郭伟煊
身份证号码：44018119920408xxxx 广东省广州市 510000
摘要:养猪废水中的高有机物浓度和高氮磷浓度是造成该类养殖废水处理效率低和运行稳定性差的主要因素之一。在总结国内外研究进展的基础上，简述了养猪废水的基本特性及其对环境产生的危害，重点介绍了不同处理方法和工艺的基本原理，概括了不同方法对养猪废水处理的效果及其影响因素。通过对文献的学习和总结，提出了今后针对养猪废水处理研究的建议，重点应关注畜禽养殖废水资源化等方面的研究，以期为提高畜禽养殖废水的处理效率和工艺选择提供参考。
关键词：养猪废水；高有机物；高氮磷；处理工艺；废水资源化
1 养猪废水的特性及对环境的危害
近年来，随着生活水平的不断改善与提高，人们对畜禽产品的需求量正不断增加，从而推动了我国养殖业朝着集约化和工厂化的方向发展，生猪规模化养殖比例不断增加[1]。北京、上海、广东三地规模化养猪场出栏量位居全国前列，其中广东养猪规模化比例高达68.5%。尽管规模化的畜禽养殖业发展已成为农村和城镇经济的重要组成部分，但高速发展的同时所带来的环境污染问题也日渐严重[2]。畜禽养殖废水因其排量大、氮磷和有机物含量高等特点，致使很多处理工艺的投资和运行费用过高，使得养殖场废水整体处理率和处理水平较低，普遍存在着排放不达标的情况。
1.1 养猪废水的特性
猪场养殖废水主要包括猪粪、猪尿及冲洗猪舍谁，是一种高浓度的有机废水。其主要特点包括：（1）冲击负荷及排放量大；（2）固液混合，且固体物质体积小难以进行固液分离；（3）废水中氨氮、总磷含量高；（4）散发气味难闻。养猪废水相关物理化学特性见表1-1。
表1 我国规模化养猪场养猪废水的基本性质
由表可知，尽管规模不同的养殖场产生的废水性质差异较大，但所含污染物浓度均严重超过国家排放标准，未经妥善处理或处理不当直接排放，将对环境造成严重的污染。此外，养猪废水中含有各种病原微生物，肆意的排放存在着导致猪病蔓延的可能，严重危险人体健康和行业的可持续发展。
1.2 养猪废水对环境的影响
为提高生猪存活率和促进生猪健康生长，饲养的饲料中往往添加许多矿质元素、抗生素、重金属等物质[7]。部分物质随生物体的新陈代谢排出体外进入环境。高浓度养猪废水的排放对环境的影响主要体现在：（1）对地表水或地下水源的污染。由表1-1可知，养猪废水具有典型的“三高”特征：高COD，高总氮、高总磷。丰富的氮磷元素是水体富营养化的主要成因，大量的氮磷元素促进了水体中藻类的繁殖，降低了水体溶解氧浓度，造成水生生物的死亡，使得水体自净能力降低，从而加剧了黑臭水体的产生。此外，养猪废水中氮磷化合物具有较强的淋溶性，易随雨水渗入地下水，致使地下水中硝酸盐浓度增加，危机附近地下水的饮用安全。（2）对大气的污染。由于养猪废水由固液两相混合物组成，主要成分是畜禽的粪便粪便和尿液，致使废水中含有浓度较高的NH3、H2S和胺类物质。不完全氧化条件下，废水中的有害物质经分解易产生恶臭气体。据报道，畜禽养殖场散发出的恶臭嗅味化合物高达168种，其中有30种的嗅味阀值较低[8]。恶臭气体不仅严重威胁着人体的健康，而且易加剧温室效应的产生，对大气环境造成严重污染。（3）对土壤的影响。由于饲料中需添加一定量的重金属和类金属，残留的重金属物质随新陈代谢进入环境。养殖废水流经土壤后，部分重金属和类金属物质富集于土壤中，改变土壤环境，最终对土壤产生一定的危害。除此之外，养猪废水中的病原微生物易通过空气与水体传播，最终导致畜禽传染病或寄生虫寄生虫病的蔓延和发展，对畜禽生产带来严重的影响。
