我國規(guī)模化養(yǎng)豬場廢水處理技術(shù)研究進展

吳曉梅，葉美鋒，吳飛龍，林代炎

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究所， 福建 福州 350003)

隨著畜禽集約化養(yǎng)殖技術(shù)的進步和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，規(guī)?；i養(yǎng)殖得到快速發(fā)展。但隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，大量養(yǎng)豬業(yè)廢棄物給區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力與負面影響，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。我國2010年生豬存欄數(shù)已達46 460.0萬頭，出欄數(shù)66 686.4萬頭[1]。而目前我國畜禽養(yǎng)殖污染治理率僅21.7%，且90%以上的畜禽養(yǎng)殖場沒有污水治理設(shè)施，再加上80%的規(guī)?；笄輬龃蠖喾植加谥行〕鞘械慕紖^(qū)、人口稠密的沿江流域與城鄉(xiāng)結(jié)合地區(qū)，大量而集中的糞便污水任意排放，污染養(yǎng)殖場周圍空氣、附近土壤和地下水，造成飲用水源硝酸鹽超標，形成嚴重的面源污染，給自然環(huán)境和居民健康帶來巨大危害，也導(dǎo)致社會財富的巨大浪費。因此養(yǎng)殖場廢水污染有效防控與主動治理迫在眉睫。

1 養(yǎng)豬場廢水特性及治理主要工藝模式

1.1 養(yǎng)豬場廢水特性

養(yǎng)豬場廢水主要由尿液、糞便、飼料殘渣和沖洗水等組成，有的豬場還包括生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的生活廢水。養(yǎng)豬場廢水是高濃度的有機廢水，其水質(zhì)特征與清糞方式，以及沖洗水的使用、豬消化功能和生產(chǎn)管理等因素有關(guān)[2]。一般來說，養(yǎng)豬場廢水的CODCr含量11 000～28 000 mg·L-1、BOD5含量3 000～13 000 mg·L-1、NH3-N含量410～570 mg·L-1、P2O5含量410～680 mg·L-1，另外還含有各種病原微生物。含有這些污染物的養(yǎng)豬場廢水如果不進行適當(dāng)、有效的處理，一旦進入天然水體和農(nóng)田，會造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染。

1.2 養(yǎng)豬場廢水治理的主要工藝模式

養(yǎng)豬場廢水的治理方法可分為物理法、化學(xué)法和生物處理法。其中，物理法去除率低，而化學(xué)法存在二次污染，生物處理法是最經(jīng)濟有效的處理方法。生物處理法可分為厭氧處理法、好氧處理法、自然處理法和綜合處理法等[3]。厭氧處理法具有能量消耗低、有機負荷高、污泥產(chǎn)量低、可產(chǎn)生能源沼氣等優(yōu)點，但其出水仍然達不到排放標準，需要進一步的后續(xù)處理；用好氧處理法處理污水較為徹底，但其能耗高，需要耗費大量的資金；自然處理法的工藝簡單、投資費用低，但是受自然條件的制約較大。目前我國大多數(shù)養(yǎng)豬場采用的是以厭氧發(fā)酵為主體，并結(jié)合好氧處理和生態(tài)處理為后續(xù)處理技術(shù)的綜合處理方法。綜合處理方法一般分為兩種工藝模式，即能源環(huán)保型模式和能源生態(tài)型模式。根據(jù)不同的治理要求和不同豬場的實際情況，可選擇不同的工藝模式進行廢水處理，其中能源環(huán)保型模式適用于采用干清糞方式的大型和超大型豬場，能源生態(tài)型適用于采用水沖糞或水泡糞方式的小型和中型豬場[4]。

