畜禽糞污水綜合處理工藝及應用

龍定彪，解雅東，江?山，蒲施樺?

（1.?重慶市畜牧科學院，重慶??榮昌??402460；2.農業(yè)部養(yǎng)豬科學重點實驗室，重慶??榮昌??402460；3.農業(yè)部西南養(yǎng)殖工程科學觀測實驗站，重慶??榮昌??402460）

解決方案

畜禽糞污水綜合處理工藝及應用

龍定彪1，2，3，解雅東1，3，江?山1，蒲施樺1，2，3

（1.?重慶市畜牧科學院，重慶??榮昌??402460；2.農業(yè)部養(yǎng)豬科學重點實驗室，重慶??榮昌??402460；3.農業(yè)部西南養(yǎng)殖工程科學觀測實驗站，重慶??榮昌??402460）

畜禽糞污水具有高有機物濃度、高氨氮的特點，采用一般工業(yè)廢水、生活污水的處理方法并不適用于畜禽養(yǎng)殖業(yè)糞污水的處理，因此，發(fā)展適合我國養(yǎng)殖污水處理的工程技術就顯得尤為重要。文內對畜禽糞污水的特點，UASB、USR、SBR等處理方式及工程案例進行總結，旨在為畜禽糞污水的控制提供參考依據。

畜禽糞污水；處理工藝；處理流程

畜牧養(yǎng)殖業(yè)是農業(yè)生產的重要組成部分，在科技的不斷推動下，我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)正在向集約、集中化發(fā)展，但大部分還是采用傳統(tǒng)養(yǎng)殖的模式，其規(guī)模小、分布零散的特點給畜禽糞污水的處理帶來了難題，加之我國養(yǎng)殖人員環(huán)境意識淡薄，畜禽糞污水處理成本高、工藝復雜等因素，導致畜禽養(yǎng)殖污染源已成為我國主要的農業(yè)污染源之一。因此，如何在提高畜牧糞污水的后續(xù)處理水平的同時，改善生態(tài)環(huán)境，實現養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將成為今后環(huán)境領域研究的熱點。本文將系統(tǒng)總結我國規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場糞污水帶來的危害及處理的方法，旨在為畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染控制提供參考依據。

1　畜禽糞污水特性及危害

1.1畜禽糞污水特性

畜禽糞污水具有高氮、高有機質濃度等特點，其污染負荷遠超過工業(yè)廢水和生活污水的總和。畜禽糞便含多種復雜的化學成分，其中揮發(fā)性有機物的含量約占到75%，蛋白質含量約為15.8%～23.5%，豬糞中的主要成分有81.5%的水分，15%的有機質，0.60%的N，0.40%的P2O5和0.44% 的K2O。

1.2畜禽糞污水危害

畜禽糞污水對水體、空氣都會帶來一定的危害，甚至可能導致傳染病的發(fā)生。畜禽糞污水中的高濃度有機質、高氨氮及致病菌，若不經處理直接排入或隨雨水進入到江河湖庫勢必會造成地表水和地下水水體嚴重污染；同時，畜禽糞污水中的有機物成分被分解產生的硫化氫、氨氣、甲烷等惡臭、有害氣體以及攜帶病原微生物的粉塵會污染周圍空氣，不僅對畜禽的生長造成影響，同時也會危害周圍居民的身體健康。

2　畜禽糞污水處理工藝

為了降低畜禽糞污水對環(huán)境造成的危害，須將畜禽糞污水集中收集處理。畜禽糞污水處理工藝從總體上看可以分為以下3類：源頭控制法、自然處理和工業(yè)化處理。

2.1源頭控制法

源頭控制法是在滿足畜禽生長及生產效率的同時降低飼料中含氮、磷等營養(yǎng)物質，從而提高畜禽對飼料營養(yǎng)的吸收利用率，達到降低畜禽糞尿中污染物質排放量的目的。但源頭控制法不能從根本上消除畜禽糞尿對環(huán)境的影響，只能適當降低其對環(huán)境的污染程度，源頭控制方法需配合合理的后續(xù)處理畜禽糞尿的方法，才能有效的控制畜禽糞尿帶來的環(huán)境污染。

