异位生物发酵床技术在猪场粪污水处理上的应用

郝华山

（甘肃省武威市凉州区畜牧兽医技术推广中心，甘肃 武威 733000）

在全球范围内，畜牧业每年产生超过15 亿t 的粪便，其中猪场粪污水的处理尤为关键，因其含有高浓度的氮、磷等营养物质和病原体，若未经妥善处理即排放，将直接导致土壤退化和水体富营养化。然而，传统处理方法不仅处理成本高昂，且效率低下，常因技术或经济限制导致环境标准达标率低于60%。相对而言，异位生物发酵床技术作为创新解决方案，通过构建特定的微生物群落来降解有机物，已被证实可以将氨氮去除率提升至90%以上，有效转化粪便中的有机物质，减少恶臭，并且显著降低环境污染。该技术以其低成本运行、高效处理能力和环保特性，在全球范围内得到研究和应用，成为猪场粪污水处理的有力解决方案。

1 猪场粪污水的环境影响

1.1 猪场粪污水成分分析

猪场粪污水中富含的氮、磷营养物质，以及有机物和病原体，在未经适当处理的情况下排放到环境中，会直接导致土壤和水体的严重污染。具体而言，这些成分会破坏土壤微生物群落平衡，影响土壤肥力和作物生长，并通过地表径流和渗透作用进入水体系统，引起水体富营养化，导致藻类过度繁殖，消耗水中溶解氧，从而破坏水生态系统，造成鱼类及其他水生生物的大量死亡。

1.2 对土壤和水体的污染

猪场粪污水直接排放对环境的影响是显而易见的，其含有的高浓度氮、磷等营养盐可以迅速导致土壤盐分累积，破坏土壤结构，影响农作物生长，同时还会渗透至地下水，造成地下水污染。当这些含有高浓度营养物质的污水进入河流、湖泊等水体，会促进藻类和水生植物的过度生长，引发水华现象，消耗大量溶解氧，导致水体生态系统中的动植物死亡，破坏水质，影响水生态平衡和人类健康。因此，对猪场粪污水进行有效处理是保护生态环境、维护生物多样性的必要措施。

1.3 对环境及公共卫生的潜在风险

猪场粪污水中含有高浓度的氮、磷和有机物，如化学需氧量（COD）可达4 000 ～6 000 mg/L，生 物 需 氧 量（BOD） 介 于2 000 ～4 000 mg/L， 以及氨氮（NH3-N）含量在1 500 ～2 000 mg/L之间，这些指标显著超标。这类污水若未经处理直接排放，会对环境造成确切的负面影响，如导致土壤质量下降、水体富营养化和水生生态系统失衡。此外，粪污水中的病原体和药物残留物质进入环境后，直接威胁公共卫生，增加疾病传播的风险，这些后果对人类健康和生态安全构成了直接的威胁。

2 传统猪场粪污水处理技术

2.1 物理处理法

传统猪场粪污水处理技术中的物理处理法通常包括固液分离、沉淀和过滤等步骤，这些方法的主要目的是去除污水中的悬浮固体和减少总固体含量。在固液分离过程中，利用重力或机械压力将粪便中的固体和液体分开，沉淀则通过静置让更重的颗粒物沉到容器底部，而过滤是通过物理筛网或其他介质来截留较小的悬浮颗粒。这些物理处理步骤具体而言，都是以机械或重力作用为基础，直接影响污水的物理性状，为后续的生化处理或进一步的精细处理减负，显著提高处理效率。

