畜禽养殖沼液深度处理技术研究与应用进展

徐晓云，余峰

（江西省畜牧技术推广站，江西 南昌 330046）

随着畜禽养殖业集约化、规模化迅速发展，畜禽养殖废弃物对生态环境造成的危害和破坏越来越严重，联合国粮农组织已把集约化畜禽养殖列为世界环境问题三大污染源之一[1]。根据污染源普查动态更新调查数据，2010年畜禽养殖业的化学需氧量、氨氮排放量分别达到1148万t、65万t，占全国排放总量的比例分别为45%、25%，畜禽养殖污染已经成为环境污染的重要来源[2]。加强对畜禽养殖业污染防治成为目前环境保护和畜牧业持续健康发展的紧迫任务和重要内容。

近年来，通过加大政策和资金的扶持力度，我国大力发展厌氧发酵处理技术（沼气工程），对于降低污染有机负荷及解决农村能源短缺问题具有重要作用。然而通过厌氧发酵处理的畜禽养殖污水产生量大，若直接排放会对土壤、地表以及地下水造成污染，现行的沼液还田模式往往受到养殖场周边土地的限制，并且很容易产生二次污染，无法彻底解决沼液的污染问题。因此，加强沼液深度处理技术的研究和应用就显得非常重要。本文通过介绍国内外养殖场沼液处理技术研究与应用现状，以期为沼液高效深度处理、资源化利用及防止环境二次污染等问题提供解决思路。

沼液深度处理技术是指沼液通过物理、生物、化学或者植物吸收利用等方式处理后达标排放或安全回用的技术。以下主要介绍序批式活性污泥法（SBR）、膜生物反应器（MBR）、人工湿地（FW）及沼液浓缩技术在沼液深度处理中的研究和应用进展。

1 序批式活性污泥法（SBR）

序批式活性污泥法（SBR）是在同一反应器中创造好氧／厌氧交替进行的环境，可实现有机物降解、脱氮、除磷等多种功能，同时具有工艺简单、操作灵活、耐冲击负荷等特点，非常适合处理以水质水量变化大为特征的养猪废水[3]。

在反应器设计及操作过程优化方面的研究和应用情况有如下进展。张婧倩等[4]通过对比前置反硝化SBR与连续流前置反硝化工艺相比在脱氮方面的优势，详细介绍了前置反硝化SBR工艺的设计方法-简化模型法，以活性污泥法动力学模型ASM1、ASM2和ASM3为理论基础,精简了动力学模型的参数数量，对SBR系统的碳源和NO3--N进行了核算，保证SBR最大限度地利用进水中的碳源进行高效脱氮；针对三种C/N值不同的废水，提出了前置反硝化SBR工艺具体的设计实例,并对设计结果进行了分析。陈碧美等[5]采用两次进水SBR处理厌氧消化液，厌氧消化液经两次进水SBR处理及硫酸亚铁同步沉析及絮凝作用，出水CODCr、氨氮、总磷达到排放标准。王亚宜等[6]研究了双污泥A2NSBR工艺反硝化除磷脱氮特性，主要考察了进水C/P和C/N及HRT的影响作用；同时基于DO、ORP和pH的典型变化规律，验证它们作为反硝化除磷过程控制参数的可行性。

优化SBR运行工况也是一个重要的研究方向。杨剑等[7]采用SBR处理猪场废水厌氧发酵消化液，在达到脱氮目标的情况下，确定最优运行工况条件为在运行参数C/N为10.4，DO为2.0mg/L，MLSS为5000mg/L条件下，瞬时进水后厌氧搅拌40min+6h前段曝气+60min后段厌氧搅拌+40min后段曝气+1h沉淀+40min排水，处理效果最佳。

方炳南等[8]研究确定SBR处理猪场沼液的最优的运行工况为:瞬时进水后厌氧1h+曝气4h+兼氧搅拌80min+沉淀lh+排水40min，整个运行周期为8h，进水C/N控制在10左右，DO值控制在2mg/L时，SBR处理猪场沼液脱氮效果最好，经处理后出水水质能基本达到国家排放标准的要求。

