两种典型生猪粪污资源化利用路径下污染物消减规律分析

2023-09-25李佩洋童庆芳蔡立梅邓兵濮振宇

环境保护与循环经济 2023年8期

李佩洋童庆芳蔡立梅邓兵濮振宇 *

（1.长江大学资源与环境学院，湖北武汉 430100；2.湖北省武汉市农业科学研究院畜牧兽医研究所，湖北武汉 430209；3.武汉市江夏区动物疫病预防控制中心，湖北武汉 430200）

1 引言

随着生猪养殖企业规模化、集约化水平提高，生猪养殖效率大幅提升，但集中产生的粪便和污水也给企业带来巨大的治理负担。猪场粪污中富含氮、磷、钾等有机物，也含有抗生素、重金属等污染因子。经过科学的处置（如厌氧发酵、A/O 曝气），猪场粪污能够变废为宝，成为可供农业利用的粪肥资源。目前，农业农村部正在大力推进粪肥资源的科学还田利用。

沼气工程是规模化生猪养殖场常配套的粪污处理设施，工艺主要包括混合式厌氧法（CSTR）、上流式厌氧污泥床法（UASB）［1］。厌氧处理工艺的优点是工艺流程相对简单、对有机质的降解效果较好且能产生能源物质沼气，缺点是受气温变化的影响较大、处理效果不稳定。近年来，随着市政污水处理工艺的日趋成熟，猪场粪污处理过程中也开始引入好氧处理方法，如多级氧化、接触氧化等工艺［2］。相较于厌氧处理，好氧处理的效果更加彻底，出水水质更好，但是相应的药品投入成本、运行维护成本也更高，目前还未得到广泛应用［3］。

为了评估厌氧和好氧两种典型污水处理工艺对猪场粪污的处理效果，本研究选取了兼具这2 种处理工艺的某大型生猪养殖场，在6 个时间点采集不同处理阶段的污水样品：分别为集污池中的原粪，调节池中固液分离后的粪污，沼液池中的沼液，一级生化好氧池中的污水和二级生化好氧池中的污水，终沉池中的终沉水，以及处理后排到农田中的农田水和农田附近沟渠中的沟渠水，对这8 种样品进行了总氮（TN）、总磷（TP）、COD、氨氮（NH3－N）、溶解氧（DO）、氧化还原电位（Eh）、浊度、电导率、pH 指标的检测，分析了生猪养殖场粪污处理及其还田利用各阶段污染因子消减规律。

2 材料与方法

2.1 材料

本研究采集的实验样品是在武汉市某猪场的资源化利用工作站中集污池中的原粪、调节池中的固液分离的粪污、沼液池中的沼液、一级生化好氧池中的一级生化水、二级生化好氧池中的二级生化水、终沉池中的终沉水，以及还田区域中的农田水，并采集了实验藕田附近的沟渠水作为对照。沼气站简易流程如图1。

图1 沼气站简易流程

2.2 实验方法

2.2.1 样品处理

样品采集之后，存放到4 ℃冰箱之中；在测定NH3－N 浓度时，调节样品pH 至10.5 左右（参考GB 7479—87《水质铵的测定纳氏试剂比色法》）。

2.2.2 水质指标的检测方法

TN 的检测参照GB 11894—89 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TP 的检测参照GB/T 11893—89钼酸铵分光光度法；NH3－N 的检测参照GB 7479—87 纳氏试剂比色法；COD 的检测参照GB 11914—89 重铬酸钾法。

对于DO 和电导率以及Eh 等物理性质的检测，采用美国HQ series 便携式检测仪进行；浊度利用HACH2100Q 进行测定。

2.2.3 数据处理方法

每组实验处理设置3 个重复，利用Excel 对TN，TP，NH3－N，COD 进行方差分析；利用Origin2018 进行柱状图的绘制。

3 结果与分析

3.1 水质部分物理指标变化分析

DO 是研究水体自净能力的一种依据，水中DO值越小，说明水质被污染得越严重；DO 值相对越大，说明水体污染不严重［4］。实验样品各阶段DO 变化趋势见图2，从图2 中可以看出，DO 指标整体呈上升趋势。原粪、固液分离的粪水、沼液的DO 浓度变化趋势较平稳，从一级生化水开始，DO 值上升。说明粪污在集污池到沼液池期间的净化处理的效果并没有那么明显；从一级生化好氧池到终沉池，粪污处理效果明显，最终还田利用时，DO 值约为7.2 mg/L，沟渠水DO 值为8.0 mg/L，二者差距不大。

