（环境工程专业优秀论文）厌氧消化SBR工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究.pdf

硕士学位论文 i 摘要 本论文的工作主要是，在分析养猪场废水有机物及氨氮浓度都很高的特点及 现有处理工艺优缺点的基础上，选择厌氧消化-sbr-混凝沉淀工艺处理养猪场废 水。采用 asbr 反应器完成对养猪场废水的厌氧消化，去除一部分有机物，并同 时转化一部分难生物降解的有机物，保持废水较高的可生化性，之后采用 sbr 反 应器完成对厌氧消化液的生物降解，废水排放前用混凝沉淀的方法进一步改善水 质。 在 asbr 反应器每次进水量和排水量不大于其有效容积 70%的前提下，研究 了反应器厌氧搅拌段的时间对污水可生化性和对后续 sbr 脱氮处理效果的影响， 结果表明，厌氧搅拌 36h 的污水既保持了较高的可生化性，出水 bod5/codcr保 持在 0.4 左右，又能在后续 sbr 处理中取得较好的脱氮效果，经 sbr 反应器处理 后出水 nh4 +-n10mg/l。 在处理负荷相同的基础上，研究了 sbr 在三种不同运行方式下对有机物及氨 氮的去除效果，以间歇曝气方式运行的 sbr 工艺能及时利用反硝化去除一部分硝 化反应生成的 nox -n，既提高了系统对 tn 的去除率，也达到了减少后续硝化反 应阻力的目的，脱氮效果最好。并进一步结合微生物脱氮及去除有机物的规律， 研究了以间歇曝气方式运行的 sbr 反应器脱氮及去除有机物的运行规律，在此基 础上确定 sbr 反应器的最优运行工序为：限制性曝气进水 40min，do 浓度达到 2mg/l 以上分二次曝气 8h，沉淀排水 40min。在此最优运行工序条件下，sbr 工 艺取得了较好的去除有机物及脱氮的效果，出水 nh4 +-n 浓度小于 10mg/l，对 codcr的去除率也在 85%以上。 养猪场废水在 sbr 反应器的脱氮过程中发生了 no2 -n 的积累，说明养猪场 废水的脱氮过程是通过短程硝化反硝化实现的，进一步研究了改变温度、容积负 荷、曝气量、ph 值及 nh4+-n 浓度等实验操作条件对短程硝化反硝化的影响，指 出养猪场废水 sbr 处理过程中较高的游离氨浓度和 ph 值是本次实验中短程硝化 反硝化得以实现的原因。 sbr 反应器出水中仍含有部分难生物降解的有机物质，研究采用通过添加高 分子混凝剂聚合硫酸铁（pfs）溶液的方法来改善出水水质。通过实验确定了 pfs 混凝操作的最优工艺条件。养猪场废水经厌氧消化-sbr-混凝沉淀工艺处理后，出 水完全达到排放标准的要求。 关键词：猪场废水；厌氧消化；碳氮比；asbr；sbr；短程硝化反硝化；脱氮； 混凝沉淀 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 ii abstract the combined technological process of anaerobic digestion-sbr-coagulating sedimentation was used for piggery wastewater treatment, based on the analysis of the characteristic and existing treatment means of piggery wastewater. the asbr was used to digest the wastewater for primary organic matter removal. at the same time, some non-degradable substance was turned to labile protobitumen. so the bod5/codcr of the wastewater was kept at a high level of aboult 0.4. the sbr was used to complete the biological treatment of piggery wastewater for organic carbon and nitrogen removal. coagulating sedimentation was used before discharging to improve the water quality of the effluent. on condition that the volume of both influent and effluent was not more than 70% of the reactors useful capacity each time, the influence of digestion time to the wastewaters bod5/codcr ratio and to the nitrogen removal in behind sbr was studied. the results indicated that the effluent of the asbr