畜禽粪污水综合处理工艺及应用

龙定彪，解雅东，江 山，蒲施桦 

（1. 重庆市畜牧科学院，重庆  荣昌  402460；2.农业部养猪科学重点实验室，重庆  荣昌  402460；3.农业部西南养殖工程科学观测实验站，重庆  荣昌  402460）

解决方案

畜禽粪污水综合处理工艺及应用

龙定彪1，2，3，解雅东1，3，江 山1，蒲施桦1，2，3

（1. 重庆市畜牧科学院，重庆  荣昌  402460；2.农业部养猪科学重点实验室，重庆  荣昌  402460；3.农业部西南养殖工程科学观测实验站，重庆  荣昌  402460）

畜禽粪污水具有高有机物浓度、高氨氮的特点，采用一般工业废水、生活污水的处理方法并不适用于畜禽养殖业粪污水的处理，因此，发展适合我国养殖污水处理的工程技术就显得尤为重要。文内对畜禽粪污水的特点，UASB、USR、SBR等处理方式及工程案例进行总结，旨在为畜禽粪污水的控制提供参考依据。

畜禽粪污水；处理工艺；处理流程

畜牧养殖业是农业生产的重要组成部分，在科技的不断推动下，我国畜禽养殖业正在向集约、集中化发展，但大部分还是采用传统养殖的模式，其规模小、分布零散的特点给畜禽粪污水的处理带来了难题，加之我国养殖人员环境意识淡薄，畜禽粪污水处理成本高、工艺复杂等因素，导致畜禽养殖污染源已成为我国主要的农业污染源之一。因此，如何在提高畜牧粪污水的后续处理水平的同时，改善生态环境，实现养殖业的可持续发展将成为今后环境领域研究的热点。本文将系统总结我国规模化畜禽养殖场粪污水带来的危害及处理的方法，旨在为畜禽养殖业污染控制提供参考依据。

1　畜禽粪污水特性及危害

1.1畜禽粪污水特性

畜禽粪污水具有高氮、高有机质浓度等特点，其污染负荷远超过工业废水和生活污水的总和。畜禽粪便含多种复杂的化学成分，其中挥发性有机物的含量约占到75%，蛋白质含量约为15.8%～23.5%，猪粪中的主要成分有81.5%的水分，15%的有机质，0.60%的N，0.40%的P2O5和0.44% 的K2O。

1.2畜禽粪污水危害

畜禽粪污水对水体、空气都会带来一定的危害，甚至可能导致传染病的发生。畜禽粪污水中的高浓度有机质、高氨氮及致病菌，若不经处理直接排入或随雨水进入到江河湖库势必会造成地表水和地下水水体严重污染；同时，畜禽粪污水中的有机物成分被分解产生的硫化氢、氨气、甲烷等恶臭、有害气体以及携带病原微生物的粉尘会污染周围空气，不仅对畜禽的生长造成影响，同时也会危害周围居民的身体健康。

2　畜禽粪污水处理工艺

为了降低畜禽粪污水对环境造成的危害，须将畜禽粪污水集中收集处理。畜禽粪污水处理工艺从总体上看可以分为以下3类：源头控制法、自然处理和工业化处理。

2.1源头控制法

源头控制法是在满足畜禽生长及生产效率的同时降低饲料中含氮、磷等营养物质，从而提高畜禽对饲料营养的吸收利用率，达到降低畜禽粪尿中污染物质排放量的目的。但源头控制法不能从根本上消除畜禽粪尿对环境的影响，只能适当降低其对环境的污染程度，源头控制方法需配合合理的后续处理畜禽粪尿的方法，才能有效的控制畜禽粪尿带来的环境污染。

2.2自然处理

自然处理是利用土壤、天然水体、生物，通过物理、化学及生物的综合作用达到净化畜禽粪污水的方法［2］。处理方式主要包括还田利用、人工湿地、氧化塘等方法。

2.2.1还田利用

还田利用是将畜禽粪污水用于灌溉农田，粪污水进入土壤后，在土壤微生物和植物的作用下，将污水中的有机物质分解成为腐殖质和植物生长因子，供植物生长利用。还田利用不仅可以减少化肥的使用，还可以改善土壤通透性，促进有益微生物生长［3］。但污水的还田利用对土地需求量大，未经处理的高浓度畜禽污水直接排入农田可能会造成硝酸盐、磷和重金属等物质的沉积，导致地表水及地下水的污染；而施用粪污水中的大量致病菌还可能会引发传染病或人畜共患病的危险。

