異位生物發(fā)酵床技術(shù)在豬場糞污水處理上的應(yīng)用

郝華山

（甘肅省武威市涼州區(qū)畜牧獸醫(yī)技術(shù)推廣中心，甘肅 武威 733000）

在全球范圍內(nèi)，畜牧業(yè)每年產(chǎn)生超過15 億t 的糞便，其中豬場糞污水的處理尤為關(guān)鍵，因其含有高濃度的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)和病原體，若未經(jīng)妥善處理即排放，將直接導(dǎo)致土壤退化和水體富營養(yǎng)化。然而，傳統(tǒng)處理方法不僅處理成本高昂，且效率低下，常因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)限制導(dǎo)致環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率低于60%。相對而言，異位生物發(fā)酵床技術(shù)作為創(chuàng)新解決方案，通過構(gòu)建特定的微生物群落來降解有機(jī)物，已被證實(shí)可以將氨氮去除率提升至90%以上，有效轉(zhuǎn)化糞便中的有機(jī)物質(zhì)，減少惡臭，并且顯著降低環(huán)境污染。該技術(shù)以其低成本運(yùn)行、高效處理能力和環(huán)保特性，在全球范圍內(nèi)得到研究和應(yīng)用，成為豬場糞污水處理的有力解決方案。

1 豬場糞污水的環(huán)境影響

1.1 豬場糞污水成分分析

豬場糞污水中富含的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)，以及有機(jī)物和病原體，在未經(jīng)適當(dāng)處理的情況下排放到環(huán)境中，會直接導(dǎo)致土壤和水體的嚴(yán)重污染。具體而言，這些成分會破壞土壤微生物群落平衡，影響土壤肥力和作物生長，并通過地表徑流和滲透作用進(jìn)入水體系統(tǒng)，引起水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類過度繁殖，消耗水中溶解氧，從而破壞水生態(tài)系統(tǒng)，造成魚類及其他水生生物的大量死亡。

1.2 對土壤和水體的污染

豬場糞污水直接排放對環(huán)境的影響是顯而易見的，其含有的高濃度氮、磷等營養(yǎng)鹽可以迅速導(dǎo)致土壤鹽分累積，破壞土壤結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)作物生長，同時還會滲透至地下水，造成地下水污染。當(dāng)這些含有高濃度營養(yǎng)物質(zhì)的污水進(jìn)入河流、湖泊等水體，會促進(jìn)藻類和水生植物的過度生長，引發(fā)水華現(xiàn)象，消耗大量溶解氧，導(dǎo)致水體生態(tài)系統(tǒng)中的動植物死亡，破壞水質(zhì)，影響水生態(tài)平衡和人類健康。因此，對豬場糞污水進(jìn)行有效處理是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生物多樣性的必要措施。

1.3 對環(huán)境及公共衛(wèi)生的潛在風(fēng)險

豬場糞污水中含有高濃度的氮、磷和有機(jī)物，如化學(xué)需氧量（COD）可達(dá)4 000 ～6 000 mg/L，生 物 需 氧 量（BOD） 介 于2 000 ～4 000 mg/L， 以及氨氮（NH3-N）含量在1 500 ～2 000 mg/L之間，這些指標(biāo)顯著超標(biāo)。這類污水若未經(jīng)處理直接排放，會對環(huán)境造成確切的負(fù)面影響，如導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、水體富營養(yǎng)化和水生生態(tài)系統(tǒng)失衡。此外，糞污水中的病原體和藥物殘留物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，直接威脅公共衛(wèi)生，增加疾病傳播的風(fēng)險，這些后果對人類健康和生態(tài)安全構(gòu)成了直接的威脅。

2 傳統(tǒng)豬場糞污水處理技術(shù)

2.1 物理處理法

傳統(tǒng)豬場糞污水處理技術(shù)中的物理處理法通常包括固液分離、沉淀和過濾等步驟，這些方法的主要目的是去除污水中的懸浮固體和減少總固體含量。在固液分離過程中，利用重力或機(jī)械壓力將糞便中的固體和液體分開，沉淀則通過靜置讓更重的顆粒物沉到容器底部，而過濾是通過物理篩網(wǎng)或其他介質(zhì)來截留較小的懸浮顆粒。這些物理處理步驟具體而言，都是以機(jī)械或重力作用為基礎(chǔ)，直接影響污水的物理性狀，為后續(xù)的生化處理或進(jìn)一步的精細(xì)處理減負(fù)，顯著提高處理效率。