因此，随着生猪养殖的规模化和集约化的发展，养猪废水带来的环境压力逐渐增加，有效提高养殖场的养殖技术，尤其针对养殖废水排放的处理能力，优化出水水质，以获取高效低能的环境友好处理技术具有重要的意义。
2 养猪废水污染控制技术
2.1 工业处理法
养猪废水的工业处理法主要是生化处理技术的应用。根据处理过程微生物新陈代谢所需的环境条件不同，可将生化处理工艺分为厌氧工艺、好氧工艺以及由这两种工艺相耦合的组合处理工艺。
2.1.1 厌氧处理工艺
养猪废水生物厌氧处理是指利用各种厌氧微生物在缺氧或厌氧条件下对废水进行发酵，将废水中的高分子有机污染物和转化为小分子有机物。 目前，厌氧消化生产可燃性气体的处理工艺已逐渐成熟，常见的厌氧处理工艺包括升流式厌氧污泥床（USAB）、厌氧折流板系统（ABR）、厌氧序批式系统（ASBR）等。程群鹏[9]利用重力使废水形成一个自上而下的流动体系，研发出暗河式厌氧发酵反应器处理养猪废水。研究结果表明，最佳污泥接量为35%、最佳的负荷为5.3gCOD L-1，水利停留时间（HRT）为25天，日平均产气量为26.7 L，最大产气速率为4.96 L (L·d)-1，有机物去除率高达79.10%。暗河式厌氧发酵反应器成功解决了原料流态化连续进料出料的关键技术。许美兰[10]等人采用厌氧旋转膜生物反应器（AnRMBR）处理畜禽养殖废水。研究结果表明，在容积负荷为5.68 kgCOD (m3 ·d)-1的条件下，养猪废水的COD平均去除率为94.7%，平均容积产气率为1.4 m3 (m3·d)-1。Jiyeol[11]等人通过研究了厌氧消化处理过程过程养猪废水氮元素的迁移转化路径。研究结果表明，废水中氨氮亚硝化主要受高分子有机污染物的影响。在厌氧消化过程，由于高分子有机污染物经发酵降解为小分子物资，有效降低了氨氮亚硝化的进程，从而有助于提高硝态氮向氨态氮的转化。然而，尽管厌氧生物处理技术已逐渐趋于稳定，且厌氧技术能在一定程度上回收部分能源物质，但对养猪废水中高浓度的氨氮去除效果一般，很难达到排放要求。因此，厌氧处理技术更多的是作为养猪废水的预处理方法，为后续的好氧处理创造良好的反应条件。
2.1.2 好氧处理工艺
好氧处理工艺指通过曝气等手段提高废水中溶解氧（DO）含量，利用反应体系中好氧微生物的新陈代谢将有机物质进一步矿化成无机盐，同时完成磷的富集和氨氮的转化。常见的好氧处理方式可分为生物膜法和活性污泥法。生物膜法主要包括生物滤池法、生物接触氧化法和生物转盘法等。生物滤池是指反应体系中的微生物附着于填料上，经生长繁殖后形成生物膜。利用生物膜对有机废水进行吸附、利用和降解。生物接触氧化法与生物滤池反应原理相似，最大的不同在于HRT的不一样，而生物转盘法则是通过转盘的运行溶解空气中的氧气，从而提高反应体系的DO。与厌氧处理方式相比，好氧处理技术不仅可以有效矿化有机物为无机盐，还能获得较好的氮磷去除效果。但是，由于养猪废水属于高浓度有机废水，直接采用好氧工艺处理，需要较长的HRT和反应容器，存在着养猪废水产量大而处理效率低的矛盾，因此实际工程应用过程中较少出现好氧处理工艺单独使用的情况。
2.1.3 厌氧-好氧组合处理工艺
