張 嫚，翟中葳，張克強(qiáng)，劉福元，楊 鵬，劉鶴瑩

1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150036

2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191

3 新疆農(nóng)墾科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，新疆石河子 832000

0 引言

隨著人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)健康需求的不斷增加，乳制品產(chǎn)業(yè)受到消費(fèi)刺激而迅速崛起，伴隨而來(lái)的是奶牛養(yǎng)殖業(yè)的復(fù)興，并且逐漸成為極具發(fā)展?jié)摿Φ某?yáng)產(chǎn)業(yè)[1]。經(jīng)調(diào)研，截至2015年，我國(guó)存欄100 頭以上的奶牛場(chǎng)已接近50%[2]，并且這種規(guī)模化的奶牛場(chǎng)數(shù)量在逐漸增加。由此可見，未來(lái)的奶牛養(yǎng)殖業(yè)終將朝著集約化、現(xiàn)代化和規(guī)?；姆较虬l(fā)展[3]。規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖需要規(guī)范的養(yǎng)殖及排污流程，以確保乳制品產(chǎn)品的安全[4]，這也是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大問(wèn)題[5]，一直受到人們的關(guān)注。因此，本研究不但要從技術(shù)方面優(yōu)化集約養(yǎng)殖圈舍糞污治理方案[6]；還要從產(chǎn)業(yè)角度上開發(fā)符合企業(yè)需求同時(shí)能夠降低污染物總量，節(jié)省治污資金的落地技術(shù)[7]，使得經(jīng)過(guò)固液分離技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；膛?chǎng)刮糞、固液分離、肥水外運(yùn)、回用稀釋的全自動(dòng)智能控制；最后要從行業(yè)發(fā)展角度上，推進(jìn)畜、牧、禽養(yǎng)殖業(yè)的現(xiàn)代化進(jìn)程，并從源頭上開發(fā)能夠減量化的環(huán)境友好型養(yǎng)殖模式[8]，以期為我國(guó)發(fā)展智能化、自動(dòng)化的養(yǎng)殖業(yè)提供可靠的技術(shù)支持。

1 研究?jī)?nèi)容與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取天津西青區(qū)天津和潤(rùn)畜牧養(yǎng)殖有限責(zé)任公司的規(guī)模化奶牛場(chǎng)（簡(jiǎn)稱“天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)”）為研究目標(biāo)。天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)是天津市西青區(qū)一家規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖企業(yè)，位于西青區(qū)王穩(wěn)莊鎮(zhèn)小孫莊村北（青泊洼農(nóng)場(chǎng)內(nèi)）。場(chǎng)區(qū)總占地面積約250 畝，其中牛舍建筑面積約6.91 萬(wàn)平方米，現(xiàn)有9棟牛舍，擠奶間、辦公住房和料庫(kù)各1 棟。生產(chǎn)區(qū)包括自由臥床牛舍、成年牛舍和犢牛舍。場(chǎng)區(qū)奶牛年存欄量約1 600 頭，其中泌乳牛約800 頭，犢牛約340 頭。

1.2 研究?jī)?nèi)容與方法

由于現(xiàn)階段規(guī)?；膛?chǎng)的清糞模式比較統(tǒng)一，基本分為人工/機(jī)械干清糞、水沖糞、刮糞板+水沖糞等幾類單一或組合模式[9]。隨著規(guī)?；降牟粩嗵嵘?，人工費(fèi)的逐漸增長(zhǎng)，水沖糞、刮糞板+水沖糞[10]等模式逐漸成為重點(diǎn)。但現(xiàn)有水沖糞模式因黏稠度問(wèn)題，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后需補(bǔ)充清水稀釋糞污，導(dǎo)致后續(xù)污染物總量大大增加，處理和利用難度上升?；谝陨蠁?wèn)題，本任務(wù)研發(fā)站槽糞污智能清理技術(shù)（提升站槽清糞效果、節(jié)省沖洗用水、降低污染物總量），并依托站槽糞污清理，開展糞污收-儲(chǔ)-分離聯(lián)動(dòng)節(jié)水技術(shù)研究，從糞污收運(yùn)的源頭減少污染物總量。