not only retained high bod5/codcr ratio of about 0.4 but also could be treated effectively in behind sbr, when the digestion time of the wastewater was 36 hours. and the effluent nh4+-n concentration of behind sbr was less than 10mg/l. the removal efficiency of organic matter and ammonia of three series sbr with different running means was studied, on condition that the treatment loading of each means was same. the results indicated that the sbr with the running means of intermittent aerobic reaction had the highest nitrogen removal efficiency, since that it can remove a part of nox -n created by nitrification duly. combined with the rules of nitrification-denitrification and organic matter removal, the nitrogen and organic matter removal rules of sbr was studied. based this study the optimal running means of sbr was determined. the optimal feeding time was 40 miniutes. the optima aerobic reaction time was 8 hours with do higher than 2mg/l. the optimal of settling and withdrawing time was 40 miniutes. in this condition, the effluent nh4+-n concentration of sbr was less than 10mg/l and the removal ratio of codcr was high than 85%. nitrite was generally the main product of nitrification in the process of biological treatment of piggery wastewater in sbr according to this experiment, which suggested that the existence of nitrite pathway in the nitrification-denitrification. this was proved due to the high free ammonia concentration and due to the high ph, through the study 知识水坝pologoogle为您整理 硕士学位论文 iii of temperature、loading rate、do、ph and nh4+-n concentration. advanced treatment for organic carbon removal was needed, because the effluent organic carbon concentration of sbr couldnt meet the discharge standard. pfs was used to remove the organic carbon from the effluent of sbr. the optimal running condition of coagulating sedimentation was confirmed through the experimental research. the effluent water quality of anaerobic digestion-sbr-coagulating sedimentation completely meeted the discharging standard. key words: piggery wastewater；anaerobic digestion； c/n ratio； asbr； sbr； nitrification-denitrification；nitrogen removal；coagulating sedimentation 知识水坝pologoogle为您整理 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查 阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 近年来，随着我国人民生活水平的提高，带动了牲畜养殖业的迅猛发展，但 与此同时，集约化、规模化的牲畜养殖场往往产生大量高氨氮浓度高有机物含量 的废水，如不有效处理，将对人类健康和环境造成严重的危害。