因厌氧与好氧处理工艺的单独使用存在着只针对某一污染物的去除能力，无法满足养猪废水同时去除高有机物浓度高氨氮的要求。为了充分耦合不同工艺的优点，厌氧-好氧组合工艺的研究正不断被重视。该组合工艺的反应原理是：在厌氧反应阶段，将高分子有机污染物降解为小分子物质，同时将含氮物质转化为氨态氮；在好氧反应阶段，小分子有机物作为好氧微生物的能源物质，经氧化分解进一步矿化成无机盐，聚磷菌在好氧阶段过量吸收磷元素，最终以富磷剩余污泥形式排放。余晓玲[12]等人采用UASB-两级A/O-生态塘组合工艺处理江西省某养猪场养猪废水，处理规模60 m3 d-1。运行结果表明，废水经该组合工艺处理后，出水中COD、SS、NH3-N、TP浓度分别为115 mg L-1、85 mg L-1、20 mg L-1、0.8 mg L-1，出水水质满足相应排放标准。该组合工艺具有较好的抗冲击负荷能力，能够有效解决大型养猪场养猪废水处理不达标的问题，且投资成本低，运行费用少，运行出水水质优。段跟定[13]等人采用UASB-曝气吹脱-混凝-五段Bardenpho主体工艺处理高浓度养猪废水。在进水COD、氨氮、TN、SS、TP浓度分别为9900 mg L-1、288.03 mg L-1、671.54 mg L-1、1875 mg L-1、37.2 mg L-1的情况下，经组合工艺处理后，系统相应指标的去除率均达到了90%以上。相关研究结果表明，厌氧-好氧组合处理工艺处理措施需要的面积小，且能耗及运行成本较低，具有优良的净化效果。此外，基于厌氧-好氧反应原理所拓宽的多种组合工艺形式，能较好的适应不同地区不同规模的养殖场废水处理。
2.1.4 其他工业处理法
尽管生物处理法能有效降解养猪废水中的高分子有机物质及回收部分废水中的氨氮物质，但存在着微生物生长周期缓慢的短板。为提高养猪废水的处理效率，大规模养猪场也常采用物理化学方式处理养猪废水。聂丽君[14]等人针对养猪废水高有机物高氨氮的属性，采用了磷酸铵镁化学沉淀法同步去除猪场废水中的氨氮，以磷酸钠和氯化镁最为沉淀剂，考察不同沉淀剂投加量对氮磷去除效果的影响。研究结果表明，在最优试验参数条件下，氨氮去除率达到90%以上，且废水中余磷的浓度仅为50 mg L-1。通过向废水中投镁源和磷源沉淀剂，使与氨氮发生沉淀反应，生成的磷酸铵镁沉淀不仅有效去除废水中氮磷元素，而且反应副产物可经回收作为有机缓释肥料。Luo[15]等人采用活化过磷酸盐体系处理发酵养猪废水，重点考察了不同的过磷酸盐添加量、反应pH和反应时间对废水中氨态氮的去除效率。研究结果表明，在最优的过硫酸钙添加量为30g L-1,反应pH为9.5和反应时间为0.5h的条件下，发酵养猪废水中氨氮的去除率高达50.3%，反应的副产物具有较高的结晶度，可作为磷源使用。
2.2 自然处理法
自然处理法是养猪废水生态处理方式的一种，可分为水体生态处理和人工湿地处理系统。该方法充分利用水体自净能力，构建出由微生物、植物、动物对猪场粪便污水处理的生态系统。’由于该方法需要较大的占地面积，常见于远离城市，猪场养殖规模小、经济相对落后地区。刘静[16]针对养猪废水中有机污染物和氨氮浓度高的特点，采用了循环式人工湿地工艺对养猪废水进行了处理。研究结果表明，在进水氨氮浓度为600-800 mg L-1的条件下，出水氨氮浓度为150-260 mg L-1，去除率为61%-76%。经一年的稳定运行后，进水NH3-N浓度为558-883 mg L-1条件下，系统出水浓度小于0.1 mg L-1，氨氮去除率高达99.9%以上。此外，在人工湿地投加钙行沸石的条件下，湿地运行阶段CODCr进水浓度为250-500 mg L-1条件下，出水CODCr的浓度在30-80 mg L-1，系统对CODCr的去除率为78%-92%。赵雅光[17]等人采用改良UASB-MAP氮磷回收-动态膜好氧-水平潜流人工湿地组合工艺对某猪场废水进行了研究，考察了出水中COD、N、P等污染物的去除情况。研究结果表明，在组合工艺稳定运行的条件下，废水中COD、氨氮和总磷的去除率分别高达99%、90%和97%，且该组合工艺经优化运行参数后已投入实际生产试用。尽管自然处理模式具有前期投入成本低，运行费用费用少的优点，但该方法对地形要求较为严格，且处理效果受季节和温度变化影响较大。