重金属对SBR处理效果影响及SBR活性污泥对重金属的吸附性能的研究也是当前的一个热点。邢赜等[9]通过试验探讨了Cu2+对猪场废水SBR处理系统的影响，在确定去除COD最佳工况条件下，通过曲线拟合得到Cu2+对SBR的临界胁迫浓度分别为2.994mg/L(按COD排放标准)和4.956mg/L(按Cu2+排放标准)，且通过镜检发现胁迫浓度下SBR微生物有较为明显的变化。赵丽等[10]以SBR活性污泥系统为对象，研究了不同浓度Ni2+对SBR污水处理系统的长期影响，结果表明，Ni2+对SBR系统的影响随其浓度的增大而增强；当Ni2+浓度为10mg/L时，Ni2+对SBR去除有机物和氨氮的抑制在试验前期不显著，后期则十分明显，对COD和NH4+-N的去除率分别下降了19.8%和55.6%；当Ni2+浓度分别为20和40mg/L时，Ni2+对活性污泥的抑制作用明显,对COD和NH4+-N去除率的最大降幅分别为23.4%、68.0%和34.0%、75.3%。在相同Ni2+浓度条件下，通过对比SBR去除COD和NH4+-N的抑制作用发现，SBR去除NH4+-N的抑制明显强于去除COD的，说明硝化菌对Ni2+的敏感性大于降解COD的菌种。吴云海等[11]研究了SBR活性污泥对四种重金属离子(Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+)的吸附作用，结果表明:在30℃温度下，pH为5时,其对Cu2+、Zn2+、Mn2+的去除率达到最大值50%左右;当pH为3时,对Fe3+的去除率达到最大值73.6%，并用二级吸附速率方程描述了吸附动力学过程；在10℃～30℃范围内,随着温度的升高，Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+的去除率分别由54.6%、46.3%、45.3%、68.9%,增加到58.6%、51.3%、49.6%、73.6%；当重金属离子初始质量浓度为50mg/L、污泥投加量为0.2g时，Cu2+、Zn2+、Mn2+和Fe3+的去除率达到最大值，分别为61.5%、54.3%、53.3%和76.2%；吸附等温线结果表明，Cu2+、Zn2+、Mn2+、Fe3+在污泥上的吸附可用Freundlich方程描述。

董国日等[12]首次提出了成分参数、过程参数和工艺参数3个概念，系统总结了SBR工艺有机物降解过程中COD、DO、OPR、pH数值曲线变化，讨论了成分参数COD与过程参数DO、ORP、pH之间以及过程参数DO、ORP、pH相互间的相关性，探讨了利用DO、ORP、pH进行智能模糊控制的可能性，以期为SBR工艺的设计及其自动化控制提供理论基础。

2 膜生物反应器（MBR）

膜生物反应器(MBR)是指把生物反应与膜分离相结合，以膜为分离介质替代常规重力固液分离获得出水，并能改变反应进程和提高反应效率的污水处理方法。作为一种新型的水处理技术，近年来在国内外已在多种水处理领域进行了研究与应用,长期实践运行结果表明其具有出水水质好、结构紧凑等特点。应用膜生物反应器处理畜禽养殖沼液，不仅可以提高出水水质，还具有浓缩原水的功能。

朱建龙等[13]采用MBR工艺处理规模化畜禽养殖沼液对COD、氨氮等具有较好的去除效果，运行稳定，运行费用较低；在进水COD平均浓度为1389 mg/L时，平均出水浓度可达到118mg/L，COD平均去除率为91.5%；平均进水氨氮浓度为276mg/L时，出水氨氮浓度可保持在50mg/L以下，平均浓度为31mg/L；MBR的平均有机负荷为2.7kgCOD/(m3/d)，工程运行费用为1.3元/t水，MBR出水水质达到相应的设计标准，并远优于浙江省的行业标准(DB33/593-2005)。郑育毅等[14]利用A/O工艺系统中组合膜生物反应器(MBR)处理养猪废水，研究了混合液污泥质量浓度(MLSS)、氨氮负荷(AL)、碱度、DO与HRT等因素对脱氮的影响，结果表明，通过MBR系统提升MLSS，可提高A/O工艺的脱氮效果，并可减少反应HRT及DO与碱度的消耗。

姜路等[15]将PLC控制系统引入到MBR处理污水过程中，主要对PLC控制系统的配置、控制方式及设计程序结构等方面进行阐述，实际运行结果表明，该控制系统操作简单方便、运行安全可靠，解决了污水处理操作麻烦、运行维护困难、需专业技术人员管理等难题。

