畜禽养殖废水的处理
内容提要： 改革开放以来，随着我国经济发展以及人民生活水平的不断提升，人民对禽畜产品的需求也日渐增长。在国家一系列加速禽畜业发展的政策推动下，禽畜业养殖由原来的分散经营饲养、头目少的小户型养殖不断的转型为大型的集约化、规模化的城镇养殖。但在提高管理与肉品水平以及增加经济收入的同时，也造成粪尿过度集中，冲洗水大量增加等问题，给生态环境带来了巨大的压力。该文主要综述畜禽养殖废水的来源、水质特点以及危害，同时重点介绍几种畜禽养殖废水处理工艺。
关键词： 畜禽养殖废水 处理技术
1 畜禽养殖废水的来源及水质特点
畜禽养殖废水指由畜禽养殖场产生的尿液、全部粪便或残余粪便及饲料残渣、冲洗水及工人生活生产过程中产生的废水的总称，其中冲洗水占大部分[1]。畜禽废水处理难度大，并呈现出以下特点：
（1） COD、SS、NH3-N含量高；
（2） 可生化性好，沉淀性能好；
（3） 水质水量变化大；
（4） 含有致病菌并有恶臭。
畜禽养殖业发展迅速。目前，我国每年产生禽畜粪便约45亿吨，其化学需氧量（COD）超过我国工业废水和生活污水之和。因此禽畜养殖污染已经是继工业污染、生活污染之后的第三大污染源。
而畜禽养殖废水的处理则是其中的重点[2]。
2畜禽养殖废水的危害
随着畜禽养殖业的发展，所带来的污染以及危害也日益凸显。未经处理而直接排放的的废水往往给环境和人体带来相应的危害。
2.1 大气污染
畜禽粪尿中含有大量未被消化的有机物，主要由碳水化合物和含氮化合物组成。碳水化合物可分解成甲烷、有机酸和醇类。含氮化合物主要是蛋白质。在有氧条件下，蛋白质分解的最终产物是硝酸盐类；无氧条件下，可分解成氨、乙烯醇、二甲基硫醚、硫化氢、甲胺、三甲胺等恶臭气体。而对于刚排泄出的畜禽粪便含有氨、硫化氢、胺等有害气体，如未能及时清除处理，其臭味将成倍增加，产生甲基硫醇、二甲二硫醚、甲硫醚、二甲胺及多种低级脂肪酸等有恶臭的气体[3]。这些大气污染物不仅给养殖场的工作人员以及周边的居民带来健康上的危害，也会造成小范围的纠纷和矛盾，从而影响地区的长治久安。同时畜禽养殖业所产生的大量氨气也成为温室气体的重要来源之一[4]。
2.2 水污染
畜禽饲料中大量添加钙、磷、铜、铁、锌、锰、钴、硒和碘等元素，以及畜禽粪便中本身含有的氮、磷、BOD等大量无机、有机污染物，甚至包含一些抗生素。这些组分使得畜禽养殖废水中成分复杂，污染负荷很高。没有经过妥善处理的废水通过地表土壤渗透到地表水体或地下水层，使水体受到污染，严重时水体发臭、发黑、水体丧失功能，非常难治理和恢复。其中最常见的就是水体富营养化。例如，太湖的富营养化就是因为养殖场高浓度氮磷废水排入其流域所导致[3]。
2.3 土壤污染
高浓度的养殖废水若未经处理就直接长时间的排入土壤，会导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气性和透水性的双方面下降，影响土地性能，直接影响农作物的生长质量，农作物的徒长、倒伏、返青、早熟、减产和死亡现象就是由于受高浓度污水长期污染使得其性能下降所导致的[3] 。以砷为例，近年来，媒体宣传有机砷制剂能促进猪的生长并有较好的医疗效果。而据预测，一个万头猪场若连续使用含砷饲料，5~8d将可能向猪场周边排入1t砷。土壤中砷含量每升高1 mg/kg，则甘薯块根中砷含
[4]。量即上升0.28mg/kg，不超过10天，该地所产的甘薯中砷含量将超过污泥农用标准（41 mg/kg）
2.4 微生物污染
