够健康成长。随着幼虫的成长,其会将废物转化为富含氮、磷和钾的虫肥,在幼虫成熟后,可采用机械筛选或自动化分拣设备将其从容器中分离,幼虫可用作家禽或水产养殖的高蛋白饲料。剩余的虫肥需要进一步处理以稳定化和成熟,可控制堆肥的温度和翻堆频率来促进微生物活动,从而进一步分解有机物,堆肥过程通常持续2个月到3个月不等,成熟的虫肥可用于农田土壤改良,增加土壤肥力。

综上所述,本文从规模化奶牛养殖场的角度出发,分析了其粪污资源的价值,以及相应的资源利用技术方法。实践中,可将粪污资源进行生物气体生产,制备有机肥料,对于粪污资源中的液体,可进行处理后用于灌溉,对于其中的固体废物,还可构建虫肥共生系统,如利用红蚯蚓等生物将粪便转化为高质量的蚯蚓粪肥,最大限度利用粪污资源。随着社会对环境保护意识的加强及可再生能源需求日益增长,未来规模化奶牛养殖场可积极采纳新技术、新理念,探索粪污资源的其余利用方法,以实现资源利用最大化,以促进养殖业可持续发展。

(作者单位:751100 宁夏回族自治区吴忠市利通区畜牧兽医技术服务中心)

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