（环境工程专业论文）新型icsbbr组合工艺在猪场废水处理中的应用研究.pdf

摘要 摘要 规模化养殖能够极大提高生产效率和饲养转换率，降低成本，增加经济效 益；随着规模化养殖迅速发展，也带来了一系列的环境新问题，特别是规模化 猪场废水是一种高含氮有机废水，传统的厌氧消化处理方法不具备生物脱氮的 能力，且经常引起出水c n 比例失调，增加后续脱氮难度。 本文立足于国内外规模化养殖废水生物处理研究的最新成果，提出采用新 型i c s b b r 组合工艺处理猪场废水，详细研究该组合工艺处理猪场废水的启动 特性和系统稳定运行条件优化，并考察了工艺工程化应用的可行性，充分利用 两者的组合优势促进猪场废水高效脱碳除氮。 实验室试验结果表明，通过接种部分厌氧污泥，i o c 反应器通过6 2 d 培养驯 化，容积负荷提升至6k g c o d ( m 3 d ) ，c o d 去除率达到8 1 5 ，颗粒污泥粒径 增大，但由于厌氧环境下将废水中少量有机氮转化为无机氮，i o c 反应器出现了 出水n h 4 + - n 浓度高于进水n i - h + - n 浓度情况。将城市污水处理厂氧化沟的活性 污泥作为s b b r 启动菌种来源，经过2 4 d 的培养驯化，s b b r 的c o d 、n 1 - 1 4 + - n 和t p 的去除率分别可以达到8 5 、9 0 和8 7 以上，并可以稳定运行，确定了 s b b r 合适运行工况为进水0 2 5 h 、厌氧3 h 、好氧7 l l 、沉淀0 5 h 、排水0 2 5 h 、 闲置1 h ，排泥时间7 d 。 实验室研究过程中，工艺对猪场废水中c o d 、n 】时n 具有较高的处理能力， 但总氮平均去除率仅有2 8 5 ；本文通过增加s b b r 缺氧好氧交替频次和添加 3 0 猪场原水两种方式，提升工艺的c o d 、n h 4 + - n 特别是t n 去除效果，增加 s b b r 缺氧好氧交替频次可以使t n 去除率提升到7 8 6 。添加3 0 原水可以使 t n 去除率提升到5 0 以上；而由于减少了硝态氮对除磷的干扰，t p 去除率也 可达到8 0 以上，处理系统的稳定性得到增强。 同时，本文还探讨了同步厌氧氨氧化产甲烷反硝化在i o c - s b b r 工艺中实 现的可能性，实验室研究结果表明工艺启动完成后，厌氧氨氧化活性为4 1 2m g n h 4 + - n ( g v s s h ) ) 或者6 6 5m g n 0 2 。- n ( g v s s h ) ；厌氧活性污泥呈红褐色，颗粒 呈不规则的椭圆球状，污泥中的细菌有许多为不规则的短杆小球状细菌，属于 厌氧氨氧化菌的典型特证；i o c 反应器中亚硝氮的去除效果一直高于氨氮的去除 效果，n 0 2 - n n h 4 + - n 去除的比率约为1 4 4 ，大于1 3 2 的厌氧氨氧化理论值， 摘要 说明i o c 反应器n 0 2 。n 和n 0 3 。- n 的去除，除了占主导地位的厌氧氨氧化反应 外，通过反硝化作用也实现了部分硝态氮的去除。 本文在实验室研究基础上，进一步对本工艺工程化的应用进行了研究，示 范工程研究结果表明：通过在s b b r 反应器中添加3 0 猪场原水增强厌氧消化 液的可生化性，c o d 、n 瞰+ - n 和口的去除效果得到明显提升；去除率分别提 高3 8 9 、1 2 1 5 和7 2 ；在i o c s b b r 工艺之后辅助人工湿地进一步脱氮除 磷，组合工艺对高含氮猪场有机废水处理效果明显，经过1 6 个月稳定运行，组 合工艺的平均去除率：c o d9 6 5 ，n h 4 + - n8 9 ，s s9 6 2 ，t p8 6 ；工艺出 水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准( o b1 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 要求，折合吨废水 处理费用为1 2 7 元，工艺实现了良好的生态和社会效益。 关键词：厌氧内外循环反应器；序批式生物膜反应器；猪场废水；生物脱碳除 氮；厌氧氨氧化；运行优化 a b s t r a c t a b s t r a c t l a r g e - s c a l ef a r m i n g c a ng r e a t l yi m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dr a i s e c o n v e r s i o nr a t e s ，r e d u c ec o s t sa n di n c r e a s ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ；诚血t h er a p i d d e v e l o p m e n to fl a r g e s c a l ef a r m i n g ，a l s oc a u s ean e ws e r i e s o fe n v i r o n m e n t a l p r o b l e m sa l s o ，e s p e c i