季节因素对规模化奶牛场污水处理效果的影响

赵佳浩，栗敏杰，郑 卓，柳雷振，张立阳，高腾云

(河南农业大学 牧医工程学院，河南 郑州 450046)

中国奶牛业发展迅速，规模越来越大，产生大量的废弃物，其中污水是奶牛养殖重要的污染源之一，含有大量的污染物，如氮和磷等。为防止污水对周边环境的威胁，已经有大量关于污水处理的研究，不同的工艺用于污水处理，均有较好的处理效果。如罗小龙等利用“固液分离机-卧螺离心机”对奶牛场废水进行预处理，去除废水悬浮物95%以上，化学需氧量(COD)去除50%～55%，对后续系统去除污染物具有良好效果。蔡晓聪等采用组合技术处理养殖废水，通过控制氧化塘曝气溶氧浓度和反应器污泥沉降率及沉降时间等，能够使处理后的废水达到《畜禽养殖业污染物排放标准》。许美兰等利用厌氧旋转膜生物反应器处理猪场废水，对COD去除率能达到94.7%，然而在系统运行中后期随着污水浓度上升和颗粒粒径减小对膜通量存在影响。这些研究大都是在理想环境中得到的处理效果。而生产中污水处理系统的运行受到各种因素的影响，如不同季节的气候不一样，对处理系统中的功能微生物活性、仪器性能、污水性质等都可能造成影响，进而可能影响对污水的去除效果。目前缺少关于不同季节对奶牛场污水处理系统性能的研究。为了使奶牛场污水处理系统设计及管理更合理，本研究通过对春、夏、秋、冬4个季节奶牛场污水处理情况的监测，探究季节因素对奶牛场污水处理效果的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验在河南省新乡市某规模化奶牛场进行，该奶牛场存栏量约1 000头。

1.2 工艺流程及其管理

试验在养殖场正常生产条件下进行，没有特别干预行为，粪污处理系统为露天状态。来自奶牛舍和奶厅的粪尿及废水混合物形成污水，排入收集池内；当收集池内的污水到达一定液面高度时即开启固液分离器，分离后的污水按顺序进入一级沉淀池、二级沉淀池、三级沉淀池，最后进入氧化塘内。

1.3 样品采集与测定

试验时间分别在春(2019年3月20-22日)、夏(2019年8月3-5日)、秋(2018年10月28-30日)、冬(2018年12月21-23日)4个季节进行，每个季节连续3 d进行样品采集。污水采样位置分别为：收集池入口、收集池内、固液分离器出水口、一级沉淀池出口、二级沉淀池出口、三级沉淀池出口、氧化塘出口，见图1。

图1 处理工艺流程及采样位点

每次采集前先对每个采样位点进行水温的测定。采集的样品按每100 mL加入4.5 mol/L HSO2 mL进行固氮，混合均匀后取500 mL至提前备好的塑料样品瓶中并立即置于冰盒中暂存，待样品全部采集完毕后及时立即带回实验室进行测试分析。

采用便携式多功能电导率测定仪(DDBJ-350，青岛聚创环保设备有限公司)进行水温测定。采用重铬酸盐法测定COD含量。采用凯氏定氮仪(K9860，济南海能仪器股份有限公司)测定TN含量。TP含量测定采用钼酸铵分光光度法，NH-N含量测定采用蒸馏-中和滴定法。

各污染物(COD、TN、NH-N、TP)去除率η(%)计算公式如下：

式中，C污染物(COD、TN、NH-N、TP)进水浓度(mg·L)；C污染物(COD、TN、NH-N、TP)出水浓度(mg·L)。

1.4 数据处理

运用SAS 9.4中线性混合模型广义线性模型(Generalized Linear Models，GLM)过程，分析各因素及其互作效应对污水各污染物含量的影响，对同一因素不同水平下各污染物含量进行差异性分析。

2 结果与分析

2.1 不同季节系统各环节污水的温度、pH和电导率值

污水处理系统各环节污水的温度、pH和电导率(EC)值呈现出季节性变化(图2)。污水处理系统污水在春季、夏季、秋季和冬季的平均温度分别为13.89±0.32 ℃、27.68±0.21 ℃、16.94±0.28 ℃和10.07±0.64 ℃。系统污水平均pH值在春季、夏季、秋季和冬季分别为7.09±0.08、7.26±0.09、7.27±0.08和7.13±0.13。氧化塘中污水电导率在春季最高，其次为夏季、秋季和冬季；但其它环节污水电导率均为冬季最高，其次为秋季、春季和夏季。

图2 不同季节污水的物理指标值

2.2 季节对系统各环节污水中污染物含量的影响

系统各环节污水中的COD含量均在冬季最高，其次为春季、夏季和秋季，且冬季和春季均显著高于夏季(<0.05)。系统各环节污水中的NH-N含量在冬季或春季最高，其次为秋季和夏季，且冬季和春季均显著高于夏季(<0.05)。除氧化塘外，系统各环节污水中TN含量均在冬季最高，其次为春季、秋季和夏季，且收集池入口环节、沉淀池环节和氧化塘环节污水中TN含量在冬季显著高于夏季(<0.05)。除氧化塘外，系统各环节污水中的TP含量在春季最高，其次为冬季、秋季和夏季且收集池环节、沉淀池环节和氧化塘环节污水中TP含量在春季显著高于夏季(<0.05)。

