养猪场废水处理技术研究进展
摘要：针对我国养猪废水排放日益严重的现状，主要介绍了养猪废水还田利用、自然处理和工业化模式的优缺点以及一些先进工艺，并针对和结合我国现状：废水处理不能走单一模式，必须走因地制宜，绿色环保路线.关键词：养猪废水 还田利用 自然处理 工业模式
Research Progre on the Proceing Technology of Piggery Wastewater Abstract Aiming at the status that the pollution of wastewater from piggery raising is going from bad to worse in China,some treatment technologies such as irrigation to farm land, natural treatment and industrialized treatment were reviewed.Considering the practical situation in China，it was suggested to currently act according to circumstances ,go a green way rather than a single one.Key words piggery wastewater land spreading nature treatment industrialized treatment近年来，禽畜养殖业向规模化集约化发展，使得禽畜养殖污染成为当今一个不可忽视的污染问题.养殖场排放的大量粪尿与废水现已成为许多城市和农村的新兴污染源.我国养殖业虽然已向集约化发展，但对粪便管理方式的认识相对落后，部分养猪场通过水冲洗粪便然后排放或将粪便直接排入自然水体中，严重影响了当地的地表水水质
[1-4]
.由于养猪废水含有较高的COD、BOD 及SS 和NH4+-N ，如果不能很好地处理的话，会给周围的生态环境、饮用水源等带来威胁和危害.
[5]1 猪场废水的特征
猪场废水主要包括猪粪尿和冲洗废水，属于高浓度有机废水，氨氮和固体悬浮物（SS）的含量都较高.有研究资料表明，猪场排放废水中生化需氧量（BOD）高达2000～8000 mg /L，化学耗氧量（COD）高达5000～20000 mg /L，且SS 浓度也超标数十倍[6].相关数据如表1—表2[7].
表1 猪粪尿的物质构成 % 成分 猪粪 猪尿 水分 82 96
有机质 15.0 2.5
氮 0.56 0.31
磷 0.40 0.12
钾 0.44 0.95
钙 0.09
表2 成猪的粪尿排泄量和污染负荷量
测定项目 排泄或冲洗量//L/d 猪粪 猪尿 猪粪尿 冲洗水
3 3 6 57
浓度
63.0
5.0 33.0 7.5
负荷量
189 15 204 473
浓度
223
45 117
10
负荷量
669 14 700 570
生化需氧量
（BOD）5//g/L
固体悬浮物
（SS）//g/L 2 猪场废水处理技术
猪场废水处理技术可简单地归纳为分为还田回用的生态模式、自然处理的低能耗模式和工业化处理的高效率模式 3 种[8].2.1 还田处理模式
传统的猪尿粪还田模式是一个有效经济的处理模式，猪场废水排放到农田中，不仅达到了猪场废水的零排放还可以为作物提供大量的有机肥，供作物生长.这种方式只适合于远离城区的农村.其存在着以下的缺点[9]：（1）废水中有机物质的含量高，直接施用于作物中会烂根和烧苗.（2）猪尿粪不经处理直接排放到农田中，其中含有的病原菌会增加人畜共患病的概率.（3）不合理的施用会导致土壤重金属，和地下水受到污染.（4）在分解的过程中产生的氨、硫化氢等有害气体会污染大气.因此在直接还田前最好先进行厌氧消化处理.厌氧消化处理过程中可以产生绿色能源—沼气，并且经过高温作用杀灭病原菌，减少发病感染率，还可以得到绿色的有机肥发酵液.还田生态模式处理工艺流程如图1所示[5].
图1.还田生态模式处理工艺流程图
厌氧处理技术经历了一个漫长的发展过程.从最初的化粪池到发展了上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧生物滤池(AF)、厌氧序批式反应器(ASBR)、两相厌氧消化法、内循环( IC) 反应器、厌氧折流板反应器(ABR) 等工艺[10].2.2 自然处理模式
自然处理模式一般适应于经济欠发达，有大量的林地、荒地、低洼地作为废水自然处理系统的养猪场.在美国、澳大利亚以及东南亚的一些国家多采用这种模式[11].由于自然处理模式负荷能力较低，只能作为厌氧处理的后续处理工艺.自然处理模式主要有：稳定塘、土地处理系统和人工湿地等.2.2.1 稳定塘
稳定塘是是一种利用天然的或经过人工修整的池塘处理废水的构筑物，稳定塘对废水的净化和天然水体净化类似，有机物通过水中的微生物代谢而降解.稳定塘污水处理系统具有基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体、无需污泥处理等优点.蔡明凯[13]的研究表明，废水在生态塘中的水力停留时间为14 h，生态塘对CODCr、SS、NH3-N 和TP 的去除效果分别为23.72%、55.67%、43.31%和66.93%.2.2.2 人工湿地
在自然处理法中，人工湿地是处理效果比较好的一种.人工湿地提出于19世纪70年代，在1996 年9 月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会，标志着人工湿地系统作为一种独具特色的新型废水处理技术正式进入水污染控制领域[14].