1.2.1能源環(huán)保型模式 能源環(huán)保型模式處理是將畜禽污水處理達標后直接排入自然環(huán)境或者回收利用。該工藝一般采用厭氧消化技術(shù)與后處理技術(shù)相結(jié)合的工藝技術(shù)路線，其中常用的后處理技術(shù)包括生態(tài)處理(氧化塘、人工濕地等)和好氧生物處理(SBR等)，工藝流程見圖1。該工藝可以使最終出水達標排放，防止二次污染，但工程沼氣產(chǎn)量較低，投資成本和運行費用高，適用于周邊沒有土地消納沼液的養(yǎng)豬場。我國沿海地區(qū)大中型集約化豬場周邊耕地有限，沼液無法在附近農(nóng)地還田利用，所以大多數(shù)豬場都必須選擇經(jīng)過后處理達標排放的能源環(huán)保型模式。楊朝暉等[5]利用固液分離-UASB-SBR工藝應(yīng)用于規(guī)模化養(yǎng)豬場廢水處理，CODcr去除率85%～90%、BOD5去除率82%～92%、氨氮去除率95%～98%，各項指標均達到排放標準。

圖1 能源環(huán)保型模式工藝流程圖

1.2.2能源生態(tài)型模式 能源生態(tài)型模式是將畜禽污水經(jīng)過厭氧發(fā)酵后產(chǎn)生的沼渣和沼液直接農(nóng)灌還田，此模式在豬場周圍必須有足夠的農(nóng)田、魚塘等用于消納沼渣和沼液，工藝流程見圖2。這一模式可將沼氣及其發(fā)酵副產(chǎn)物(如沼液、沼渣)等進行綜合利用：沼氣可用于炊事、照明、保暖以及水果的保鮮等；沼液可以用于浸種、葉面噴灑、生物農(nóng)藥等，有利于生產(chǎn)無公害果蔬；沼肥可用作蔬菜和果蔬的基肥和追肥，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。該模式的優(yōu)點是可將養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)畜禽糞便的資源化循環(huán)利用，最終達到“零排放”，具有良好的生態(tài)與經(jīng)濟效益。林代炎等[6]利用該模式在規(guī)?；B(yǎng)豬場發(fā)展沼氣能源、食用菌、種植業(yè)、養(yǎng)魚等產(chǎn)業(yè)，年節(jié)約成本105萬元，污水經(jīng)過各層次利用后作為沖欄水回用，最終在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)了糞污循環(huán)再利用。

2 養(yǎng)豬場污水治理主要單元技術(shù)

2.1 前處理技術(shù)

生豬養(yǎng)殖廢水的污染物濃度高，懸浮物含量大且易形成浮渣，這些浮渣進入后續(xù)的生化處理系統(tǒng)后將會堵塞管路，進而影響生化效果和最后的排放水質(zhì)。因此，采用適當(dāng)前處理技術(shù)不僅可以減輕后續(xù)污水處理的難度，而且也能夠減少后續(xù)污水處理的工程投入。目前，大部分規(guī)?；B(yǎng)豬場采用格柵、固液分離機、初沉池等前處理設(shè)施。

2.1.1格柵 格柵一般傾斜安裝在糞便污水的入口處，用以截留污水中的粗大懸浮物和雜質(zhì)(豬糞污水中通常含有樹枝、藥品和塑料袋等雜物)，防止后續(xù)處理設(shè)備堵塞或損壞。格柵的間距設(shè)置和污水的性質(zhì)決定了所能截留污染物的數(shù)量，柵條間距一般為16～25 mm，最大不超過40 mm，傾斜角45°～70°。

圖2 能源生態(tài)型模式工藝流程圖

2.1.2固液分離機 采用水沖糞或水泡糞這兩種清糞方式產(chǎn)生的糞便污水含有大量的有機污染物和懸浮物，需要通過固液分離后再分別處理固形物和污水，從而有效降低污水中的污染物濃度，同時可確保后續(xù)的厭氧處理工藝穩(wěn)定、有效運行。林代炎等[7-8]研制的振動式固液分離機FZ12獲得國家發(fā)明專利，并利用幾種不同的固液分離設(shè)施對豬糞污水進行固液分離試驗。試驗結(jié)果表明：FZ12固液分離機更適合規(guī)?；B(yǎng)豬場的污水前處理，對總固體物質(zhì)(TS)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)的去除率分別達到63.2%、61.9%和59.0%,分離出的糞渣含水率為52.6%。張德暉等[9]開展了水平圓振動畜禽糞便固液分離機的可行性研究，該固液分離機具有性能可靠、構(gòu)造簡單、制造成本和維護費用低、易推廣等特點。余光濤等[10]利用全自動高效固液分離機對養(yǎng)豬場糞便污水進行前處理，配套功率2.50～3.75 kW，每小時處理污水量20～40 t,脫水后糞渣TS降低至35%，含水率為60%～65%。

