畜禽養(yǎng)殖沼液深度處理技術(shù)研究與應(yīng)用進(jìn)展

徐曉云，余峰

（江西省畜牧技術(shù)推廣站，江西 南昌 330046）

隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)集約化、規(guī)?；杆侔l(fā)展，畜禽養(yǎng)殖廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的危害和破壞越來(lái)越嚴(yán)重，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織已把集約化畜禽養(yǎng)殖列為世界環(huán)境問(wèn)題三大污染源之一[1]。根據(jù)污染源普查動(dòng)態(tài)更新調(diào)查數(shù)據(jù)，2010年畜禽養(yǎng)殖業(yè)的化學(xué)需氧量、氨氮排放量分別達(dá)到1148萬(wàn)t、65萬(wàn)t，占全國(guó)排放總量的比例分別為45%、25%，畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要來(lái)源[2]。加強(qiáng)對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治成為目前環(huán)境保護(hù)和畜牧業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的緊迫任務(wù)和重要內(nèi)容。

近年來(lái)，通過(guò)加大政策和資金的扶持力度，我國(guó)大力發(fā)展厭氧發(fā)酵處理技術(shù)（沼氣工程），對(duì)于降低污染有機(jī)負(fù)荷及解決農(nóng)村能源短缺問(wèn)題具有重要作用。然而通過(guò)厭氧發(fā)酵處理的畜禽養(yǎng)殖污水產(chǎn)生量大，若直接排放會(huì)對(duì)土壤、地表以及地下水造成污染，現(xiàn)行的沼液還田模式往往受到養(yǎng)殖場(chǎng)周邊土地的限制，并且很容易產(chǎn)生二次污染，無(wú)法徹底解決沼液的污染問(wèn)題。因此，加強(qiáng)沼液深度處理技術(shù)的研究和應(yīng)用就顯得非常重要。本文通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外養(yǎng)殖場(chǎng)沼液處理技術(shù)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為沼液高效深度處理、資源化利用及防止環(huán)境二次污染等問(wèn)題提供解決思路。

沼液深度處理技術(shù)是指沼液通過(guò)物理、生物、化學(xué)或者植物吸收利用等方式處理后達(dá)標(biāo)排放或安全回用的技術(shù)。以下主要介紹序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反應(yīng)器（MBR）、人工濕地（FW）及沼液濃縮技術(shù)在沼液深度處理中的研究和應(yīng)用進(jìn)展。

1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法（SBR）是在同一反應(yīng)器中創(chuàng)造好氧／厭氧交替進(jìn)行的環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物降解、脫氮、除磷等多種功能，同時(shí)具有工藝簡(jiǎn)單、操作靈活、耐沖擊負(fù)荷等特點(diǎn)，非常適合處理以水質(zhì)水量變化大為特征的養(yǎng)豬廢水[3]。

在反應(yīng)器設(shè)計(jì)及操作過(guò)程優(yōu)化方面的研究和應(yīng)用情況有如下進(jìn)展。張婧倩等[4]通過(guò)對(duì)比前置反硝化SBR與連續(xù)流前置反硝化工藝相比在脫氮方面的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)介紹了前置反硝化SBR工藝的設(shè)計(jì)方法-簡(jiǎn)化模型法，以活性污泥法動(dòng)力學(xué)模型ASM1、ASM2和ASM3為理論基礎(chǔ),精簡(jiǎn)了動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)數(shù)量，對(duì)SBR系統(tǒng)的碳源和NO3--N進(jìn)行了核算，保證SBR最大限度地利用進(jìn)水中的碳源進(jìn)行高效脫氮；針對(duì)三種C/N值不同的廢水，提出了前置反硝化SBR工藝具體的設(shè)計(jì)實(shí)例,并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析。陳碧美等[5]采用兩次進(jìn)水SBR處理厭氧消化液，厭氧消化液經(jīng)兩次進(jìn)水SBR處理及硫酸亞鐵同步沉析及絮凝作用，出水CODCr、氨氮、總磷達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。王亞宜等[6]研究了雙污泥A2NSBR工藝反硝化除磷脫氮特性，主要考察了進(jìn)水C/P和C/N及HRT的影響作用；同時(shí)基于DO、ORP和pH的典型變化規(guī)律，驗(yàn)證它們作為反硝化除磷過(guò)程控制參數(shù)的可行性。

