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畜禽养殖废水解决方法运用

2012/08/21 阅读:

近年来,随着我国农业结构的调整和农业产业化的推进,规模化、集约化的畜禽养殖业得以迅猛发展,成为我国农村经济中最活跃的经济增长点和主要的支柱产业。规模化的集中饲养方式,有利于提高饲养技术、防疫能力和管理水平。与传统饲养方式即农户分散饲养相比,规模化饲养能够大大缩短畜禽的生长周期,提高饲料转换率和畜禽产量,降低养殖成本,从而增加经济效益。但是规模化养殖场在提供肉食品,满足城乡人民生活需要的同时,也造成了粪尿过度集中和冲洗水大量增加,由此所衍生的日益严重的环境污染问题不仅影响经济发展,而且还危及生态安全。2002年和2003年,我国畜禽粪便产生量分别为27.50亿吨和31.90亿吨,分别是工业固体废弃物的2.91倍和3.20倍[1]。据原国家环境保护总局对全国23个省(区)、市规模化畜禽养殖业污染状况调查表明,畜禽粪便产生量为工业固体废弃物产生量的2.40倍,畜禽粪便化学需氧量(COD)远远超过我国工业废水和生活污水COD排放量之和[2]。畜禽养殖污染已成为继工业污染、生活污染之后的第三大污染源,成为我国农村面源污染的主要原因之一。未经处理的畜禽废水含有大量有机污染物质、悬浮物以及N、P等营养物,污染负荷很高。研究资料表明,养猪场排放废水的生物化学需氧量(BOD5)高达2000~8000mg/L。COD高达5000~20000mg/L。此类废水直接排入江河湖库不仅可能导致水体富营养化,还会使对有机污染物质敏感的水生生物逐渐死亡;严重时水体会发黑发臭,造成持久性有机污染。畜禽废水长时间渗入地下水,会使地下水中硝态氮或亚硝态氮浓度增高,溶解氧含量减少,水体有毒成分增多,导致水质恶化。高浓度畜禽废水还可能导致土壤空隙堵塞,造成土壤透气、透水性下降及板结、盐化,严重影响土壤质量,甚至伤害农作物,造成减产和死亡。此外,畜禽养殖场废水中含有大量病原微生物、寄生虫卵以及滋生的蚊蝇,会造成人、畜传染病的蔓延,尤其是人畜共患病时,会导致疫情发生,给人畜带来灾难性危害。目前畜禽养殖业产生的废水、废渣和恶臭对环境的严重污染已引起政府的重视。为此,原国家环保总局发布了《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001),着手治理畜禽养殖场和养殖区的环境污染问题,污染治理研究和设计者,也相继开发了不同处理工艺,并建立了各式养殖业废水处理工程。

1畜禽养殖业废水的预处理

畜禽养殖业废水中的悬浮物浓度很高,悬浮物质是COD的主要来源之一,过高的悬浮物质会影响后续处理的效果。所以无论采用何种工艺对畜禽养殖业废水进行处理,都要采取一定的预处理措施。通过预处理不仅可以有效地降低废水的污染物负荷,同时还可以防止大块的固体或杂物进入后续处理环节,避免设备的堵塞或损坏等。针对畜禽养殖业废水中的大颗粒物质或易沉降的物质,通常采用过滤、离心、沉淀等固液分离技术进行预处理,而沉淀是畜禽养殖业废水预处理最为广泛应用的方法。目前,凡是有废水处理设施的畜禽养殖场基本上都是在舍外串联2至3个沉淀池,通过过滤、沉淀和氧化分解对粪便和废水进行处理。