2.1.3初沉池 初沉池的作用主要是去除懸浮固體中的可沉降固體物質(zhì)，在一定程度上還可起到調(diào)節(jié)池的作用。但是，在廢水中COD濃度特別低，而懸浮物(SS)又不是很高的情況下，為了避免碳源不足影響后續(xù)處理，通常不設(shè)初沉池。

豬糞污水經(jīng)固液分離后，其懸浮物的比重較大且顆粒度較小，因此更具沉降性。研究表明，固液分離后的糞便污水經(jīng)沉淀處理，對懸浮物的去除率可達30%～35%，其沉降效果與污水水溫密切相關(guān)，冬天水溫低，沉淀效果好，而夏天水溫高，容易發(fā)酵而不易沉淀。

2.2 厭氧處理技術(shù)

近年來，國內(nèi)外研究人員對養(yǎng)豬場廢水的生物處理技術(shù)開展了大量研究和實踐。由于養(yǎng)豬廢水COD濃度較高且波動較大，若直接進入好氧處理系統(tǒng)，會造成負荷高、處理能耗大、運行成本高等問題。利用厭氧發(fā)酵處理養(yǎng)豬場廢水，不但可以有效降低污水中有機物濃度，其附加產(chǎn)品——沼氣還可以作為燃料或用于發(fā)電，降低能源消耗；厭氧發(fā)酵的另一副產(chǎn)物——沼液，可作為優(yōu)質(zhì)有機肥施用于各類農(nóng)作物，降低化肥用量，進一步提高農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。因此，厭氧發(fā)酵處理技術(shù)與好氧處理技術(shù)相比顯得更為經(jīng)濟有效，是治理規(guī)模化養(yǎng)豬場糞便污水的核心技術(shù)[11]。

2.2.1厭氧發(fā)酵工藝 自20世紀50年代Schroepfer開發(fā)了第一代反應(yīng)器——厭氧接觸反應(yīng)器以后，科研人員在實踐過程中通過不斷改進和創(chuàng)新，進而開發(fā)了以厭氧濾池(AF)、升流式厭氧污泥床(UASB)、升流式厭氧固體反應(yīng)器(USR)等為代表的第二代反應(yīng)器，以及以厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)等為代表的第三代反應(yīng)器[12]。

目前用于處理養(yǎng)豬場廢水的厭氧發(fā)酵工藝有很多，其中較為常用的有以下幾種：

(1)隧道式沼氣池。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的ZWD型隧道式沼氣池是我國最先設(shè)計應(yīng)用的水壓式沼氣池型，該沼氣池具有占地面積小、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點，大大提高了產(chǎn)氣率，克服了舊式水壓式沼氣進出料難、占用有效建造容積等缺點。目前已經(jīng)應(yīng)用于省內(nèi)數(shù)十家養(yǎng)殖場，并在畜牧場內(nèi)建立養(yǎng)豬場廢水循環(huán)利用系統(tǒng)，使沼氣、沼液、糞渣全部得到充分的利用，實現(xiàn)“零排放”[13]。該工藝適用于中小型養(yǎng)豬場污水處理，可處理高濃度、高懸浮物的豬場廢水，運行效果顯著。

(2)升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)。UASB是目前國內(nèi)運用最多的反應(yīng)器，其工藝特征是在上部設(shè)置氣、液、固三相分離器，下部為污泥懸浮層區(qū)和污泥床區(qū)，廢水從底部流入，向上升流至反應(yīng)器頂部流出。由于混合液在沉淀區(qū)進行固液分離，污泥可自行回到污泥床區(qū)，使污泥床區(qū)能保持很高的污泥濃度和生物活性。該反應(yīng)器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、占地面積少、處理效果好、處理成本低、投資少等，對高濃度有機廢水有較好的適應(yīng)性，設(shè)備材質(zhì)采用碳鋼防腐，使用壽命長達10～20年[14]。

