兩種典型生豬糞污資源化利用路徑下污染物消減規(guī)律分析

李佩洋 童慶芳 蔡立梅 鄧兵 濮振宇 *

（1.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430100；2.湖北省武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院畜牧獸醫(yī)研究所，湖北武漢 430209；3.武漢市江夏區(qū)動物疫病預(yù)防控制中心，湖北武漢 430200）

1 引言

隨著生豬養(yǎng)殖企業(yè)規(guī)?；?、集約化水平提高，生豬養(yǎng)殖效率大幅提升，但集中產(chǎn)生的糞便和污水也給企業(yè)帶來巨大的治理負(fù)擔(dān)。豬場糞污中富含氮、磷、鉀等有機(jī)物，也含有抗生素、重金屬等污染因子。經(jīng)過科學(xué)的處置（如厭氧發(fā)酵、A/O 曝氣），豬場糞污能夠變廢為寶，成為可供農(nóng)業(yè)利用的糞肥資源。目前，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部正在大力推進(jìn)糞肥資源的科學(xué)還田利用。

沼氣工程是規(guī)?；i養(yǎng)殖場常配套的糞污處理設(shè)施，工藝主要包括混合式厭氧法（CSTR）、上流式厭氧污泥床法（UASB）［1］。厭氧處理工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝流程相對簡單、對有機(jī)質(zhì)的降解效果較好且能產(chǎn)生能源物質(zhì)沼氣，缺點(diǎn)是受氣溫變化的影響較大、處理效果不穩(wěn)定。近年來，隨著市政污水處理工藝的日趨成熟，豬場糞污處理過程中也開始引入好氧處理方法，如多級氧化、接觸氧化等工藝［2］。相較于厭氧處理，好氧處理的效果更加徹底，出水水質(zhì)更好，但是相應(yīng)的藥品投入成本、運(yùn)行維護(hù)成本也更高，目前還未得到廣泛應(yīng)用［3］。

為了評估厭氧和好氧兩種典型污水處理工藝對豬場糞污的處理效果，本研究選取了兼具這2 種處理工藝的某大型生豬養(yǎng)殖場，在6 個時間點(diǎn)采集不同處理階段的污水樣品：分別為集污池中的原糞，調(diào)節(jié)池中固液分離后的糞污，沼液池中的沼液，一級生化好氧池中的污水和二級生化好氧池中的污水，終沉池中的終沉水，以及處理后排到農(nóng)田中的農(nóng)田水和農(nóng)田附近溝渠中的溝渠水，對這8 種樣品進(jìn)行了總氮（TN）、總磷（TP）、COD、氨氮（NH3－N）、溶解氧（DO）、氧化還原電位（Eh）、濁度、電導(dǎo)率、pH 指標(biāo)的檢測，分析了生豬養(yǎng)殖場糞污處理及其還田利用各階段污染因子消減規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 材料

本研究采集的實(shí)驗樣品是在武漢市某豬場的資源化利用工作站中集污池中的原糞、調(diào)節(jié)池中的固液分離的糞污、沼液池中的沼液、一級生化好氧池中的一級生化水、二級生化好氧池中的二級生化水、終沉池中的終沉水，以及還田區(qū)域中的農(nóng)田水，并采集了實(shí)驗藕田附近的溝渠水作為對照。沼氣站簡易流程如圖1。

圖1 沼氣站簡易流程

2.2 實(shí)驗方法

2.2.1 樣品處理

樣品采集之后，存放到4 ℃冰箱之中；在測定NH3－N 濃度時，調(diào)節(jié)樣品pH 至10.5 左右（參考GB 7479—87《水質(zhì) 銨的測定 納氏試劑比色法》）。

2.2.2 水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法

TN 的檢測參照GB 11894—89 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TP 的檢測參照GB/T 11893—89鉬酸銨分光光度法；NH3－N 的檢測參照GB 7479—87 納氏試劑比色法；COD 的檢測參照GB 11914—89 重鉻酸鉀法。

