畜禽粪便固液分离技术特点及效率评估

第32卷增刊2 农业工程学报 V ol.32 Supp.2218 2016年10月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct. 2016 畜禽粪便固液分离技术特点及效率评估江滔1,2，温志国1，马旭光1，杨娟1，陈茂霞1，Frank Schuchardt3，李国学2※（1. 乐山师范学院化学学院，乐山 614004；2. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193；3. 德国联邦农业科学院农业技术与生态系统工程研究所，布伦瑞克 38116）摘要：该文对常用畜禽粪便固液分离技术进行分析，评估出各分离技术的优缺点、适用对象、分离效果和性价比，为企业选择粪便固液分离设备提供参考。

研究结果表明：重力分离技术成本最低，分离粒径小于1 mm的有机物效果最好，但分离后固相含水率过高（>90%），一般作为其他技术的预处理。

筛分技术对于分离大粒径的有机颗粒物最有效，投资相对小，运行费用低；但对氮磷等营养元素分离效率较低，分离后的固相的含水率偏高，分离产物可用于固态发酵。

压滤技术提高了磷元素的分离效率和固相含水率，但运营成本也增加，分离产物可用于有机肥生产。

沉淀离心技术对去除细小颗粒最为有效，并能够去除氮磷元素，但运营成本太高，在中国推广难度大。

絮凝剂能和大多数的分离技术结合使用从而提高分离效率。

所有固液分离技术都不能分离畜禽粪便中的挥发性脂肪酸，因此也不能有效去除液相中的生化需氧量和臭味。

多种分离技术的联合使用，在提高营养物质的分离效率的同时，降低固相的含水率将是未来技术发展的主要方向。

关键词：粪；氮；固液分离；总固含物；磷doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z2.030中图分类号：S141.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-Supp.2-0218-09江滔，温志国，马旭光，杨娟，陈茂霞，Frank Schuchardt，李国学. 畜禽粪便固液分离技术特点及效率评估[J]. 农业工程学报，2016，32(增刊2)：218－225. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z2.030 Jiang Tao, Wen Zhiguo, Ma Xuguang, Yang Juan, Chen Maoxia, Frank Schuchardt, Li Guoxue.Characteristics and efficiency evaluation of livestock slurry separation technologies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.2): 218－225. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.z2.030 0 引 言近年来随着中国养殖产业的专业化、规模化发展，畜禽粪便的产量也迅速增加。

2010年全国污染源普查结果显示，我国畜禽养殖业粪便年产生量达2.43亿t，尿液年产生量达 1.63亿t；畜禽养殖业年排放化学需氧量（COD）1268.9万t，排放氮102.5万t，分别为全国排放总量的41.9%和21.7%[1]。

畜禽养殖业废弃物已经成为影响我国环境质量的重要因素。

同时，由于养殖企业大多集中在人口密集、经济发达区域，使得这些区域的营养负荷远远超出当地土地的承受能力，造成大量氮、磷元素的流失，并带来恶臭、水体富营养化等一系列的环境问题[2-5]。

对畜禽粪便进行再利用，并将营养物质转移到营养相对缺乏的农业生产区域是解决这一问题的良好途径[6-9]。

但目前集约化养殖场采取的清洗模式决定了畜禽收稿日期：2016-07-21 修订日期：2016-08-25基金项目：“十二五”国家科技支撑计划“西南地区种养业废弃物循环利用技术集成与示范”（2012BAD14B18）; “十三五”国家科技支撑计划“农业废弃物好氧发酵过程中碳氮转化损失规律与氨挥发调控技术研究”（2016YFD0800601）；乐山市重点科技计划项目“乐山市农业固体废弃物可开发资源量的评估及其综合化利用模式研究”（15NZD106）作者简介：江滔，男，副教授，博士生，研究方向：固体废弃物资源化。

乐山乐山师范学院化学学院，614004。

Email: composting@※通信作者：李国学，男，教授，博士生导师，研究方向：固体废弃物资源化。

北京中国农业大学资源与环境学院，100193。

Email: ligx@ 粪便的含水率高，平均营养物质含量低，给再利用造成巨大困难。

因此，对畜禽粪便进行固液分离，提高其的利用效率，是实现畜禽粪便资源化利用的重要途径，是种植业与养殖业循环发展的关键技术环节[10-11]。

本文结合畜禽粪便的特性，对各项固液分离技术的性能、使用方法、适用范围、副产物性质以及能耗、运行成本等等各项指标进行全面分析。

总结出各种固液分离技术能达到的效果，明确这一系列技术的真实作用，为循环农业过程中选择合适的分离设备提供必要参考。

1 分离技术介绍畜禽粪便的固体物质可以被分为两种形态，溶解态和悬浮态。

在此基础上悬浮物质又可以按粒径大小被分为胶体（<0.02 mm）、细颗粒（0.02~1 mm）、粗颗粒（1~5 mm）以及纤维材料（>5 mm）等不同类型[12]，这些不同类型的悬浮物质适用于不同类型的固液分离设备。

畜禽粪便固液分离的方法有很多种，包括：筛分、过滤、离心、水力旋流、气浮、生物系统、膜技术、沉淀蒸发系统等；其中超滤、反渗透技术工艺复杂、成本高，很难在现实中利用[12-13]。