目前国内外对规 模化养猪场废水的处理虽然有很多研究，但既能有效去除有机物又能高效脱氮的 工艺较少。 水冲式清粪工艺是我国目前规模化养猪场普遍采用的清粪工艺，猪粪和冲栏 水完全混合后泵入厌氧消化池进行甲烷发酵，以回收一部分能源。但厌氧发酵处 理后出水的各项指标仍严重超标，即使安排了后续好氧处理，因污水厌氧发酵后 可生化性下降，营养元素比例失调，难以达到有效的处理效果。因此，对于采用 水冲式清粪工艺的养猪场，探索一种投资省、效率高并适合于处理高浓度有机废 水的处理方法，以达到日益严格的废水排放标准显得尤为重要。 厌氧消化因其产泥量少、节省能源并且能承受高有机负荷的特点而在猪场废 水预处理中被广泛采用15，但由于传统厌氧处理不具备生物脱氮的能力，导致厌 氧消化在降解有机物、 减少后续处理负荷的同时也降低了废水的 c/n,造成后续生 物脱氮操作中 c 源的不足，使生物脱氮难以达到理想的效果，这是国内许多养猪 场废水处理脱氮效率低的原因，这一问题如得不到有效解决，随着我国规模化、 集约化养猪场的蓬勃发展，猪场废水必将成为对周围环境构成严重威胁的重大氮 污染源，因此研究猪场废水厌氧消化程度对后续生物脱氮的影响以及如何改善厌 氧消化液的可生化性和 c/n，以提高后续好氧处理的脱氮能力具有重要的理论意 义和应用价值。 sbr 法因其工艺简单、操作灵活、耐冲击负荷、处理效果好等优点而在废水 处理中被广泛应用，sbr 反应器分厌氧和好氧两种，即 anaerobic sequence batch reactor (asbr)和 aerobic sequence batch reactor (sbr)，asbr 反应器应用于废水 的厌氧水解处理具有工艺简单、操作灵活、基质降解速率高、污泥沉降性能好等 优点68，适宜于用作有机物含量极高的养猪场废水的厌氧生物处理，但 asbr 反应器不能完成废水的脱氮操作， 而好氧 sbr 活性污泥法能在同一反应器中创造 出厌氧/好氧交替进行的环境，完成有机物降解、脱氮、除磷等多种操作。基于此 我们提出了将 asbr 反应器和好氧 sbr 反应器结合在一起组成厌氧水解sbr 工艺，并应用于规模化养猪场废水的处理。 在采用 sbr工艺处理猪场废水的过程中发现了短程硝化反硝化脱氮途径 （nh4+ no2 - n2）的存在。短程硝化反硝化比完全硝化反硝化(nh4+ no2 - no3 - 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 2 no2 - n2)减少了在好氧过程中由 no2 -氧化为 no 3 - 和缺氧过程中 no 3 -还原为 no2 - 两个反应过程。在硝化阶段能节约 25%的耗氧量，在反硝化阶段能节约 40% 的有机 c 源。在 c/n 一定的条件下提高了 tn 去除率。 1.1 规模化猪场废水的产生及水质水量特点 1.1.1 养猪场废水的产生 随着我国改革开放政策与城市“菜篮子工程”的实施，近二十年，尤其是自九 十年代以来，我国的畜牧业发展迅速。目前，我国的肉类和禽蛋产量均跃居世界 第一位。肉和蛋的人均占有量分别达到 43.1 和 16 公斤，均超过世界平均水平。 1998 年我国肉类总产量达 5360 万吨，禽蛋 2190 万吨，创造了连续二十年持续增 长的奇迹，年均增幅接近 10%，产值增加近 5 倍9。极大地丰富了我国城乡居民 的畜产品及副产品的供应。全国畜牧业产值达到 4000 亿元，占农业总产值的比例 超过三分之一。 畜牧业已成为中国农村经济中最活跃的增长点和主要的支柱产业。 过去畜牧业以分散的农家畜牧养殖业为主，现在，规模化集约化的养殖场生产已 占主要地位。大中型养殖场主要分布在人口密集的沿海一带。如辽宁，山东，江 苏，浙江，福建和广东等地区，这一带靠着中国的东海岸，城市集中，人口密度 大，工业化程度高，对肉蛋白的需求量占总量的 50%以上。另外大中型养殖场还 主要集中在大中城市与农村的结合带，如天津，北京，上海等城市。这样可以及 时满足居民的需求，保质保量，同时也减少运输的消耗。据资料统计，北京、上 海的猪肉自给率已接近 60%，广东省于 1995 年建立了几座年产 10 万头肥猪的特 大规模化养猪场。广州市兴建了 18 座年产万头猪的大型养猪场。1998 年上海市 郊共有大中型畜禽养殖场 1000 多家。 安徽省合肥市规模化养猪也达到了 15 万头。 吉林省公主岭市拟建总数在 60 万头的几座养猪场，四川省成都市 1994 年千头以 上的养猪场达 120 家，万头以上的养猪场达 20 多家，还有饲养规模在 10 万头以 上的特大型规模化养猪场10。 现代化封闭型的规模化养殖技术促进了我国城市的畜禽养殖业向优质高效发 展，但另一方面，也使畜禽养殖业脱离了种殖业，成为高度专业化生产。