同步開展同系奶牛場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，檢測(cè)位于濱海新區(qū)的天津神馳農(nóng)牧發(fā)展有限公司固液分離前后樣品的常規(guī)指標(biāo)，以提供數(shù)據(jù)對(duì)照。

1.3 樣品的采集與前處理

規(guī)?；膛?chǎng)站槽糞污智能化收運(yùn)系統(tǒng)取樣范圍包括糞污暫存池內(nèi)的糞漿、勻漿池內(nèi)的糞漿和晾曬后的糞便，分析糞污在不同階段、固液分離前后主要參數(shù)的變化；檢測(cè)指標(biāo)包括總固體含量（TS）、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、總氮（TN）、總磷（TP）等常規(guī)指標(biāo)，分析常規(guī)指標(biāo)趨勢(shì)。委托天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)管理人員開展日常用水、設(shè)施用電記錄，分析系統(tǒng)運(yùn)行效果與能耗，評(píng)價(jià)用水減量化成效。取樣頻率每季度1 次，1 次持續(xù)3～5 天，管理人員記錄用水、用電平均值。

采集天津和潤(rùn)畜牧養(yǎng)殖奶牛場(chǎng)內(nèi)固液分離前后不同階段的糞污及污水樣品，將污水裝于離心管中，蓋上蓋子。糞便放于陰涼處自然干燥后，過(guò)2 mm糞便篩，一部分測(cè)定總固體含量[11]，另一部分按照鮑士旦等[12]的《土壤農(nóng)化分析》中方法對(duì)其進(jìn)行消解前處理，將所得到樣品進(jìn)行稀釋待測(cè)。將采集的污水用硫酸-硫酸銀法消解[13]2 h，待測(cè)。

1.4 樣品的測(cè)定與分析

利用（105±5）℃烘干稱重法測(cè)定總固體含量，將預(yù)處理后的奶牛糞便樣品用氣相分子吸收光譜法測(cè)定TN含量，并用硫酸亞鐵銨滴定法測(cè)定水中COD值，用標(biāo)準(zhǔn)稀釋法測(cè)定水中BOD值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

文中數(shù)據(jù)處理都采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式，并用Excel 2016繪制部分圖表，另一部分圖采用Origin 8.5繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 規(guī)?；膛?chǎng)的固液分離技術(shù)路線

天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)糞污處理采用圖1所示流程圖。泌乳牛舍的糞污經(jīng)自動(dòng)刮板機(jī)將糞污高效刮入糞污暫存池，通過(guò)電控系統(tǒng)反饋的糞污量信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刮糞機(jī)和固液分離機(jī)的有序工作，暫存池糞尿通過(guò)長(zhǎng)桿泵打入固液分離機(jī)后快速實(shí)現(xiàn)固液分離，分離的干糞經(jīng)發(fā)酵滅菌后部分作為牛床墊料回用牛舍，部分作為有機(jī)肥原料，進(jìn)入有機(jī)肥加工車間；而分離的尿液部分作為稀釋劑，回沖糞污暫存池，部分經(jīng)勻漿池后作為肥水貯存，用于制作青貯飼料。此種模式下，年處理養(yǎng)殖廢水1.9 萬(wàn)m3，可提供再生可回用水肥每年1.5 萬(wàn)m3，節(jié)省水、肥費(fèi)用45 萬(wàn)元以上，使用青貯飼料種植節(jié)肥增產(chǎn)2%（以使用1 年計(jì)）。生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牛床墊料1 700 噸/年，減少沙子、稻殼的每年直接投入51 萬(wàn)元以上，減少天氣極端變化時(shí)乳房炎發(fā)病率10%以上，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到40 萬(wàn)元/年。因采用益生菌，減少奶牛腸胃疾病，改善舍區(qū)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到20 萬(wàn)元/年；利用牛糞、秸稈等原料年產(chǎn)1 萬(wàn)噸有機(jī)肥，純利潤(rùn)達(dá)每年50 萬(wàn)元；節(jié)約人工投入17%，節(jié)約用水支出20%～23%，年節(jié)約用水、減少糞污處理污水達(dá)5 100 噸，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到80 萬(wàn)元；合計(jì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益286 萬(wàn)元。