優(yōu)化SBR運(yùn)行工況也是一個(gè)重要的研究方向。楊劍等[7]采用SBR處理豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵消化液，在達(dá)到脫氮目標(biāo)的情況下，確定最優(yōu)運(yùn)行工況條件為在運(yùn)行參數(shù)C/N為10.4，DO為2.0mg/L，MLSS為5000mg/L條件下，瞬時(shí)進(jìn)水后厭氧攪拌40min+6h前段曝氣+60min后段厭氧攪拌+40min后段曝氣+1h沉淀+40min排水，處理效果最佳。

方炳南等[8]研究確定SBR處理豬場(chǎng)沼液的最優(yōu)的運(yùn)行工況為:瞬時(shí)進(jìn)水后厭氧1h+曝氣4h+兼氧攪拌80min+沉淀lh+排水40min，整個(gè)運(yùn)行周期為8h，進(jìn)水C/N控制在10左右，DO值控制在2mg/L時(shí)，SBR處理豬場(chǎng)沼液脫氮效果最好，經(jīng)處理后出水水質(zhì)能基本達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

重金屬對(duì)SBR處理效果影響及SBR活性污泥對(duì)重金屬的吸附性能的研究也是當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)。邢賾等[9]通過(guò)試驗(yàn)探討了Cu2+對(duì)豬場(chǎng)廢水SBR處理系統(tǒng)的影響，在確定去除COD最佳工況條件下，通過(guò)曲線擬合得到Cu2+對(duì)SBR的臨界脅迫濃度分別為2.994mg/L(按COD排放標(biāo)準(zhǔn))和4.956mg/L(按Cu2+排放標(biāo)準(zhǔn))，且通過(guò)鏡檢發(fā)現(xiàn)脅迫濃度下SBR微生物有較為明顯的變化。趙麗等[10]以SBR活性污泥系統(tǒng)為對(duì)象，研究了不同濃度Ni2+對(duì)SBR污水處理系統(tǒng)的長(zhǎng)期影響，結(jié)果表明，Ni2+對(duì)SBR系統(tǒng)的影響隨其濃度的增大而增強(qiáng)；當(dāng)Ni2+濃度為10mg/L時(shí)，Ni2+對(duì)SBR去除有機(jī)物和氨氮的抑制在試驗(yàn)前期不顯著，后期則十分明顯，對(duì)COD和NH4+-N的去除率分別下降了19.8%和55.6%；當(dāng)Ni2+濃度分別為20和40mg/L時(shí)，Ni2+對(duì)活性污泥的抑制作用明顯,對(duì)COD和NH4+-N去除率的最大降幅分別為23.4%、68.0%和34.0%、75.3%。在相同Ni2+濃度條件下，通過(guò)對(duì)比SBR去除COD和NH4+-N的抑制作用發(fā)現(xiàn)，SBR去除NH4+-N的抑制明顯強(qiáng)于去除COD的，說(shuō)明硝化菌對(duì)Ni2+的敏感性大于降解COD的菌種。吳云海等[11]研究了SBR活性污泥對(duì)四種重金屬離子(Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+)的吸附作用，結(jié)果表明:在30℃溫度下，pH為5時(shí),其對(duì)Cu2+、Zn2+、Mn2+的去除率達(dá)到最大值50%左右;當(dāng)pH為3時(shí),對(duì)Fe3+的去除率達(dá)到最大值73.6%，并用二級(jí)吸附速率方程描述了吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程；在10℃～30℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高，Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+的去除率分別由54.6%、46.3%、45.3%、68.9%,增加到58.6%、51.3%、49.6%、73.6%；當(dāng)重金屬離子初始質(zhì)量濃度為50mg/L、污泥投加量為0.2g時(shí)，Cu2+、Zn2+、Mn2+和Fe3+的去除率達(dá)到最大值，分別為61.5%、54.3%、53.3%和76.2%；吸附等溫線結(jié)果表明，Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+在污泥上的吸附可用Freundlich方程描述。