2.2自然處理

自然處理是利用土壤、天然水體、生物，通過物理、化學及生物的綜合作用達到凈化畜禽糞污水的方法［2］。處理方式主要包括還田利用、人工濕地、氧化塘等方法。

2.2.1還田利用

還田利用是將畜禽糞污水用于灌溉農田，糞污水進入土壤后，在土壤微生物和植物的作用下，將污水中的有機物質分解成為腐殖質和植物生長因子，供植物生長利用。還田利用不僅可以減少化肥的使用，還可以改善土壤通透性，促進有益微生物生長［3］。但污水的還田利用對土地需求量大，未經處理的高濃度畜禽污水直接排入農田可能會造成硝酸鹽、磷和重金屬等物質的沉積，導致地表水及地下水的污染；而施用糞污水中的大量致病菌還可能會引發(fā)傳染病或人畜共患病的危險。

2.2.2人工濕地

人工濕地主要由濕地植物、基質和微生物構成，通過濕地中的微生物、植物及基質的物理、化學和生物作用達到凈化畜禽糞污水的目的。其中植物是人工濕地的重要組成部分，通常選取蘆葦、茭白、美人蕉等作為濕地植物［4］，具有良好的景觀效應和生態(tài)效應。植物直接吸收污水中的N、P、K等物質，通過光合作用為其根區(qū)提供氧氣，為濕地系統(tǒng)微生物營造好氧-缺氧-厭氧的生物環(huán)境；人工濕地中的微生物將大分子有機物質降解為小分子物質供植物吸收，為植物提供營養(yǎng)成分，兩者相互影響，相互作用；基質作為微生物和植物的營養(yǎng)物質載體，其種類、尺寸、填充方式等都會對濕地系統(tǒng)的去除效率有影響。常見的人工濕地基質主要有沸石、火山巖、高爐廢渣、土壤等［5］。楊旭等［6］研究表明，在進水流量為1.5?m3/d時，人工濕地系統(tǒng)對含沼液畜禽廢水具有較好的處理效果，污水中化學需氧量（COD）、總磷含量（TP）、總氮含量（TN和）氨態(tài)氮（NH4+-N）濁度平均去除率分別為59.21%、53.80%、55.09%和55.57%。

2.2.3氧化塘

氧化塘是利用天然或者人工修整過的池塘進行污水處理的方法。氧化塘內的藻類可通過光合作用提高溶解氧（DO），并為微生物提供良好的生存環(huán)境。墨西哥一家養(yǎng)豬場采用沉淀池-厭氧塘-兼性塘-深度處理塘的污水處理工藝處理該豬場廢水，廢水中的?COD?在厭氧塘、兼性塘、深度處理塘中的去除率分別為?37%、48%、28%［7］。

2.3工業(yè)化處理

工業(yè)化處理模式是通過厭氧處理、好氧處理等方式對畜禽糞污水進行處理。對一些經濟發(fā)達的大城市近郊、無足夠農田消納畜禽糞污水的養(yǎng)殖場，工業(yè)化處理是相對較好的選擇。一般用于處理畜禽糞污水的工業(yè)化處理方法有UASB、USR、亞硝化-厭氧氨氧化、SBR、活性污泥法等。