a l l ys w i n ew a s t e w a t e rc o n t a i nh i g hn i t r o g e na n do r g a n i c ，t h e t r a d i t i o n a lm e t h o do fa n a e r o b i cd i g e s t i o nc a nn o th a v et h ea b i l i t yo fb i o l o g i c a l n i t r o g e nr e m o v a l ，a n do f t e nc a u s et h el o wc nr a t i oo ft h ea n a e r o b i cd i g e s t i n gf l u i d a n dt h ed i f f e r e n c eo fb i o c h e m i s t r yd e g r a d a t i o n b a s e do nt h el a t e s tr e s e a r c hf i n d i n g so ns w i n ew a s t e w a t e rb i o l o g i c a lt r e a t m e n t i nb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d , t h ea r t i c l ep r o p o s e dt h a ta d o p tt h en e wc o m b i n e i c - s b b rp r o c e s st ot r e a ts w i n ew a s t e w a t e r , t h a tt h ef u l la d v a n t a g e so ft h ec o m b i n e p r o c e s sc a nr e a l i z eb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a le f f l c i e m l y ；t h e s y s t e ms t a r t - u pc o n d i t i o n so p t i m i z a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t ye n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s w e r ed e t a i l e ds t u d i e d t h el a b o r a t o r yt e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t 、7 i ，i mt h ev a c c i n a t i o no fs o m ea n a e r o b i c s l u d g e ，t h ei o cr e a c t o rt h r o u g h6 2 dd o m e s t i c a t i o n , t h ev o l u m el o a dp r o m o t i o nt o6 k g c o d ( m 3 d ) ，c o dr e m o v a lr a t ea c h i e v e d81 5 ，a n a e r o b i cg r a n u l a rs l u d g es i z e i n c r e a s e s ，b u tu n d e rt h ea n a e r o b i ce n v i r o n m e n t ，s o m eo r g a n i cn i t r o g e nc o n v e n e dt o t h ei n o r g a n i cn i t r o g e n , c a u s e dt h ee f f l u e n tn h 4 + - nc o n c e n t r a t i o no fi o cr e a c t o rw a s h i g h e rt h a nt h ei n f l u e m t h es b b rv a c c i n a t i o no r i g i n a t e df r o mt h em u n i c i p a ls e w a g e t r e a t m e n tp l a n t so x i d a t i o nd i t c h sa c t i v es l u d g e ，t h r o u g h2 4 dd o m e s t i c a t i o n , c o d ， n i - 王4 + - na n dt h et pr e m o v a lr a t ec o u l da c h i e v e8 5 ，9 0 a n d8 7 s e p a r a t e l y , a n d t h es b b ro p e r a t i o ns t e a d y , t h es b b ra p p