2.2.2人工湿地

人工湿地主要由湿地植物、基质和微生物构成，通过湿地中的微生物、植物及基质的物理、化学和生物作用达到净化畜禽粪污水的目的。其中植物是人工湿地的重要组成部分，通常选取芦苇、茭白、美人蕉等作为湿地植物［4］，具有良好的景观效应和生态效应。植物直接吸收污水中的N、P、K等物质，通过光合作用为其根区提供氧气，为湿地系统微生物营造好氧-缺氧-厌氧的生物环境；人工湿地中的微生物将大分子有机物质降解为小分子物质供植物吸收，为植物提供营养成分，两者相互影响，相互作用；基质作为微生物和植物的营养物质载体，其种类、尺寸、填充方式等都会对湿地系统的去除效率有影响。常见的人工湿地基质主要有沸石、火山岩、高炉废渣、土壤等［5］。杨旭等［6］研究表明，在进水流量为1.5 m3/d时，人工湿地系统对含沼液畜禽废水具有较好的处理效果，污水中化学需氧量（COD）、总磷含量（TP）、总氮含量（TN和）氨态氮（NH4+-N）浊度平均去除率分别为59.21%、53.80%、55.09%和55.57%。

2.2.3氧化塘

氧化塘是利用天然或者人工修整过的池塘进行污水处理的方法。氧化塘内的藻类可通过光合作用提高溶解氧（DO），并为微生物提供良好的生存环境。墨西哥一家养猪场采用沉淀池-厌氧塘-兼性塘-深度处理塘的污水处理工艺处理该猪场废水，废水中的 COD 在厌氧塘、兼性塘、深度处理塘中的去除率分别为 37%、48%、28%［7］。

2.3工业化处理

工业化处理模式是通过厌氧处理、好氧处理等方式对畜禽粪污水进行处理。对一些经济发达的大城市近郊、无足够农田消纳畜禽粪污水的养殖场，工业化处理是相对较好的选择。一般用于处理畜禽粪污水的工业化处理方法有UASB、USR、亚硝化-厌氧氨氧化、SBR、活性污泥法等。

2.3.1升流式厌氧污泥床（UASB）

UASB（upflow anaerobic sludge blanker）在1974年由荷兰著名学者G.Lettinga等［8］提出，1977年在国外投入使用，至今已有近40年的发展历史。UASB是利用重力场对不同密度物质的差异进行设计的，由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室3部分组成。畜禽粪污水由反应器底部进入，经布水器均匀布水后到达具有良好沉淀性能和凝聚性能的颗粒污泥层，污泥中的微生物分解畜禽粪污水中的有机物，将其转化为沼气。沼气以微小气泡的形式不断合并上升，进入到三相分离器，碰到分离器下部的反射板时，折向反射板四周，穿过水层进入气室；而固液混合物进入三相分离器的沉淀区，经过絮凝反应，污泥颗粒逐渐增大，最终经斜板滑回厌氧反应区，处理后的出水经沉淀区溢流堰流出。研究表明［9］，畜禽废水经过UASB反应器后，COD的去除率达到85%以上，同时对TN和TP也有一定的去除效果。

UASB具有适应性强，结构、运行操作、维护管理相对简单、造价较低、技术较为成熟等特点，且可以收集在处理过程中产生的沼气［10］，收集的沼气可用作生活供气、供电，是一种经济有效地处理污水的方法。

图1　UASB反应工作原理示意图

2.3.2升流式固体厌氧反应器（USR）

由于经过UASB反应器的畜禽污水中的高悬浮物（SS）含量仍然很高，故在其基础上研发了USR反应器，因为主要处理畜禽粪污水中的固体物质，故将USR称为升流式固体厌氧反应器。畜禽粪污水从反应器底部进入消化器内，与活性污泥接触，使粪污水迅速消化。未被消化的有机物及污泥由于重力作用沉降回消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和消化效率［11］，且消化器内无需设置污泥回流装置和三相分离器。蔡盛［12］等研究表明在中温条件下（35～40℃），采用USR反应器处理猪场粪污水，COD去除率可达77%～92%，去除效率较高。

相比于UASB反应器，USR工艺结构简单、操作便捷，无需设置三相反应器，因此在处理高悬浮物的畜禽粪污水领域具有更好的发展前景。

2.3.3亚硝化-厌氧氨氧化（Sharon-Anammox）

Sharon-Anammox工艺操作简单、处理负荷高，无需添加亚硝氮，含有重碳酸盐可以补偿亚硝化造成的碱度消耗，且最终产物为N2，大大降低了NO等温室气体的排放［13］，是现今应用较为广泛使用的厌氧氨氧化工艺。Sharon-Anammox整个工艺分两步进行，第1步亚硝化（Sharon）阶段可将50%～60%的-N转化为-N，剩余的-N与N一同进入厌氧氨氧化（Anammox）阶段发生厌氧氨氧化反应，反应流程如图2所示。Sharon-Anammox工艺在低碳氮比猪场养殖废水处理过程中得到广泛应用，调节进水中有机物质量浓度是Sharon-Anammox工艺处理畜禽粪污水的关键。有研究表明，在处理养殖废水的试验中，当初始COD浓度达到600 mg/ L时，Anammox菌仍然可以表现出很强的活性，并占据主导地位［14］。