这些规 模化养殖场往往建在大中城市的近郊和城乡的结合部，由于环境法规不健全和资 金短缺，绝大多数养殖场在建场初期未考虑畜禽粪便处理。畜禽排放的大量粪尿 与养殖场的大量废水，大多未经妥善回收利用与处理、处置即直接排放，对环境 造成严重的污染，产生极其不良的影响。不少养殖场粪便随地堆积，污水任意排 放，严重的污染了周围的环境，也直接影响着养殖场本身的卫生防疫，降低了畜 产品的质量。城市畜禽养殖业已经成为或正在成为与工业废水和生活污水相当甚 至更大的污染源，有些城市（如北京、上海等）畜禽养殖业污染负荷量已超过了 硕士学位论文 3 工业废水与生活污水的污染负荷的总和11。 1.1.2 猪场废水水质水量概述 对于畜禽排泄的粪尿量以及养殖业排放的废水量， 现有的统计资料尚不充分， 不同统计资料提供的数值也不尽相同，以下为一些参考数据： 我国规模化养殖场目前存在的主要清粪工艺有三种：水冲式、水泡粪（自流 式）和干清粪工艺。水冲式清粪工艺是欧美等发达国家，由于劳动力缺乏，为了 减轻劳动强度，七十年代初发展起来的。该工艺耗水量很大，我国南方地区目前 大多采用这种工艺。水泡粪清粪工艺是在上一种工艺的基础上改造而来的，是在 猪舍内的排粪沟中注入一定量的水，猪粪便落入沟中储存，过一段时间后（一般 为一到两个月） ，排粪沟装满后，拔开出口闸门，沟中粪水排出。这种工艺虽然较 上一工艺节省了水，但是，由于粪便长时间在猪舍中停留，形成厌氧发酵，产生 大量的有害气体如硫化氢、甲烷等，危及动物和饲养人员的健康。我国北方地区 大多采用该工艺。采用上述两种工艺排出的污水和粪尿混合在一起，给后处理带 来很大困难，而且固液分离后的干物质肥料价值大大降低，粪中的大部分可溶性 有机物进入液体中，使得液体部分的浓度很高，增加了处理难度。干清粪工艺， 粪便一经产生便分流，干粪由机械或人工收集，走清粪道清出，尿及污水从下水 道流出。该工艺可保持猪舍内清洁，无臭味，产生的污水量少，且浓度低，易于 净化处理；干粪直接分离，养分损失小，肥料价值高。这是目前比较理想的清粪 工艺，日本多采用这种工艺，欧美国家也开始倾向于这种工艺。在北京、天津、 上海等的一些养猪场已经应用，并显示它的优越性。 水冲式清粪工艺废水主要包括猪粪尿及冲洗废水。额定冲洗水量为 80120l/ 头d，其水质列入表 1.1。 表 1.1 猪场废水（粪尿加冲洗水）的水质（除 ph 外，均为 mg/l） table1.1 the quality of piggery wastewater/mgl-1 项 目 粪 尿废 水（粪便加冲洗水） bod5 63000 5000300013000 tss 21700 920016500 tn 4660 7780 8002150 p2o5 1.68 0.15 410680 k2o 0.14 0.33 310400 tkn - - 6801100 codcr - - 1100026000 ts - - 1000020000 vs - - 800016000 ph - - 7.58.5 注：此表系综合多种资料而成 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 4 根据中国农科院畜牧研究所张子仪的试验资料10，猪排泄粪尿量随公母长幼 及体重大小而不同，如表 1.2 所示。 表 1.2 不同体重猪的粪尿排放量 table 1.2 the discharged excrement quantity of different weight pig 猪体重（kg） 粪尿排放量相当体重的百分率（%） 粪尿排放量 kg/(头/d) 4060 243 1014 6080 232 1618 80100 212 1820 100120 191 2022 120140 161 2122 140160 141 2123 160180 131 2224 从这些数值可以看出：养殖业废水的污染物浓度高，是一种污染十分严重的 废水。 根据北京市畜禽年排泄总量按表 1.3 比例进行测算，其年排放的 n 量超过 40 万吨，是最大的氮污染源，其对环境的潜在危险令人担扰。 表 1.4 北京畜禽粪尿排放量及主要污染物排放量 table1.4 the discharging quantity of domestic animals excrement and the mostly contamination in beijing 项 目 猪 奶牛蛋鸡肉鸡鸭 羊 大牲畜 合计 粪尿年排放量 （104 t/a） 708 72.3 123.111.6 4.8 50.3 77.7 1047.8 bod5排放量（104 t/a） 21.2 1.5 8.0 - - - - 30.7* n 年排放量（104t/a） 4.35 0.67 2.0 - - - - 7.02* p2o5年排放量 （104 t/a） 6.7 0.26 1.9 - - - - 8.86* k2o5排放量（104t/a） 1.65 0.32 1.05 - - - - 3.02* 注：*系不完全统计数，未计肉鸡、鸭、羊及大牲畜的排放量 表 1.5 上海郊区 10 县畜禽业排泄物排放量 table1.5 the excrement quantity of domestic animals in ten counties of shanghai 畜禽种类 排泄物量（104t/a）所占比例（%） 猪（肉猪+母猪） 518.773.1 禽（鸡+鸭） 96.6 13.5 羊 与 兔 9.4 1.3 牛 862 12.1 总 计 710.9 100 硕士学位论文 5 注：系 90 年代初（不完全）调查资料。 