图2 实验样品各阶段的DO 浓度变化趋势

电导率是以数字表示溶液传导电流的能力，这种能力的产生取决于离子的性质和浓度、溶液的温度和黏度等，所以对粪污进行电导率的检测，某种程度上也可以反映水体处理的效果［5］。实验样品各阶段的电导率变化趋势整体呈下降趋势，见图3，从图3 中可以看出，变化趋势大体可分为3 个阶段，原粪、固液分离的粪水、沼液电导率在9.1～10.5 mS/cm之间，趋势较平稳；从一级生化池开始下降，在一级生化好氧池、二级生化好氧池、终沉池又趋于平稳；从终沉池到还田利用的农田，电导率下降到0～1 mS/cm，与沟渠中的水结果接近。电导率的变化趋势反映出的结果与DO 结果相似，从一级生化好氧池开始，处理效果明显。

图3 实验样品各阶段的电导率变化趋势

在氧化还原反应中，电子从一种物质转移到另一种物质，在这两种物质之间产生了电位差，它反映了体系中所有物质表现出来的宏观氧化—还原性。氧化还原电位越高，氧化性越强，表明废水中有机污染物浓度低，DO 或氧化性物质浓度高，氧化环境占优；反之，表明废水处理系统中还原性物质或有机污染物含量高，DO 浓度低，还原环境占优［6］。实验样品各阶段的Eh 变化趋势如图4。

图4 实验样品各阶段的Eh 变化趋势

从图4 中可以看，从猪场排出的粪污在还田之前，Eh 都是负值，水体表现为还原性；在还田之后，Eh 为正值，表现为氧化性。且从集污池开始，Eh 绝对值慢慢降低，表明粪污经过净化处理，还原性逐渐减弱。附近沟渠中的水经检测也呈氧化性，且其氧化性与还田之后的农田水氧化性相差不大，证明净化处理效果显著。

pH 是水体酸碱性强弱的指标，实验样品各阶段的pH 变化趋势如图5，从图5 中可以看出，粪污在净化处理的过程中，pH 没有明显的变化，pH 在7.0～7.5 之间，呈中性。

图5 实验样品各阶段的pH 变化趋势

浊度是由水中所存在的颗粒物质（如黏土、淤泥）、胶体颗粒、浮游生物及其他微生物而形成的，它是水对光的散射和吸收能力的量度，与水中颗粒的数目、大小、折光率及入射光的波长有关，是表现水体浑浊程度的指标，也可以从某种程度上表现出水体受污染的程度［7］。实验样品各阶段的浊度变化趋势如图6。

图6 实验样品各阶段的浊度变化趋势

从图6 中可以看出，粪污在终沉池之前，浊度在500～800 NTU 之间，证明在终沉池之前水体还处于受污染比较重的状况，经过沼液池厌氧工艺后，浊度并未发生明显变化，可能与采样时采集的方式有关。但最终经过还田利用后，浊度下降明显，截留率达到了90%以上，净化效果显著。

3.2 水质化学指标变化分析

实验样品各阶段的TN 浓度变化趋势如图7 所示，从图7 中可看出，TN 浓度整体呈下降趋势。集污池中原粪的TN 浓度在700 mg/L 左右；原粪在经过固液分离之后，一部分流向沼液池，一部分流向生化好氧池；一部分到达沼液池时，TN 下降到500 mg/L左右，该阶段主要是因为经过净化处理，有机氮被降解沉淀，进而TN 浓度下降；另一部分从调节池到达生化好氧池时，TN 浓度下降到300 mg/L，TN 去除率为55%。此过程可能是氨气的挥发以及NH3-N 的硝化与反硝化导致［8］。粪污最终还田利用后，TN 浓度在2 mg/L 左右，沟渠水TN 浓度在0.95 mg/L 左右，含量接近且符合标准，表明净化处理效果显著。