r o p r i a t eo p e r a t i n gc o n d i t i o nw a se n t e r 0 2 5 ka n a e r o b i c3 h , a e r o b i c7 bp r e c i p i t a t i o no 5 h ，d r a i n0 2 5 ki d l el ha n da r r a n g e d p u t t yt i m e7 d i nt h el a b o r a t o r yr e s e a r c h , t h ep r o c e s sh a dt h eh i g ha b i l i t yo nr e m o v a lo fc o d a n dn h 4 十- n ，b mt h et o t a ln i t r o g e n ( t n ) a v e r a g er e m o v a lr a t eo n l yr e a c h e d2 8 5 ； t h eo p t i m i z a t i o no fs b b ro p e r a t i o nm o d et oi n c r e a s et h eo x y g e n a n o x i ea l t e r n a t i n g f r e q u e n c ya n di n c r e a s e s3 0 r a ws w i n ew a s t e w a t e rc o u l dp r o m o t i o nc o d ，n h 4 + - n a n ds p e c i a l l yt nr e m o v a lr a t e ，i n c r e a s e dt h eo x y g e n a n o x i ca l t e r n a t i n gf r e q u e n c y c a u s e dt h et nr e m o v a lr a t ea c h i e v e d7 8 6 i n c r e a s e s3 0 r a ww a s t e w a t e rm a d et h e i i i a b s t r a c t t nr e m o v a lr a t ep r o m o t i o nt oa b o v e5 0 ，f o rr e d u c i n gt h en i t r i t ed i s t u r b a n c eo nt h e p h o s p h o r u s ，t pr e m o v a lr a t ea l s oa c h i e v e da b o v e8 0 ，t h es y s t e m ss t a b i l i t yo b t a i n s t h ee n h a n c e m e n t a tt h es a m et i m e ，t h ea r t i c l ea l s od i s c u s s e dt h ep o s s i b i l i t yo fs i m u l t a n e o u s m e t h a n o g e n e s i sw i 也d e n i t r i f i c a t i o na n da n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o np r o c e s s r e a l i z eo nt h ei o c - s b b rs y s t e m , t h e l a b o r a t o r yf i n d i n g s i n d i c a t e da n a e r o b i c a m m o n i ao x i d a t i o na c t i v e n e s sw a s 4 12 m gn h 4 十- n ( g v s s 。h ) o r 6 6 5 m g n 0 2 - n ( g v s s h ) a f t e rt h ep r o c e s ss t a r t - u ps u c c e s s f u l l y , t h ea n a e r o b i cg r a n u l e s l u d g ea s s u m e dt h es o r r e l ，t h ep e l l e ta s s u m e dt h es p h e r i c a la n o m a l o u se l l i p s e ，t h e a n o m a l o u ss h o r tp o l es m a l ls p h e r i c a lb a c t e r i u ms t a y e di nt h es l u d g e ，w h i c hi st h e c h a r a c t e ro fa n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o nb a c t e r i u m , t h en i t r i t er e m o v a lr a t ew a s a l w a y sh i g h e rt h a nt h en i t r a t ei ni o cr e a c t o r , t h en 0 2 。