规模化养鸡场种养结合循环利用系统及方法
技术领域
本发明涉及养殖设备技术领域，具体涉及一种规模化养鸡场种养结合循环利用系统及方法。

背景技术
畜禽养殖行业中，肉鸡、蛋鸡等禽类的养殖占比(按出栏量计算)约为24～38％，较高的养殖量给畜禽粪污的处理带来了很大的压力。然而，由于鸡类独特的消化系统结构，仅能吸收食物中30-60％的营养成分，导致其粪便中约含有粗蛋白18.7％、脂肪2.5％、灰分13％、碳水化合物11％、纤维7％，并含有氨基酸、微量元素以及维生素等营养物质，是一种比较优质的有机肥，存在较高的农业利用价值。根据统计，现阶段，我国禽类粪污基本全部采用干清粪工艺，并主要采用堆(沤)肥方式处理固体粪便，约占养殖场总数的91％；少数养殖场粪便用于商品有机肥和栽培基质生产，仅占总数的8％和1％。
在现有的利用鸡粪产商品有机肥的工艺中，多经过固体厌氧消化后直接腐熟制肥，然而，固体厌氧消化效率低、发酵时间长，极大地限制了处理量和处理效果。并且未完全发酵的有机物会在腐熟阶段释放大量恶臭气体，为尾气处理带来了极大的压力。此外，粪污中的碳、氮、磷等元素会在腐熟过程中造成大量流失，增加了粪污处理的碳排放的同时，造成资源浪费，并导致了在制肥步骤中额外投加氮磷钾元素的需求。
现阶段针对于养鸡场废弃物的处理方式，如鸡粪、病死鸡等，多是直接进行腐熟制肥，如公开号为CN108640733A的中国发明专利申请公开的一种畜禽粪便资源化处理方法；或通过固体厌氧消化的方式进行废弃物减量及能源回收，其沼渣经腐熟后直接制肥或动物饲料，如公开号为CN102320712A的中国发明专利申请公开了一种鸡粪的处理和再利用过程。然而，养鸡场废弃物的直接腐熟会导致48.7％的碳和27.7％的氮元素损失，进而释放了大量的CH4
、CO2
、N2
O等温室气体，并加剧了逸散气体中H2
S、NH3
等组分对环境的污染，造成了极高的碳排放及环境治理成本。另一方面，上述技术在腐熟制肥后均会重新添加外源氮磷元素组分，来丰富制得有机肥中的氮、磷、钾元素含量，其他与以上所述类似工艺的专利，如公开号为CN112430159A的中国发明专利申请，将腐熟后的餐厨垃圾沼渣制肥，也在制肥前重新添加NH4
+
、P2
O5
、K2
O营养物，提高了制肥成本并造成资源流失。

发明内容
本发明的目的在于提供一种规模化养鸡场种养结合循环利用系统及方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种规模化养鸡场种养结合循环利用系统，包括：
预处理系统，用于将粉碎处理后的病死鸡、厂区生活污水、其他畜禽粪污、第二膜处理系统中的浓水和未灌溉使用的出水与固体鸡粪进行充分混合制浆，得到固液混合物，保持固液混合物中含固率为15～20％；
两级厌氧消化系统，用于将所述固液混合物通过全混合厌氧反应器进行发酵产甲烷，对固体废弃物进行有效的减量；沼渣进入制肥系统，出水进入升流式厌氧污泥床继续发酵，两级厌氧消化系统所产沼气进入沼气净化系统进行进一步除杂；
深度脱氮系统，以短程硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥反应器单元为主，用于实现氨氮浓度从1500～2300mg/L降解至＆lt;40mg/L，实现总氮去除率＆gt;95％；