北京及上海的畜禽业排出的 bod5量（即使尚不完全）已达 30104t/a，此值 已为两地工业废水和生活污水 bod5总和的 3 倍。上海年排放畜禽粪尿和废水量 已超过 1200 万 t/a，达到并超过了工业废渣（668 万 t/a）及生活垃圾（663 万 t/a） 的排放总量。实际资料可以证明，我国一些大城市畜禽养殖业粪尿排污量的人口 当量均已超过 3000-4000 万人口当量。因此，可以说它已是城市中占第一位的超 级排污产业。 1.1.3 我国城市畜禽养殖业排放废水量预测 根据我国北京、上海、沈阳等城市近年来畜禽养殖业的发展及其排放粪尿量 和废水量的数据资料，可以初步得出结论，即一个达到或接近小康水平的城市， 为了满足城市居民对畜禽肉类及其产品的需要，必须会发展规模化养殖业。 按每个城市居民计， 畜禽每年排泄的粪尿平均将达 1t， 废水量将达 3m3， bod5 为 30kg，这就是说，对于人口数为 100 万的城市，畜禽养殖业排放出的粪尿量将 达 100 万 t/a，废水 300 万 m3/a，bod53 万 t/a；对于人口为 1000 万的城市，则为 粪尿量 1000 万 t/a，废水 3000 万 m3/a 及 bod530 万 t/a。一般为城市工业废水与 生活污水 bod5负荷量的 3 倍左右。 如果按照我国当前经济建设与城市建设的发展速度， 我国城市居民在 21 世纪 初期 20 年内将达到小康水平， 城市居民为消费畜禽及其产品而养殖这些畜禽所排 出的粪尿及废水量可初步估算于表 1.6。 由表 1.6 的预测数据可看出，在新的世纪里，我国畜禽养殖业的污染负荷将 成为第一位的污染源。除 bod5外，畜禽养殖业也是 n 污染的重要来源。 表 1.6 城镇畜禽养殖业粪尿及废水排放量的预测 table 1.6 the forecast of the discharging quantity of excrement and wastewater of domestic animal feeding industry in towm 年 份 城镇人口预测 （亿人） 畜禽粪尿量预 测（亿 t/a） 畜禽废水预测 （亿 m3/a） bod5量预测 （万 t/a） 2002 2010 2020 3.684.00 4.715.00 5.726.00 3.674.00 4.715.00 5.726.00 11.012.0 14.015.0 17.018.0 11001200 14001500 17001800 1.1.4 猪场废水的主要物理性指标 猪场废水的物理性指标主要包括：臭、色度、浊度、悬浮物。猪场和猪舍的 臭气是养猪业污染的一个重要方面，它不仅影响猪的健康与生产性能，也影响工 作人员的健康，对畜牧场及场外周围环境造成不同程度污染。猪场废水的臭气来 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 6 自废水中含蛋白质物质的厌氧分解，成份复杂多样。这些臭气主要由挥发性有机 物组成，主要包括醇类、酚类、酸类、酮类、醛类、胺类、硫醇类及含氮杂环化 合物。按臭气阈值大小排列，畜粪中最臭的 10 种化合物依次是：甲硫醇、2-丙硫 醇、2-丙烯-1-硫醇、2，3-丁二酮、苯乙烯、乙硫醇、4-甲基酚、硫化氢和 1-辛 烯-3-酮。目前常用 nh3、h2s 来表示畜舍的臭气含量，nh3由含氮有机物分解而 来，h2s 由含硫有机物分解而来。 水的颜色主要由水中含胶质悬浮物、溶解性有机物和无机物所组成。猪场排 放的污水多呈黑色。猪场废水中所含的胶质悬浮物（如来自残余饲料）较多，因 此，水的色度较高。一般来说，猪场废水会随着污染物的去除而逐步澄清。 水的浊度一般用透明度来表示，它是水中悬浮物含量多少的指标。悬浮物含 量越多，水的透明度越低。由于猪场废水悬浮物浓度很高，因此其透明度很低。 猪场废水含悬浮物很高，而且变化范围较大，这主要受猪舍清粪方式等的影 响，有时悬浮物可高达 18600mg/l12，甚至还高许多倍。猪舍废水悬浮物的沉降 性好，因此，固液分离和沉淀技术是猪场废水预处理的必要和行之有效的环节。 1.1.5 猪场废水的主要化学性指标 水质化学指标很多，对于猪场废水来说，主要考虑如下几个指标：ph、有机 物、氮、磷、部分重金属等13。 1.1.5.1 ph 一般来说,猪场废水对社会水体的 ph 没有多大的影响，因此，在这类废水的 研究中，ph 通常不作为测定的重点要求。但是，由于猪场废水中含有氨氮，甚至 含有重金属铜等污染物，ph 对这些污染物在水中的存在形态及毒性有明显的影 响，以及对水体底泥和悬浮物中的有毒物质的吸附、溶解、迁移等都有较大的影 响。