人工湿地从工程设计的角度出发, 按照系统布水方式的不同或水在系统中流动方式不同一般可分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地.1)表面流人工湿地，其与自然的人工湿地相似，废水主要从表面流过，绝大部分有机物的去除是由植物茎、杆上的生物膜来完成，这种类型的人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限，运行受气候影响较大，夏季有孳生蚊蝇的现象.2）水平潜流人工湿地工艺是水在填料表面下渗流，卫生条件好，是目前研究和应用较多的一种湿地系统.对BOD、COD、SS、重金属等污染指标的去除效果，缺点是控制相对复杂，脱P、除N 的效果不如垂直潜流人工湿地.3）垂直潜流人工湿地.污水从湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统.垂直潜流人工湿地的硝化能力高于水平潜流湿地,可用于处理氨氮含量较高的污水.其缺点是对有机物的去除能力不如水平潜流人工湿地系统，落干/淹水时间较长，控制相对复杂， 夏季有孳生蚊蝇的现象.狄军贞[15]等人用无烟煤、钢渣及沸石构建的PRB强化垂直流人工湿地系统对NH4 +-N、PO43－P、Mn2 +、COD、SS 的去除率分别达到88.84%、96.08%、98.98%、85.78%和94.00%.李鹏宇[16]等人在同等条件下开展了2 种类型潜流湿地处理效果的对比研究发现：在当水力负荷为0.02 m3 /( m2.d) 时，，水平潜流湿地( HSSF)与垂直潜流湿地( VSSF)对养猪废水中COD 的平均去除率分别为93.18%和93.10%，对TN的平均去除率分别为53.44%和81.43%，对NH4 +-N 的平均去除率分别为52.64%和84.62%，对TP 的去除率分别为88.41%和95.71%.这是因为垂直潜流湿地可以充分利用填料层，增强系统的复氧能力，还可实现填料层中好氧区、缺氧区和厌氧区的共存，使硝化作用与反硝化作用在同一系统内完成，提高了系统的脱氮能力，同时改善了养猪废水中其他污染物的去除效果.而国外Borin, M[17]等人则对混合人工湿地处理猪场废水的性能做了比较，研究表明：水平潜流人工湿地在去除COD方面比垂直潜流人工湿地更有效，但在TN和TP方面相似，尽管垂直潜流的表面积只有水平潜流人工湿地的四分之一，说明在组合型人工湿地在土地不足的条件下是一个处理猪场废水的有效方法.2.3 工业化处理模式
由于养猪企业发展越来越规模化，传统的还田模式和自然处理模式已经不能满足其排放的要求，特别是对于一些城市远郊区、经济较为发达，土地紧张的地方，多采用工业化模式处理养猪废水.工业化处理模式具有以下优点：(1) 占地少；(2)适应性广，不受地理位置限制；(3)季节温度变化的影响相对较小.但工业化处理模式也存在以下缺点：(l)投资大，万头猪场的粪污处理，投资约120～150 万元；(2)能耗高，处理1 m3 废水，耗电2～4 kW·h；(3)运行费用高，处理1 m3 废水，运行费2.0 元左右；(4)机械设备多，维护管理量大；(5)运行管理需要专门的技术人员[8].工业化处理模式主要分为括好氧生物处理、厌氧生物处理及其组合工艺.2.3.1 厌氧生物处理
经过几十年的研究和应用，猪场粪便污水厌氧消化生产沼气的工艺已经比较成熟，常用的工艺有：完全混合式厌氧反应器 (csTR)，厌氧滤池(AF)，厌氧序批式反应器阵（SBR)，厌氧挡板反应器（ABR)，厌氧复合反应器(UBF)，上流式厌氧污泥床(IJASB)等.厌氧生物处理存在的缺点是：NH4+—N基本没有去除，处理后废水的污染物含量还很高，对环境毒害还是很大[18].方圣琼[19]等人采用红泥塑料覆顶的厌氧挡板反应器(ABR)处理养猪废水，发现ABR厌氧消化过程对NH3-N没有去除效果,温度在20~40℃时对ABR运行影响不大，进水pH在7以上较合适.对于上流式污泥床的研究已经有很多，相关研究表明[20]，UASB能有效去除猪场养殖废水中的有机物,其处理效果与容积负荷、pH值、温度、回流率等因素有关.在容积负荷、pH值、温度、回流率分别为3.68 kg COD/(m3.d)、7.0、35℃和40%的条件下,UASB对COD的去除率稳定在85%左右.在实验室规模中，用USAB反应器去除猪场废水COD，处理猪场废水120d后发现，COD的去除率在85%到95%之间，40d后有污泥颗粒行成，处理120d后污泥颗粒直径为2—4mm.pH对处理效果影响甚微[21].2.3.2 好氧生物处理