深度处理系统，包含高效过滤器及膜处理系统；高效过滤器去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，使固体颗粒物浓度＆lt;30mg/L；所截留固体物质进入制肥系统；
制肥系统，沉砂池截留物、CSTR残留沼渣、UASB反应器排泥及高效过滤器截留物均作为原料进入制肥系统进行制肥，实现种养结合循环利用；
沼气净化系统，两级厌氧消化系统的产气首先进入生物脱硫塔，用于制备硫化氢含量＆lt;100mg/Nm3
粗沼气，所得粗沼气再经过干法脱硫塔对气体中硫化氢进一步去除，使沼气中硫化氢含量＆lt;30mg/m3
，通过脱水罐进行干化，并进入双膜气柜储存。
进一步的，预处理系统中，固液混合物经过格栅截留大尺寸固体废弃物，并重新回到前段工艺进行粉碎处理。
进一步的，固液混合物进入沉砂池以去除粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节pH至6～9。
进一步的，全混合厌氧反应器的出水进入升流式厌氧污泥床继续发酵，水力停留时间4～6d，将液体中COD从5000～6000mg/L降解至1500～1800mg/L。
进一步的，升流式厌氧污泥床的污水经第一膜处理系统实现大分子有机物的截留，避免影响后续深度脱氮系统性能；其中，第一膜处理系统中为超滤膜，孔径为0.001-0.02μm。
进一步的，第一膜处理系统的污水进入氮磷回收单元，NH4
+
和PO4
3
-
与投加镁盐反应生成MgNH4
PO4
沉淀，实现氨氮浓度从3000～4800mg/L降至1500～2300mg/L，磷酸根浓度降至＆lt;50mg/L，污水最终进入PN/A颗粒污泥反应器单元处理。
进一步的，颗粒污泥外部附着的氨氧化细菌在溶解氧浓度0.3～0.8mg/L氛围下，将50％的氨氮氧化为亚硝态氮，随后残留的氨氮与新产生的亚硝态氮进入颗粒污泥内部，由厌氧氨氧化菌实现高效去除；若运行过程中出现出水硝态氮过高的情况，则将曝气量调至0.5mg/L以下可以得到有效缓解；运行时体系中污泥浓度不低于4000mg/L。
进一步的，深度处理系统中，污水经膜过滤系统处理，实现有效的抗生素去除，避免造成抗生素污染及抗性基因转移，并进一步去除水体中微粒后达到排放标准，同时能够用于种植业灌溉，实现种养结合；其中，膜过滤系统中超滤膜，孔径为0.001-0.02μm。
进一步的，制肥系统中，原料首先经旋转干燥器，使其含水率从大于85％降至65％以内，所汲取的污水重新进入UASB单元进行发酵；旋转干燥后的固体废物进入好氧腐熟单元，调节pH至中性并堆置5-8天，以充分氧化固体废物中的易降解还原态物质；所得原料与氮磷回收单元所产鸟粪石充分混合，增加肥料中的氮磷元素含量至10％以上，并进入喷浆制粒干燥机实现干燥、杀菌以及高价值颗粒有机肥的最终制备。
进一步的，全混合厌氧反应器和升流式厌氧污泥床末端接水封器以防止反应器压力异常，随后沼气进入生物脱硫塔，其中，氧化亚铁硫杆菌、脱氮硫杆菌及排硫杆菌作为主要脱硫细菌，塔内水力停留时间为50～120min，pH为5～7，溶解氧维持在0.8～1.2mg/L。
进一步的，沼气从脱硫塔底部进入，其中，所含硫化氢被富含Na2
CO3
的碱液吸收后，被脱硫菌氧化为单质硫，并制得硫化氢含量＆lt;100mg/Nm3
粗沼气；随后，富含单质硫的碱液进入碱液再生器，加入浓缩碱液以调节pH至7～8，并通过曝气增加碱液中溶解氧含量，同时将单质硫吹脱成泡沫以便分离；所得粗沼气再经过干法脱硫塔对气体中硫化氢进一步去除，使沼气中硫化氢含量＆lt;30mg/m3