圖1 奶牛場(chǎng)糞污處理技術(shù)路線

2.2 規(guī)?；膛?chǎng)糞污的固液分離過(guò)程

由上述流程中的固液分離機(jī)，在糞污暫存池填至80%時(shí)開始工作，前期工作4 h/天，自動(dòng)刮糞板改為定時(shí)運(yùn)行，全天固定運(yùn)行3 次，直至固液分離機(jī)的液體將勻漿池充至50%，液位控制器開始工作，稀釋勻漿過(guò)程如圖2所示。液位控制器同時(shí)控制外運(yùn)水泵及固液分離機(jī)的回用稀釋水泵?；赜孟♂屗门c固液分離機(jī)、自動(dòng)刮糞板同時(shí)工作，當(dāng)水位位于勻漿池50%深度以上時(shí)，設(shè)定每小時(shí)固液分離和回用稀釋水泵運(yùn)行1 次，每次15 min，每天運(yùn)行5 次，進(jìn)行糞污的固液分離，而自動(dòng)刮糞板運(yùn)行1.5 個(gè)來(lái)回，將站槽50%的糞便刮至糞污暫存池內(nèi)。外運(yùn)水泵在回用稀釋水停止運(yùn)行后運(yùn)行10～20 min，采用變頻控制，將勻漿池內(nèi)的污水運(yùn)輸至肥水貯存池內(nèi)等待農(nóng)用。當(dāng)勻漿池內(nèi)的液位下降至50%并且自動(dòng)刮糞板切換至加速運(yùn)行模式，恢復(fù)至往返刮糞9～10 次，直至液位控制器重新開始運(yùn)作。

圖2 奶牛場(chǎng)糞污固液分離過(guò)程

2.3 固液分離過(guò)程中糞污的收運(yùn)技術(shù)

在對(duì)奶牛圈舍內(nèi)的糞污進(jìn)行收集的過(guò)程中，使用奶牛場(chǎng)站槽自動(dòng)刮糞板可減少對(duì)奶牛日常生活的不利影響。通過(guò)障礙物紅外傳感器在自動(dòng)刮糞板上的使用，減少刮糞板強(qiáng)制通過(guò)導(dǎo)致刮傷牛蹄的現(xiàn)象。在使用中，障礙物紅外傳感器刮糞板的障礙物漫反射距離為20 cm，整個(gè)刮糞板以20 m/min的速度向前清糞，當(dāng)識(shí)別到牛蹄后，減速至停止，停止距離控制在奶牛3～5 cm處。通過(guò)刮糞板運(yùn)行時(shí)每月1次的情景記錄所得到的數(shù)據(jù)如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，初運(yùn)行2 個(gè)月內(nèi)奶牛選擇跨越刮糞板的比例為54%，選擇遠(yuǎn)離刮糞板的比例為23%，選擇原地不動(dòng)的比例為23%；養(yǎng)殖3 個(gè)月后奶牛選擇跨越刮糞板的比例為75%，選擇遠(yuǎn)離刮糞板的比例為14%，選擇原地不動(dòng)的比例為11%；養(yǎng)殖5 個(gè)月左右時(shí)奶牛選擇跨越刮糞板的比例為91%，滿足運(yùn)行要求。運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)刮糞板碰觸到牛蹄0 次。奶牛場(chǎng)內(nèi)未使用傳感器的刮糞板初運(yùn)行2 個(gè)月內(nèi)碰觸牛蹄比例高達(dá)60%，采用擠開牛蹄的方式通過(guò)；運(yùn)行5 個(gè)月時(shí)仍有20%的比例奶牛不躲閃后被擠開。

圖3 奶牛對(duì)自動(dòng)刮糞板的行為比例

綜上所述，站槽自動(dòng)刮糞板采用障礙物紅外傳感器可減少規(guī)模化奶牛場(chǎng)日常管理中對(duì)奶牛的損傷，避免出現(xiàn)意外導(dǎo)致奶牛淘汰。但由于清糞時(shí)刮糞板停止頻率高，傳感器被糞污遮擋的幾率相應(yīng)增加。在運(yùn)行過(guò)程中平均4 天需要檢查傳感器是否被糞污遮擋，且總清糞時(shí)間較傳統(tǒng)刮糞板清糞時(shí)間延長(zhǎng)1 h左右。