图7 实验样品各阶段的TN 变化趋势

实验样品各阶段的NH3－N 浓度变化趋势如图8所示，趋势与TN 浓度类似，NH3－N 浓度分别在沼液池以及生化好氧池发生了急剧下降，从600 mg/L 下降到400 mg/L；从调节池经过生化好氧池到终沉池时，NH3－N 浓度从600 mg/L 下降到90 mg/L，还田利用后NH3－N 浓度为0.8 mg/L，与沟渠水NH3－N 浓度接近，NH3－N 去除率达到95%以上。在此过程中，NH3－N浓度下降原因与TN 浓度下降原因相似，可能是NH3－N 的挥发以及硝化与反硝化作用［8］。这个过程还可以说明粪污中氮主要以NH3－N 的形式存在。

图8 实验样品各阶段的NH3-N 变化趋势

实验样品各阶段的TP 浓度变化趋势如图9 所示，从图9 中可以看出，TP 浓度整体呈下降趋势。一部分粪污在到达沼液池时，下降幅度明显，从230 mg/L 下降到60 mg/L；另一部分粪污流向生化好氧池时，从230 mg/L 下降到120 mg/L；还田利用后TP浓度不足0.4 mg/L，与沟渠水TP 浓度接近。此过程可能主要是土壤、农作物莲藕以及粪污中的微生物对磷的吸收而导致TP 浓度下降明显；最后经过净化处理，TP 浓度下降。

图9 实验样品各阶段的TP 变化趋势

实验样品各阶段的COD 浓度变化趋势如图10所示，从图10 中可以看出，COD 浓度整体呈下降趋势。一部分粪污流经沼液池时，COD 浓度下降明显，从7 000 mg/L 下降到3 000 mg/L 左右；另外一部分粪污流经生化好氧池时，COD 浓度从7 000 mg/L 下降到3 700 mg/L；最终还田利用时，COD 浓度下降到400 mg/L，与沟渠水COD 浓度接近。COD浓度下降可能是因为污水中的微生物对有机物质的吸附和代谢而产生沉淀。

图10 实验样品各阶段的COD 变化趋势

此次实验田附近沟渠中的沟渠水经检测，根据GB 3838—2002《地表水环境质量标准》要求已达到Ⅴ类水的排放标准。

4 讨论与结论

4.1 讨论

从图9 中可以看出，当一部分粪污经净化处理到沼液池里时，TP 浓度比另一部分流经生化好氧池TP 浓度低，是因为经过固液分离后的粪污在沼液池中形成沉淀，而磷容易被颗粒滞留，形成沉淀后沉入池底，故而沼液里的TP 浓度低于在生化好氧池中污水的TP 浓度，这与前人的研究结论相一致［9］。

此次实验Eh 和pH 的数值仅进行了简单的测量后进行分析，得出在不同净化处理环节会有不同的数值。根据向交等［10］的研究，由Eh 和pH 的变化可以判断出硝化与反硝化的起始点，进而反应TN 的变化，从而可以检测反应的进程。此次实验并没有检测到两者的关系，也许是样本量不够大，这一点可以在下一次进行改进。

由图9 和图10 可以看出，COD 与TP 浓度的变化趋势类似，在到达沼液池之后，也许磷形成了沉淀，所以沼液池中TP 的浓度比在生化好氧池中TP的浓度低；而COD 浓度也是同样的现象，也许是因为生化好氧池需要为微生物提供能量，利用微生物的吸附、氧化等作用把复杂的有机大分子氧化分解为简单的无机物，从而达到净化废水的目的，所以COD 浓度在生化好氧池中比在沼液池中要高。后续在处理猪场废水时，可以缩短前期沉淀池的时间，来降低后续处理的难度［11］。

经检测，如果仅使用原有的厌氧工艺，也可以将水质净化到标准之内。增加水质净化有氧设备，虽然维护费用等有所增加，但是可以达到更好的净化效果。