(3)升流式厭氧固體反應(yīng)器(USR)。USR是一種簡單的反應(yīng)器，是參照UASB原理開發(fā)的，是目前最有發(fā)展前途的結(jié)構(gòu)類型。原料從底部進入消化器，消化器內(nèi)不需要攪拌裝置，不需要污泥回流，也不需要安置三相分離器，能自動形成比HRT較長的SRT與MRT，未反應(yīng)的生物固體和微生物靠自然沉淀滯留于反應(yīng)器內(nèi)[15]。該反應(yīng)器具有消化效率高、無短流現(xiàn)象、不易結(jié)殼等優(yōu)點，可處理含固率較高(5%～10%)的廢水，近年來多用于處理高濃度、高懸浮物的養(yǎng)殖廢水。

(4)IC(內(nèi)循環(huán))厭氧反應(yīng)器。IC厭氧反應(yīng)器是一種高效能多級內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器，1986年由荷蘭某公司研究成功并用于生產(chǎn)，是目前世界上效能最高的厭氧反應(yīng)器。該反應(yīng)器利用反應(yīng)器內(nèi)沼氣的提升力實現(xiàn)發(fā)酵料液的內(nèi)循環(huán)，廢水在反應(yīng)器中自下而上流動，污染物被細菌吸附并降解，凈化過的水從反應(yīng)器上部流出。與第二代厭氧反應(yīng)器相比，具有容積負荷高、抗沖擊負荷能力強、抗低溫能力強、具有緩沖pH值的能力、出水穩(wěn)定性好、節(jié)省投資和占地面積小及內(nèi)部自動循環(huán)無需外加動力等優(yōu)點[16]。該工藝具有較高的處理效率，更適用于有機高濃度廢水，但對懸浮物較多的物料并不適用。

(5)膨脹顆粒污泥床(EGSB)。針對UASB反應(yīng)器內(nèi)混合強度不夠和容易形成短流等缺點，第三代厭氧處理工藝——EGSB應(yīng)運而生。EGBS可提高反應(yīng)器水力負荷，同時采用出水回流的方式可降低污染物對微生物的毒害作用。該反應(yīng)器除了具備UASB所具有的特征以外，還具有另外一些優(yōu)點，比如：上升流速高、COD 去除負荷高；厭氧污泥顆粒粒徑較大，反應(yīng)器抗沖擊負荷能力強；反應(yīng)器為塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有較高的高徑比，占地面積小等[17]。EGSB可用于SS含量高的和對微生物有毒性的廢水處理，該反應(yīng)器不但在處理低濃度污水時具有UASB無法比擬的優(yōu)越性，而且對于處理中高濃度污水同樣能取得良好的效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.2.2厭氧發(fā)酵工藝對不同清糞方式的適用性 對于水沖糞或水泡糞清糞方式的混合污水，其COD濃度通常在5 000～20 000 mg·L-1范圍，同時SS濃度也較高，適宜采用塞流式或全混合的厭氧發(fā)酵工藝，比如隧道式沼氣池、IC內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器等。林代炎等利用以隧道式沼氣池為主要處理單元的生物處理工藝處理清糞方式為水沖糞的養(yǎng)豬場廢水，其污水中COD含量從8 350 mg·L-1降到400～450 mg·L-1[18]，達到《糞便無害化衛(wèi)生標準》(GB7959-1987)。干清糞后的污水濃度通常較低，其COD濃度一般為1 000～7 600 mg·L-1，可以采用發(fā)酵水力負荷較高的UASB或USR等工藝。趙軍等[19]利用UASB為主要處理單元的生物處理工藝處理清糞方式為干清糞的養(yǎng)豬場廢水，結(jié)果表明：該反應(yīng)器對COD具有高效的去除率，COD從6 000 mg·L-1降低至200～400 mg·L-1。

2.3 后處理技術(shù)