崔喜勤等[16,17]将养猪场废水作为处理对象，在不排泥情况下就膜生物反应器(MBR)在处理废水过程中污染物的去除效果、污泥特性以及膜通量的衰减情况进行了研究，结果表明，MBR对养猪场废水中污染物的去除效果较好，在水力停留时间(HRT)为9.6～48.0h，化学需氧量(COD)和NH4+-N容积负荷分别为0.2～2.9和0.05～2.10kg·/m3·d的条件下，MBR对COD和NH4+-N的去除率分别为80.1%～93.6%和76.8%～99.7%；反应器中的污泥浓度随容积负荷的增加而升高，通量随运行时间的增加而减小，并通过死端过滤实验和膜污染阻力测定实验，确定MBR中造成膜污染的优势污染物和优势污染阻力。

3 人工湿地

人工湿地是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽类似的地面，它是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化。湿地系统主要由各种具有透水性的基质、水生植物、水体、湿地中低等动物和好氧或厌氧微生物种群五部分组成。

人工湿地水生植物有多种选择。朱凤香等[18]对比研究了茭白、莲藕和水稻等不同水生作物全生育期对沼液进行消解净化处理效果，试验结果表明，1hm2莲藕池塘在1个全生育期可消纳净化沼液2475t，所得莲藕符合NY5238-2005无公害食品水生蔬菜的要求;不同水生作物净化沼液试验表明，按495t/hm2的灌溉量，茭白和莲藕只需7d时间消解净化就可符合国家GB18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》要求，水稻需要14d，而无作物的空白处理则需21d。

大量研究基于人工湿地基质的选择对处理效果影响。高红杰等[19]研究了以天然钙型沸石为基质的循环流人工湿地对模拟养猪废水的处理效能，结果表明，高NH4+-N负荷运行22个月,可使人工湿地中的钙型沸石对NH4+-N的吸附达到饱和；在天然钙型沸石填料铵饱和条件下,湿地系统对模拟养猪废水中NH4+-N的处理效果仍可达61%～76%,对TN的去除率可达66%～80%,对CODCr的去除率维持在78%～92%之间。刘娜娜等[20]采用静态吸附实验，对比了岷江砂、沱江砂、青衣江砂、沸石、活性炭对猪场废水厌氧消化液中氨氮的吸附去除效率，吸附实验表明，砂对氨氮的去除率随振荡时间和投加量的增加而增加，通过吸附等温曲线Langmuir方程和Freundlich方程拟合，计算得出砂的最大吸附容量为0.418mg/g，与实测吸附容量基本一致。

4 沼液浓缩技术

沼渣、沼液中含有大量的有机质、腐殖酸等营养物质,回用于农田可有效提高农产品产量,但往往存在附近农田消纳能力不足、冬季利用量小、远距离运输成本高等利用时空分布不均和经济性问题。

针对沼液量大、储存运输困难、营养元素偏低的问题，国内外采用真空浓缩和脱水等手段来浓缩沼液以减少其体积和提高营养元素含量[22]。

梁康强等[23]提出了采用高耐污反渗透技术对沼液进行浓缩；通过建立中试规模膜浓缩装置,在间歇试验和连续试验的基础上,分析膜通量、压力、运行时间、电导率等指标的关系,研究了系统的最佳运行压力、沼液最佳浓缩倍数、连续运行清洗周期等工艺参数；在此基础上,对沼液的浓缩效果及系统运行经济性进行了评价，结果表明，建立反渗透系统对沼液进行浓缩是可行的,与原始沼液比较,所产透过液中氨氮、COD和电导率的去除率高达90%以上，同时浓缩沼液体积约为原液的20%～25%，沼液中营养物质浓度提高4～5倍,可回用于农业种植，实现了沼液的高值利用，过滤液可满足沼气工程工艺前端调浆要求。

宋成芳等[24]将超滤膜和纳滤膜用于畜禽养殖废弃物沼液的分离浓缩，处理过程不破坏沼液中有效物质的活性，浓缩液可作为无公害生物肥料的原料；沼液的pH值影响其体积浓缩倍数,当pH值为5时,体积浓缩倍数为最大值23倍，与沼液原液相比,浓缩液中的常规营养成分、微量元素和部分活性物质含量均得到显著提高,其中TP浓度提高了约309倍，微量元素Fe、Mn和Zn浓度分别提高了约104、335和84倍，其他成分含量多数可提高10～20倍。

5 总结

综上所述，应对沼液的深度处理有多种方式，各具特点。随着科学技术的不断发展，将出现很多新的技术，现有处理技术也在不断完善，将不断优化畜禽养殖沼液深度处理手段。在沼液深度处理实践中，应该根据畜禽养殖场的实际规模和清粪方式等合理选择废水深度处理方式，不断提高畜禽养殖的清洁生产水平。

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