畜禽体内的微生物主要通过消化道排出体外，粪便是微生物的主要载体。有关资料表明，在1g猪场的粪污水中，含有83万个大肠杆菌，69万个肠球菌，还含有寄生虫卵。这些有害病菌，如果得不到妥善处理，将污染环境，这不仅会直接威胁畜禽自身的生存，还会严重危害人体健康。粪便中病原微生物在较长时间内可以维持其感染性。如巴氏杆菌在室温条件下的粪便中，其传染性可维持34天，马立克氏病毒可维持100天，禽流感病毒在4℃时可维持30~35天[4]。
3 畜禽养殖废水处理技术的国内外研究现状
由于畜禽养殖废水所带来严重的环境压力，业界诸多相关专家针对其处理技术进行了多方面的研究。目前，畜禽养殖废水的治理主要从源头控制与末端处理入手。源头控制强调减少粪尿中有机物的含量[1]；用清洁的干清粪工艺取代原有的水冲粪、水泡粪工艺[4]；并鼓励采用生物发酵舍技术实现粪尿零排放[5]。末端处理技术按照处理模式可分为三种：还田模式、自然处理模式、工业处理模式[6]。
3.1 还田处理模式
还田模式即将粪尿及冲洗水施于土壤中，在微生物以及植物的共同作用下，可将其中的有机物分解并吸收利用。不仅改善了土壤肥力，有利于植物的生长发育同时降低了肥料等的使用所带来的成本以及土壤的板结[3]。但这种方法需要大片农田消纳污染物[4]，因此，欧洲一些国家已经改变了饲养方法，由水冲洗栏舍式变回传统的稻草或作物秸秆铺垫吸收尿粪，经过处理后制成肥料还原给农田。上个世纪70年代，日本曲径经过十多年的探索，又开始大力推广还田养殖废水。还田的优点是不耗能源，不用请专业的人员进行管理，运转费用低廉，节省了很大的投资和运行管理费用，还有就是使污染物得到了有效的处置和经济的利用，不仅可以达到污染物零排放还能减少化肥的施用量，改善土壤质量。但不可忽视的是，养殖废水在降解的过程中所产生的NH3以及H2S会对大气环境以及人体健康产生危害，因此，欧洲一些国家将畜禽养殖废水经过厌氧消化处理后再进行还田利用[3]。
3.2 自然处理模式
自然处理模式即通过过滤、截流、沉淀、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化及吸收等机理，采用氧化塘、土地处理系统或人工湿地等方法对畜禽养殖废水进行处理[4]。氧化塘中的各类生物互相依存，形成一个复合生态系统，在塘内停留较长时间的污水中的有机物及氮磷等营养物质被植物氧化分解，处理后的废水可用于农田灌溉。而人工湿地主要是通过植物的根和茎以及基质表层去除污水中比较大的颗粒物从而形成一层污泥，大量氧气在植物根系的作用下进入污水中，从而使污水中的有机物被大量繁殖的好氧菌降解吸收，并经过厌氧菌的进一步吸收降解后，达到排放标准[7]。廖新偙和骆世明分别以香根草和风车草为植被建立人工湿地，其对COD的去除率可达到90%以上，BOD去除率可达80%以上[8] 。邓任槐等利用芦苇、菖蒲等挺水植物系统和凤眼莲、水烛等浮水植物系统建立了一个约300m2的湿地系统，整个系统对养殖废水中的COD、BOD去除率均达到99%以上，氨氮的去除率达到98%[9]。湾墨西哥湾项目建立了相关养殖废水人工湿地处理数据库，发现污染物平均去除率为：生化需氧量 BOD 为 65%，固体悬浮物 53%，氨氮为 48%，TP 为 42%，TN 为 42%[10]。叶勇等利用红树植物木榄和秋茄处理畜禽养殖废水中的N、P，秋茄和木榄系统对N的去除效率达79.2%和91.8%，对P的去除效率达85.4%和95.5%[11]。但自然处理模式存在受季节温度变化的影
响，且防控性差，有污染地下水源的风险[3]。
3.3 工业处理模式
由于还田模式以及自然处理模式中用于消纳或处理粪便污水的土地越来越少，加之该种处理方法有带来二次污染的风险，因此工业化处理模式越来越受到重视[12]。工业化处理模式包括：物化处理技术与生物处理技术两大类。