2.4 固液分離技術(shù)對(duì)規(guī)?；膛?chǎng)產(chǎn)污的影響

2.4.1 固液分離對(duì)污水水質(zhì)的影響

規(guī)?；膛?chǎng)固液分離前置技術(shù)能夠解決水帶糞的難題。固液分離前置技術(shù)分離的牛糞渣含水率為68%～73%，分離液的含固率為4%～6%。在夏季初步運(yùn)行時(shí)，由于噴淋水量較大，固液分離機(jī)出現(xiàn)過(guò)噴漿情況。在加快清糞頻率、減少噴淋水后恢復(fù)正常。通過(guò)固液分離前置技術(shù)縮短糞污運(yùn)輸距離，檢測(cè)固液分離前后污水中COD和BOD等常規(guī)參數(shù)值，以監(jiān)測(cè)污水水質(zhì)的變化。檢測(cè)收集樣品中的COD和BOD，得到結(jié)果如圖4所示，可以看出，污水中COD在固液分離前為10.00 萬(wàn)～12.80 萬(wàn)mg/L，分離后的COD在3.48 萬(wàn)～4.20萬(wàn)mg/L；固液分離前BOD值為8.27 萬(wàn)～9.08 萬(wàn)mg/L，分離后的BOD在2.65萬(wàn)～3.49 萬(wàn)mg/L。污水中BOD和COD值下降，說(shuō)明固液分離效果較好，而這兩項(xiàng)參數(shù)值下降原因可能是將糞污中未消化完全的飼料分離為牛糞渣，使水中的COD和BOD值發(fā)生變化。數(shù)值在第3季度出現(xiàn)較大波動(dòng)，原因是夏季噴淋水量較大導(dǎo)致糞污過(guò)稀，固液分離效果不佳。

圖4 固液分離前后水質(zhì)的變化

2.4.2 固液分離對(duì)糞污中污染物含量的影響

由上述可知，采用規(guī)模化奶牛場(chǎng)固液分離前置技術(shù)，可一定程度上改善污水水質(zhì)，又進(jìn)一步研究了此項(xiàng)技術(shù)對(duì)水中污染物含量的影響，得到結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，固液分離前的總懸浮顆粒物在8%～10%，而分離后則在4%～6%；分離前的總氮含量在604～712 mg/L，分離后則為398～426 mg/L；固液分離前TP含量處于148～191 mg/L，而分離后則介于93～116 mg/L之間。與常規(guī)條件下的奶牛場(chǎng)產(chǎn)污量相比，糞污濃度提高約20%，糞污總量下降約21%。這可能是因?yàn)橐?guī)?；膛?chǎng)固液分離前置技術(shù)，使得外源水稀釋糞污，減少了糞污總量。

圖5 固液分離前后水中污染物含量的變化

2.5固液分離后固體的回收再利用

在天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)示范實(shí)施了固液分離前置技術(shù)后，使得整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了刮糞、固液分離、肥水外運(yùn)、回用稀釋的全自動(dòng)智能控制，每3 天需要工作人員檢查設(shè)備的狀態(tài)，減少了規(guī)?；膛?chǎng)的人工消耗，并且可將分離出來(lái)的干牛糞在晾曬棚內(nèi)堆積發(fā)酵后晾曬干燥，如圖6所示，干燥后的固體可以作為臥床墊料通過(guò)拋灑機(jī)使用，從而節(jié)約了奶牛場(chǎng)的墊料消耗，不但實(shí)現(xiàn)了資源的回收再利用，還為奶牛提供舒適安全的臥床墊料，降低除污成本的同時(shí)，也提高了產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效益。