對于DO 和電導(dǎo)率以及Eh 等物理性質(zhì)的檢測，采用美國HQ series 便攜式檢測儀進(jìn)行；濁度利用HACH2100Q 進(jìn)行測定。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理方法

每組實(shí)驗處理設(shè)置3 個重復(fù)，利用Excel 對TN，TP，NH3－N，COD 進(jìn)行方差分析；利用Origin2018 進(jìn)行柱狀圖的繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 水質(zhì)部分物理指標(biāo)變化分析

DO 是研究水體自凈能力的一種依據(jù)，水中DO值越小，說明水質(zhì)被污染得越嚴(yán)重；DO 值相對越大，說明水體污染不嚴(yán)重［4］。實(shí)驗樣品各階段DO 變化趨勢見圖2，從圖2 中可以看出，DO 指標(biāo)整體呈上升趨勢。原糞、固液分離的糞水、沼液的DO 濃度變化趨勢較平穩(wěn)，從一級生化水開始，DO 值上升。說明糞污在集污池到沼液池期間的凈化處理的效果并沒有那么明顯；從一級生化好氧池到終沉池，糞污處理效果明顯，最終還田利用時，DO 值約為7.2 mg/L，溝渠水DO 值為8.0 mg/L，二者差距不大。

圖2 實(shí)驗樣品各階段的DO 濃度變化趨勢

電導(dǎo)率是以數(shù)字表示溶液傳導(dǎo)電流的能力，這種能力的產(chǎn)生取決于離子的性質(zhì)和濃度、溶液的溫度和黏度等，所以對糞污進(jìn)行電導(dǎo)率的檢測，某種程度上也可以反映水體處理的效果［5］。實(shí)驗樣品各階段的電導(dǎo)率變化趨勢整體呈下降趨勢，見圖3，從圖3 中可以看出，變化趨勢大體可分為3 個階段，原糞、固液分離的糞水、沼液電導(dǎo)率在9.1～10.5 mS/cm之間，趨勢較平穩(wěn)；從一級生化池開始下降，在一級生化好氧池、二級生化好氧池、終沉池又趨于平穩(wěn)；從終沉池到還田利用的農(nóng)田，電導(dǎo)率下降到0～1 mS/cm，與溝渠中的水結(jié)果接近。電導(dǎo)率的變化趨勢反映出的結(jié)果與DO 結(jié)果相似，從一級生化好氧池開始，處理效果明顯。

圖3 實(shí)驗樣品各階段的電導(dǎo)率變化趨勢

在氧化還原反應(yīng)中，電子從一種物質(zhì)轉(zhuǎn)移到另一種物質(zhì)，在這兩種物質(zhì)之間產(chǎn)生了電位差，它反映了體系中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化—還原性。氧化還原電位越高，氧化性越強(qiáng)，表明廢水中有機(jī)污染物濃度低，DO 或氧化性物質(zhì)濃度高，氧化環(huán)境占優(yōu)；反之，表明廢水處理系統(tǒng)中還原性物質(zhì)或有機(jī)污染物含量高，DO 濃度低，還原環(huán)境占優(yōu)［6］。實(shí)驗樣品各階段的Eh 變化趨勢如圖4。

圖4 實(shí)驗樣品各階段的Eh 變化趨勢

從圖4 中可以看，從豬場排出的糞污在還田之前，Eh 都是負(fù)值，水體表現(xiàn)為還原性；在還田之后，Eh 為正值，表現(xiàn)為氧化性。且從集污池開始，Eh 絕對值慢慢降低，表明糞污經(jīng)過凈化處理，還原性逐漸減弱。附近溝渠中的水經(jīng)檢測也呈氧化性，且其氧化性與還田之后的農(nóng)田水氧化性相差不大，證明凈化處理效果顯著。

pH 是水體酸堿性強(qiáng)弱的指標(biāo)，實(shí)驗樣品各階段的pH 變化趨勢如圖5，從圖5 中可以看出，糞污在凈化處理的過程中，pH 沒有明顯的變化，pH 在7.0～7.5 之間，呈中性。