厭氧工藝雖具有眾多優(yōu)點，但畢竟是一種不徹底的處理方式，厭氧出水的COD一般仍高達1 200～1 500 mg·L-1，因此必須對出水進行進一步的后續(xù)處理。目前應(yīng)用較多的后處理技術(shù)主要包括人工濕地處理技術(shù)、生物氧化塘處理技術(shù)、沼液回田利用技術(shù)以及SBR曝氣處理技術(shù)等等。

2.3.1人工濕地處理 人工濕地是由碎石構(gòu)成碎石床，在碎石床上栽種耐有機物污水的高等植物，這在一定程度上凈化污水，并能給生物濾床增氧，降解礦化有機物。另外，人工濕地碎石床也是一種過濾懸浮物的結(jié)構(gòu)，能夠進一步去除污水中的懸浮物質(zhì)。此技術(shù)能夠高效地去除BOD、COD、SS、N、P等污染物，提高含氧量，并消除異味、細菌和病毒[20]。人工濕地系統(tǒng)作為一種兼有水體修復(fù)、園林綠化和景觀效果的水處理設(shè)施，其處理費用較低，且具有較高的應(yīng)用價值。

2.3.2生物氧化塘 生物氧化塘不僅能有效地處理高濃度有機物水，也可以處理低濃度污水，按照塘內(nèi)微生物的類型和供氧方式來劃分，可以分為好氧塘、厭氧塘、兼性塘以及曝氣塘。氧化塘污水處理系統(tǒng)具有基建投資和運轉(zhuǎn)費用低、維護和維修簡單、能有效去除污水中的有機物和病原體、耐沖擊負荷能力強、污泥產(chǎn)量低，以及可美化環(huán)境形成生態(tài)景觀等優(yōu)點[21]。養(yǎng)豬場廢水氮磷含量高，將生物氧化塘作為生豬養(yǎng)殖廢水的后續(xù)處理工藝，在沼氣厭氧發(fā)酵基礎(chǔ)上因地制宜采用水生物氧化塘工藝進行深度脫氮除磷，可對污水起到進一步的凈化作用。

2.3.3回田利用 沼液中含有農(nóng)作物生長所需的N、P、K等礦物元素，同時還含有各種生理活性物質(zhì)及微量元素，如果能夠合理利用必定能帶來一定的經(jīng)濟價值。根據(jù)不同地區(qū)的實際情況，在不超過耕地消納能力的前提下開展沼液耕地安全利用研究，種植牧草、蔬菜、果樹等，既能消納沼液解決環(huán)境污染問題，又可增加農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加農(nóng)民收入，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，可謂一舉多得。

2.3.4SBR好氧曝氣處理 SBR反應(yīng)器集進水、反應(yīng)、沉淀、出水于一體，具有不需要二次沉淀池和污泥回流系統(tǒng)，占地面積小，運行管理方便，耐沖擊負荷能力高等優(yōu)點，非常適合用于養(yǎng)豬場廢水處理以及現(xiàn)有工藝的改造，結(jié)合厭氧發(fā)酵或其他工藝可取得良好的處理效果，是目前較為常用的后處理措施[22]。

3 幾點思考

(1)治理原則：對生豬養(yǎng)殖廢水的治理本著“減量化”“無害化”“資源化”和“可控化”的原則，既要減少污水量和污水中污染物含量，還要化害為利、變廢為寶，實現(xiàn)生產(chǎn)良性循環(huán)，達到污水“零排放”的目標。

(2)多管齊下：由于生豬養(yǎng)殖廢水成分較為復(fù)雜，單一的處理技術(shù)很難達到處理要求，因此應(yīng)采用多種處理技術(shù)相結(jié)合的方式以達到最佳處理效果。

(3)因地制宜：在選擇工藝模式時需要根據(jù)不同地區(qū)的自然、地理條件和經(jīng)濟發(fā)展水平，因地制宜采用不同的糞污治理方式，充分利用當(dāng)?shù)刈匀粭l件和地理優(yōu)勢優(yōu)先選用廢棄物消納利用技術(shù)，然后選擇最適宜的處理技術(shù)，以減少資金投入，降低運行成本，促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。

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