圖6 固液分離后的固體進(jìn)行晾曬后制作臥床墊料

3 討論

規(guī)?；膛?chǎng)以生產(chǎn)生鮮乳為主，是乳制品的源頭，為得到更安全健康的食品，奶牛場(chǎng)必須對(duì)奶牛的身體健康、所處環(huán)境及產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境[14]進(jìn)行嚴(yán)格管控。其中，環(huán)境是非常重要的因素，健康安全的環(huán)境才是生產(chǎn)安全產(chǎn)品的保障。因此，本研究以天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)為案例，實(shí)施了自動(dòng)控制刮糞板、固液分離系統(tǒng)前置、原位糞污兩相分離、液位控制等集成聯(lián)動(dòng)模式的除污方案，并針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的物料TS濃度、主要污染物濃度、用水量、能耗等參數(shù)進(jìn)行收集，分析技術(shù)運(yùn)作的關(guān)鍵參數(shù)、節(jié)點(diǎn)控制、不同季節(jié)的區(qū)別，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，總結(jié)技術(shù)模式，為規(guī)?；膛?chǎng)提供可復(fù)制、可推廣、實(shí)用的糞污治理減量化模式。

在整個(gè)除污系統(tǒng)中，最核心的板塊是收-儲(chǔ)-分離聯(lián)動(dòng)站槽糞污智能化收運(yùn)系統(tǒng)、舍后糞污儲(chǔ)存系統(tǒng)、高效固液分離系統(tǒng)三個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，從而形成收集-儲(chǔ)存-分離的奶牛場(chǎng)糞污收儲(chǔ)運(yùn)體系，并優(yōu)化體系控制單元，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖糞污收儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的污染控制。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，常規(guī)1 500 頭養(yǎng)殖量奶牛場(chǎng)污水產(chǎn)生量為67 噸/天[15]，而本研究的示范奶牛場(chǎng)管理人員日常記錄顯示，系統(tǒng)污水產(chǎn)生量52 噸/天，污水產(chǎn)生總量較同規(guī)模常規(guī)奶牛場(chǎng)下降22%。通過(guò)固液分離后勻漿池的上清液進(jìn)行回沖稀釋，系統(tǒng)未額外增加糞污稀釋水，固液分離機(jī)每天工作1 h，可處理40～60 噸的糞污，分離出的牛糞渣含水率68%～73%，分離液含固率4%～6%。根據(jù)常規(guī)奶牛場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，系統(tǒng)可節(jié)約稀釋用水14～16 噸/天，奶牛場(chǎng)總用水量下降20%～24%。但夏季初步運(yùn)行時(shí)因牛舍噴淋用水量大，固液分離機(jī)出現(xiàn)過(guò)噴漿情況。后在加快清糞頻率、減少噴淋水后固液分離機(jī)正常運(yùn)行。

固液分離技術(shù)除減少用水量和降低產(chǎn)污量的同時(shí)，也降低了糞污中污染物的含量，同時(shí)改善了污水水質(zhì)，大大節(jié)約了糞污處理的成本。經(jīng)固液分離之后的污水COD和BOD值相較于未分離之前分別降低了67%和61%左右，而污水中總懸浮顆粒物、TN和TP含量也相對(duì)降低。此結(jié)果證明，經(jīng)固液分離后，不但減少了除污、治污的成本，也改善了場(chǎng)區(qū)及周邊環(huán)境，提高了空氣質(zhì)量，減少了疫病傳播、抗生素用量及遷移轉(zhuǎn)化環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)企業(yè)、產(chǎn)品和環(huán)境都產(chǎn)生了正向的促進(jìn)作用，該技術(shù)對(duì)規(guī)?；膛?chǎng)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4 小結(jié)

4.1 降低成本

天津和潤(rùn)奶牛場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了人力成本節(jié)支15%，用水量節(jié)支15%，天氣極端變化時(shí)乳房炎發(fā)病率降低10%以上；節(jié)約人工投入17%，節(jié)約用水支出20%～23%，年節(jié)約用水、減少糞污處理污水達(dá)5 100 噸。

4.2 污水處理效果佳

經(jīng)固液分離之后的污水COD和BOD值相較于未分離之前分別降低了67%和61%左右，污水中總懸浮顆粒物、TN和TP含量也相對(duì)降低。

4.3 實(shí)現(xiàn)廢物利用

固液分離后的固體經(jīng)過(guò)晾曬、發(fā)酵等處理后，干燥的固體可以作為臥床墊料重新利用，節(jié)約奶牛臥床墊料的成本。