2.3.1升流式厭氧污泥床（UASB）

UASB（upflow?anaerobic?sludge?blanker）在1974年由荷蘭著名學者G.Lettinga等［8］提出，1977年在國外投入使用，至今已有近40年的發(fā)展歷史。UASB是利用重力場對不同密度物質的差異進行設計的，由污泥反應區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室3部分組成。畜禽糞污水由反應器底部進入，經布水器均勻布水后到達具有良好沉淀性能和凝聚性能的顆粒污泥層，污泥中的微生物分解畜禽糞污水中的有機物，將其轉化為沼氣。沼氣以微小氣泡的形式不斷合并上升，進入到三相分離器，碰到分離器下部的反射板時，折向反射板四周，穿過水層進入氣室；而固液混合物進入三相分離器的沉淀區(qū)，經過絮凝反應，污泥顆粒逐漸增大，最終經斜板滑回厭氧反應區(qū)，處理后的出水經沉淀區(qū)溢流堰流出。研究表明［9］，畜禽廢水經過UASB反應器后，COD的去除率達到85%以上，同時對TN和TP也有一定的去除效果。

UASB具有適應性強，結構、運行操作、維護管理相對簡單、造價較低、技術較為成熟等特點，且可以收集在處理過程中產生的沼氣［10］，收集的沼氣可用作生活供氣、供電，是一種經濟有效地處理污水的方法。

圖1　UASB反應工作原理示意圖

2.3.2升流式固體厭氧反應器（USR）

由于經過UASB反應器的畜禽污水中的高懸浮物（SS）含量仍然很高，故在其基礎上研發(fā)了USR反應器，因為主要處理畜禽糞污水中的固體物質，故將USR稱為升流式固體厭氧反應器。畜禽糞污水從反應器底部進入消化器內，與活性污泥接觸，使糞污水迅速消化。未被消化的有機物及污泥由于重力作用沉降回消化器內，上清液從消化器上部溢出，這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期（SRT）和微生物滯留期（MRT），從而提高了固體有機物的分解率和消化效率［11］，且消化器內無需設置污泥回流裝置和三相分離器。蔡盛［12］等研究表明在中溫條件下（35～40℃），采用USR反應器處理豬場糞污水，COD去除率可達77%～92%，去除效率較高。

相比于UASB反應器，USR工藝結構簡單、操作便捷，無需設置三相反應器，因此在處理高懸浮物的畜禽糞污水領域具有更好的發(fā)展前景。

2.3.3亞硝化-厭氧氨氧化（Sharon-Anammox）

Sharon-Anammox工藝操作簡單、處理負荷高，無需添加亞硝氮，含有重碳酸鹽可以補償亞硝化造成的堿度消耗，且最終產物為N2，大大降低了NO等溫室氣體的排放［13］，是現今應用較為廣泛使用的厭氧氨氧化工藝。Sharon-Anammox整個工藝分兩步進行，第1步亞硝化（Sharon）階段可將50%～60%的-N轉化為-N，剩余的-N與N一同進入厭氧氨氧化（Anammox）階段發(fā)生厭氧氨氧化反應，反應流程如圖2所示。Sharon-Anammox工藝在低碳氮比豬場養(yǎng)殖廢水處理過程中得到廣泛應用，調節(jié)進水中有機物質量濃度是Sharon-Anammox工藝處理畜禽糞污水的關鍵。有研究表明，在處理養(yǎng)殖廢水的試驗中，當初始COD濃度達到600?mg/ L時，Anammox菌仍然可以表現出很強的活性，并占據主導地位［14］。

圖2　Sharon-Anammox工藝流程圖

2.3.4氧化溝

氧化溝工藝是20世紀50年代由荷蘭衛(wèi)生工程所研制而成的，氧化溝工藝是利用循環(huán)式混合曝氣溝渠處理污水的工藝。氧化溝具有完全混合和推流的特征，有利于克服短流現象，并提高氧化溝的緩沖能力。有研究表明［15］，三溝式氧化溝前加內循環(huán)（IC）厭氧處理工藝處理豬場糞污水時，COD去除率高達97%，氨氮去除率78.6%，處理效果良好。