- n n i - 1 4 + - nr e m o v a lr a t i ow a s a b o u t1 4 4 ，w h i c hw a sh i g h e rt h a na n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o nt h e o r e t i c a lv a l u e s 1 3 2 ，t h i sc a nb ee x p l a i n e di na d d i t i o nt ot h e d o m i n a n ta n a e r o b i ca m m o n i u m o x i d a t i o nr e a c t i o n s ，d e n i t r i f i c a t i o nw a sa l s oa c h i e v e do np a r t i a ln 0 2 。- na n dn 0 3 - n r e m o v a li nt h ei o cr e a c t o r b a s e do nt h el a b o r a t o r yr e s e a r c hf o u n d a t i o n , f u r t h e rp r o j e c t s a p p l i c a t i o n r e s e a r c ha l s oa c h i e v e d , t h ed e m o n s t r a t i o ne n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n d i c a t e d ：t h r o u g h i n c r e a s e s3 0 r a ws w i n ew a s t e w a t e ri n t h es b b rr e a c t o rt o s t r e n g t h e nt h e b i o c h e m i s t r yo f t h ea n a e r o b i cd i g e s t i n gf l u i d ，c o d ，n h 4 + - na n dt h et pr e m o v a lr a t e o b t a i n e dt h eo b v i o u s p r o m o t i o n , w h i c h e n h a n c e d3 8 9 ，1 2 1 5 a n d7 2 r e s p e c t i v e l y 田1 ec o n s t r u c t e dw e t l a n d sw a sa u x i l i a r yt h ei o c s b b rp r o c e s st o f - r r t h e rd e n i t r o g e n a t i o no ft h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，t h ec o m b i n e d p r o c e s sh a dt h eh i g ha b i l i t yr e m o v a lo ns w i n ew a s t e w a t e r , t h r o u g h16m o n t hs t e a d y o p e r a t i o n s ，t h ec o m b i n e dp r o c e s sh a dt h ea v e r a g er e m o v e a lr a t eo nc o d9 6 5 ， n h 4 + - n8 9 ，s s9 6 2 ，t p8 6 1 1 1 ee f f l u e n tq u a l i t yo ft h ec o m b i n e dp r o c e s s a c h i e v e dg b18 5 9 6 - 2 0 0 1 p o u l t r y f i s hb r e e d i n ga n dp o u l t r yr a i s i n gp o l l u t a n t d i s c h a r g es t a n d a r d ”，e q u i v a l e n tt o n so fw a s t ew a t e rt r e a t m e n tc o s t e do f1 2 7y u a n , t h ec o m b i n e dp m c e s s sa c h i e v e da9 0 0 de c o l o g i c a la n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：i n t e r n a la n do u t e rc i r c u l a t i o nr e a c