2畜禽养殖业废水的还田处理

畜禽废水还田作肥料是一种传统、经济有效的处置方法,不仅能有效处理畜禽废弃物,还能将其中有用营养成分循环利用于土壤—植物生态系统,使畜禽废水不排往外环境,达到污染物的零排放,最大程度实现资源化,减少化肥施用量,提高土壤肥力。其次,这种处理技术还具有投资少,不耗能,无需专人管理,运行费用低等优点。但是这种处理方式也有以下明显的不足。(1)需要大量农田来利用畜禽废水,每万头猪场至少需100亩土地消纳粪便污水,故其受条件所限而适应性弱。(2)雨季及非用肥季节必须考虑粪便污水或沼液的出路。(3)不合理的利用方式或连续过量利用会导致硝酸盐、磷及重金属的沉淀,从而对地表水、地下水构成威胁。(4)在生物降解过程中可能有氨及硫化氢等有害气体释放,对大气造成污染。(5)在废水浇灌过程中存在着传播畜禽疾病和人畜共患病的危险。还田处理适用于远离城市、土地宽广且有足够农田消纳粪便污水的经济落后地区,特别是种植常年需施肥作物的地区,要求养殖场规模较小。在发达国家,畜禽废水还田倍受重视,技术上也日益成熟。如美国约有90%的养殖场采用还田的方式处理畜禽废弃物。鉴于畜禽粪尿污染的严重性和处理难度,英国和其他欧洲国家已开始改变饲养工艺,由水冲式清洗粪尿回归到传统的稻草或作物秸秆铺垫吸收粪尿,然后制肥还田。在我国,由于规模化畜禽养殖业的发展,畜禽废水日益集中,量大难存放,且其生产与农业使用存在季节上的差异,再加上我国农业化学工业迅速发展,大量化肥代替了传统农家肥,使得畜禽粪便废水还田效果不佳。据统计,我国畜禽粪尿还田量仅占总生产量的1/3左右[3]。我国一般采用厌氧消化后再还田利用,可避免有机物浓度过高而引起的作物烂根和烧苗,同时经过厌氧发酵可回收能源,减少温室气体排放,且能杀灭部分寄生虫卵和病原微生物。国外对畜禽废水还田的研究主要集中在安全性评估以及减少风险措施方面。Smith[4]对各种畜禽粪便在不同气候、土壤、施用季节及施用方法等条件下的挥发及浸析状况进行了评估。Thyselius[5]等认为畜禽粪便废水撒布后立即耕种是消除异味、减轻空气污染及控制地表溢流、土壤浸析的好方法,但需消耗额外动力。Sutton[6]在对多个试验点进行研究后,确定了影响动物粪便营养成分的因素,并提出了对优化土地利用可行的管理技术。我国对畜禽废水还田的研究侧重于污水厌氧消化液的正面影响,即改良土壤、增产效果以及畜禽废物资源化经济可行性的分析方面,而其长期、高负荷施用的危害尚未引起足够的重视。唐小明[7]在黄土高原连续3年定位试验结果表明,旱地施用畜禽肥分有明显的培肥作用和蓄水保墒效果,在平均每公顷施有机肥112.5吨的条件下,土壤有机质、全氮、速效氮、磷、钾含量比试验前分别提高了36.4%、21.7%、49.7%、16.2%和44.2%,每1mm降水多生产小麦1.83kg,水分利用效率提高22%,小麦增产15.8%。

3畜禽养殖废水的自然处理

自然处理法是利用天然水体、土壤和生物的物理、化学与生物的综合作用来净化污水。其净化机理主要有过滤、截留、沉淀、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化及生物吸收等。其原理涉及生态系统中物种共生、物质循环再生原理、结构与功能协调原则,分层多级截留、储藏、利用和转化营养物质机制等。自然处理法主要采用氧化塘、土地处理系统以及人工湿地等自然处理系统对畜禽废水进行处理,适用于距城市较远、气温较高且土地宽广有滩涂、荒地、林地或低洼地可作污水自然处理系统、经济欠发达的地区,要求养殖场规模中等。自然处理法的主要优点缺点比较见表1。表1自然处理法的主要优缺点比较自然处理法在美国、德国、澳大利亚和东南亚一些国家应用较多,且国外一般未经厌氧处理而直接进入氧化塘处理畜禽粪便污水。往往采用多级厌氧塘、兼性塘、好氧塘与水生植物塘等工艺,污水停留时间长(水力停留时间长达600d),占地面积大[8],多数情况下氧化塘只作为人工湿地的预处理单元。目前,国外对畜禽废水自然处理法的研究主要集中于数据库和设计指南的开发、机理的研究及改良人工湿地技术。美国自然资源保护服务组织(NRCS)编制了养殖废水处理指南,建议人工湿地生化需氧量(BOD5)负荷为73kg/(hm2?d),水力停留时间至少12d[9]。PoachME[10]为了研究有机负荷和去除效果的关系,设计了6个并联的湿地—池塘—湿地处理系统,通过分别进水控制各处理单元的有机负荷。试验研究表明,最佳TSS、COD、TN、TP去除率分别为35%~51%、30%~50%、37%~5l%、13%~26%,夏季处理效果明显优于冬季,处理效果受温度和降雨的影响较大。广州市某养猪场采用高处理级综合稳定塘,养猪场废水的污染物CODCr、BOD5、氨氮、SS去除率分别为99.5%、99.6%、93.5%和98%[11]。植物是人工湿地的核心,我国在利用人工湿地处理畜禽废水方面的研究和应用主要集中于植物筛选和处理效果的考察。JianboLu[12]等人将集约化养鸭场建于面积为688m2,主要由水葫芦组成的湿地上,旨在考察水葫芦对养鸭废水的净化能力及其对鸭子食物摄入量的影响。研究表明,COD的去除率为64.44%,总N的去除率为21.78%,总P的去除率为23.02%,并且废水中的溶解氧和透明度都得以明显改善;研究还发现在此饲养条件下,鸭子的食物摄入量和产蛋量比对照组高出5.86%和9.79%。邓仕槐[13]等选取芦苇及姜花,研究其在处理畜禽废水过程中脱氮除磷效果,结果表明,芦苇、姜花均有较好的脱氮除磷效果。我国南方地区如浙江、福建和广州等省也多应用自然处理法处理畜禽废水,但大多采用厌氧预处理后再进入氧化塘进行处理。如深圳牧业实业公司的养殖废水处理工程采用污水—固液分离—调节池—上流式厌氧消化池—植物塘—鱼塘—排放的工艺流程,处理后废水能达到深圳市废水排放标准[14]。