。
本发明有益效果：通过增设沼液厌氧消化、生物脱硫、氮磷回收、厌氧氨氧化脱氮等工艺单元，避免了鸡粪中营养物质的过度损失，并提高了有机肥的肥力和安全性。
本发明附加方面的优点，将在下述的描述部分中更加明显的给出，或通过本发明的实践了解到。

附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例所述的规模化养鸡场种养结合循环利用系统功能原理结构框图。
其中：1-均质器；2-格栅；3-沉砂池；4-全混合厌氧反应器；5-升流式厌氧污泥床；6-第一膜处理系统；7-氮磷回收单元；8-PN/A颗粒污泥反应器；9-高效过滤器；10-第二膜处理系统；11-水封器；12-生物脱硫塔；13-碱液再生器；14-干法脱硫塔；15-脱水罐；16-双膜气柜；17-旋转干燥器；18-好氧腐熟单元；19-喷浆制粒干燥机。

具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例
如图1所示，本实施例中，提供一种规模化养鸡场种养结合循环利用系统及方法，通过设置均质器1和两段厌氧消化的方式，增加固体废弃物中氮磷元素的溶解程度，同时增加微生物与有机污染物的接触程度，提高了产甲烷率，避免在腐熟阶段造成大量的碳、氮、磷、硫元素损失。在CSTR单元中，对高含固率的固液混合污染物进行初级水解发酵消化，并通过全混搅拌的方式将高密度硬质难降解物质(如碎骨、果核、砂砾等)与低密度可降解污染物(如粪污中未消化饲料、病死鸡碎肉、其他畜禽粪便等)分离，增加了其与功能微生物的接触程度。此外，加强了其中的可溶污染物(如无机盐离子、蛋白质、腐殖质、维生素等)的溶解程度，避免了大量营养元素随固体物质进入制肥阶段的问题。
规模化养鸡场种养结合循环利用系统，其使用工作流程含有以下步骤：
预处理系统：该规模化养鸡场种养结合循环利用系统中的预处理系统，一共由三部分组成。本实施例的预处理系统，主要面向于规模化养鸡场中鸡粪处理，然而由于鸡粪含固率较高(为80％以上)，因此在预处理系统中首先设置均质器1，将粉碎处理后的病死鸡、厂区生活污水、其他畜禽粪污、第二膜处理系统10中的浓水和未使用出水与鸡粪充分混合，保持混合物中含固率为15～20％。随后，固液混合物经过格栅2截留大尺寸固体废弃物，并重新回到前段工艺进行粉碎处理，以减小后续工艺流程压力。最后，固液混合物进入沉砂池3以去除粒径为0.2mm以上的颗粒物质(如无机砂粒、果核、碎骨等)，同时调节pH至6～9。
两级厌氧消化系统：所述固液混合物经过沉砂池3处理后进入全混合厌氧反应器4(CSTR)进行发酵产甲烷，水力停留时间18-22d，对固体废弃物进行有效的减量。随后，沼渣进入制肥系统，出水进入升流式厌氧污泥床5(UASB)继续发酵，水力停留时间4～6d，将液体中COD从5000～6000mg/L降解至1500～1800mg/L。所产沼气进入沼气净化系统进行进一步除杂，污水经第一膜处理系统6(超滤膜，孔径为0.001-0.02μm)实现大分子有机物(如蛋白质、腐殖质等)的截留，避免影响后续深度脱氮系统性能。随后，污水进入氮磷回收单元7，NH4
+
和PO4
3-
与投加镁盐反应生成MgNH4
PO4
(鸟粪石)沉淀，实现氨氮浓度从3000～4800mg/L降至1500～2300mg/L，磷酸根浓度降至＆lt;50mg/L，污水最终进入PN/A颗粒污泥反应器8处理。