例如，ph 升高，水中 cuso4毒性降低；ph 降低，硫化物毒性增加；ph 低时， 水中 nh3转化为 nh4+从而毒性减小，这对改善水生生物的生存条件起很大作用。 因此，在特定环境和特定目标下，也要注意 ph 的研究。 1.1.5.2 有机物 猪场废水属高浓度有机废水，其显著特点是有机物含量很高。在一般情况下， 猪场废水有机物的含量主要用生物需氧量（bod）和化学耗氧量（cod）来表示。 测试表明，规模化猪场排放的废水 codcr浓度可高达 12000mg/l，bod5可达 9000mg/l。 在自然状况下，好氧菌通过自身的代谢作用，把有机物氧化分解成简单的无 机物，其中氧作为有机物的电子受体。当水体中有机物太多时，随着上述氧化分 解过程的进行，不断消耗水中的溶解氧，最终导致水体缺氧，使水生动物缺氧死 硕士学位论文 7 亡。水体缺氧，水体中厌氧菌大量繁殖，在无氧条件下，利用有机物进行厌氧呼 吸，产生甲烷、硫化氢、氨等气体，使水质变臭发黑。这也是猪场废水在排放及 处理过程中产生臭味及呈黑色的原因。 在国内已暴露出来的猪场废水危害突出表现在：由于废水排放量大，有机物 浓度高，进入公共水体后对人类的生产和生活造成危害。例如废水进入鱼塘、农 田或饮用水点，造成鱼类死亡，农作物减产，饮用水卫生受侵害等，引起公愤。 1.1.5.3 氮和磷 猪场废水中氮和磷的问题比有机物更为突出， 猪粪污染的焦点在于粪污中氮、 磷成分14。猪场废水氮、磷含量很高，传统废水处理技术对有机物去除有效，但 难以胜任氮和磷的去除，而氮、磷恰恰是造成水体富营养化和地表水、地下水硝 酸盐污染的的根源。 猪场废水含尿素高，降解过程产生各种含氮化合物，其中氨氮含量很高，达 每升数百至上千毫克。含氮有机物指除 c、h、o 外，还含有 n、s、p 等元素的 有机化合物，其中包括蛋白质、氨基酸以及尿素、胺类等。碳水化合物、脂肪和 油类是不含氮的有机物。一般来说，含氮有机物的生物降解比不含氮有机物难， 且产生污染性强。 水体人为富营养化的过程是水体自养生物(主要是浮游植物，尤其是藻类)形 成优势的过程。从藻类原生质组成 c106h262o110n16p1就可看出，每生产一千克这 种藻类，需要碳 358g，氢 74g，氧 496g，氮 63g，磷 9g。根据利比希最小因子定 律（liebiglaw of the minimum） ，磷是最小限制因子，其次是氮。一般来说，当水 体中磷的浓度超过 0.010.02mg/l，氮超过 0.20.3mg/l 时，就足以引起藻类的增 殖，导致富营养化。富营养化的危害很大，主要使水体的水质恶化，透明度降低， 大量藻类生长，消耗大量的溶解氧，使水底中的有机物处于腐化状态，并逐渐向 上层扩展，严重时，可使部分水域成为腐化区。藻类在有阳光的时候，在光合作 用下产生氧气；在夜晚无阳光的时候，藻类的呼吸作用和死亡藻类的分解作用所 消耗的氧在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，从而严重影响鱼类生存。在自 然界物质的正常循环过程中，也有可能使某些湖泊由贫营养湖发展为富营养湖， 进一步发展为沼泽和干地。水体富营养化现象除发生在湖泊、水库中，也发生在 海湾内，但在有水流动的河流中发生较少。 另外，地表水和地下水硝酸盐污染与猪场废水泛滥也有一定的关系。在美国， 调查发现，地下水硝酸盐 21%的氮来自动物粪便，65%来自化肥，其余来自豆科 植物。由于硝酸盐带有一个负电荷，不会附着于带负电荷的粘土上。因此，没有 被植物利用或经反硝化作用的硝酸盐，都可经过渗透进入地下水。 1.1.5.4 重金属铜 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 8 铜在动物肌体中几乎都与蛋白质络合。血液中最重要的含铜蛋白质是血浆铜 蓝蛋白，分子量为 150000，是肝脏制造的。铜还是若干种重要酶的组成，如细胞 色素氧化酶和酪氨酸酶。在养猪生产中，在猪日粮中提供适量的铜，会明显的促 进其生长并为健康带来好处，而且，由于猪场臭气污染防治受到普遍重视，在饲 料中添加除臭剂是控制臭气的一种有效方法，而大多数除臭添加剂含有以铜为代 表的重金属元素，但铜在猪体内的吸收率或利用率低，使猪粪中残留铜，这部分 铜经水冲洗进入猪场废水中。 水中铜达 0.01mg/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，有人认为铜对鱼类的起始毒性浓度为 0.002mg/l，中国渔业水域水质标准 （试行） 规定铜不超过 0.01mg/l。 铜对水生生物的毒性与其在水体中的形态有关， 游离铜离子的毒性比络和态铜强的多。 废水中的铜离子对生物处理有一定的影响，为了解铜对猪场废水厌氧发酵的 影响，洪嘉谟等专门作了实验研究，结果表明，在厌氧发酵开始阶段添加铜 100mg/kg 以上时，不能产生沼气，而添加铜 10mg/kg、50mg/kg 时，产沼气时间 略为延迟，但对产气量没有影响。在厌氧发酵第 10 天添加铜 10mg/kg，产沼气量 显著减少，而在 100mg/kg 以上时则急剧减少，当投加量达到 400mg/kg 以上时， 厌氧发酵沼气的产生几乎停止15。 