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畜禽养殖废水处理研究

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摘要:畜禽养殖废水具有CODCr,NH3-N,SS,以及致病菌含量高并伴有恶臭、水质水量变化大、处理难度大等特点。对于这类复合污染水体,采用单一物理、化学或生物等方法,难以修复或控制使其达标排放。为进行高效的废水处理,从组合工艺出发,对畜禽养殖废水处理系统进行综述,分析各组合工艺的优劣势以及在实际中的应用实例。并在此基础上,提出具有经济价值、处理效果好的组合工艺。

关键词:畜禽养殖废水;CODCr;NH3-N;SS;致病菌;组合工艺

根据全国第一次污染源普查动态数据显示,2010年我国畜禽养殖业所排放的CODCr,TN,TP分别占农业面源污染的96%,38%和56%[1-2];其中CODCr,NH4+-N相当于当年工业源排放量的3.23和2.3倍,占全国污染物排放总量的45%和25%[3],畜禽养殖废水污染已经成为我国农业面源污染之首。畜禽养殖废水对环境的影响主要体现为:(1)养殖废水被做农家肥,未经处理直接施用可能超过土壤的自净能力,故造成土壤污染;(2)畜禽废水散发的恶臭成分复杂,不经处理会造成严重的大气污染;(3)畜禽养殖废水对水体的污染有地表水污染和地下水污染;有机物、氮磷引起的水体富营养化和水体黑臭。水体渗入地下会导致地下水污染,从而影响人们的身体健康和生产生活[4]。随着畜禽养殖废水对环境影响的日益凸显,2015年国务院颁发的《水污染防治行动计划》(简称水十条)多款条文指出畜禽养殖污染。第一条指出:现有规模化畜禽养殖场(小区)要根据污染防治需要,配套建设粪便污水贮存、处理、利用设施。散养密集区要实行畜禽粪便污水分户收集、集中处理利用。自2016年起,新建、改建、扩建规模化畜禽养殖场(小区)要实施雨污分流、粪便污水资源化利用[5],从而畜禽养殖废水的处理已经成为我国环境保护工作的重点工作之一。如何在畜禽养殖废水处理过程中同时进行CODCr,TN,TP的去除,已经成为该领域的研究热点[6]。我国于2003年颁布实施《禽畜养殖业污染物排放标准》(GB18596—2001),其中要求畜禽养殖业排放的污染物必须采用还田或其他措施综合处理,实现污染物的资源化利用。目前国内主要的养殖废水处理方法主要包括物化法和生物法。

1畜禽养殖废水处理技术

1.1物化法

物化处理法是指通过物理、化学手段对畜禽养殖废水进行处理,目前主要的物化处理技术有絮凝沉淀法[7,8]、吸附法[9-11]、Fenton氧化法[12]、电化学氧化法[13]等,但畜禽养殖废水产生量大、污染物浓度高,物化法处理成本高,通常用于畜禽养殖废水的预处理和深度处理。

1.2生物法

生物法作为污水处理工艺,因其具有占地面积少、处理能力强、受环境影响因素小等特点,已经成为近年来用于处理畜禽养殖废水的主要技术。经物化处理开环断链后生成的小分子有机物,适合生物去除,能减少处理能耗,降低运行费用。生物法主要包括厌氧生物处理技术[14]、好氧生物处理技术[15]、自然生物处理技术[16,17]。其中,厌氧技术在养殖场废水处理领域中是较为常用的,采用厌氧消化工艺,能降解难溶性有机物,并杀死大量致病菌。目前常用的厌氧工艺有化粪池、厌氧生物滤池(Anaerobicbio-filter,AF)、厌氧反应器、厌氧折流板反应器(AnaerobicbaffledReactor,ABR)、厌氧复合反应器、升流式厌氧污泥床(Up-flowanaerobicsludgeblanket,UASB)和内循环厌氧反应器(Internalcirculationreaction,IC)等,但厌氧生物处理技术对氮磷的去除效率有限[18]。好氧生物处理技术能在一定程度上弥补这方面的缺陷,其是指在有氧的情况下提高好氧微生物降解废水中污染物的能力,该方法主要有活性污泥法(A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺、SBR、CASS等)、生物膜法(生物滤池、生物转盘、生物接触氧化等)、膜生物法(膜生物反应器、MBR、膜曝气生物反应器、MBBR)等。好氧生物处理技术能较好地去除废水中的有机物、氨氮和总磷[19],但好氧处理设备投资多,运行成本高。而自然生物处理技术是运用自然界本身的自我净化功能来使废水达到净化水质的目的,主要有人工湿地、稳定塘、人工渗滤等。

2畜禽养殖废水处理组合工艺

根据畜禽养殖废水高有机物、高氨氮等特性,单纯的采用物化法或者生物处理技术很难达到《禽畜养殖业污染物排放标准》排放要求,一般情况下需采用组合工艺——利用物化法、生物法中的两种或者两种以上工艺联用设计出的畜禽养殖废水处理系统。