而絮凝沉淀、筛分、过滤和离心技术，方法简单、运行成本相对低廉，在国内外得到了较好的应用[12,14-15]。

本文选取使用范围最为广泛的重力沉降技术、筛分技术（固定筛、振动筛、旋转筛）、压滤技术（条带压滤、螺旋挤压）以及沉淀离心技术作增刊2 江滔等：畜禽粪便固液分离技术特点及效率评估219为研究对象，对这些技术进行全面分析。

1.1 重力分离技术沉淀分离是指利用畜禽粪便中固相和液相物质之间的密度差，通过重力作用实现固液分离的方法。

沉淀分离技术由于技术简单、运行费用低廉，在早期被大量使用。

后由于占地面积大、处理产物含水率高、臭气等原因逐渐被筛分、过滤以及离心等技术所替代。

但由于其良好的经济实用性，和较高的固液分离效果，仍被作为固液分离的前处理或者浓缩步骤被广泛使用。

目前使用较为广泛的有流动型沉淀池和沉淀蒸发系统。

沉淀蒸发系统由于需要占用大量的土地[16]，在国内几乎不可能推广，因此文章主要讨论流动型沉淀池。

流动型沉淀池类似于污水处理中的初沉池，一般设计为狭长型（长宽比大于10），深度不超过1 m，并且底部有0.5%左右坡度，并设有自动排水系统（见图1）。

连续型沉淀池，要求入流流速非常低，通常应当小于 0.005 m/s[17-18]。

当畜禽粪便被注入沉淀池后，在固相重力作用下开始上浮或者沉淀，液相物质通过排水系统流出。

Kruger等[19]的研究结果表明，在不添加任何絮凝剂的条件下能够去除55%的总固含物（total solid，TS），70%的挥发性固体（volatile solid，VS），20%的总氮（total nitrogen，TN）和40%的总磷（total phosphate，TP）。

而如果向其中加入石灰，去除率则分别可以达到TS 65%-70%，VS 80%，TN 30%- 35%，TP 70~90%。

图1 流动型沉淀池示意图[16]Fig.1 Schematic diagram of trafficable setting basin流动型沉淀池所得到固相的TS含量一般只有5%~10%左右，处于泥浆状态，可直接进行沼气发酵，但做其他用途，还需要进一步的脱水。

所以该技术往往作为其他分离技术的预处理方法。

流动型沉淀池的处理费用非常低，据Watts等[16]的研究表明，其固定投资仅仅是固定筛的30%左右。

但流动型沉淀池由于体积较小需要每3~5天清理一次，因此运行过程中人工成本相对较高。

1.2 筛分技术1.2.1 固定筛固定筛，又叫固定倾斜筛，是最为普及的一种筛分技术，在中国有着广泛的应用[20]。

固定筛的分离原理如图2a所示，将畜禽粪便输送至固定筛的顶部，而后在重力作用下粪便沿筛面下行，在此过程中大颗粒被截留在筛面上，而液相和细颗粒部分则穿过筛孔。

固定筛分离效率同筛孔大小密切相关，Shutt等[21]在实验条件下，利用2块宽0.46 m、长0.76 m，孔径分别为1.0 mm和1.5 mm的筛网在多种条件下进行试验，实验结果表明孔径1.5 mm筛网的总固体去除率只有1.0 mm 筛网的10%~30%。

该试验的结果还表明，入流速率对筛分效率的影响也很大，对于1.0 mm筛网，当入流速率从123 L/min提高到183 L/min和313 L/min后，总固体去除率从35.2%分别下降到25.8%和11.3%，BOD的去除率也呈相似的情况有所下降。

固定筛的TS去除率大多在10%~35%之间（表1）。

固定筛对氨氮等营养元素的去除率很低，其原因是营养物质多以溶解态、胶体或者细颗粒的形态存在于畜禽粪便之中，而筛分技术不能有效的将这些物质截留，造成营养物质的流失。

筛分技术只能截留存在于大颗粒之中的有机氮和有机磷[12]。

在使用絮凝剂的条件下，营养物质的去除率可以大幅提高。

有研究表明在添加120 mg/kg 聚丙烯酰胺（PAM）的条件下可以去除40%的凯氏氮和34%的溶解态磷[16]。

固定筛分离后固相部分的含水率偏高，TS含量只有5%~12%，呈泥态，再利用时十分不方便。

同时，由于营养物质的流失率太高，所以也不适宜作为其他固液分离技术的前处理步骤。

固定筛作为推广范围最广的固液分离设备，最主要的优势在于其固定投资少，运行费用低。

同时耗电量非常低，仅为0.33~0.74 kW∙h/m3。

1.2.2 滚筒筛滚筒筛又称转桶筛，有2种基本类型，其一为转鼓式：利用围堰将畜禽粪便输送到转鼓上，液相和粒径小于孔径的部分穿过筛孔被收集，而粒径大于孔径的固相则留在鼓筛面上，并随着转鼓旋转到另一侧被刮下收集，水流方向和鼓筛中心轴垂直（图2c）。

其二是反切式：将畜禽粪便从转鼓的一侧输入转鼓的内部，液相和细颗粒穿过鼓筛；而大颗粒留在鼓筛内，并在转鼓的旋转力作用下运行到转鼓的另一侧，并被收集，水流方向和鼓筛中心轴平行。