2.2 化学处理法

传统猪场粪污水的化学处理技术在实际操作中涉及多种化学反应和过程，旨在去除或转化水中的污染物质，提高污水的可处理性，并减少其对环境的影响。具体的化学处理方法包括以下几点：1）絮凝和沉淀。通过向污水中加入絮凝剂，如硫酸铝、聚合氯化铝（PAC）或聚丙烯酰胺（PAM），可以引起悬浮固体和其他颗粒聚集成大颗粒，这些大颗粒随后可以更容易地通过沉淀被去除。这个过程也有助于去除水中的磷和部分重金属；2）中和。pH 对污水处理过程非常关键，猪场粪污水通常偏酸性，可能需要添加石灰（氢氧化钙）或苛性钠（氢氧化钠）等碱性物质进行中和，以达到法规规定的排放标准或为生物处理创造适宜的pH 环境；3）氧化剂。使用氧化剂，如氯、臭氧或过氧化氢，可以破坏污水中的有机物质，同时消毒杀菌，去除病原体。这一步骤尤其对减少水传播疾病的风险至关重要；4）重金属沉淀。通过加入硫酸钠、硫酸钡或石灰等化学品，可以将水中的重金属离子转化为不溶性的金属盐或氢氧化物，然后通过沉淀过程去除；5）消泡剂。在处理过程中可能会产生大量泡沫，可以通过添加消泡剂来管理这些泡沫；6）去色剂。特定化学品可以用来去除污水中的颜色，这对于满足某些排放或再利用标准可能是必要的；7）吸附。某些化学处理过程可能包括添加活性炭等吸附剂，以去除水中的有机污染物、异味和微量有害化合物。

2.3 生物处理法

猪场粪污水的生物处理法是以微生物为工具，通过其生命活动来去除污水中的污染物。这些方法分为厌氧和好氧处理两大类，每类都有一系列的技术和过程。首先厌氧消化是在无氧环境中进行的，特别适用于高浓度有机废水的处理。在此过程中，多阶段的微生物共同作用，将复杂的有机物质分解成甲烷和二氧化碳。厌氧消化不仅降低了污水的有机污染物负荷，还产生了可作为能源利用的甲烷气体。而好氧处理，如活性污泥法，需要氧气的参与，其中的微生物利用氧将有机污染物分解为二氧化碳和水。此过程中还可以通过硝化和反硝化作用去除氮，并通过生物磷实现磷的去除。好氧处理的一个典型例子是序批式反应器（SBR），它通过填充和抽空操作，在同一个反应器内交替进行好氧和厌氧反应，以此提高处理效率。生物滤池则是用填料材料支撑微生物生长的一种生物处理系统。污水在滤床上流动或滴落，通过填料上的微生物膜进行有机物的生物降解。生物滤池可分为好氧和厌氧类型，视污水特性和处理目标而定。这些生物处理方法都需要精确的操作控制，如污水中的营养物质平衡（碳、氮、磷的比例）和环境条件（温度、pH、溶解氧浓度）等，以确保微生物能在最佳状态下进行代谢活动。此外，生物处理后的污泥需要后续的处理和处置，这也是整个污水处理流程的一部分。

3 异位生物发酵床技术原理

异位生物发酵床技术是一种高效的有机废弃物处理方法，它利用特定的微生物群落在固定的发酵床上对有机物进行降解和转化。技术原理是通过构建一个固定床反应器，在其中填充适宜的生物发酵介质（如稻壳、锯末等），这些介质不仅提供微生物附着生长的场所，还能调节床体内的水分和气体交换条件。有机废物在加入发酵床时，微生物即开始对其进行分解，过程中产生的热量可以提高床体温度，进一步促进微生物活性和发酵效率。在这个过程中，废物中的固体有机物质被转化为挥发性脂肪酸等中间产物，随后这些中间产物被进一步分解成甲烷、二氧化碳和水，完成整个有机物的矿化过程。异位生物发酵床技术的核心在于通过控制氧气供应、温度、湿度和pH 等关键因素，确保微生物群落能够在最适宜的环境中高效地进行发酵作用，从而达到将有机废弃物转化为稳定无害化合物并回收能源的目的。

