畜禽養(yǎng)殖場廢水處理研究現(xiàn)狀

繆暢,賀美,肖圍

(長江大學 化學與環(huán)境工程學院，湖北 荊州 434023)

我國是畜禽養(yǎng)殖大國，近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，畜牧養(yǎng)殖業(yè)由傳統(tǒng)的分散化、小規(guī)模家庭飼養(yǎng)逐步走向高度集約化、專業(yè)化和區(qū)域化發(fā)展[1]。但是，隨著養(yǎng)殖規(guī)?；瘮U大，畜禽養(yǎng)殖廢水排放量增加，排放更加集中，養(yǎng)殖廢水帶來的環(huán)境污染問題也日趨嚴重[2]。據(jù)統(tǒng)計，由畜禽養(yǎng)殖帶來的污染成為當?shù)氐谝淮筠r(nóng)業(yè)污染源。因此，如何處理畜禽養(yǎng)殖廢水污染問題，實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，越來越得到社會各界的關注[3-6]。

1 畜禽養(yǎng)殖廢水的特點

畜禽養(yǎng)殖場廢水主要包括糞便、尿液和場地沖洗水等。隨著規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖場每天排放的廢水量大且排放集中，同時廢水中的有機污染物、氨氮化合物、含硫化合物濃度較高，并伴隨惡臭味[7-8]。廢水中還含有大量的飼料添加劑、殘留的獸藥和大量的病菌等，如不經(jīng)處理直接排放，一旦進入自然水體，將會污染周圍生態(tài)健康環(huán)境，嚴重威脅周邊人們的健康生活[9-10]。

表1為湖北某生豬養(yǎng)殖場廢水(1號水樣)和奶牛養(yǎng)殖場廢水(2號水樣)的化學需氧量(CODcr)、氨氮濃度(NH3-N)、總磷濃度(TP)的檢測結果。根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》GB 18596—2001，畜禽養(yǎng)殖廢水最高允許日均排放濃度具體指標見表2[11]。

表1和表2對比可知，畜禽廢水CODcr過量50多倍，NH3-N濃度過量10多倍，TP濃度過量20倍，如果未經(jīng)處理直接排放，將會對周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴重污染，不符合環(huán)保要求。2014年的《中國環(huán)境狀況公報》顯示：2014年，由農(nóng)業(yè)面源排放的CODcr大約為1 100多萬 t，占全年廢水CODcr48.04%。而畜禽養(yǎng)殖廢水為農(nóng)業(yè)源水污染的重要組成部分，其CODcr含量遠遠高于農(nóng)業(yè)其它生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污水。

表1 水樣中污染物檢測濃度Table 1 The decetion concentration of pollution in water sample (mg/L)

表2 GB 18596—2001污染物排放指標Table 2 Discharge standard of pollutants in GB 18596—2001 (mg/L)

2 畜禽養(yǎng)殖廢水對環(huán)境的危害

2.1 對空氣的污染

畜禽排放的糞污在堆放過程中有機物發(fā)酵產(chǎn)生大量的氨氮、甲烷、含硫化合物、有機酸等會散發(fā)出惡臭刺鼻的氣味，嚴重污染周邊的空氣環(huán)境，直接影響周邊居民的健康生活。研究表明，長期吸入惡臭類氣體會降低呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的敏感性，引起人體代謝紊亂，導致人們神經(jīng)衰弱，注意力下降，工作效率降低。畜禽糞污中含有的大量粉塵和病菌微生物，經(jīng)傳播進入空氣后將刺激人和動物的呼吸系統(tǒng)，可能引發(fā)呼吸類疾病。此外，惡臭氣體還會引來大量蚊蟲，導致病菌傳播。

2.2 對地表及地下水的污染

養(yǎng)殖廢水中含有大量的有機物，如果未經(jīng)處理直接排放，通過雨水沖刷、地表徑流等途徑將會隨地下水流入附近的河流或者滲透進地表，對水資源環(huán)境產(chǎn)生危害。廢水中氮、磷化合物聚集，導致水中溶解氧下降，水體發(fā)黑發(fā)臭，水體富營養(yǎng)化，破壞水體生態(tài)圈。畜禽糞便中的病菌進入水中迅速繁殖，污染水體，導致水生生物死亡。飼料中殘余的銅鎘等重金屬隨廢水流入地下水，使水中重金屬含量超標，重金屬被水中藻類和魚類吸收并在體內(nèi)富集，而這些藻類和魚類作為食物進入人體后，會造成人體重金屬超標。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強烈的相互作用，使它們失去活性，重金屬也會在人體某種器官內(nèi)聚集，造成慢性中毒，危害人類健康。