董國(guó)日等[12]首次提出了成分參數(shù)、過(guò)程參數(shù)和工藝參數(shù)3個(gè)概念，系統(tǒng)總結(jié)了SBR工藝有機(jī)物降解過(guò)程中COD、DO、OPR、pH數(shù)值曲線變化，討論了成分參數(shù)COD與過(guò)程參數(shù)DO、ORP、pH之間以及過(guò)程參數(shù)DO、ORP、pH相互間的相關(guān)性，探討了利用DO、ORP、pH進(jìn)行智能模糊控制的可能性，以期為SBR工藝的設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化控制提供理論基礎(chǔ)。

2 膜生物反應(yīng)器（MBR）

膜生物反應(yīng)器(MBR)是指把生物反應(yīng)與膜分離相結(jié)合，以膜為分離介質(zhì)替代常規(guī)重力固液分離獲得出水，并能改變反應(yīng)進(jìn)程和提高反應(yīng)效率的污水處理方法。作為一種新型的水處理技術(shù)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外已在多種水處理領(lǐng)域進(jìn)行了研究與應(yīng)用,長(zhǎng)期實(shí)踐運(yùn)行結(jié)果表明其具有出水水質(zhì)好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。應(yīng)用膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖沼液，不僅可以提高出水水質(zhì)，還具有濃縮原水的功能。

朱建龍等[13]采用MBR工藝處理規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖沼液對(duì)COD、氨氮等具有較好的去除效果，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行費(fèi)用較低；在進(jìn)水COD平均濃度為1389 mg/L時(shí)，平均出水濃度可達(dá)到118mg/L，COD平均去除率為91.5%；平均進(jìn)水氨氮濃度為276mg/L時(shí)，出水氨氮濃度可保持在50mg/L以下，平均濃度為31mg/L；MBR的平均有機(jī)負(fù)荷為2.7kgCOD/(m3/d)，工程運(yùn)行費(fèi)用為1.3元/t水，MBR出水水質(zhì)達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并遠(yuǎn)優(yōu)于浙江省的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(DB33/593-2005)。鄭育毅等[14]利用A/O工藝系統(tǒng)中組合膜生物反應(yīng)器(MBR)處理養(yǎng)豬廢水，研究了混合液污泥質(zhì)量濃度(MLSS)、氨氮負(fù)荷(AL)、堿度、DO與HRT等因素對(duì)脫氮的影響，結(jié)果表明，通過(guò)MBR系統(tǒng)提升MLSS，可提高A/O工藝的脫氮效果，并可減少反應(yīng)HRT及DO與堿度的消耗。

姜路等[15]將PLC控制系統(tǒng)引入到MBR處理污水過(guò)程中，主要對(duì)PLC控制系統(tǒng)的配置、控制方式及設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行闡述，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便、運(yùn)行安全可靠，解決了污水處理操作麻煩、運(yùn)行維護(hù)困難、需專業(yè)技術(shù)人員管理等難題。

崔喜勤等[16,17]將養(yǎng)豬場(chǎng)廢水作為處理對(duì)象，在不排泥情況下就膜生物反應(yīng)器(MBR)在處理廢水過(guò)程中污染物的去除效果、污泥特性以及膜通量的衰減情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，MBR對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水中污染物的去除效果較好，在水力停留時(shí)間(HRT)為9.6～48.0h，化學(xué)需氧量(COD)和NH4+-N容積負(fù)荷分別為0.2～2.9和0.05～2.10kg·/m3·d的條件下，MBR對(duì)COD和NH4+-N的去除率分別為80.1%～93.6%和76.8%～99.7%；反應(yīng)器中的污泥濃度隨容積負(fù)荷的增加而升高，通量隨運(yùn)行時(shí)間的增加而減小，并通過(guò)死端過(guò)濾實(shí)驗(yàn)和膜污染阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)，確定MBR中造成膜污染的優(yōu)勢(shì)污染物和優(yōu)勢(shì)污染阻力。

3 人工濕地

人工濕地是一種由人工建造和監(jiān)督控制的、與沼澤類似的地面，它是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。濕地系統(tǒng)主要由各種具有透水性的基質(zhì)、水生植物、水體、濕地中低等動(dòng)物和好氧或厭氧微生物種群五部分組成。