深度脱氮系统：该系统以PN/A(短程硝化/厌氧氨氧化)颗粒污泥反应器单元为主，该阶段能够实现氨氮浓度从1500～2300mg/L降解至＆lt;40mg/L，实现总氮去除率＆gt;95％。首先，颗粒污泥外部附着的氨氧化细菌在溶解氧浓度0.3～0.8mg/L氛围下，将50％的氨氮氧化为亚硝态氮，随后残留的氨氮与新产生的亚硝态氮进入颗粒污泥内部，由厌氧氨氧化菌实现高效去除。若运行过程中出现出水硝态氮过高的情况，则将曝气量调至0.5mg/L以下可以得到有效缓解。运行时体系中污泥浓度不低于4000mg/L(其中颗粒占比＆gt;75％)。由于PN/A颗粒污泥具有较好的沉降性能(沉速＆gt;50m/h)，且污泥生长速度较慢，因此在后端无需设置沉淀池，仅设置高效过滤器9防止第二膜处理系统10堵塞即可。
深度处理系统：深度处理系统包含高效过滤器及膜处理系统。高效过滤器去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，使固体颗粒物浓度＆lt;30mg/L，大大降低了后续处理难度。随后，所截留固体物质进入制肥系统，污水经膜过滤系统(超滤膜，孔径为0.001-0.02μm)处理，实现有效的抗生素去除，避免造成抗生素污染及抗性基因转移，并进一步去除水体中微粒后达到排放标准，同时能够用于种植业灌溉，实现种养结合。
制肥系统：上述过程中的沉砂池截留物、CSTR残留沼渣、UASB反应器排泥及高效过滤器截留物均作为原料进入制肥系统，实现种养结合循环利用。上述原料首先进入旋转干燥器17，使其含水率从大于85％降至65％以内，所汲取的污水重新进入UASB单元进行发酵。旋转干燥后的固体废物进入好氧腐熟单元18，调节pH至中性并堆置5-8天，以充分氧化固体废物中的易降解还原态物质，防止肥料施用过程中烧苗，此外好氧腐熟也将原料含水率降至50％以内。最后，所得原料与氮磷回收单元所产鸟粪石充分混合，增加肥料中的氮磷元素含量至10％以上，并进入喷浆制粒干燥机19实现干燥、杀菌以及高价值颗粒有机肥的最终制备。所得肥料为粒径2.5～4mm，并富含腐殖酸(30％以上)、氨基酸和大量的微量元素，肥效长同时有助于土壤改善。
沼气净化系统：CSTR和UASB反应器末端接水封器11以防止反应器压力异常，随后沼气进入生物脱硫塔12，其中，氧化亚铁硫杆菌、脱氮硫杆菌及排硫杆菌等作为主要脱硫细菌，塔内水力停留时间为50～120min，pH为5～7，溶解氧维持在0.8～1.2mg/L。沼气从脱硫塔底部进入，其中所含硫化氢被富含Na2
CO3
的碱液快速吸收后，被上述化能自养型微生物缓慢氧化为单质硫，并制得硫化氢含量＆lt;100mg/Nm3
粗沼气。随后，富含单质硫的碱液进入碱液再生器13，加入浓缩碱液以调节pH至7～8，并通过曝气增加碱液中溶解氧含量，同时将单质硫吹脱成泡沫以便分离。所得粗沼气再经过干法脱硫塔14对气体中硫化氢进一步去除，使沼气中硫化氢含量＆lt;30mg/m3
。随后沼气通过脱水罐15进行干化，并进入双膜气柜16储存。
综上所述，本发明实施例所述的规模化养鸡场种养结合循环利用系统及方法，相较于传统对于规模化养鸡场的鸡粪好氧腐熟(或厌氧消化)后直接作为高价值肥料(或饲料)以实现高价值利用，本发明通过增设沼液厌氧消化、生物脱硫、氮磷回收、厌氧氨氧化脱氮等工艺单元，避免了鸡粪中营养物质的过度损失，并提高了有机肥的肥力和安全性，具体工艺单元带来的优点如下：