2.1厌氧-好氧组合工艺

单独的厌氧或者好氧处理无法实现畜禽养殖废水的达标排放,目前无论是试验研究还是工程应用,均采用厌氧-好氧为主体的组合工艺。从研发的角度出发,陈晴等[20]针对ABR-MABR耦合工艺对畜禽养殖废水的同步启动进行研究发现:CODCr平均去除率可达89%,NH4+-N去除率可达60%以上。王刚等[21]采用UASB-SBBR组合工艺对畜禽养殖废水进行处理,COD的平均去除率达97.3%,NH4+-N的去除率为97.4%,并实现了以短程硝化反硝化为主的生物脱氮。Shin等[22]采用升流式厌氧滤床(AUBF)-MBR反应器处理养猪场废水,其COD和NH4+-N的平均去除率为91%和60%。但这些还只限于实验研究阶段,还未实际应用到工程中。从工程应用的角度出发,EGSB-生物接触氧化法-MBR组合工艺被用来处理广州某规模化养殖场[23],废水水量为100m3/d,稳定运行后COD和NH4+-N去除率高,分别达到96.16%和91.97%,该项目一次性投资133万元,运行成本总计2.43元/m3,该工艺的建设成本和运行成本均偏高。而使用水解酸化-中温UASB-生物接触氧化-人工湿地工艺处理江西某规模化养猪场养殖废水[24],水量为400m3/d,一次性投资360万元,运行成本为0.85元/m3,该组合工艺虽然运行成本低,但占地面积大。贵港市环境保护科学研究所[25]采用UASB-生物接触氧化-氧化塘工艺处理排水量150m3/d的养殖废水,经过1年多的运行,COD去除率达96.8%,BOD5去除率达96.2%,NH4+-N去除率达85.6%,该项目一次性投资47万元,运行成本总计0.6元/m3,该工艺相对来说投资建设成本均能接受,但占地面积大。上述组合处理工艺出水水质均能达到排放标准。

2.2物化-生物组合工艺

尽管好氧生物工艺能在某种程度上弥补了厌氧工艺的缺陷,对有机物、氮、磷等有较高的去除率,但生物处理技术受水质水量的影响非常大,且对重金属、抗生素等的去除有限。随着畜禽养殖规模的不断扩大,畜禽养殖废水处理工艺也朝着综合处理工艺(物化-生物相结合)的方向发展。从理论的角度出发,江苏省无锡市滨湖区环保局[26]提出了采用UASB+A/O+Fenton综合处理方法处理生猪养殖废水,根据该工艺在畜禽废水处理中的应用结果来看,出水效果稳定达标,经济效益较好,具有推广价值。赵鹤谦等[27]采用“初沉池+UASB+MBBR组合反应池+二沉池+砂滤罐+活性炭罐+消毒池+清水池”处理辽宁某奶牛养殖场处理效果好,设备投资低。邓仕槐等[28]采用“调节池+气浮池+ABR+CASS+湿地处理系统+生态塘”处理畜禽养殖废水,处理效果良好,预计运行成本约为1.17元/m3。上述理论工艺出水水质均能达到《污水综合排放标准》(GB8978—1996)中的一级排放标准。从实际工程应用角度出发,信阳市环境监测站[29]采用“预处理+物化+生化”联合处理工艺处理出水量为300m3/d畜禽养殖废水并应用实际工程(工艺流程如图1),可以大幅度削减污染物排放量,其中COD,BOD5,NH3-N,SS,TP削减量分别为61.3t/a,16.9t/a,64.0t/a,6.4t/a,2.691t/a,具有较好的社会效益和环境效益。深圳市龙岗区自来水有限公司[30]采用“生物微电解-接触氧化-稳定塘”为主体的工艺,对出水量为360m3/d的某养猪场的废水处理系统进行了技术改造,工程总投资仅为69万元,运行成本只有1.36元/m3。长沙环境保护职业技术学院[31]对某生猪生产基地废水治理工程进行工艺改造,用“固液分离+O/A/O法+连续循环曝气系统工艺”的新组合工艺取代原有工艺“复合厌氧+SBR”,使高浓度畜禽养殖废水处理设施中COD的去除率达96.7%,氨氮的去除率达84.4%,SS的去除率达98.1%,且该工艺运行成本为2.09元/m3。刘宇赜[32]等采用“UASB+SBR+混凝沉淀”工艺处理某养猪场废水,处理水量为150m3/d,CODCr的平均去除率达到92.3%,NH3-N的去除率达到90.0%;工程总造价110万元,运行成本约1.1元/m3。工程实践中多数都是将有机物、氮、磷一并去除,在选择畜禽养殖废水处理工艺时,不仅要考虑水质的达标情况,要同时结合养殖废水处理厂所处的环境、建设投资成本及运营成本等多方面进行考量评估,而不是简单套用前期的处理工艺,实行一厂一工艺技术的规范化制度,使其能达标、稳定、长效运行。

3畜禽养殖废水处理存在问题

畜禽养殖废水中含有大量污染物,除有机物、氮、磷等外,还含有如重金属、残留的兽药和大量的病原体等,如不经处理就排放或直接农用,将会对当地生态环境和农田造成严重污染。但目前仍存在很多问题,导致畜禽养殖废水的处理不当,严重影响环境:(1)完善的畜禽环境污染综合治理的长效机制、相关法规政策体系等的缺乏;(2)畜禽养殖废水处理成本高、深度处理不当等问题;(3)废水成分复杂,排放量大,处理后污染物含量仍很高,且受季节灌溉影响;(4)养殖户环保意识缺乏,直接用作农家肥甚至直排。

作者:马晓冬 张星梓 胡玉洪 刘艳 单位:云南省环境科学研究院

畜禽养殖废水处理研究责任编辑:张雨    阅读:人次