2.3 季节对系统各环节污水中污染物去除率的影响

由图4可以看出，该牛场污水处理系统对COD具有较好的去除效果，且呈现出明显的季节性变化，其次是TP，而对NH-N和TN的去除效果不理想。在秋季系统整体对COD的总去除率最高，为100%，其次为夏季(78.52%)、冬季(54.92%)和春季(45.11%)。系统整体对NH-N总去除率最高在秋季，为14.68%，其次为冬季(8.45%)，在春季和夏季无去除效果。系统整体对TN总去除率最高在冬季，为26.71%，其次为夏季(0.90%)，在春季和秋季无去除效果。系统整体对TP总去除率最高在秋季，为72.45%，其次为冬季(38.57%)、夏季(25.11%)和春季(6.26%)。

图3 不同季节污染物含量

图4 不同季节系统各污染物总去除率

由图5可以看出，在整个污水处理系统中氧化塘在不同季节对污染物去除率相对较好，而其余环节对污染物去除率的季节性变化不明显。氧化塘对污水中COD去除率在秋季最高，为100%，其次是夏季(65.31%)、冬季(47.06%)和春季(41.86%)。氧化塘对污水中NH-N去除率在冬季最高，为43.77%，其次是秋季(38.08%)和春季(24.17%)，在夏季时无去除效果。氧化塘对污水中TN去除率在冬季最高，为35.61%，其次是秋季(24.17%)和春季(1.35%)，在夏季时无去除效果。氧化塘对污水中TP去除率在秋季最高，为68.20%，其次是冬季(29.71%)、春季(20.36%)和夏季(2.45%)。

图5 不同季节各污染物去除率

2.4 污染物之间相关性及与温度的关系

各污染物指标之间相关性分析结果见表1。可以看出COD、NH-N、TN、TP、EC两两之间均呈显著正相关，其中NH-N与TN之间呈极显著正相关，TP 与COD、NH-N、TN均呈极显著正相关。污水电导率与pH值显著负相关。COD、NH-N、TN、TP、EC与温度均呈显著负相关，即随着温度升高，COD、NH-N、TN、TP、pH、EC含量(或数值)会随之减少(或变小)。

表1 污水理化特性及主要污染物相关性分析

3 讨 论

在奶牛场污水处理系统中，各处理环节污水的污染物含量均存在季节性变化。奶牛场污水COD、TP、TN、NH-N浓度与温度呈显著负相关，即随着温度升高，这些污染物含量降低。这可能与污水中微生物代谢强度受污水温度影响有关；同时也与夏季污水产生量大有关，因为不同季节污水产生量的巨大差别，特别在夏季奶牛舍、挤奶厅的喷淋用水和冲洗用水都大幅度增加，形成明显的稀释作用。污水中TN大部分以NH-N形式存在，采用固液分离法对TN去除率只有4.4%～10%，对污水中TN与NH-N的比例关系影响不大。这解释了TN与NH-N同时与温度呈负相关关系。

奶牛场原始污水主要为奶牛粪便、尿液和牛舍、奶厅冲洗水等的混合物，其中粪便中各污染物含量远超尿液和奶厅废水。在不同季节育成母牛和成年母牛产粪量及粪中N、P等含量均有差异(张振伟等)，这会对原始污水的浓度有轻微的影响。

本研究中氧化塘在春、冬季对COD去除率较低，可能由于絮凝作用是去除COD的途径之一，而絮凝作用又收到温度的影响有关。在COD去除过程中，COD含量会随着有机悬浮物的沉淀而减少；在一定温度范围内温度越高沉降速率越快。微生物作用是去除COD的另一途径。沉淀池和氧化塘内废水由于悬浮有机物含量仍相对较高，其深水层含氧量极少，这为厌氧微生物提供了良好的厌氧环境，使得厌氧微生物能够通过一系列代谢反应分解有机物及溶解性COD，从而降低COD含量。季节性变化所引起的污水温度变化会对微生物发挥作用造成影响。因此奶牛场原始污水和经处理后污水的COD含量会随着季节变化而呈现出差异。

氧化塘对污水TP、TN、NH-N去除率，与污水量季节性差异和温度两个因素有关。本试验奶牛场有时产生污水偏多，收集池内污水满容后会溢流到后续工艺环节，致使后续的污水污染物含量偏高。尽管如此，氧化塘对各污染物均有明显的去除效果，且表现出明显的季节性变化。

曾有湿地系统的研究显示，污水TP主要通过沉降和基质吸收作用去除，由此推断奶牛场污水中TP大部分是伴随粘附和沉降作用而被去除。而温度对TP的粘附沉降过程有一定影响，原因是温度影响与粘附作用有关的微生物代谢活动。

沉淀池和氧化塘浅层污水中氧含量相对较高，随着水位加深变为缺氧层。好氧型微生物如硝化细菌和厌氧微生物如反硝化细菌等会通过一系列硝化和反硝化等过程对N素进行降解。污水温度的变化势必影响浅层好氧型微生物和深层厌氧微生物的活动，进而影响对于污水中N素的硝化和反硝化过程。

4 结 论

本试验奶牛场的污水处理系统各环节的污水污染物含量明显受季节因素影响，冬季和春季含量较高，夏季含量较低。系统整体对COD具有较好的去除效果，且呈现出明显的季节性变化，其次是TP，而对NH-N和TN的去除效果不理想。系统整体在秋季对COD的总去除率最高，为100%，其次为夏季(78.52%)、冬季(54.92%)和春季(45.11%)。系统整体在秋季对NH-N总去除率最高，为14.68%，其次为冬季(8.45%)，在春季和夏季无去除效果。系统整体在冬季对TN总去除率最高，为26.71%，其次为夏季(0.90%)，在春季和秋季无去除效果。系统整体在秋季对TP总去除率最高，为72.45%，其次为冬季(38.57%)、夏季(25.11%)和春季(6.26%)。建议奶牛场设计污水处理系统时，应考虑季节因素对污水处理效果的影响，对设计参数进行适当调整。