t o r ；s e q u e n c i n gb a t c hb i o f i l mr e a c t o r ； s w i n ew a s t e w a t e r ；b i o l o g i c a lr e m o v a lo f n i t r o g e na n dc a r b o n ；a n a e r o b i c a m m o n i ao x i d a t i o n ；o p e r a t i n go p t i m i z a t i o n i v 第1 章绪论 第1 章绪论 随着人民生活水平提高和人民对物质文化需求增长，近年来，我国畜牧业 发展处于规模养殖迅速增长的调整阶段，完成了由传统散养为主到规模养殖为 主的转变，规模化养殖场生产已替代传统的分散的农家畜牧养殖并占畜牧养殖 业主要地位【l j 。据国家农业部农业生物质能产业发展规划( 2 0 0 7 - 2 0 1 5 年) ， 2 0 0 6 年全国猪、牛、鸡三大类畜禽规模化养殖场约3 9 1 万处，各类畜禽规模化 养殖小区已达4 万多个，其中，大中型( 养殖出栏3 0 0 0 头猪单位以上) 约1 1 9 5 2 处，养殖量约7 5 2 8 万头剖z j 。与传统饲养方式( 农户散养) 相比，规模化饲养能够 大大提高生产效率和饲料转换率，降低生产成本，从而增加经济效益，以江西 为例，全省畜牧业保持较快发展，2 0 0 8 年，全省肉类总产量2 6 1 万吨，禽蛋产 量6 5 万吨，牛奶产量1 7 万吨。其中，生猪出栏2 5 3 7 万头，全省畜牧业总产值 5 6 0 亿元，占农业总产值比重达3 3 ；特别是规模化养殖发展迅速，各类规模养 殖场户2 0 余万个，其中年出栏3 0 0 0 以上，养猪场户1 3 0 0 多个，出栏万头以上 养猪场3 0 0 个，畜禽规模养殖比重达到6 8 n 。 在养殖业快速发展的同时，其废弃物污染环境的问题也日趋突出，由于粪 污的随意排放，导致了水环境污染和生态系统破坏，也给禽畜业的发展造成了 严重的危害。2 0 0 6 年全国年生猪粪尿排放量达4 5 1 1 9 2 万吨年，污水排放约4 3 3 3 9 3 5 万吨年，b o d 排放量达35 3 5 9 万吨年1 4 j 。根据全国畜牧业发展第十一 个五年规划测算，预计到2 0 1 0 年和2 0 1 5 年，我国规模化养殖场畜禽粪便资源 的实物量将分别达到2 5 亿吨和3 2 5 亿吨 2 1 。2 0 0 2 年初国家环保局发布了畜禽 养殖业污染物排放标准( g b18 5 9 6 2 0 0 1 ) ，对畜禽养殖场污染物排放总量及各 种污染物的浓度进行了严格的限定。但是，由于规模养殖废水处理技术的不足， 目前我国仍有约8 0 规模养殖场在没有有效的废水处理措施条件下直接将废水 外排，对养殖场周边的环境生态造成了严重的污染【5 】；因此，寻找一种较为经济 合理且能稳定高效运行的养猪场废水处理新工艺，满足日益严格的废水排放标 准显得尤为重要。 第1 章绪论 1 1 养猪场废水水质特征及其危害 1 1 1 来源与特征 当前规模化养殖场主要存在三种清粪方式：水冲式、水泡粪和干清粪，不 同清粪工艺所排放粪污废水水量与水质也各不相同，前两种工艺排出的污水和 粪尿混合在一起形成混合废水，粪中存在大量的可溶性有机物，使得混合废水 浓度很高，增加了后续处理难度：干清粪工艺是目前比较理想的一种方式，它 先将干粪由机械或人工收集分离，猪场所排出的尿及污水从污水排放口排出， 这样可以实现猪舍内清洁、无臭味，产生的污水量相对较少，特别是该种工艺 排出的废水污染物成分较少，降低了后续处理的难度；而干粪直接分离后，养 分损耗小，形成的肥料价值高。在很多发达国家如欧美、日本等多采用这种工 艺，这种工艺目前也逐渐被我国大型养殖场所采用。猪的种类和在成长过程不 同阶段，其所排粪尿量也存在较大差异，中国农科院畜牧研究所张子仪的依据 不同体重猪的粪尿排放量进行了归纳，结果如表1 1 所示【6 】。 表1 1 不同体重猪的粪尿排放量 t a b1 1t h ed i s c h a r g e de x c r e m e n tq u a n t i t yo fd i f f e r e n tw e i g h tp i g 猪体重( k g ) 粪尿排放量相当体重的百分率( ) 一 粪尿捧放量k 歌头，d p 4 眼巧0 02 4 士弦1 1 4 0 6 0 召0 p2 3 士2 p1 6 l 扣 8 0 1 0 0 p 2 1 士2 0l 弘2 0 ， 1 0 扣1 2 队1 9 - a ：l , ；2 0 2 2 一 1 2 0 1 4 0 =1 6 士1 , 02 l 一2 2 p 1 4 0 , , - 16 叶1 4 + l p2 l 2 3 1 6 0 1 8 0 =1 3 士1 02 2 - 2 4 ) 猪场粪污废水的有机物、悬浮物、氨氮含量极高，并含有大量的病原菌和 散发出浓烈的异味【刀。如表1 3 i s ，畜禽排放的大量粪尿与冲洗水混合废水，所 含氮、磷及c o d 等污染物浓度非常高，含有大量有机物、氨氮、磷和悬浮物， 猪场废水中氮、磷的浓度基本上是生活污水的2 0 5 0 倍吲。 