3.3.1 物化处理技术
常用的物化处理技术有吸附法、磁絮凝沉淀、电化学氧化、Fenton氧化等。
（1） 吸附法
梁文婷等采用氧化镁改性沸石，在最佳作用时间4h下，得到猪场废水中NH3-N、总磷的去除率分别为88.6 %和76.2 %，该法的改性沸石使用微波制成，能耗和技术要求较高，且吸附剂达到饱和时必须脱附，故只能间歇处理废水[13]。
（2） 磁絮凝沉淀
崔丽娜等通过投加磁种和絮凝剂进行磁絮凝分离反应，处理猪场废水，实验条件下，COD为32323 mg/L的猪场废水样，去除率最高可达61.02 %。该技术工艺流程简单、沉降性好、处理周期短，但会产生大量的化学污泥[14]。
（3）电化学氧化
电化学氧化对氨氮的去除率较高。欧阳超等对实际养猪废水进行电化学氧化处理，在180min内，NH3-N的去除率可达98.22 % ，但COD的去除率仅14.04 %[15]。
（4）Fenton氧化
Hyunhee Lee等采用Fenton氧化法处理COD为5000~5700mg/L的畜禽废水，当H2O2投入加浓度为废水初始COD浓度的1.05倍，Fe2+投加浓度4700mg/L，H2O2与Fe2+摩尔比为2，pH值控制为3.5~4，反应30min后，COD和色度的去除率分别高于80%和95%。Fenton氧化技术对于COD和色度的去除率较高，可作为畜禽废水深度处理技术，但该技术Fe2+用量大、H2O2的利用率不高[16]。
物化技术对于畜禽养殖废水中的COD、NH3-N、色度具有一定去除率，可作为其预处理或深度处理工艺。
3.3.2 生物处理技术
畜禽养殖废水的可生化性较好，因此工业上多选用生物处理技术对其进行处理。工业化生物处理技术有：厌氧处理技术、好氧处理技术以及厌氧—好养组合技术。
（1）厌氧生物处理技术
目前，常用于处理畜禽养殖废水的处理方法主要有以下几种：厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（USAB）、厌氧折流板（ABR）、内循环厌氧反应器（IC）等。邓良伟等采用了IC工艺对畜禽养殖废水进行了实验研究，结果表明，COD的去除率为80.3%，BOD5的去除率为95.8%，SS的去除率为78.5%，沼气产率达1.5~3kgCOD/(m3·d)。出水氨氮浓度比进水高2.82%，TN的去除率为21.7%，TP的去除率为53.8%[17]。宋炜等用厌氧折流板（ABR）处理畜禽养殖废水，实验COD为
8000~10000mg/L，出水COD去除率可达65%[18]。赵青玲等用EGSB（膨胀颗粒污泥床）处理养殖废水，进水COD浓度为6000mg/L左右，出水COD去除率可达80%[19]。以往大多数对畜禽养殖场直接进行厌氧处理的工程其主要目的是以回收利用沼气能源居多，厌氧处理工艺处理畜禽养殖废水不能算是对污水的完全处理，厌氧工艺只是去处了部分有机物和悬浮物，处理后的出水溶解氧含量低，氮磷等营养物质基本没有得到有效去除，同时在厌氧消化过程中，有机氮被转化成氨氮，污水中的氨氮浓度非常高，出水水质尚未达标，如果排放对环境的压力仍然很大，随着国家对环保问题的重视，要想要想出水水质达到排放标准还需要作进一步处理。
（2）好氧生物处理技术