早期主要好氧生物处理工艺主要有：活性污泥法、接触氧化法、生物转盘、氧化沟、膜生物法(MBR)等.好氧生物处理最大的缺点就是要对废水进行稀释，所需时间长，并且能耗高，运行费用昂贵.因此, 以间歇曝气为特点的序批式反应器及其改进工艺广泛应用于畜禽废水中, 如序批式活性污泥法( SBR)、间歇式排水延时曝气( IDEA )、循环式活性污泥系( CASS ) 及间歇式循环延时曝气活性污泥法( ICEAS)等[22].闫立龙[23]等人研究表明：SBR工艺能够有效去除猪场废水中的氨氮,处理效果稳定,且在全部试验过程有短程硝化现象发生,短程硝化的实现为低化学需氧量(COD)、高质量浓度尿素废水处理工艺的优化奠定基础.Sombatsompop, K[24]等人对移动床SBR和SBR法处理猪场废水的性能做比较研究，结果表明：当有机负荷量增加时，SBR和移动床SBR处理废水有效率都下降，但是移动床的SBR在有机负荷量为0.59 to 2.36 kgCOD/m时处理废水后的排放都达标.而SBR在2.36 kgCOD/m却不达标.
2.3.3 好氧—厌氧组合生物处理
养猪废水有机物质, N、P含量都很高,所以单独采用好氧处理或厌氧处理在经济上和处理效果上均不理想.目前, 对高浓度有机废水采用厌氧- 好氧联合处理工艺是最经济有效的方法, 但存在厌氧消化液处理效果差的问题.詹旭[25]等人用ABR/缺氧/好氧为主体的工艺处理养猪场废水，处理规模为10t/d.运行结果表明，当进水pH 6～
8、COD 9000～11000 mg/L、SS 400～500 mg/L、NH3-N 600～800 mg/L 时，处理后出水pH 6～
9、COD≤100 mg/L、SS≤70 mg/L、NH3-N≤25 mg/L，出水水质能达到《畜禽养殖业水污染物排放标准》，该工程运行成本为9.5 元/t.徐晓云[26]等人采用固液分离+间歇增氧+人工湿地+氧化塘工艺处理猪场废水，出水水质优于畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596－2001）；对废水的COD、SS、NH3-N、TP 的去除效率分别可达到94.2%、95.1%、98.8%和63.6%.间歇曝氧工艺可有效解决传统工艺碳氮比失调而引起的出水水质较差的问题，采用射流式曝气设备可有效提高反应器内的氧传递效率.对这种组合性工艺的研究还有很多.比如：采用UASB-SBR中试处理禽畜养殖废水得出：混合工艺对COD,氨, SS,TP去除率分别为 92, 90 and 95% 80%[27].Rajagopal, R[28]等人用厌氧和缺氧/好氧活性污泥组合工艺处理猪场废水发现：短期的消化过程可以减少消化和亚消化作用的氧气、有机质的需求量，这将减少废水处理中的能源消耗，值得向农场规模推广.另外用化学沉淀和空气剥离组合工艺通过厌氧消化可以同时去除猪场废水 氨、磷、COD[29].
3 结语
在未来20年中，我国的规模化养猪业将呈加速发展趋势，必将带来更大的污染压力.而且在我国农村还有很多采用分散式养猪废水排放，高浓度的有机废水对我国农村的生活环境产生重大的影响[30].在前面所提到的三种处理方式中，还田模式和自然处理模式需要大量的土地，特别是还田模式，比较适合于农村或有大果园种植的地区，自然处理模式则适合规模不大、远离市区的养猪场.随着经济快速发展，土地日益紧张，养猪场逐渐规模化，工业化处理模式受到更广泛的关注，传统的三段式逐渐发展为与还田或自然处理相结合的综合处理模式.不管采用哪种方式，猪场废水处理和综合利用都应以减量化、无害化、资源化、生态化为原则，走因地制宜，绿色环保路线.
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