2.2 化學(xué)處理法

傳統(tǒng)豬場糞污水的化學(xué)處理技術(shù)在實(shí)際操作中涉及多種化學(xué)反應(yīng)和過程，旨在去除或轉(zhuǎn)化水中的污染物質(zhì)，提高污水的可處理性，并減少其對環(huán)境的影響。具體的化學(xué)處理方法包括以下幾點(diǎn)：1）絮凝和沉淀。通過向污水中加入絮凝劑，如硫酸鋁、聚合氯化鋁（PAC）或聚丙烯酰胺（PAM），可以引起懸浮固體和其他顆粒聚集成大顆粒，這些大顆粒隨后可以更容易地通過沉淀被去除。這個過程也有助于去除水中的磷和部分重金屬；2）中和。pH 對污水處理過程非常關(guān)鍵，豬場糞污水通常偏酸性，可能需要添加石灰（氫氧化鈣）或苛性鈉（氫氧化鈉）等堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，以達(dá)到法規(guī)規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)或?yàn)樯锾幚韯?chuàng)造適宜的pH 環(huán)境；3）氧化劑。使用氧化劑，如氯、臭氧或過氧化氫，可以破壞污水中的有機(jī)物質(zhì)，同時消毒殺菌，去除病原體。這一步驟尤其對減少水傳播疾病的風(fēng)險至關(guān)重要；4）重金屬沉淀。通過加入硫酸鈉、硫酸鋇或石灰等化學(xué)品，可以將水中的重金屬離子轉(zhuǎn)化為不溶性的金屬鹽或氫氧化物，然后通過沉淀過程去除；5）消泡劑。在處理過程中可能會產(chǎn)生大量泡沫，可以通過添加消泡劑來管理這些泡沫；6）去色劑。特定化學(xué)品可以用來去除污水中的顏色，這對于滿足某些排放或再利用標(biāo)準(zhǔn)可能是必要的；7）吸附。某些化學(xué)處理過程可能包括添加活性炭等吸附劑，以去除水中的有機(jī)污染物、異味和微量有害化合物。

2.3 生物處理法

豬場糞污水的生物處理法是以微生物為工具，通過其生命活動來去除污水中的污染物。這些方法分為厭氧和好氧處理兩大類，每類都有一系列的技術(shù)和過程。首先厭氧消化是在無氧環(huán)境中進(jìn)行的，特別適用于高濃度有機(jī)廢水的處理。在此過程中，多階段的微生物共同作用，將復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成甲烷和二氧化碳。厭氧消化不僅降低了污水的有機(jī)污染物負(fù)荷，還產(chǎn)生了可作為能源利用的甲烷氣體。而好氧處理，如活性污泥法，需要氧氣的參與，其中的微生物利用氧將有機(jī)污染物分解為二氧化碳和水。此過程中還可以通過硝化和反硝化作用去除氮，并通過生物磷實(shí)現(xiàn)磷的去除。好氧處理的一個典型例子是序批式反應(yīng)器（SBR），它通過填充和抽空操作，在同一個反應(yīng)器內(nèi)交替進(jìn)行好氧和厭氧反應(yīng)，以此提高處理效率。生物濾池則是用填料材料支撐微生物生長的一種生物處理系統(tǒng)。污水在濾床上流動或滴落，通過填料上的微生物膜進(jìn)行有機(jī)物的生物降解。生物濾池可分為好氧和厭氧類型，視污水特性和處理目標(biāo)而定。這些生物處理方法都需要精確的操作控制，如污水中的營養(yǎng)物質(zhì)平衡（碳、氮、磷的比例）和環(huán)境條件（溫度、pH、溶解氧濃度）等，以確保微生物能在最佳狀態(tài)下進(jìn)行代謝活動。此外，生物處理后的污泥需要后續(xù)的處理和處置，這也是整個污水處理流程的一部分。

3 異位生物發(fā)酵床技術(shù)原理

異位生物發(fā)酵床技術(shù)是一種高效的有機(jī)廢棄物處理方法，它利用特定的微生物群落在固定的發(fā)酵床上對有機(jī)物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化。技術(shù)原理是通過構(gòu)建一個固定床反應(yīng)器，在其中填充適宜的生物發(fā)酵介質(zhì)（如稻殼、鋸末等），這些介質(zhì)不僅提供微生物附著生長的場所，還能調(diào)節(jié)床體內(nèi)的水分和氣體交換條件。有機(jī)廢物在加入發(fā)酵床時，微生物即開始對其進(jìn)行分解，過程中產(chǎn)生的熱量可以提高床體溫度，進(jìn)一步促進(jìn)微生物活性和發(fā)酵效率。在這個過程中，廢物中的固體有機(jī)物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸等中間產(chǎn)物，隨后這些中間產(chǎn)物被進(jìn)一步分解成甲烷、二氧化碳和水，完成整個有機(jī)物的礦化過程。異位生物發(fā)酵床技術(shù)的核心在于通過控制氧氣供應(yīng)、溫度、濕度和pH 等關(guān)鍵因素，確保微生物群落能夠在最適宜的環(huán)境中高效地進(jìn)行發(fā)酵作用，從而達(dá)到將有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定無害化合物并回收能源的目的。