可溶性铜盐对厌氧微生物具有较大毒性,它可能同其他微生物一样， 是厌氧消 化系统运行失败的原因之一。但与好氧生物处理系统比较，污水的厌氧生物处理 系 统 可 忍 受 更 高 一 些 的 重 金 属 浓 度 ， 厌 氧 消 化 系 统 对 铜 的 允 许 浓 度 为 200400mg/l。通过向厌氧消化系统中添加可溶性硫化物可控制铜的毒性，沉淀 1mg/l 的铜，约需 0.55mg/l 的硫化物。此外，通过添加硫化物，观察它是否有助 于改善运行失常的消化系统，可以判断系统的运行失常是否与重金属干扰有关。 1.2 养猪场废水的危害 集约化，工厂化养殖场的建成，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，与传统农户分散饲养相比，规模化饲养能够大大提高生产效 率和饲养转换率，降低生产成本，从而增加经济效益；但同时，规模化养殖场产 生的粪便污水也带来了一系列的环境问题。畜牧场对环境的污染包括粉尘、噪声 和粪污，但主要是粪污处理利用不当对大气，水源和土壤造成的污染。 1 头猪的日排泄粪尿按 6kg 计，则是人排粪尿量的 5 倍，年产粪尿约达 2.5t。 如果采用水冲式清粪，1 头猪日污水排放量约为 30kg。1 个千头猪场日排泄粪尿 达 6t，年排泄粪尿达 2500t；采用水冲清粪则日产污水达 30t，年排污水 1 万多 t。 据测定成年猪每日粪尿中的 bod（生化需氧量）是人粪尿的 13 倍9。若发生污染 即可达到严重污染程度。我国 1998 年产的 5360 万吨肉中主要来自肉猪，年粪尿 硕士学位论文 9 总量是全国人粪尿 bod 的 11 倍。且随着我国养猪业的发展，其情况还会更严重。 由此可见畜禽排泄物已构成了巨大的污染源，若处理不当就会给环境保护带来很 大威胁16。这一问题很早已引起了各国畜牧业生产部门的高度重视和环保组织的 极大关注，许多畜牧业发达国家将废弃物的利用作为一门粪便科学（coprology） 开展深入研究，如日本于 60 年代就提出了“畜产公害”问题。欧洲的荷兰南部、比 利时、德国西部的下萨克森州、丹麦、法国的布列塔尼亚等畜禽养殖业发达的地 区也都为畜禽粪尿与废水造成的严重环境危害而困扰，因此纷纷通过法律及环境 管理措施加强对畜禽养殖场粪尿及废水的处理、处置与综合利用16。1979 年在日 本首次召开了关于家畜排泄物的国际讨论会。 人们力求变废为宝或废物资源利用， 以充分发挥畜牧业生产优势。 虽然我国城市畜禽养殖业的发展起步晚，但其发展势头十分迅猛，在短短 10 年间已达到相当大的规模，并继续呈高速发展趋势，发展的范围也愈益普遍。如 前所述，畜禽养殖场排放的大量而集中的粪尿与废水已成为许多城市的新兴大污 染源，它是造成目前一些城市严重环境污染的主要原因之一。我国 1992 年 8 月在 贵阳市召开了“大中城市粪尿处理及综合利用”研讨会。我国深圳市于 1991 年 7 月召开了畜禽污水处理研讨会，台湾省则从 1987 年前后就从事这方面法规的制 定。但由于畜禽业污染的防治和管理大大落后于产业的迅速发展，并缺乏对畜禽 业污染的系统的基础资料与数据。因此，目前还尚难对我国城市畜禽养殖业对环 境的危害影响作出全面而客观的评价，现仅根据零星的资料与数据对它作初步的 分析和评价。 1.2.1 对地表水和地下水源及农田的污染 畜禽养殖的粪尿、废水与粪尿堆置场地面径流是造成地表水、地下水及农田 污染的一大污染源。 试验表明， 畜禽粪尿的溶淋性极强， 粪尿中所含氮、 磷及 bod 等的溶淋量很大，如不妥善处理，就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，致使水体严重污染，土地丧失生产能力、树木枯死、 绿草不生。据在北京的调查，一个饲养母猪 100 头、繁殖肥猪 1500 头规模的养猪 场，为堆粪侵占的土地为 0.31.0ha，这些土地一般难以恢复使用。上海市环保局 认为：上海郊区 90%畜禽养殖场的粪尿未经处理流入河道，平均单位水面畜禽粪 尿负荷量达 18t/ha，最高达 3600t/ha，已成为上海的饮用水源的主要污染源17。另 一项调查表明，每年排入环境的畜禽粪尿是太湖流域最大的氮、磷及有机污染源， 也是太湖富营养化的罪魁祸首18。有的养猪场的猪粪淤积于小河，在水面上形成 厚厚一层烘粪渣层。有的畜禽养殖场的粪尿及废水通过粪坑渗滤入地下，使地下 水严重污染，水井报废。特别是粪尿中所含大量的含氮化合物在土壤微生物的作 用下，通过氨化、硝化等生物化学反应过程而形成了 nh3+-n、no2-n 和 no3-n 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 10 并渗入地下水，造成地下水中硝酸盐含量增高，使水质不宜于饮用，严重影响人 体健康9。如有的奶牛场的粪便长期在场内堆存，致使该地土壤硝酸盐日渐积蓄， 导致土层结构破坏，地表植被消失，树木枯死，土壤丧失还原能力，并为有害微 生物及致病菌、寄生虫卵提供了繁衍潜伏的环境，最终导致牲畜发病率的上升。 