图2　Sharon-Anammox工艺流程图

2.3.4氧化沟

氧化沟工艺是20世纪50年代由荷兰卫生工程所研制而成的，氧化沟工艺是利用循环式混合曝气沟渠处理污水的工艺。氧化沟具有完全混合和推流的特征，有利于克服短流现象，并提高氧化沟的缓冲能力。有研究表明［15］，三沟式氧化沟前加内循环（IC）厌氧处理工艺处理猪场粪污水时，COD去除率高达97%，氨氮去除率78.6%，处理效果良好。

2.3.5序批式活性污泥法（SBR）

SBR是由传统Fill-Draw系统改进而来的间歇式活性污泥法，它将污水处理构筑物从空间系列转化为时间系列，实现厌氧与好氧交替，在同一构筑物内经历进水、反应、沉淀、排水、闲置等过程。SBR与一般活性污泥法相比，不需要另外设置二沉池。不同时期猪场粪污水中氨氮含量差异很大，而SBR反应器耐冲击负荷较强，可以有效地缓解进水氨氮浓度差异大等问题，但在畜禽粪污水处理中SBR一般多与其他处理方式结合使用。

研究表明［16］，SBR反应器对COD、氨氮的去除率分别在80%～85%和85%～90%。SBR具有工艺简单、处理效果稳定、占地面积小、耐冲击负荷等优点，是目前业界正深入研究的一项污水处理技术。

3　畜禽粪污水处理流程

一般而言，单凭一种处理工艺很难实现对含高浓度有机质和高浓度氨氮的畜禽粪污水的高效去除，必须进行深度处理或后续处理，因此将两种工艺联合运行，成为养殖场粪污水去除的热点。目前国内外多采用高效厌氧处理，结合生物氧化技术，以实现污水达标排放。

3.1厌氧+好氧工艺

“UASB+SBR”也是一种理想的处理畜禽粪污水的组合工艺，Li等［17］人在中试规模试验中利用“UASB+SBR”组合工艺处理猪场废水，在室温条件下，稳定运行后COD、氨氮、SS和TP的去除效率分别可达到92%、90%、95% 和80%［18］。USR工艺是在UASB工艺基础上发展而来，使得USR反应器更适合高悬浮物的畜禽粪污水的处理。福建某果牧农场为解决高浓度粪便污水带来的环境问题，采用“USR+SBR”组合工艺，其工艺流程见图3，该组合工艺处理养猪场污水可以获得良好的效果。利用USR适用于含高悬浮物的畜禽养殖污水的特点，并配合具有可靠除磷脱氮功能的SBR反应器，在保证达标排放的同时回收沼气能源，是一种经济有效的组合处理方式。

3.2厌氧+自然工艺

“厌氧+人工湿地”系统是将人工湿地处理有机废水技术作为厌氧处理畜禽粪污水的后处理单元，实现养殖污水的有效治理。张安来［19］等研究表明，采用“厌氧+人工湿地”系统常年运行较稳定，经该系统处理后出水水质可达到国家“畜禽养殖业污染物排放标准（GB18596-2001）”；氧化塘与人工湿地同样可以作为后期处理畜禽粪污水的工艺；深圳农牧实业公司畜禽粪污水经过“UASB+氧化塘”工艺，处理后的污水COD、BOD、SS的去除率达99%以上，出水COD、BOD均可达到深圳市废水排放标准，工艺流程见图4［20］。

4　展望

畜禽粪污水含有高浓度的氨氮、磷、有机污染物，如何去除这些污染物质一直以来都是各国专家学者研究的重点。现如今，畜禽粪污水处理的方式繁多，要选择适宜的处理方式就必须从技术、成本、本地自然条件、操作便捷等多方面综合考虑。由于我国仍以传统养殖方式为主，如何处理小规模畜禽养殖场粪污水，降低养殖业粪污水后续处理成本将成为今后研究的热点。

图3　USR+SBR工艺流程图

图4　UASB+氧化塘工艺流程图

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2016-06-07）

“十二五”农村领域国家科技计划课题（2012BAD39B02）；现代农业产业技术体系建设专项资金项目（CARS-36）.

龙定彪（1979.09），女，副研究员，博士，研究方向为畜禽健康养殖，87902798@qq.com

蒲施桦（1986.08），女，助理研究员，硕士，研究方向为畜禽养殖环境，710108384@qq.com.