2.3 對土壤的污染

畜禽養(yǎng)殖廢水中含有大量的氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，如果處理好能成為植物生長的養(yǎng)分，被很好地利用。但廢水若未經(jīng)處理直接排放到土壤中，高濃度的有機物在發(fā)酵時產(chǎn)生大量的熱量，使植物根系受損，導致植物減產(chǎn)甚至死亡。糞便中大量鈉鹽流入土壤中會使土壤板結，土壤通透性下降，不利于作物生長。糞便中的致病微生物和寄生蟲卵進入土壤中大量繁殖將導致疾病傳播，不利于周圍動植物生存。飼料和獸藥中未被吸收的抗生素進入土壤后，可能會破壞土壤中原有微生物的正常生長和繁殖，從而破壞土壤中原有的微生物生態(tài)系統(tǒng)平衡。

3 國內(nèi)外養(yǎng)殖廢水處理現(xiàn)狀研究

3.1 單一處理技術

3.1.1 自然堆肥技術 畜禽的糞污集中到一個收集池中，經(jīng)過沉淀、天然發(fā)酵一段時間后，被用作農(nóng)業(yè)肥料，多余的廢水也被用于灌溉農(nóng)田或者直接排放。自然堆肥技術是比較傳統(tǒng)的家庭處理養(yǎng)殖廢水的方式，其優(yōu)點是設備簡單，成本低，目前仍然被很多小型養(yǎng)殖場沿用。其缺點是發(fā)酵時間長，糞污發(fā)酵產(chǎn)生的惡臭嚴重污染周邊環(huán)境，容易滋生蚊蟲和細菌。糞污中的寄生蟲卵和病菌沒有經(jīng)過任何消毒殺菌處理，直接用作農(nóng)田肥料還有可能導致疾病傳播。

3.1.2 人工濕地處理技術 人工濕地是一個綜合的生態(tài)系統(tǒng)。它由于運行成本低，工藝簡單，易維護，用途廣等優(yōu)勢被廣泛應用于農(nóng)村污水處理中。人工濕地一般由填充基質(zhì)、水生植物和微生物三部分組成。濕地基質(zhì)能夠截留和吸附污水中的懸浮顆粒，并且基質(zhì)床層中的土壤膠體也能吸附水中污染物。植物是人工濕地的重要組成部分，一般選擇根系發(fā)達，適應能力和生命力強的植物。污水中的氮磷能通過生物脫氮和植物分解吸收等方式去除。水中的重金屬離子和有害物質(zhì)能通過植物發(fā)達的根系吸收并轉(zhuǎn)移，從而達到凈化污水的目的。為達到最好的污水凈化效果，設計人工濕地系統(tǒng)時，要根據(jù)當?shù)鼐唧w的環(huán)境和系統(tǒng)工藝特點選擇濕地植物。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加速，農(nóng)村土地資源越來越有限，建立人工濕地的場地受限，且滿足不了大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場的廢水處理需求。

3.1.3 厭氧處理技術 厭氧處理是在無需氧氣供給的條件下，利用微生物群將有機物分解為甲烷和二氧化碳的過程。上流式厭氧污泥床(UASB)為目前應用最廣泛的裝置，反應器內(nèi)的污泥顆?；缶哂懈玫目箾_擊性，相關研究表明，UASB對生物柴油廢水CODcr的去除率達到88.6%[12]。吳鵬等采用ABR除碳-亞硝化耦合厭氧氨氧化工藝處理城市污水，裝置出水總氮去除率為86%～92%，CODcr濃度為20～40 mg/L[13]。厭氧處理技術因其裝置簡單，剩余污泥量少，處理效果良好等特點被廣泛應用于造紙廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水和垃圾滲透液等水處理工藝中[14-15]。厭氧處理技術僅處理高濃度有機廢水效果顯著，但是處理周期長。厭氧技術對含重金屬離子的廢水幾乎無效果，而且單一的厭氧處理技術目前無法滿足環(huán)保的要求，容易產(chǎn)生二次污染。

3.1.4 好氧處理技術 好氧處理技術是指微生物在有溶解氧的條件下將有機物氧化分解成二氧化碳和水等。好氧處理技術根據(jù)微生物總類一般分為活性污泥法和生物膜法。

活性污泥法是一種污水的好氧生物處理法，主要由曝氣池、沉淀池、曝氣系統(tǒng)及回流系統(tǒng)組成，是處理城市污水最廣泛使用的方法[16]。曝氣能讓污水溶液充分接觸氧氣，溶液中的有機物被活性污泥吸附并被污泥中的好氧微生物分解，從而達到凈化污水的目的。在沉淀池中，活性污泥與凈化后的污水通過沉淀、分離，處理水排出，活性污泥通過濃縮后回流至曝氣池。