通过增设均质器的方式，使固体鸡粪与病死鸡、生活污水以及回用水等其他低含固率污染物充分混合，从而将鸡粪的含固率从80～90％降至10～20％，利于后续工段关键功能微生物生长的同时，最大限度地从固体基质中汲取碳、氮、磷、硫等元素，避免了在好氧腐熟制肥阶段的过度能量资源损失。
通过设置全混合厌氧反应器(CSTR)对高悬浮固体物的混合原液进行处理，其沼液经过发酵后进入升流式厌氧污泥床(UASB)继续发酵，最大限度地回收污水中的化学能。相较于传统鸡粪处理工艺中的单一发酵工段，本工艺采用两段发酵的方式，提高了粪污及其他厂区污染物(病死鸡及其他畜禽粪污等)的难降解有机物(如脂质、蛋白、纤维素等)的产甲烷率，最大化地提取了其中的化学能并对粪污中污染物进行减量化处理，减小后端处理的负担，同时避免了好氧腐熟过程中污染物逸散量过大、元素易损失的问题。
在UASB出水端设置第一膜处理系统(超滤)，能够有效截留悬浮固体物质，避免了后端氮磷回收单元的堵塞问题及PN/A(短程硝化/厌氧氨氧化)颗粒污泥反应器的崩溃问题。此外，第一膜处理系统能够实现有效的溶解性有机物(DOM，包括腐殖酸、富里酸、氨基酸、甾醇、脂肪酸和烃类等)截留，避免传统工艺中的UASB出水需先经过微生物好氧处理单元去除DOM后，再进入PN/A颗粒污泥反应器的需求。有效简化了工艺流程，降低了占地面积及假设费用，并保证了后端关键工艺单元的微生物活性。
在PN/A颗粒污泥反应器前端设置的氮磷回收单元，该单元通过投加镁盐的方式，于污水中的NH4
+
和PO4
3-
反应生成MgNH4
PO4
(鸟粪石)沉淀，以最大限度的回收水体中的氮磷元素。鸟粪石是一种农业常用的缓释肥，对农作物生长和土质改善等方面有较为显著的作用。本工段所回收的鸟粪石将与腐熟后的固体废弃物混合后制肥，极大地避免了传统畜禽粪污制肥过程中，由于脱氮单元和好氧腐熟阶段所导致的氮磷元素损失，并强化了肥料的肥效。
以PN/A颗粒污泥反应器为核心构建了深度脱氮系统，其中，厌氧氨氧化系统由于代谢途径存在优势，相较于传统污水处理工艺可降低60％的曝气能耗，并且无需额外投加碳源，因此具有显著的的低碳排优势。而现阶段，多数工程中采用的絮体式或生物膜式厌氧氨氧化工艺在实际运行过程中会存在出水水质波动(抗冲击性能差、处理负荷低等)的情况，而由于颗粒污泥具有较高的生物量和更为复杂的微生物群落交互关系，能有效避免上述问题，同负荷占地面积仅为絮体厌氧氨氧化污泥工艺的25％，运行能耗也仅为其60％，且出水水质稳定。
本发明实现了温和优质的有机缓释肥的制备。针对于沉砂池分离物、CSTR沼渣和UASB剩余污泥等固液混合废弃物，首先，采用旋转干燥的方式使其含水率从大于85％降至65％以内，所汲出水分回流至UASB工段重新处理，并将物体废弃物进行好氧腐熟，以有效将其中还原态碳氮元素转化为氧化态，避免所制肥料在使用过程中发生有害气体逸散及烧苗情况，同时实现固体废弃物的含水率降至50％以内。随后，将氮磷回收单元所回收的鸟粪石与腐熟后的固体废弃物充分混合，提高肥料中的氮磷元素含量，并通过喷浆制粒烘干机实现制粒，所制肥料为粒径2.5～4mm的缓释肥料，并富含腐殖酸、氨基酸和大量的微量元素，肥效长同时有助于土壤改善。此外，喷浆制粒烘干机中的高温气体氛围能够有效杀灭剩余污泥、粪便、病死鸡中的病原体，保证了肥料的安全性问题。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。