人工濕地水生植物有多種選擇。朱鳳香等[18]對(duì)比研究了茭白、蓮藕和水稻等不同水生作物全生育期對(duì)沼液進(jìn)行消解凈化處理效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，1hm2蓮藕池塘在1個(gè)全生育期可消納凈化沼液2475t，所得蓮藕符合NY5238-2005無(wú)公害食品水生蔬菜的要求;不同水生作物凈化沼液試驗(yàn)表明，按495t/hm2的灌溉量，茭白和蓮藕只需7d時(shí)間消解凈化就可符合國(guó)家GB18596-2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，水稻需要14d，而無(wú)作物的空白處理則需21d。

大量研究基于人工濕地基質(zhì)的選擇對(duì)處理效果影響。高紅杰等[19]研究了以天然鈣型沸石為基質(zhì)的循環(huán)流人工濕地對(duì)模擬養(yǎng)豬廢水的處理效能，結(jié)果表明，高NH4+-N負(fù)荷運(yùn)行22個(gè)月,可使人工濕地中的鈣型沸石對(duì)NH4+-N的吸附達(dá)到飽和；在天然鈣型沸石填料銨飽和條件下,濕地系統(tǒng)對(duì)模擬養(yǎng)豬廢水中NH4+-N的處理效果仍可達(dá)61%～76%,對(duì)TN的去除率可達(dá)66%～80%,對(duì)CODCr的去除率維持在78%～92%之間。劉娜娜等[20]采用靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了岷江砂、沱江砂、青衣江砂、沸石、活性炭對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中氨氮的吸附去除效率，吸附實(shí)驗(yàn)表明，砂對(duì)氨氮的去除率隨振蕩時(shí)間和投加量的增加而增加，通過(guò)吸附等溫曲線Langmuir方程和Freundlich方程擬合，計(jì)算得出砂的最大吸附容量為0.418mg/g，與實(shí)測(cè)吸附容量基本一致。

4 沼液濃縮技術(shù)

沼渣、沼液中含有大量的有機(jī)質(zhì)、腐殖酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),回用于農(nóng)田可有效提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量,但往往存在附近農(nóng)田消納能力不足、冬季利用量小、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸成本高等利用時(shí)空分布不均和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

針對(duì)沼液量大、儲(chǔ)存運(yùn)輸困難、營(yíng)養(yǎng)元素偏低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外采用真空濃縮和脫水等手段來(lái)濃縮沼液以減少其體積和提高營(yíng)養(yǎng)元素含量[22]。

梁康強(qiáng)等[23]提出了采用高耐污反滲透技術(shù)對(duì)沼液進(jìn)行濃縮；通過(guò)建立中試規(guī)模膜濃縮裝置,在間歇試驗(yàn)和連續(xù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分析膜通量、壓力、運(yùn)行時(shí)間、電導(dǎo)率等指標(biāo)的關(guān)系,研究了系統(tǒng)的最佳運(yùn)行壓力、沼液最佳濃縮倍數(shù)、連續(xù)運(yùn)行清洗周期等工藝參數(shù)；在此基礎(chǔ)上,對(duì)沼液的濃縮效果及系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，建立反滲透系統(tǒng)對(duì)沼液進(jìn)行濃縮是可行的,與原始沼液比較,所產(chǎn)透過(guò)液中氨氮、COD和電導(dǎo)率的去除率高達(dá)90%以上，同時(shí)濃縮沼液體積約為原液的20%～25%，沼液中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度提高4～5倍,可回用于農(nóng)業(yè)種植，實(shí)現(xiàn)了沼液的高值利用，過(guò)濾液可滿足沼氣工程工藝前端調(diào)漿要求。

宋成芳等[24]將超濾膜和納濾膜用于畜禽養(yǎng)殖廢棄物沼液的分離濃縮，處理過(guò)程不破壞沼液中有效物質(zhì)的活性，濃縮液可作為無(wú)公害生物肥料的原料；沼液的pH值影響其體積濃縮倍數(shù),當(dāng)pH值為5時(shí),體積濃縮倍數(shù)為最大值23倍，與沼液原液相比,濃縮液中的常規(guī)營(yíng)養(yǎng)成分、微量元素和部分活性物質(zhì)含量均得到顯著提高,其中TP濃度提高了約309倍，微量元素Fe、Mn和Zn濃度分別提高了約104、335和84倍，其他成分含量多數(shù)可提高10～20倍。

5 總結(jié)