2.3.5序批式活性污泥法（SBR）

SBR是由傳統(tǒng)Fill-Draw系統(tǒng)改進而來的間歇式活性污泥法，它將污水處理構筑物從空間系列轉化為時間系列，實現厭氧與好氧交替，在同一構筑物內經歷進水、反應、沉淀、排水、閑置等過程。SBR與一般活性污泥法相比，不需要另外設置二沉池。不同時期豬場糞污水中氨氮含量差異很大，而SBR反應器耐沖擊負荷較強，可以有效地緩解進水氨氮濃度差異大等問題，但在畜禽糞污水處理中SBR一般多與其他處理方式結合使用。

研究表明［16］，SBR反應器對COD、氨氮的去除率分別在80%～85%和85%～90%。SBR具有工藝簡單、處理效果穩(wěn)定、占地面積小、耐沖擊負荷等優(yōu)點，是目前業(yè)界正深入研究的一項污水處理技術。

3　畜禽糞污水處理流程

一般而言，單憑一種處理工藝很難實現對含高濃度有機質和高濃度氨氮的畜禽糞污水的高效去除，必須進行深度處理或后續(xù)處理，因此將兩種工藝聯(lián)合運行，成為養(yǎng)殖場糞污水去除的熱點。目前國內外多采用高效厭氧處理，結合生物氧化技術，以實現污水達標排放。

3.1厭氧+好氧工藝

“UASB+SBR”也是一種理想的處理畜禽糞污水的組合工藝，Li等［17］人在中試規(guī)模試驗中利用“UASB+SBR”組合工藝處理豬場廢水，在室溫條件下，穩(wěn)定運行后COD、氨氮、SS和TP的去除效率分別可達到92%、90%、95% 和80%［18］。USR工藝是在UASB工藝基礎上發(fā)展而來，使得USR反應器更適合高懸浮物的畜禽糞污水的處理。福建某果牧農場為解決高濃度糞便污水帶來的環(huán)境問題，采用“USR+SBR”組合工藝，其工藝流程見圖3，該組合工藝處理養(yǎng)豬場污水可以獲得良好的效果。利用USR適用于含高懸浮物的畜禽養(yǎng)殖污水的特點，并配合具有可靠除磷脫氮功能的SBR反應器，在保證達標排放的同時回收沼氣能源，是一種經濟有效的組合處理方式。

3.2厭氧+自然工藝

“厭氧+人工濕地”系統(tǒng)是將人工濕地處理有機廢水技術作為厭氧處理畜禽糞污水的后處理單元，實現養(yǎng)殖污水的有效治理。張安來［19］等研究表明，采用“厭氧+人工濕地”系統(tǒng)常年運行較穩(wěn)定，經該系統(tǒng)處理后出水水質可達到國家“畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準（GB18596-2001）”；氧化塘與人工濕地同樣可以作為后期處理畜禽糞污水的工藝；深圳農牧實業(yè)公司畜禽糞污水經過“UASB+氧化塘”工藝，處理后的污水COD、BOD、SS的去除率達99%以上，出水COD、BOD均可達到深圳市廢水排放標準，工藝流程見圖4［20］。

4　展望

畜禽糞污水含有高濃度的氨氮、磷、有機污染物，如何去除這些污染物質一直以來都是各國專家學者研究的重點。現如今，畜禽糞污水處理的方式繁多，要選擇適宜的處理方式就必須從技術、成本、本地自然條件、操作便捷等多方面綜合考慮。由于我國仍以傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式為主，如何處理小規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場糞污水，降低養(yǎng)殖業(yè)糞污水后續(xù)處理成本將成為今后研究的熱點。

圖3　USR+SBR工藝流程圖

圖4　UASB+氧化塘工藝流程圖

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2016-06-07）

“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2012BAD39B02）；現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金項目（CARS-36）.

龍定彪（1979.09），女，副研究員，博士，研究方向為畜禽健康養(yǎng)殖，87902798@qq.com

蒲施樺（1986.08），女，助理研究員，碩士，研究方向為畜禽養(yǎng)殖環(huán)境，710108384@qq.com.