一种养猪废弃物处理及综合利用的方法

张心宝

（福瑞莱环保科技（深圳）股份有限公司，广东 深圳 518000）

目前，我国生猪存栏量大，再加上管理不善，使得牲畜粪便处理成为一个难题。处理不当不仅会破坏原有的自然生态环境，还会影响牲畜和人的身体健康。养殖污废通常会造成空气、土壤和水体污染。高氮的养殖废水未经处理进入土壤，会导致烧苗现象。养殖户通常会在饲料中添加药剂。这些物质会随着粪便进入土壤，使土壤结构和性状发生改变，功能下降。另外，养猪废水含大量好氧性物质，是典型的高化学需氧量（COD）废水。一旦废水进入河流，就会使水体的含氧量降低，导致各类生物因缺氧而死亡。此外，饲料中残余的铅、铬等重金属随废水进入地下水，导致水体中重金属含量增加。

1 养殖废水的处理方式

1.1 自然处理法

1.1.1 自然堆肥

猪粪尿的传统利用方式为自然堆肥还田。养殖粪污被收集到一个发酵池中直接堆积发酵，用作农家肥，这种方法适用于小型或家庭养殖场。其优点是操作简单，成本低廉。但其缺点也很明显，发酵时间长，产生恶臭。另外，农家肥可能含有大量重金属，造成土壤污染和农作物重金属含量超标。因此，农户更愿意使用化肥，使得粪便还田的比例降低。

1.1.2 人工湿地

人工湿地是由水生植物、填充基质、微生物和水体组成的综合生态系统，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现废水净化。水生植物根系与微生物能够吸收、分解养殖废水中的氮、磷等物质，吸收、转移重金属和其他有害物质。该方法运行成本低，工艺简单，生态景观价值高，但占地较大，处理效率低，处理效果难以控制。

1.2 工业处理法

养殖废水的工业处理方法多为各种工艺的组合，能够有效解决自然处理法存在的处理效率低、占地面积大、气味难闻等问题。对于养猪废水，先进行固液分离预处理，实现固体粪污和尿液废水的分离，再采用厌氧、好氧、厌氧+好氧技术处理废水。

1.2.1 沼气发酵技术

沼气发酵是以厌氧处理为核心，对污染物质进行无害化理，可杀灭病原体，控制疾病传播，还能降低有机质的浓度。处理完成后，沼气、沼渣和沼液可以进行资源化利用。但是，该技术在处理氨氮、磷等有机物方面存在局限性，设备普及率和使用率偏低。

1.2.2 好氧处理技术

好氧处理技术在去除氨氮、磷等营养物质时有较好的表现。与空气充分接触后，废水中的有机物被污泥中的好氧生物吸收、分解，水质得到净化，但设备成本和耗能较高。

1.2.3 高温厌氧技术

厌氧发酵适用于养殖废水的处理，其降解速度快，能耗低，污泥产生量低。但是，常温厌氧的污水滞留时间长，发酵容积较大，无法适应逐渐扩大的养殖规模。高温厌氧发酵有更高的产气率和有机物降解速率。反应器内的微生物对温度变化十分敏感，细菌在55 ℃时的生长速率是30 ℃时的2 ～3 倍，且产气量会随着发酵温度的升高而升高。甲烷产气量与有机负荷呈正相关，随有机负荷的增加而上升。此外，水力停留时间与发酵温度有密切关系，在温度较高时，污水的停留时间较短。

2 基于高温厌氧技术的养猪废弃物处理及综合利用方法

高温厌氧发酵在甲烷产气量提升、原料资源化利用、病原体消除以及污泥处理等方面具有显著优势。本文设计一种基于高温厌氧技术的养猪废弃物处理及综合利用方法，主要包含高温发酵、好氧芽孢杆菌生物反应器（OBBR）接种生化和资源化利用三个过程，整体工艺流程如图1 所示。猪粪尿直接进入高温厌氧罐发酵，产生的沼气用于发电机发电，发电过程中产生的余热用于保持高温厌氧罐的温度。发酵后的产物进入沉淀池，经排泥后进入OBBR 接种池，使微生物吸收并降解有机物、磷和氮。生化后的污水流经膜生物反应器（MBR），泥水分离，出水可达标排放或添加营养物质调配成液肥。分离出的污泥与厌氧污泥一并进入污泥浓缩池，经营养调配后制成有机肥。

图1 工艺流程

2.1 高温发酵过程

猪粪成分比较复杂，含蛋白质、脂肪类、有机酸、纤维素、半纤维素以及无机盐等，含水81.5%、有机质15.0%、氮0.5%～0.6%、磷0.45%～0.50%、钾0.35%～0.45%、其他2.05%；尿液成分相对简单，含尿素、尿酸、马尿酸及磷、钾、钠、镁等元素，含水97%、尿素1.8%、尿酸0.05%、无机盐1.1%、其他0.05%。由此可见，废弃物中碳源主要来自粪便，粪便的C ∶N ∶P 比例较为均衡，易于进行生化反应，尿液的C ∶N ∶P 比例严重失衡，无法进行生化反应。因此，只有粪便与尿液混合才能保障生化系统的稳定运行。