4畜禽养殖业废水的工业化处理

工业化处理技术包括厌氧处理、好氧处理以及厌氧—好氧处理等不同处理组合系统。对那些地处经济发达的大城市近郊、土地紧张且无足够农田消纳粪便污水或进行自然处理的规模较大养殖场,采用工业化处理模式净化处理畜禽粪便污水为宜。工业化处理模式主要优点一是占地少;二是适应性广,不受地理位置限制;三是受季节温度变化的影响较小。其主要缺点一是投资大,每万头猪场粪便污水处理投资约120万~150万元;二是能耗高,每处理1吨污水约耗电2~4kW?h;三是运转费用高,每处理1吨污水需运转费2.0元左右;四是机械设备多,维护管理量大;五是需专门技术人员管理。韩国、意大利和西班牙等国少部分养殖场应用自然处理技术处理粪便污水,而日本则大量应用该技术,美国亦开始该技术的研究与应用;我国目前已有相当多的养殖场采用该技术处理畜禽粪便污水。对于高浓度有机废水的处理,厌氧技术是必然选择之一。目前较常用也比较有效的处理方法是厌氧或厌氧+好氧后续处理工艺,研制高效厌氧反应器是猪场废水处理的关键。邓良伟[15]等人利用容积为120L的内循环厌氧反应器(IC)处理猪场废水,水力停留时间0.8~2.0d,COD负荷3~7kg/(m3?d),经过半年的运行,结果表明,COD平均去除率为80.3%,耐冲击负荷好,BOD平均去除率为95.8%,SS去除率为78.5%,总P平均去除率达53.8%,沼气的产率1.5~3m3/(m?d)。厌氧反应器中,部分有机氮转化为氨态氮,使得出水氨氮浓度比进水高2.82%,反应器对总氮的去除还需进一步的试验研究。有研究资料指出,在厌氧工程的装置选型上,一般SS稳定低于8000mg/L的有机废水选UBF或UASB较好;而SS控制较困难或SS含量不稳定和较高的选ABR较好。一般而言,单纯使用厌氧工艺,出水有机污染物还很高,必须采用后续处理才能达到排放标准。好氧生化法主要有活性污泥法和生物接触氧化法。成文[16]采用接触氧化水解(酸化)—两段接触氧化—混凝工艺处理猪场废水,水解对CODCr有较高的去除率,稳定在60%~70%;接触氧化对COD的去除效果在50%左右。整个工艺对氨氮去除效果较好,出水氨氮在13~15mg/L,CODCr在200~250mg/L,经过聚合氯化铝混凝沉淀后,最终出水CODCr稳定在100mg/L以下,出水达到污水综合排放一级标准。但该工艺程序复杂,占地面积大,对氨氮的去除效果还有待进一步研究。邓良伟[17]研究水解—SBR处理猪场废水,大大简化了处理工艺,水解去除了大部分COD,TP去除率达到55%,但对氨氮去除效果不好;SBR对氨氮有较好的去除效果,TN的去除率为74.1%,氨氮的去除率在97%以上。