2 第1 章绪论 表1 3 猪场废水( 粪尿加冲洗水) 的水质( 除p h 外，均为m e l ) t a b1 11 1 幢q u a l i t yo fp i g g e r yw a s t e w a t e r m g l 面 目一 娄矿屎p 魔 水( 耋俺加冲济水) p b o d 一6 3 0 0 0 0 5 0 0 0 )3 0 0 0 l3 0 0 0 p t s s p2 1 7 0 0 p 9 2 0 0 16 5 0 0 p 舯 4 6 6 0 07 7 8 0 p8 0 m 五1 5 0 0 如q 1 6 8 00 1 和4 1 0 - 6 8 0 0 k 2 ( 3 0 0 1 4 00 3 3 p 3 1 0 - - 4 0 0 0 t l 口扣一 一，6 8 1 1 0 0 0 c o d c 一 - 一， j l l0 0 0 2 6 0 0 0 p t $ o 一一 10 0 0 0 2 0 0 0 0 p v 和 一 - - o 8 0 0 0 l6 0 0 0 p 、t p 一一 一 7 5 8 5 一 注：此表系综合多种资料而成 1 1 2 环境危害 与传统农户分散饲养相比，规模化养殖有利于提高生猪的饲养方式，饲养 技术，防疫能力和管理水平，能够大大提高生产效率和饲养转换率，降低成本， 增加经济效益；但与此同时，规模化养殖场产生的粪便废水也引起了很多的环 境问题，主要是粪污处理措施不足或利用不当会对大气、水源和土壤造成的污 染。 其主要危害为以下几个方面： ( 1 ) 引起水体富营养化和土壤污染 规模养殖场含氮化合物废水排入水体中易引起了严重的水体污染，氨氮是 其中的主要氮素污染物，我国七大水系的主要污染指标中，氨氮位居第三【1 0 1 。 养殖场粪尿所含氮、磷及b o d 等的溶淋量很大，直接对外排放会通过地表径流 和土壤渗滤进入地表水体、地下水层，或在土壤中积累，造成严重的生态环境 影响。上世纪9 0 年代，上海市环保局通过调查发现：位于上海郊区的9 0 规模 养殖场的粪尿在没有得到有效处理前直接流入河道，导致平均单位水面养殖粪 尿负荷量达18 t h a ，最高的甚至达到3 6 0 0 t h a ，而太湖流域的规模养殖粪尿是流 入太湖的最大的氮、磷及有机污染源，这也是导致太湖严重富营养化的重要起 因【8 】。 氮素污染物易引起水体富营养化，主要的是过量的氮磷可使藻类过度繁殖， 3 第1 章绪论 造成的严重的环境危害，也造成了巨大的经济损失，目前我国长江中下游流域 及主要是人口密集的城市附近的湖泊水体富营养化倾向非常明显l l o j 。 ( 2 ) 污染大气环境 猪场排放出的大量粪尿含有氨气和硫化氢等有害气体，如不能得到有效去 除，有害气体深度会成倍增加；1 9 9 2 年日本居民对畜牧业的投诉案件中，起因 于臭气有害气体问题占6 3 2 ，随着规模养殖迅速发展，我国近年来由于畜牧场 臭气问题引起的环境投诉也在大量增加。 ( 3 ) 人畜共患传染病引起的危害。 “人畜共患传染病”是由共同病原体引起的人与脊椎动物之间相互传染和感 染的疾病，根据世界卫生组织和联合国粮农组织资料，规模养殖的粪便存在至 少2 0 0 种入畜共患传染病菌，其中的8 9 种是可能易引起传染的病菌。1 9 9 7 年3 月发生在我国台湾的猪口蹄疫危害，主要是由于病猪的尸体未经处理扔入河道 引起水源水体污染后，人类饮水会导致疾病的流行，因此，未经无害化处理的 粪便排入水体易造成传染病的借水流行，常见的有布氏杆菌、猪丹毒、猪瘟、 炭疽、伤寒、钩端螺旋体等嗍。 ( 4 ) 重金属污染 随着规模化养殖的迅速发展，为了追求较高经济利润，很多养殖场将一些 重金属如铜、锌等作为一种高效、廉价、方便的促生长添加剂广泛应用于猪饲 料中，使用高铜作为猪的促生长饲料添加剂的现象已相当普遍，而在这些饲料 添加剂中，经过消化吸收后仍有大量残留随排泄物排出体外，排泄物中含有部 分有毒有害重金属物质，这些有毒有害物质不仅污染水体、土壤等周边环境， 而且还通过食物链进入人体，进而潜在威胁人类健康【1 1 1 。猪饲料中高铜高锌随 粪便排出，如直接进入水体，会引起严重的重金属污染，水中铜达o o l m g l ， 对水体自净就会有明显的抑制作用。铜对水生生物毒性很大，根据中国渔业水 域水质标准( 试行) 规定铜不超过0 o l m g l ；施用高铜高锌猪粪有机肥不但对 土壤造成污染，而且影响到农作物的生长和品质。一般来说，植物吸收重金属 浓度的增加一方面会对植物产生毒害作用，严重时可致死亡，其机理主要是通 过其与酶或其它蛋白中的疏基结合而使酶蛋白失活、酶的功能减弱或丧失，从 而引起植物生理代谢功能的紊乱，生长发育受阻甚至死亡【1 2 , 1 3 , 1 4 ，另一方面会增 加植物中相关元素的浓度，进而通过食物链进入人体和动物体内，影响人和动 物的健康。 4 第1 章绪论 1 2 养猪场废水处理现状与技术进展 1 2 1 处理现状与措施 上世纪6 0 年代开始，大型规模化养殖场在发达国家的中得到迅速发展，与 时同时，新的环境问题也越发严重，养殖场排放的大量粪污导致对环境的污染 现象时有发生。如上世纪6 0 年代发生在日本的“畜产公害”就是规模化养殖大量 发展而没有有效的环保处理措施引起的。