圖5 實(shí)驗樣品各階段的pH 變化趨勢

濁度是由水中所存在的顆粒物質(zhì)（如黏土、淤泥）、膠體顆粒、浮游生物及其他微生物而形成的，它是水對光的散射和吸收能力的量度，與水中顆粒的數(shù)目、大小、折光率及入射光的波長有關(guān)，是表現(xiàn)水體渾濁程度的指標(biāo)，也可以從某種程度上表現(xiàn)出水體受污染的程度［7］。實(shí)驗樣品各階段的濁度變化趨勢如圖6。

圖6 實(shí)驗樣品各階段的濁度變化趨勢

從圖6 中可以看出，糞污在終沉池之前，濁度在500～800 NTU 之間，證明在終沉池之前水體還處于受污染比較重的狀況，經(jīng)過沼液池厭氧工藝后，濁度并未發(fā)生明顯變化，可能與采樣時采集的方式有關(guān)。但最終經(jīng)過還田利用后，濁度下降明顯，截留率達(dá)到了90%以上，凈化效果顯著。

3.2 水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)變化分析

實(shí)驗樣品各階段的TN 濃度變化趨勢如圖7 所示，從圖7 中可看出，TN 濃度整體呈下降趨勢。集污池中原糞的TN 濃度在700 mg/L 左右；原糞在經(jīng)過固液分離之后，一部分流向沼液池，一部分流向生化好氧池；一部分到達(dá)沼液池時，TN 下降到500 mg/L左右，該階段主要是因為經(jīng)過凈化處理，有機(jī)氮被降解沉淀，進(jìn)而TN 濃度下降；另一部分從調(diào)節(jié)池到達(dá)生化好氧池時，TN 濃度下降到300 mg/L，TN 去除率為55%。此過程可能是氨氣的揮發(fā)以及NH3-N 的硝化與反硝化導(dǎo)致［8］。糞污最終還田利用后，TN 濃度在2 mg/L 左右，溝渠水TN 濃度在0.95 mg/L 左右，含量接近且符合標(biāo)準(zhǔn)，表明凈化處理效果顯著。

圖7 實(shí)驗樣品各階段的TN 變化趨勢

實(shí)驗樣品各階段的NH3－N 濃度變化趨勢如圖8所示，趨勢與TN 濃度類似，NH3－N 濃度分別在沼液池以及生化好氧池發(fā)生了急劇下降，從600 mg/L 下降到400 mg/L；從調(diào)節(jié)池經(jīng)過生化好氧池到終沉池時，NH3－N 濃度從600 mg/L 下降到90 mg/L，還田利用后NH3－N 濃度為0.8 mg/L，與溝渠水NH3－N 濃度接近，NH3－N 去除率達(dá)到95%以上。在此過程中，NH3－N濃度下降原因與TN 濃度下降原因相似，可能是NH3－N 的揮發(fā)以及硝化與反硝化作用［8］。這個過程還可以說明糞污中氮主要以NH3－N 的形式存在。

圖8 實(shí)驗樣品各階段的NH3-N 變化趨勢

實(shí)驗樣品各階段的TP 濃度變化趨勢如圖9 所示，從圖9 中可以看出，TP 濃度整體呈下降趨勢。一部分糞污在到達(dá)沼液池時，下降幅度明顯，從230 mg/L 下降到60 mg/L；另一部分糞污流向生化好氧池時，從230 mg/L 下降到120 mg/L；還田利用后TP濃度不足0.4 mg/L，與溝渠水TP 濃度接近。此過程可能主要是土壤、農(nóng)作物蓮藕以及糞污中的微生物對磷的吸收而導(dǎo)致TP 濃度下降明顯；最后經(jīng)過凈化處理，TP 濃度下降。