2.3 还田处理法
还田处理法也称土地处理法。养猪废水或畜禽粪污还田是一种传统的、经济有效的处理模式，可以使畜禽粪污达到零排放[18]。尽管高氨氮使得养猪废水对周边环境带来污染危害，但氨氮元素同时土壤的营养元素，适量的氨氮元素的补充可减少土壤化肥的使用，可以维持并提高土壤的肥力，改善土壤的特性，从而实现养分的循环利用[19]。然而，还田处理法只适用于远离城市、土地宽广、有大量农田受纳粪便污水的养猪场。随着废水资源化逐渐得到重视与关注，对养殖废水的养分供需平衡、灌溉方式、固液分离后的精准应用及还田处理安全性等问题已进行了大量的研究。养猪废水的还田利用的核心问题在于土地对废水的承载能力和储存能力，既要有足够的容积贮存暂时没有施用的废水及其厌氧消化液，同时又不能找得足够的农田作为最终的污染物受体，因此，目前的还田处理更多的是适用于养殖规模较小且地区偏远的地区[20]。基于海绵城市建设的推进，已有大规模养猪场通过废水处理系统的升级改造，配合原有的生化处理工艺耦合还田处理方式处理养猪废水，以期实现废水的零污染排放及资源化。
3 总结与展望
养猪废水处理技术的选择受限于多个方面的因素。如何选择合适的处理技术或组合工艺以满足排放标准的同时契合自身养殖场规模效益是行业内外所共同关注的问题。综合处理技术路线的选择应首选考虑养猪废水高有机物高氨氮的特性，同时要因地制宜，经济可行。目前，生物法作为普遍采用的处理方法，但单纯的生物处理工段很难将这类废水处理达到理想的程度，因此需要建立在预处理的基础和深度处理的补充以确保出水的达标和稳定。综合国内外养猪废水处理与资源化技术的基础研究及工程的发展态势，笔者认为养猪废水处理与资源化技术在未来一段时间内的主要聚焦于如下3个方面：
（1）物理-化学-生物法的耦合对养猪废水深度处理的研究。大量的研究结果表明，单一的处理方式基本无法满足养猪废水的前端处理要求。常规的不同工艺的组合尽管能使养殖废水的处理满足排放的的要求，但也同时存在着氮磷元素流失的现象。充分发挥物理-化学-生物法的优势，促使不仅满足高分子有机物的降解和矿化，同时使废水中的氮磷元素以副产物的形式分离出反应体系以作为氮源或磷源，不仅可实现废水的有效处理，还能基于废水的特性实现废水处理的资源化。
（2）高分子有机物质的处理和氮磷元素去除之间的影响。已有研究表明，高分子有机物质易与氮磷化合物或中间形态产物发生反应，抑制氮磷元素的有效去除或回收，因此将养猪废水先经厌氧消化处理后可有效提高后续氮磷元素的回收。然而，高分子有机物质与氮磷化合物或中间产物的作用机制目前尚不清楚。如果能够摸清有机物与氮磷元素在反应过程中的交互作用，可为后续的工艺选择提供重要的理论指导和依据。
（3）资源能源的定向转移和回收。随着水处理技术的不断成熟与稳定，同步回收废水中的资源能源已逐步得到科研人员的重视和关注。废水处理正在由传统的达标处理走向资源能源精细化高效化回收的方向。
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论文作者:郭伟煊
论文发表刊物:《防护工程》2019年12期
论文发表时间:2019/9/5
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