4 異位生物發(fā)酵床技術(shù)在豬場糞污水處理中的應(yīng)用

4.1 發(fā)酵床的構(gòu)建與材料選擇

異位生物發(fā)酵床技術(shù)在豬場糞污水處理中的有效應(yīng)用依賴于精心設(shè)計(jì)的發(fā)酵床，該床由多層不同材料構(gòu)成，旨在為微生物提供最佳的生活環(huán)境和高效的有機(jī)物降解條件。床體通常以一層排水系統(tǒng)開始，該系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集并排出床體內(nèi)多余的水分，確保床體不會因積水而導(dǎo)致厭氧環(huán)境的產(chǎn)生。其上是一層粗糙的填充材料，如碎石或礫石，這樣可以保持床體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并促進(jìn)空氣流通。最關(guān)鍵的是中間層，這里填充的是具有高吸附性和透氣性的有機(jī)材料，如稻殼、鋸末或者秸稈，這些材料不僅能夠吸收并保持適量的水分，為微生物活動提供所需的濕度，而且其纖維結(jié)構(gòu)為微生物提供了大量的附著點(diǎn)，增加了表面積，從而加快了有機(jī)物的分解速度。在頂層，添置一層細(xì)微的有機(jī)材料，如雞糞或豬糞，這些富含氮的物質(zhì)可以為微生物提供營養(yǎng)，促進(jìn)其生長和代謝活動。

4.2 微生物群落的作用機(jī)理

異位生物發(fā)酵床技術(shù)在豬場糞污水處理中，微生物群落的作用機(jī)理體現(xiàn)在幾個關(guān)鍵步驟。首先，好氧微生物在發(fā)酵床表層利用氧氣高效分解糞便中的大分子有機(jī)物，轉(zhuǎn)換為小分子物質(zhì)；其次，這些小分子物質(zhì)向床體內(nèi)部滲透，在厭氧環(huán)境中，厭氧微生物通過發(fā)酵作用進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳；同時，硝化細(xì)菌在有氧區(qū)域?qū)钡D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，接著在缺氧環(huán)境中，反硝化細(xì)菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)換為氮?dú)忉尫诺酱髿庵?，從而減少氮素的流失；最后，這個復(fù)雜的微生物過程不僅高效地降解了有機(jī)物，還將糞便中的營養(yǎng)成分轉(zhuǎn)化成植物可利用的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了糞污的穩(wěn)定化和資源化。通過這一系列連續(xù)的生物反應(yīng)，異位生物發(fā)酵床技術(shù)有效地將豬場糞污水處理成對環(huán)境良好可用的農(nóng)用資源。

4.3 發(fā)酵床內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程

豬場糞污水處理中，異位生物發(fā)酵床技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糞便中營養(yǎng)物質(zhì)的有效轉(zhuǎn)化，具體過程如下。1）糞便首先通過好氧微生物作用分解成較小的有機(jī)分子，例如蛋白質(zhì)被降解成氨基酸，碳水化合物被轉(zhuǎn)換為單糖，這一過程中對有機(jī)物的去除率達(dá)到70%～80%；2）這些小分子在厭氧微生物的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，同時產(chǎn)生的甲烷含量可占到總有機(jī)碳的50%～70%，表明有機(jī)物得到了進(jìn)一步的有效降解。在氮的轉(zhuǎn)化過程中，氨氮先被硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，這一轉(zhuǎn)化率可達(dá)到80%～90%，然后部分硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為氮?dú)?，減少了水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。對于磷，發(fā)酵床中的微生物能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為植物可吸收的形態(tài)，磷的轉(zhuǎn)化率可達(dá)90%以上，有效提升了磷素的循環(huán)利用率。這一過程不僅顯著降低了糞污的污染負(fù)荷，而且通過轉(zhuǎn)化成植物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，將廢棄物轉(zhuǎn)化為寶貴的農(nóng)業(yè)資源，優(yōu)化了農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)體系。

4.4 污水處理效果的監(jiān)測與評估

豬場糞污水處理中，應(yīng)用異位生物發(fā)酵床技術(shù)的效果監(jiān)測與評估展示出明確的污水處理成效。監(jiān)測結(jié)果顯示，經(jīng)過發(fā)酵床處理后，豬場污水中化學(xué)需氧量（COD）的去除率穩(wěn)定在80%～90%，生物需氧量（BOD）的去除率達(dá)到85%～95%，這表明有機(jī)污染物得到了極大降解。氨氮（NH3-N）的去除率常在70%～80%之間，總氮（TN）的去除率也達(dá)到了60%～70%，有效防止了氮過量排放。磷（P）的去除效率通常在60%～80%，顯著減少了磷對水體的富營養(yǎng)化風(fēng)險。此外，固體懸浮物（SS）的去除率高達(dá)90%以上，進(jìn)一步澄清了水質(zhì)?？傮w而言，這些監(jiān)測指標(biāo)表明，異位生物發(fā)酵床技術(shù)在豬場糞污水處理中不僅確保了污水處理達(dá)標(biāo)排放，還提升了水質(zhì)，為農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了有力支撐。

5 結(jié)語

通過采用異位生物發(fā)酵床技術(shù)，豬場糞污水的處理過程不僅實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物質(zhì)的高效分解，還促進(jìn)了氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用。這項(xiàng)技術(shù)確保了污水處理的環(huán)境友好性和農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)性，同時也降低了對周邊環(huán)境的污染風(fēng)險。在實(shí)際應(yīng)用中，該技術(shù)已證明能夠有效提升豬場糞污處理的質(zhì)量，為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。