除粪尿及污水性质外，当地的水文地质条件、地形、地貌、气候、场圈位置、土 壤结构与性质等，都是影响畜禽粪尿与废水污染地下水的重要因素。如有的规模 化畜禽养殖场位于河床冲积扇的中部，是地下水的补给区，其粪尿及废水污染造 成该地承压地下水中的 no3-n 含量逐年升高，且随饲养场规模的扩大呈发展趋 势。 我国畜禽业污染已不仅是局部的环境污染问题，而是一个影响大流域环境的 大问题了，家畜粪尿、畜产加工业污水的任意排放极易造成水体的富营养化。据 统计， 年产肥猪 1 万头的生产线的猪场(按 6 个月出栏)每天排污量， 相当于 5 万人 的粪尿的 bod 值。据中国农业环境保护协会牧业生态环境考察组报告资料，上海 郊区畜年粪便已突破 1200104 吨，远远超过工业废渣的排放量，超过全市居民生 活废弃物的排放量18。如此大量的需氧腐败有机物，不经处理排入水流缓慢的水 体，如水库、湖泊、稻田、内海等水域，水中的水生生物，特别是藻类，获得氮、 磷、钾等丰富的营养后立即大量繁殖，消耗水中氧，在池塘威胁鱼类生存，在稻 田使禾苗徒长、倒伏、稻谷晚熟或不熟，使水稻绝收；在内海由于藻类大量繁殖， 水变浅，影响捕捞业，由于水生生物大量发育生长，溶解氧耗尽，植物根系腐烂， 鱼虾死亡，在水底层进行厌氧分解，产生 h2s、nh3、硫醇等恶臭物质，使水呈黑 色。这种现象称水体的富营养化，水体富营养化是家畜粪尿污染水体的一个重要 标志. 1.2.2 对大气环境的污染 刚排出的畜禽粪便即含有 nh3、h2s 和胺等有害气体，在未能及时清除或清除 后不能及时处理时，臭味将成倍增加，产生甲基硫醇、二甲二硫醚、甲硫醚及低 级脂肪酸等恶臭气体。 畜禽养殖场的粪便与废水长期堆置或排放在附近的低洼地， 往往造成恶臭熏天，蚊蝇孳生，严重影响大气质量和居民的居住环境。畜牧场臭 气的产生，主要是两类物质，即碳水化合物和含氮有机物，在有氧的条件下两类 物质分别分解为 co2、水和最终产物无机盐类，不会有臭气产生。当这些物质在 厌氧的环境条件下，可分解释放出带酸味、臭蛋味、鱼腥味、烂白菜味等刺激性 的特殊气味。若臭气浓度不大，量少，可由大气释稀扩散到上空，不引起公害问 题，若量大且长期高浓度的臭气存在，会使人有厌恶感，给人们带来精神不愉快， 影响人体健康。这些臭气严重地恶化了养殖场内外环境的大气质量，对畜禽业工 作人员产生危害，如引起精神不振、烦燥不安、记忆力下降和心理状况不良，还 硕士学位论文 11 会影响畜禽的生产性能、降低其生产力水平10,11。1992 年日本居民对畜牧业的投 诉案件中，起因于臭气问题占 63.2%，我国近年也出现此类投诉案件，随着目前 城镇建设向郊区农村迅速延伸，原来远离城镇的饲养场与居民点距离将缩短，畜 牧场臭气问题必将引起社会的关注。 1.2.3 传播人畜共患病，直接危害人的健康 据世界卫生组织和联合国粮农组织有关资料， 目前已有 200 种“人畜共患传染 病”，即指那些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，其 中严重者至少有 89 种，可由猪传染的约 25 种，由鸟（含家禽）传染的约 24 种， 由牛传染的约 26 种，由羊传染的约 25 种；由马传染的约 13 种，这些人畜（禽） 共患传染病的传播载体主要是畜禽粪尿排泄物。 如国外某地畜牧场通过鼠类将猪、 牛钩端螺旋体带入水库，使水库受到污染，在水库游泳的少儿及捕鱼者由此而感 染了钩端螺旋体病。西方一些科学家研究报导，很多新的流感病毒都是原有的人 类流感病毒和鸟类流感病毒在猪身上相互作用之后产生的。 目前有些乡镇专业户， 在池塘边修建猪舍、猪圈上架设鸡笼，不讲条件，片面提倡鸡粪喂猪，猪粪喂鱼， 誉之谓“良性循环”“立体养殖”加以推广，以上养殖模式是容易产生新的流感病毒 的场所，据 1997 年 3 月台湾报道，发生猪口蹄疫暴发性流行，主要原因是病猪的 尸体随意扔入河道引起疾病的流行，因此，粪便未经无害化处理排入水中易造成 传染病的借水流行，最常见的有猪丹毒、猪瘟、伤寒、布氏杆菌、钩端螺旋体、 炭疽等。 1.2.4 导致畜禽传染病和寄生虫病的蔓延 实践表明，畜禽粪尿与废水污染了水、饲料和空气，最终会导致畜禽传染病 和寄生虫病的蔓延和发展，也是影响畜禽生产水平的直接原因，严重时将成为威 胁畜禽生存的最重要因素。 1.3 规模化猪场废水处理技术进展 1.3.1 物理化学处理技术 猪场废水含有大量的固体悬浮物，它是 cod 的主要来源之一，在反应器中可 能会导致颗粒污泥的解体，降低厌氧污泥的活性与含量。为了净化或保护后续处 理设施的正常运转，降低二级生化处理设施的负荷，要求将这些悬浮的污染物在 进入生化处理前进尽可能用简单的物理化学方法除去。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。 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、 厌氧消化-sbr 工艺处理养猪场废水及工艺最优化的研究 12 回收污水中的某些污染物质，或将其转化为无害的物质。常用的方法有混凝法、 化学沉淀法、中和法、氧化还原法等。 1.3.1.1 猪场废水固液分离技术 无论猪场废水采用什么