圖9 實(shí)驗樣品各階段的TP 變化趨勢

實(shí)驗樣品各階段的COD 濃度變化趨勢如圖10所示，從圖10 中可以看出，COD 濃度整體呈下降趨勢。一部分糞污流經(jīng)沼液池時，COD 濃度下降明顯，從7 000 mg/L 下降到3 000 mg/L 左右；另外一部分糞污流經(jīng)生化好氧池時，COD 濃度從7 000 mg/L 下降到3 700 mg/L；最終還田利用時，COD 濃度下降到400 mg/L，與溝渠水COD 濃度接近。COD濃度下降可能是因為污水中的微生物對有機(jī)物質(zhì)的吸附和代謝而產(chǎn)生沉淀。

圖10 實(shí)驗樣品各階段的COD 變化趨勢

此次實(shí)驗田附近溝渠中的溝渠水經(jīng)檢測，根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求已達(dá)到Ⅴ類水的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

從圖9 中可以看出，當(dāng)一部分糞污經(jīng)凈化處理到沼液池里時，TP 濃度比另一部分流經(jīng)生化好氧池TP 濃度低，是因為經(jīng)過固液分離后的糞污在沼液池中形成沉淀，而磷容易被顆粒滯留，形成沉淀后沉入池底，故而沼液里的TP 濃度低于在生化好氧池中污水的TP 濃度，這與前人的研究結(jié)論相一致［9］。

此次實(shí)驗Eh 和pH 的數(shù)值僅進(jìn)行了簡單的測量后進(jìn)行分析，得出在不同凈化處理環(huán)節(jié)會有不同的數(shù)值。根據(jù)向交等［10］的研究，由Eh 和pH 的變化可以判斷出硝化與反硝化的起始點(diǎn)，進(jìn)而反應(yīng)TN 的變化，從而可以檢測反應(yīng)的進(jìn)程。此次實(shí)驗并沒有檢測到兩者的關(guān)系，也許是樣本量不夠大，這一點(diǎn)可以在下一次進(jìn)行改進(jìn)。

由圖9 和圖10 可以看出，COD 與TP 濃度的變化趨勢類似，在到達(dá)沼液池之后，也許磷形成了沉淀，所以沼液池中TP 的濃度比在生化好氧池中TP的濃度低；而COD 濃度也是同樣的現(xiàn)象，也許是因為生化好氧池需要為微生物提供能量，利用微生物的吸附、氧化等作用把復(fù)雜的有機(jī)大分子氧化分解為簡單的無機(jī)物，從而達(dá)到凈化廢水的目的，所以COD 濃度在生化好氧池中比在沼液池中要高。后續(xù)在處理豬場廢水時，可以縮短前期沉淀池的時間，來降低后續(xù)處理的難度［11］。

經(jīng)檢測，如果僅使用原有的厭氧工藝，也可以將水質(zhì)凈化到標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。增加水質(zhì)凈化有氧設(shè)備，雖然維護(hù)費(fèi)用等有所增加，但是可以達(dá)到更好的凈化效果。

4.2 結(jié)論

（1）實(shí)驗站點(diǎn)生豬養(yǎng)殖場直接排出的糞污TN 含量600～700 mg/L，TP 含量200～300 mg/L，COD 含量6 000～8 000 mg/L，經(jīng)過凈化處理后，水質(zhì)的TN，TP，COD 濃度與溝渠水相近。

（2）該養(yǎng)殖場在經(jīng)過站點(diǎn)的凈化處理后，最終流向溝渠水以及農(nóng)田水中TN，TP，COD 等污染物去除效果明顯，根據(jù)農(nóng)用沼液國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 40750—2021）已達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）厭氧工藝和水質(zhì)凈化設(shè)備共同使用，可以更好地達(dá)到凈化效果。