好氧生物处理技术：主要有活性污泥法、接触氧化法、生物转盘、序批式活性污泥法及 A/O 等工艺。这些工艺处理畜禽养殖废水脱氮效果均差，其中 A/O 工艺虽能取得较好的脱氮效果，但需要污泥回流和高比例混合液回流，一般的还需要加碱。邓良伟以水解—续批式活性污泥（SBR） 处理畜禽养殖废水，水解过程中 COD 有较好的去除率，当 SBR 水力停留时间为 2.0~6.0h 时，各项指标的去除率不是很高，氨氮几乎没去除，而当SBR 水力停留时间为 1.0~1.4d 时，COD 的去除率为 52.1%~82.1%，BOD 的去除率为 89.0%~95.7%，SS 的去除率为 93.9%~97.3%，TN 的去除率为 74.1%，特别是对高浓度 NH3-N 的去除率达到 97%以上[20]。由于畜禽养殖废水属于高有机物浓度、高氮磷含量和高有害微生物的三高废水，采用单一好氧处理工艺直接进行处理则需对废水进行稀释或加大水力停留时间，进而得建造大型的处理设备，大大增加了投资、管理、运行费用。
（3）厌氧（缺氧）—好氧联合处理工艺
单独的厌氧或好氧处理无法实现养殖废水的达标外排，结合它们各自的优势，大多数畜禽养殖场采用厌氧（缺氧）—好养联合处理工艺。杭州西子养殖场采用了厌氧—好氧组合工艺处理高浓度养殖废水出水COD约为400mg/L，BOD为140mg/L，出水COD、氨氮均能达到排放标准[21]。张欣等
采用上流式厌氧污泥床——续批式活性污泥（ASBR-SBR）组合工艺处理养殖废水，COD去除率达96%，氨氮去除率达87%，出水水质达到《畜禽养殖废水排放标准》的要求[22, 23]。P.Y.Yang等人开发的一个包括固液分离、厌氧单元（HRT=3d）、好氧单元(HRT=4d)、过滤出水修饰单元的组合工艺。当好氧单元以曝气20h，沉淀4h工况操作时，出水COD的去除率为95.4%，TP去除率为81.2%，出水符合排放标准。厌氧—好氧联合处理法既克服了厌氧处理达不到要求的缺陷，具有投资少，运行费用低、净化效果好、能源环境综合效益高等有点，特别适合于规模化畜禽养殖场污水的处理[24]。但该法仍然存在技术方法上的难点：厌氧或缺氧出水COD低，无法满足后续好氧处理系统中微生物脱氮的需求，外加碳源量不容易控制。这也将是未来研究的终点[2]。
4 水解酸化-A2/O组合工艺
水解酸化-A2/O工艺即将水解酸化工艺与A2/O工艺联合使用的工艺技术。通过水解微生物和产酸微生物的共同作用从而提高污水的可生化性，然后将污水通入A2/O反应器中，依次进入厌氧池—缺氧池—好氧池，最后出水。具体工艺流程如图4-1所示。
图4-1 水解酸化-A2/O工艺流程图
首先，污水进入水解酸化池，水解微生物将大分子有机物转化成小分子有机物，产酸微生物将水解产物转化成短链中性有机物，如有机酸、醇等，并有CO2、H2等气体产生。随后经过酸化的污水与
二沉池的含磷污泥回流液同步进入A2/O工艺中的厌氧池，在厌氧环境条件下，部分易溶解性有机物被兼性厌氧菌转化为小分子挥发性脂肪酸，使得污水中的BOD氨氮浓度有所下降，同时聚磷菌将这些小分子有机物合成PHB并储存在细胞内，同时将P释放出细胞，使得污水中P的含量增高。经过厌氧池出来的污水和内回流混合液一同进入缺氧池，在次反应器中，反硝化菌所需的碳源来自于污水中的有机物，BOD浓度继续下降，同时反硝化菌通过反硝化反应进行脱氮，将内驯化混合液中的NO3-N和NO2-N还原为N2释放到空气中。随后污水进入好氧池，有机物继续被降解使得浓度下降，在氨化菌和硝化菌的作用下有机氮被氨化继而被消化，使得NH3-N下降显著，NO3-N和NO2-N含量增多；同时，聚磷菌在好氧环境下大量生长繁殖，过量吸收水中的溶解性磷与其体内，经过沉淀处泥达到除磷效果。