由于养殖场废水系高浓度有机废水,采用好氧处理工艺直接进行处理则需对废水进行稀释,或采用很长的水力停留时间(一般6d以上,有的甚至长达16d),这都需建大型处理装置,投资大,能耗高,运行费用昂贵。高浓度有机废水采用厌氧—好氧联合处理工艺是公认的最经济的方法。赵一霖[18]等人采用水解酸化+CASS工艺处理畜禽养殖业废水,运行结果表明,废水经过水解酸化池进行短时间的水解酸化(HRT=2.0~6.0h)后,可生化降解程度提高,使后续处理CASS工艺对畜禽粪便污废水中SS、COD、BOD的去除率分别达到90%、95%、95%,但是对厌氧消化液的处理效果较差。一些研究者针对厌氧消化液处理效果差的问题,研究提出了改进方法一是加碱,改善了NH43+-N去除效果,但对总N去除无效果。二是加C源,主要添加葡萄糖、甲醇和乙酸,这些方法虽取得了较好处理效果,但需增添装置投资,工作强度和运行费用亦大幅增加。厌氧—加原水间歇曝气(简称Anarwia工艺)是由我国研制开发的畜禽养殖污水处理新工艺。即将大部分畜禽养殖废水进行厌氧消化后,出水再与小部分未经厌氧消化的养殖废水混合,然后采用间歇曝气序批式反应器处理混合水。该工艺处理效果与序批式反应器直接处理工艺相同,但其水力停留时间、工程投资、剩余污泥量、需氧量同比分别降低38.6%、11.8%、16.4%和95.9%,并能回收沼气。若不计沼气收益,该工艺处理费用比序批式反应器工艺低47.5%;若计沼气收益则处理费用仅为序批式反应器工艺的9.1%。说明Anarwia工艺颇具优势,并已成功应用于杭州灯塔养殖总场[19,20]和田园养殖场废水处理工程,尤其是后者的处理效果更好,主要污染物CODCr、BOD5、氨氮、SS去除率分别为90%、95%、99.1%和92%[21]。近年来,研究和设计人员采用厌氧—好氧—自然处理—还田处理联用工艺对畜禽养殖业废水进行处理,取得了较好的效果。河南省某牧业有限公司采用水解酸化—UASB—接触氧化—生物氧化塘—人工湿地组合工艺对其养猪场产生的养殖废水进行处理。长期运行表明,出水一直稳定达到并高于《农田灌溉水质标准》(GB5084-92),其COD、BOD、SS、凯氏氮的去除率分别达到98%、98%、98%、93%以上。处理后的水全部用于附近农田灌溉(每天平均200m3),所产生的污泥用于附近农田施肥。所产生沼气(每天600m3)用于厂区发电机发电。这样不仅大大减少了污染物排放总量,而且开发了可再生能源资源,为公司创造了良好的经济效益,也促进了附近农业生产的发展[22]。5结论与展望目前导致畜禽养殖业废水处理率低的主要原因,一是畜禽养殖属微利行业,受到自然和市场的双重风险,企业经济效益差,没有资金投入废水处理。二是有关厂家环境保护意识淡薄,有关部门执法不严。此外,还有一个重要原因是对畜禽养殖废水处理认识模糊,处理模式单一。

许多人始终存在一个思维上的定式,即环保的“达标排放”思路。一些粪污处理研究和设计人员不切实际地追求处理设施的机械化和现代化,错误地认为粪污处理必须要建造复杂的构筑物和现代的机械设备,致使处理工程投资大,运行费用高,养殖企业难以承受,即使建有处理设施,也可能只是作摆设。因此,有必要对各地畜禽养殖废弃物的不同处理方法进行调查研究和技术经济评价,总结出适合不同地区、不同规模的养殖场粪污废水处理模式。根据当前畜禽养殖业废水处理现状,解决此类污染问题,首先应当加强养殖场环境管理,从源头污水减量化考虑,采用“零污染”干式饲养,减少用水量,基本实现污染物零排放。或采用干清的方式代替水冲,既不会流失营养物质,又可以大大减少废水的排放。其次选择某种处理方法,不仅要考虑这种处理方法在技术上的优势,还要考虑该方法的投资、日常运行费用和操作是否方便等问题。现阶段我国经济整体水平不高,能源相对缺乏,因此,在畜禽废水处理设计中应根据当地具体情况首先考虑还田处理和自然处理或采用还田与自然处理相结合的处理方式。在一些土地资源紧张,经济较发达的地区也可考虑采用好氧、厌氧生物处理。目前,对于畜禽废水处理的设计,特别是还田利用以及自然处理尚未有设计准则和规范可依,人们通常参照其他污水的资料作为设计依据,针对畜禽废水的设计标准和规范尚缺乏深入研究。因此,应结合我国不同地区的具体情况,深入开展工作,取得适合于不同地区、不同自然条件下畜禽废水自然处理技术的实用数据,建立畜禽废水处理实用数据库,编写科学的设计标准和技术准则,使畜禽废水设计科学化、规范化是当务之急。

畜禽养殖废水解决方法运用

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