面对此种现象，发达国家迅速采取相 关措施，并通过立法对畜牧业生产过程中的环境问题加以干预和限制，主要措 施如下： ( 1 ) 限制养殖规模 在欧洲国家中大都采用限制养殖规模方法，这样可以使单位养殖场产生的 粪污排放大大减少，相应减少了对周围环境的污染压力，减少了地表水或地下 水的污染的程度。 ( 2 ) 对新建养殖场从政策上严格限制，对于达到一定规模的新建养殖场要 配套建设粪污处理设施，才能得到政府的审批。日本规定1 个饲养点猪超过5 0 头、牛超过2 0 头时；法国规定养猪数量在5 0 - 4 5 0 头之间实行申报制，必须向当 地政府提出申请并建设相应环保措施后才能得到批准经营。 ( 3 ) 对养殖场粪便的施用量和施用时间加以严格限制 由于作物生长发育过程中对养分的需求有所不同，土壤对有机物的消纳量 也是有限度的，因此粪便的施用时间和施用量必须加以严格限制。德国为了防 止粪便过量施用污染环境，颁布了“粪便令”，丹麦、法国、英国等国家也制定了 相应的规定，以限制粪便的施用量和时期。 一 一 ( 4 ) 规定粪污的排放标准 很多国家对养殖场污染物排放都从法律上进行了严格的限定，如n h 3 、h 2 s 、 臭气浓度、c o d 、b o d 、n h 4 + - n 、t p 等。 在防治养殖业造成的环境污染问题上，我国陆续出台了一些管理规范，如 畜禽养殖污染防治管理办法、g b1 8 5 9 6 2 0 0 1 畜禽养殖业污染物排放标准、 h j t 8 1 w 2 0 0 1 畜禽养殖业污染防治技术规范等，对畜禽养殖场的建场、废 弃物堆放、处理和排放都提出了一系列要求。 5 第1 章绪论 1 2 2 研究进展 随着人们对猪场废水污染危害性认识的加深，研究和开发经济、高效的猪 场废水处理技术成了环境科学新的研究热点。目前猪场废水处理技术从大的方 面可以归纳为三种方法：物理化学法、自然生态法和生物处理法。 ( 1 ) 物理化学法 猪场废水含有大量的固体悬浮物，它是c o d 的主要来源之一，物理法是通 过物理作用，分离回收污水中不溶解的呈悬浮状的污染物质，在处理过程中不 改变其化学性质。固液分离对养殖场粪便废水处理非常重要，经过固液分离后， 可以使滤液中总悬浮固体、c o d 下降3 0 - - 4 0 左右，这可以有效减轻后续的处 理污染物负荷 1 5 , 1 6 , 1 7 1 。物理法具有操作简单、费用经济等优点。 化学处理法主要处理的对象是废水中的溶解性或胶体性的污染物质。向污 水中投加某种化学物质，利用化学反应来分离、回收污水中的某些污染物质， 或将其转化为无害的物质。常见的混凝荆有：石灰、硫酸铝、三氯化铁、碱式 氯化铝、有机高分子化合物如聚丙烯酰胺( p a m ) 等。 物理化学法虽然在处理养殖场废水访求具有简单、实用、有效等特点，但 由于操作成本较高，并可能导致二次污染产生，因此一般只用于预处理或后续 深度处理。 ( 2 ) 自然处理方法 自然处理方法一般是指采用生态方法如土地处理系统、氧化塘或人工湿地 等对养殖场粪污进行处理。 稳定塘( l a g o o n ) ，也称为氧化塘，是主要依靠微生物、水生植物、藻类等多 种生物的综合作用净化废水的一种生物处理技术【1 8 】。废水进入稳定塘后，在风 力、污水处理塘是将一些适宜的自然池塘、人工改造的自然池塘或人工修建的 池塘，通过不同的工作原理和净化机理，使其排出水的水量水质不超过受纳水 体的自净容量。污水处理塘按工作原理的不同可分为：厌氧塘、兼性塘、好氧 塘、水生植物塘、高速藻类塘、生态塘( 如养鱼塘) 等。在猪场废水的处理中， 经常见到的氧化塘有厌氧塘、好氧塘、水生植物塘( 水葫芦塘) 等【1 9 1 。d e l a n o l l e 等测试三种微藻清除猪粪厌氧消化液排出液的能力。批式试验证实在1 2 天内所 有三个培养基都能完全去除氮，磷的去除率达到9 0 以上，残留c o d 去除率为 6 0 0 o - 9 0 2 0 。 稳定塘由于构筑物简单、管理方便、能耗少，常作为农田利用粪污预处理 6 第1 章绪论 一种手段，在规模养殖废水处理上得到了较为广泛应用。 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是通过沉淀、吸附、过滤、微生物同化、 硝化、反硝化以及植物吸收等途径实现废水中的悬浮物、有机物、n 、p 和重金 属去除的一种废水处理技术，它是上世纪7 0 年代末发展起来的一种污水处理新 技术1 2 1 1 ，具有工艺过程简单、能耗少、投资省等优点，但其净化功能受自然条 件制约较大，特别是需要较大占地面积。 美国墨西哥海湾计划( g m p ) 于1 9 9 5 年对人工湿地处理养殖场废水的技术进 展进行了总结，结果表明人工湿地对该类废水的平均浓度的减少分别为：b o d 5 6 5 ，t s s5 3 ，n h 4 + - n4 8 ，t n4 2 ，t p4 2 2 2 1 。国内学者廖新悌等人开展 了人工湿地在规模化养猪场废水处理系统中的应用研究 2 3 1 ，邓仕槐等人则从人 工湿地植物优化方法进行研究，发现芦苇在养殖废水胁迫下抗逆性和耐受性较 强，是处理养殖废水人工湿地法优选的植物种类例。 ( 3 ) 生物处理方法： 一些规模化畜禽养殖场处于土地资源紧张、生态资源缺乏地区，普通的生 态处理方法无法适用，此时采用高效的生物反应器处理技术是一种有效途径； 主要的生物处理技术包括：厌氧处理技术、好氧处理技术、厌氧好氧和自然生 态混合处理技术。 厌氧处理技术 厌氧消化已被用于大、中、小型猪场废水的处理，以及农村家庭小农户的 废物处理及供能。畜禽养殖废水含有大量的有机污染物，可生化性也较强，废 水可用于厌氧发酵产沼气，2 0 世纪8 0 年代，“猪一沼一果”这种废弃物生态化综 合利用技在我国得到逐渐推广，到2 0 0 5 ：年底，我国已建成的大中型沼气工程达 2 2 0 0 多个，可实现年处理畜禽粪便6 0 0 0 万吨【2 5 l 。 厌氧消化技术通常应用于大中型猪场，可以实现较高的有机物去除能力， 而且可以杀死传染性病菌，有利于防疫【2 6 1 。厌氧处理技术的由最初的化粪池、 厌氧接触法等经过了较长发展过程，形成上流式厌氧污泥床( u a s b ) 、厌氧生物 滤池( a f ) 、厌氧序批式反应器( a s b r ) 和厌氧折流板反应器( a b r ) 等【2 7 2 8 2 9 具有代表意义的u a s b 属于第二代厌氧反应器，是第二代厌氧处理反应器 中发展速度最快，应用面最广泛的装置，反应器内污泥形成颗粒化后具有更好 的抗冲击性。相关研究表明，反应器的有机负荷可达8 - 1 0 k g c o d c r m - 3 d - 1 ，在应 用于猪场废水处理中，去除率可以达到 。codo 7 5 - 8 5 3 0 , 3 7 第1 章绪论 邓良伟采用水解s b r 工艺进行了规模化猪场粪污处理试验。水解过程水力 停留时间( h r t ) 为2 晰0 h ，对c o d 、b o d 、s s 、t n 和1 1 p 的去除率分别为 3 0 1 q 7 3 、4 5 8 一9 4 、5 6 0 1 1 、2 2 3 和5 5 3 ，n h 4 + - n 几乎没有 去除，水解对c o d 的去除效率比沉淀处理高1 7 【3 2 】。 随着对现代高效厌氧反应器和厌氧技术原理更加深入的研究，厌氧处理技 术以其能耗低、污泥量小、投资省并能回收能等优点越来越多地应用于养殖场 废水处理中，不过，厌氧技术也有自身的一些缺点，如生化反应速度较慢、反 应时间较长、且产气不稳定等问题。特别是厌氧消化液中m r n 和磷污染物没 有得到有效去除，如若排入水体，对水体环境质量影响很大。例如目前在我国 很多地方普遍采用的大型沼气池处理方式，仅对有机污染物( c o d ) 具有较好 的去除效果，而对养猪废水中大量的氮、磷等能使水体发生严重富营养化几乎 没有去除能力。处理后的沼液不能达到g b1 8 5 9 6 2 0 0 1 畜禽养殖业污染物排放 标准，一旦周围环境无法消纳，就造成二次污染，这些不足使厌氧消化技术的 推广和应用具有较大的局限性。 好氧处理技术 w o n gs h 等人【3 3 】通过采用好氧序批式反应器( s b r ) 处理接纳了猪场废水的 曝气塘的出水，研究结果表明在s b r 进水中b o d2 8 8 1 m g l 和s s1 4 1 8 m g l 时， 出水平均b o d1 8 7 m g l 和s s1 2 3 m g l ，s b r 工艺存在较高的基建投资和运行 费用，但工艺操作简便、污染物去除效果好和占地面积省是其主要优点，在土 地资源缺乏时，s b r 工艺的这种优越性使其得到了更好应用p 4 1 。 利用序批式反应器( s b r ) 处理稀释后的猪场废水，t i l c h c 等人采取好氧缺氧 交替运行台勺反应器运行方式，在硝化和反硝化时间都为4 h ，沉淀排泥时间为2 h 情况下，进水n h 4 + - n1 4 1 4 m g l ，出水n h 4 + - n5 4 8m g l ，n h 4 + - n 去除率达到 9 8 以上：但反应器需要较长水力停留时间( 胍t ) ，一般在9 天以上，有的甚 至长达1 6 天，直接进行好氧处理，装置容积大，能耗和运行费用会非常耐3 5 j 。 混合处理技术 混合处理技术就是以好氧法、厌氧法和自然处理系统设计出由以上三种、 或以它们为主体并结合其它处理方法进行优化组合，共同处理猪场废水。因为 猪场废水有机负荷高，一般需先经过厌氧再进行后续好氧；由于厌氧处理不具 备除氮能力，厌氧消化液出水氨氮浓度仍然很高，对后续好氧后处理脱氮增加 了难度。众多研究者发现【3 6 ，3 7 ，3 8 】：利用s b r 工艺对猪场厌氧消化液进行好氧后 8 第1 章绪论 处理，氨氮去除率仅为3 0 - 8 0 左右，出水氨氮浓度一般都大于2 0 0r a g l , 有 机物去除效果也不理想，最高时c o d 去除率为7 3 o ，出水c o d 高于5 0 0m g l 以上，出水水质不能满足畜禽养殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 。另外 的一些研究表明，将猪场原水作为补充碳源厌氧消化液，可以解决猪场厌氧消 化液有机碳源不足的矛盾，通过此方法s b r 对氮磷的总去除可以实现9 0 左右 【3 9 】。也有研究认为通过实时控制氧化还原电位可以实现内部碳源的良好利用， 提高猪场厌氧消化液氮磷去除率m 。 华南农业大学崔理华等人1 4 l