水解酸化—A2/O组合工艺的最佳运行条件为：水解酸化池的水力停留时间为8h，A2/O反应器中回流污泥比控制在70%，混合液回流比控制在300%，好氧池溶解氧浓度控制在3ml/L，A2/O反应器总水力停留时间为15h。在该实验中，废水中 COD 的总去除率平均可达 88.6%，其出水 COD 平均浓度可达 290mg/L，废水中 TP 的总去除率平均可达 85.4%，其出水TP 平均浓度为 5.6mg/L，废水中氨氮的总去除率平均可达 75.8%，其出水氨氮平均浓度为 57.6mg/L，SS 总体去除率平均值可达到 95.23%，出水 SS 的均值62.5mg/L 左右，出水各项指标均满足《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）[3, 23]。
5 畜禽养殖业污染治理工程技术规范建议工艺模式
选用粪污处理工艺时，应根据养殖场的养殖种类、养殖规模、粪污收集方式、当地的自然地理环境条件以及处理目标，并应充分考虑畜禽养殖废水的特殊性，在实现综合利用或达标排放的情况下，优先选择低运行成本的处理工艺，并慎重选用物化处理工艺。对于畜禽养殖业污染治理技术规范中粪污处理基本工艺模式Ⅱ适合处理养殖规模在存栏（以猪计）2000头及以下，养殖场位于非环境敏感区，周围的环境容量大，远离城市，有能源需求，周边有足够的土地能够消纳全部的沼液、沼渣的情况。
具体工艺流程如图5-1。
图5-1畜禽养殖业污染治理技术规范中粪污处理基本工艺模式Ⅱ
由畜舍流出的废水通过格栅，截留废水中粗大的污物，当污水量较大时，宜采用机械格栅，栅渣则运至粪便堆肥场或其他无害化场所进行处理。随后污水进入沉砂池，对于处理养鸡场或散放式奶牛场废水时应强化沉砂池设置，其他养殖废水处理可使设置的集水池具有一定的沉砂功能，而不单独设置沉砂池。集水池其容量不宜小于最大日排放量的50%，且易于除浮渣和沉渣。处理食草类动物粪污时，应增加集水池容积，使其具有化粪的功能。污水进入固液分离设备，将粪渣与污水分离，粪渣运送至粪便堆肥场，污水则进入水解酸化池。固液分离设备可选用水力筛网、螺旋挤压分离机等，同时也应根据处理水量、水质、场地、经济情况等条件考虑选用，并考虑废渣的贮存和运输等情况。进入水解酸化池的废水在微生物的作用下将大分子物质降解为小分子有机物，从而提高废水的可生化性，其水力停留时间宜为12~24h。随后污水进入厌氧生物处理单元，其通常由厌氧反应器、沼气收集与处理系统（净化系统、贮气罐、输配气管和使用系统等）、沼液和沼渣处置系统构成。对于模式Ⅱ中进水经固液分离的系统而言，厌氧反应器宜采用升流式厌氧污泥床（USAB），也可采用复合厌氧反应器（UBF），厌氧过滤器（AF）、折流式厌氧反应器（ABR）等，宜采用常温发酵，但温度不宜低于20℃，水力停留时间不宜小于5d。厌氧反应产生的沼气进入沼气净化系统，处理后的气体通过输配气系统可进入储气罐并进一步用于居民生活用气、锅炉燃烧、沼气发电等。厌氧反应产生的沼渣应及时运至粪便堆肥场或其他无害化场所，进行妥善处理。反应产生的沼液进入沼液贮存池，并经过沼液利用系统，
最终作为农田、大棚蔬菜田、苗木基地、茶园等的有机肥[1]。
6 展望
畜禽养殖废水的处理技术较多，探究某一具体技术的应用，不仅要考虑其技术上的优势，更要考虑诸如投资成本、运行费用以及操作等综合因素。根据目前技术发展现状以及国家政策引导，畜禽养殖废水的处理应将源头控制和末端治理相结合，从根本上减少畜禽废水处理的运行和处理成本，推广清洁生产，遵循减量化、资源化和无害化的原则，有效地保护和改善畜禽养殖场的环境，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一，走环境友好与资源节约之路[4]。
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