4 异位生物发酵床技术在猪场粪污水处理中的应用

4.1 发酵床的构建与材料选择

异位生物发酵床技术在猪场粪污水处理中的有效应用依赖于精心设计的发酵床，该床由多层不同材料构成，旨在为微生物提供最佳的生活环境和高效的有机物降解条件。床体通常以一层排水系统开始，该系统负责收集并排出床体内多余的水分，确保床体不会因积水而导致厌氧环境的产生。其上是一层粗糙的填充材料，如碎石或砾石，这样可以保持床体的结构稳定性，并促进空气流通。最关键的是中间层，这里填充的是具有高吸附性和透气性的有机材料，如稻壳、锯末或者秸秆，这些材料不仅能够吸收并保持适量的水分，为微生物活动提供所需的湿度，而且其纤维结构为微生物提供了大量的附着点，增加了表面积，从而加快了有机物的分解速度。在顶层，添置一层细微的有机材料，如鸡粪或猪粪，这些富含氮的物质可以为微生物提供营养，促进其生长和代谢活动。

4.2 微生物群落的作用机理

异位生物发酵床技术在猪场粪污水处理中，微生物群落的作用机理体现在几个关键步骤。首先，好氧微生物在发酵床表层利用氧气高效分解粪便中的大分子有机物，转换为小分子物质；其次，这些小分子物质向床体内部渗透，在厌氧环境中，厌氧微生物通过发酵作用进一步将其转化为甲烷和二氧化碳；同时，硝化细菌在有氧区域将氨氮转化为硝态氮，接着在缺氧环境中，反硝化细菌将硝态氮转换为氮气释放到大气中，从而减少氮素的流失；最后，这个复杂的微生物过程不仅高效地降解了有机物，还将粪便中的营养成分转化成植物可利用的形态，实现了粪污的稳定化和资源化。通过这一系列连续的生物反应，异位生物发酵床技术有效地将猪场粪污水处理成对环境良好可用的农用资源。

4.3 发酵床内营养物质的转化过程

猪场粪污水处理中，异位生物发酵床技术实现了粪便中营养物质的有效转化，具体过程如下。1）粪便首先通过好氧微生物作用分解成较小的有机分子，例如蛋白质被降解成氨基酸，碳水化合物被转换为单糖，这一过程中对有机物的去除率达到70%～80%；2）这些小分子在厌氧微生物的作用下进一步转化为甲烷和二氧化碳，同时产生的甲烷含量可占到总有机碳的50%～70%，表明有机物得到了进一步的有效降解。在氮的转化过程中，氨氮先被硝化细菌转化为硝态氮，这一转化率可达到80%～90%，然后部分硝态氮在反硝化细菌作用下转化为氮气，减少了水体富营养化的风险。对于磷，发酵床中的微生物能够将其转化为植物可吸收的形态，磷的转化率可达90%以上，有效提升了磷素的循环利用率。这一过程不仅显著降低了粪污的污染负荷，而且通过转化成植物可利用的营养物质，将废弃物转化为宝贵的农业资源，优化了农业循环经济体系。

4.4 污水处理效果的监测与评估

猪场粪污水处理中，应用异位生物发酵床技术的效果监测与评估展示出明确的污水处理成效。监测结果显示，经过发酵床处理后，猪场污水中化学需氧量（COD）的去除率稳定在80%～90%，生物需氧量（BOD）的去除率达到85%～95%，这表明有机污染物得到了极大降解。氨氮（NH3-N）的去除率常在70%～80%之间，总氮（TN）的去除率也达到了60%～70%，有效防止了氮过量排放。磷（P）的去除效率通常在60%～80%，显著减少了磷对水体的富营养化风险。此外，固体悬浮物（SS）的去除率高达90%以上，进一步澄清了水质。总体而言，这些监测指标表明，异位生物发酵床技术在猪场粪污水处理中不仅确保了污水处理达标排放，还提升了水质，为农业循环经济提供了有力支撑。

5 结语

通过采用异位生物发酵床技术，猪场粪污水的处理过程不仅实现了有机物质的高效分解，还促进了氮、磷等营养物质的转化和循环利用。这项技术确保了污水处理的环境友好性和农业资源的可持续性，同时也降低了对周边环境的污染风险。在实际应用中，该技术已证明能够有效提升猪场粪污处理的质量，为农业生态系统的健康运行和循环经济的发展作出了重要贡献。