綜上所述，應(yīng)對(duì)沼液的深度處理有多種方式，各具特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，將出現(xiàn)很多新的技術(shù)，現(xiàn)有處理技術(shù)也在不斷完善，將不斷優(yōu)化畜禽養(yǎng)殖沼液深度處理手段。在沼液深度處理實(shí)踐中，應(yīng)該根據(jù)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際規(guī)模和清糞方式等合理選擇廢水深度處理方式，不斷提高畜禽養(yǎng)殖的清潔生產(chǎn)水平。

[1]IleaRC. Intensive livestock farming: global trends，increasedenvironmental concerns，and ethical solutions Journal of EnvironmentalEthics[J]，2009, 22（2）：153～167.

[2]《全國(guó)畜禽養(yǎng)殖污染防治“十二五”規(guī)劃》2012.11.

[3]D Obaja，S Mace，J Costa，et al. Nitrification，denitrificationand biological phosphorus removal in piggery wastewater using asequencing batch reactor [J]. Bioresource Technology [J]，2003，87：103～111..

[4]張婧倩,彭永臻,唐旭光，等.前置反硝化SBR工藝的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)給水排水，26（12）:48～54.

[5]陳碧美，陸文忠，蘇蓉，等.兩次進(jìn)水SBR法處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液[J].能源環(huán)境保護(hù)，2010,24（2）:19～26.

[6]王亞宜,彭永臻,殷芳芳，等.雙污泥SBR工藝反硝化除磷脫氮特性及影響因素[J].環(huán)境科學(xué)，29（6）：1526～1532.

[7]楊劍，鄧超冰，冼萍，等.SBR處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液脫氮工藝的優(yōu)化[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（1）：174～177.

[8]方炳南，王志榮，黃武，等.SBR處理豬場(chǎng)沼液運(yùn)行工況優(yōu)化研究[J].中國(guó)沼氣，29(5)：47～50.

[9]邢賾，肖艷平，李苑，等.Cu2+對(duì)豬場(chǎng)廢水SBR處理的影響[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，10：130～133.

[10]趙麗,李曉晨,印華斌.Ni2+對(duì)SBR污水處理系統(tǒng)的影響[J].中國(guó)給水排水，2010，26（11）：91～95.

[11]吳云海,謝正威.SBR活性污泥吸附水中重金屬離子的研究[J].水資源保護(hù)，2010,25（5）：71～74.

[12]董國(guó)日,彭永臻.SBR工藝降解有機(jī)物及過(guò)程控制[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2010,36（1）：63～70.

[13]朱建龍，王麗亞，鄭煒，等.MBR工藝處理規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖沼液的工程應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2011（34）:41～43.

[14]鄭育毅,劉文偉,吳春山，等.MBR提高A/O工藝污水脫氮效果的研究[J].2010,26（2）：115～118.

[15]姜路，楊麗芳，張文波，等.PLC在MBR膜生活污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水，2011,27（10）：76～78.

[16]崔喜勤，林君鋒，申歡，等.好氧MBR處理垃圾滲濾液中膜面優(yōu)勢(shì)污染物及污染阻力[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012,6（6）:1980～1984.

[17]崔喜勤,林君鋒.好氧膜生物反應(yīng)器處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,39（1）:90～93.

[19]高紅杰，彭劍峰，宋永會(huì)，等.銨飽和天然鈣型沸石基質(zhì)人工濕地對(duì)模擬養(yǎng)豬廢水的處理效能[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2010,36（6）:14～34.

[20]劉娜娜，伍鈞，鄭丹，等.人工濕地基質(zhì)的篩選及其對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中氨氮吸附性能研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011,5（2）:783～788.

[21]陳龍,李杰,鐘成華，等.植物床人工濕地處理養(yǎng)殖廢水研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011,5（7）:1542～1547

[22]申歡.一種沼液制備有機(jī)液肥的方法及設(shè)備:中國(guó),CN10142530A[P].

[23]梁康強(qiáng),閻中,朱民，等，沼氣工程沼液反滲透膜濃縮應(yīng)用研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（3）：470～475.

[24]宋成芳，單勝道,張妙仙，等.畜禽養(yǎng)殖廢棄物沼液的膜過(guò)濾濃縮試驗(yàn)研究[J].中國(guó)給水排水，2011，27（3）：84～86.