推流式和完全混合式是傳統(tǒng)活性污泥法中具有代表性的兩種曝氣形式。推流式曝氣池是水從池子的一端流入，從另一端流出，生化反應具有明顯的階段性，水中污染物質(zhì)的濃度隨池體的長度而逐漸降低。曝氣池前端溶解氧含量低，隨著池體的延長溶解氧濃度越來越大。推流曝氣池的優(yōu)點是處理效果好，比較穩(wěn)定，缺點是因為曝氣池前端溶解氧含量低，所以廢水中有機物濃度不能太高，否則在前端容易形成厭氧狀態(tài)，而且抗沖擊性能差。完全混合式曝氣池是廢水溶液在曝氣池內(nèi)充分混合循環(huán)流動，在池內(nèi)完成微生物對廢水中有機物質(zhì)的降解。因為廢水在完全混合式曝氣池內(nèi)混合均勻，所以池內(nèi)各點水質(zhì)基本相同，耐沖擊能力強。它的缺點是池內(nèi)水體單一，降解動力低，易發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象。

生物膜法是通過附著在介質(zhì)表面上的有氧微生物生長繁殖，形成活性污泥生物膜，利用生物膜降解污水中的有機物的處理方法。當有機廢水均勻地噴淋在介質(zhì)表面后，便沿著填料表面向下滲透。在充分提供氧氣的條件下，微生物新陳代謝使得有機物不斷分解的同時微生物自身也不斷繁殖。因生物膜介質(zhì)比表面積較高并且密度與水相近，所以生物膜附著在介質(zhì)表面繁殖增長，填料在廢水的翻轉(zhuǎn)下移動。這種技術主要解決了傳統(tǒng)固定床反應器需要定期沖洗及更換曝氣裝置復雜的問題。危葉等[17]采用生物膜反應器處理模擬畜禽廢水，以CODcr、TN和TP為主要檢測指標，判斷微生物對污染物的去除作用，結果表明，在最佳工藝條件下CODcr去除率達到(91.0±1.39)%，TN去除率達到(93.3±1.42)%，TP去除率達到(73.0±3.65)%。

3.2 組合處理技術

以上介紹的單一的人工濕地、厭氧、好氧等技術處理大多是在實驗室的研究結果。實際的畜禽廢水成分比較復雜，單一的處理技術很難滿足當今環(huán)保的要求。近年來，國內(nèi)外一些學者開發(fā)了一些較為實用的組合工藝，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使兩個或兩個以上的不同類型工藝聯(lián)合在一起，用以提高有機物、氨氮等污染物的去除率，取得了良好的實驗效果。

聶麗君[19]將厭氧折流板反應器、磷酸銨鎂脫氮和膜生物反應器等方法進行集成，形成組合式ABR-MAP-MBR工藝，處理廣東某養(yǎng)殖豬場廢水，考察水力停留時間、溫度和溶解氧等參數(shù)對處理效果的影響，結果表明：水溫25～35 ℃時CODcr去除率達73.5%；沉淀過程選擇氯化鎂、磷酸三鈉作為沉淀劑，CODcr、SS、NH4-N、TN指標的去除率分別為82.0%,95.2%,72.4%,67.7%。經(jīng)過此組合工藝處理，出水各項指標達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB 18596—2001)一級排放標準，此新工藝具有良好的應用前景。

張琳琳等[20]研究采用上流式污泥床(UBF)-復合生物濾池-人工濕地組合工藝，對傳統(tǒng)農(nóng)村庭院式養(yǎng)殖廢水進行處理，考察了復合生物濾池水力負荷、人工濕地停留時間、回流比等工況對工藝處理效果的影響。結果表明：當進水CODcr和TN、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為542～1 448,88.48～475.6,74.92～301.9,4.99～31.63 mg/L時，UBF停留時間為36 h，人工濕地HRT在5 d、回流體積比為1∶1時，系統(tǒng)對CODcr、TN、NH3-N、TP的平均去除率分別達到88.18%,65.24%,81.04%,91.92%。

4 結束語

在廢水處理發(fā)展過程中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境問題已引起了社會各界的密切關注。在農(nóng)村土地日益緊張和資源日益短缺的今天，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)應打破傳統(tǒng)的末端治理模式，從源頭上科學合理布局，提高資源的利用率，嚴格把控生產(chǎn)過程，減少廢水排放，從而達到清潔生產(chǎn)的要求，這將成為未來規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢水的發(fā)展趨勢。