养猪废弃物（粪、尿、污水）完全混合后进入高温厌氧反应器，利用粪便中的有机物质，平衡生化反应的碳氮比，提高混合物的可生化性。混合物的固体物含量高，污染物浓度高，产气量大，该工艺可以大幅降低有机物含量，有效杀灭废水中的致病菌和虫卵。为防止反应器内固体物结块、沉淀，反应器外循环量需要增加至进水量的5 ～10 倍，在厌氧反应器中利用厌氧微生物使水中有机物转化为CH，反应器COD负荷可保持较高水平，介于30 ～50 kg COD/（m·d），COD 去除率可超过90%。蔡连比较了中高温猪粪发酵产气情况，高温发酵的产气效率明显高于中温发酵，在高有机负荷率方面更有优势。经过高温厌氧发酵，沼液中的粪大肠杆菌群去除率大于99%。高温厌氧发酵可以有效杀死病原体，出水达到安全排放和使用的标准。发酵产生的大量沼气可用于生物发电，发电余热可用于厌氧反应器升温，约30%的热量转化为电能，70%的余热用于厌氧罐加热，能有效降低运营成本，减少温室气体排放，实现节能减排，经济效益十分 可观。

将厌氧反应器温度控制在50 ～55 ℃，经过15 ～30 d 的充分反应，固体物含量可降低90%，容易从混合物中分离。混合物进入沉淀池进行固液分离，分离出的污泥富含氮、磷，经压滤机脱水后成为生产固体有机肥的原材料。

2.2 OBBR 接种生化

OBBR 生化工艺采用芽孢杆菌（）作为系统的优势菌属，实现其对有机物、氮和磷的高效去除。所分离的液体进入接种池，为激活芽孢杆菌和保持菌活性提供繁殖场所。接种池内填充由聚甲基乙撑碳酸酯（PPC）制成的好氧生物载体，它是由聚氨酯和其他高分子材料复合而成的凝胶状多孔体，具有独特的互穿网络结构和巨大的比表面积（大于 4 000 m/m），具有耐磨性强、亲水性好、使用寿命长的特点。在好氧条件下，芽孢杆菌附着在生物载体内并快速生长、繁殖，全部过程仅需要30 min， 为OBBR 生化池补充孢子。

本工艺利用的芽孢杆菌主要包括枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、凝结芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和纳豆芽孢杆菌（一种或多种）。芽孢杆菌具有超强的繁殖能力，在低温、高盐度、高有机物浓度、高氨氮浓度等严酷的极限环境中具有较强适应能力，可分解蛋白质、脂质、脂肪酸和核酸等物质，吸收转化增殖分解后的物质，大幅提高处理效率，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级B 标准。同传统的硝化、反硝化脱氮原理不同，芽孢杆菌直接吸取胺（有机氮）、氨氮以及铵盐，为微生物所利用，从而进行脱氮。氮元素部分以有机氮的形式进入污泥中，并通过剩余污泥的排放从系统中去除，部分转化成氮气排入空气；磷酸盐以磷壁酸的形式进入芽孢杆菌的细胞壁中，最后通过剩余污泥的排放从系统中脱磷。由于芽孢杆菌本身具有除臭能力，生化工艺段、污泥处理段不需要进行额外的除臭处理。同时，芽孢杆菌具有自我消毒能力，系统产生的污泥中大肠杆菌属等指标可以比较容易地达到污泥消毒要求，为水、固废的最终处置创造了较好的条件。

在OBBR生化池内，通过对溶解氧（0.5～1.0 mg/L）、 停留时间（16～20 h）、曝气时间（开1停3）、pH（7.0～8.0）等条件的控制，保证芽孢杆菌处于优势地位，发挥其高效去除有机物、磷和氮的能力。

2.3 后续处理及资源化利用

养殖废水经过OBBR 生化后进入MBR 池，利用MBR 进行泥水分离。膜组件所分离出的污泥进入污泥浓缩池，与厌氧污泥一起进行脱水、干化，含有芽孢杆菌的剩余污泥脱水性能更好。出水可达标排放或调配液肥。出水中富含氮、磷、益生菌等，是一种高效有机液肥，在营养调配池利用空气搅拌均匀，制成农作物所需营养物质，回用于农业灌溉。

3 结论

养殖废水的处理方法可以分为自然处理法和工业处理法两大类，前者主要有自然堆肥和人工湿地，后者主要有沼气发酵技术、好氧处理技术、组合处理技术和高温厌氧技术。本文重点分析了基于高温厌氧技术的养猪废弃物处理及综合利用方法。其间，要进行高温发酵和OBBR 接种生化，推进后续处理及资源化利用。