猪场废水环境污染因子控制技术研究

李玉冰　蔡泽川　张凡建　张京和　雷莉辉　楚德军高 薇　阎冬梅　付凤生　高 洋　王喜顺（北京农业职业学院　北京 房山　102442　通州东方种猪场　北京 通州大兴区畜牧技术推广站　北京 大兴　房山区农业局　北京 房山怀柔区农业局　北京 怀柔　延庆区农业局　北京 延庆）

猪场废水环境污染因子控制技术研究

李玉冰①蔡泽川①张凡建①张京和①雷莉辉①楚德军②高 薇③阎冬梅③付凤生④高 洋⑤王喜顺⑥（①北京农业职业学院北京 房山102442②通州东方种猪场北京 通州③大兴区畜牧技术推广站北京 大兴④房山区农业局北京 房山⑤怀柔区农业局北京 怀柔⑥延庆区农业局北京 延庆）

本研究应用臭氧净化技术治理规模化猪场废水中环境污染因子的效率。采取猪场废水收集系统、粪污固液分离系统、废水过滤系统、臭氧净化系统及粪污无害化利用系统工艺，对猪场废水中残留抗生素和细菌等环境污染因子进行治理。结果表明：经过臭氧水浓度7.8mg·L-1作用20～30min净化处理后，猪场废水中残留的抗生素磺胺-6-甲氧嘧啶、磺胺嘧啶、环丙沙星、诺氟沙星、强力霉素、土霉素的降解效率分别为97.37%、96.33%、97.52%、95.46%、94.57%、93.81%；经过臭氧水浓度7.8mg·L-1作用10min净化处理后，对猪场废水中各种细菌的杀菌率近于100%。

猪场废水环境污染因子臭氧净化技术

畜禽养殖业污染已成为农业类污染中最主要的污染源[1-4]。据统计，北京地区2013年底生猪存栏189.23万头，出栏314.39万头，猪场粪尿排放量约为884万t/年，猪场废水排放量461万t/年，猪场废水无害化治理达标率不足5%。大量养殖场废水未经任何处理而外排，是造成我国水环境质量和农村环境质量恶化的主要成因，并危及城乡居民饮用水安全。

猪场废水中含有大量有机物(N、P、K、S)、残留抗生素及致病菌、寄生虫等环境污染因子，无害化控制较有难度。臭氧的氧化还原电位为2.07mv，是仅次于氟的强氧化剂，比氧、氯、二氧化氯及高锰酸钾等氧化剂的氧化还原电位都高，成就了臭氧净化技术杀菌、氧化、脱色、除臭味等功用。本研究利用猪场废水治理工艺，以高效环保的臭氧净化技术为主导，对规模化猪场养殖废水中的环境污染因子进行无害化控制，取得明显成效。

1　材料与方法

1.1材料

1.1.1废水收集装置高密度聚乙烯双壁波纹管(Φ30cm，L6m，购自河北某塑胶制品有限公司)、粗隔栅(不锈钢栅网，栅网孔20mm×20mm，自制)、集污池(四围与池底为砖与水泥混砌，容积200m3，自制)、沉淀池(四围与池底为砖与水泥混砌，容积100m3，自制)、净水池(四围与池底为砖与水泥混砌，容积300m3，自制)。

1.1.2粪污固液压滤装置粪污固液压滤机由固液压滤机主机、气动隔膜泵、空气压缩机构成。固液压滤机主机(最大过滤工作压力1Mpa，液压压紧工作压力22Mpa，自制)、压滤滤板与锦纶纤维粗滤布滤板(过滤面积50m2，滤板49块，规格800×800×32mm，滤室容积800L，压滤周-1期为2d·次，滤板面积1.10cm×0.48cm，自制)。

1.1.3全自动反冲式石英砂过滤装置全自动反冲式石英砂过滤罐(Φ1200×2770mm，流量11-13t·h-1)、石英砂(0.3t按粗中细三层铺垫，冲洗2-3d·次-1，均购自石家庄某环保科技有限公司)。

1.1.4臭氧发生装置臭氧发生器(80g·h-1)、氧气发生器(氧气发生量5L·min-1，自制)、臭氧气液混合泵(尼可尼不锈钢臭氧气液混合泵，过泵流量50M3·h-1、处理水量100M3·h-1，购自天津某科技有限公司)、不锈钢臭氧净化反应罐(Φ1.6m，H1.4m，自制)。

1.2研究方法

1.2.1废水残留抗生素治理测定方法

（1）检测仪器与试剂：①检测仪器：Agilent 1200series高效液相色谱仪(美国Agilent公司)、pH计(德国Sartorius公司)；全自动固相萃取系统(SPE-DEX4790，美国Horizon Technology公司)、HY回旋振荡器(国华电器有限公司)。②检测项目：磺胺-6-甲氧嘧啶(SMM)、磺胺嘧啶(SD)、环丙沙星(CIP)、诺氟沙星(NOR)、强力霉素(DXC)、土霉素(OTC)。③试剂：SMM、SD、CIP、NOR、DXC、OTC纯度I>99.9%(Sigma公司)。④标准溶液：分别精确称取适量SMM、SD、CIP、NOR、DXC、OTC标准品，分别以甲醇、乙腈配制成5.0g/L的标准溶液。⑤样品前处理：取4.0L废水样品，4000r·min-1离心取上清液，利用固相微萃取盘进行萃取，洗脱液为甲醇和1.0%甲酸的混合液，洗脱，氮吹至干，利用0.1%甲酸：甲醇(7:3，V/V)混合液定容至1.0ml。（2）样品采集：①对固液分离后的液态废水进行臭氧技术处理前的残留抗生素样品采集检测(处理前废水为样品1)。②固液分离后的废水经过全自动反冲式石英砂过滤罐过滤，滤液进入臭氧技术净化处理装置，臭氧水浓度7.8mg·L-1，净化处理20～30min，收集臭氧技术净化水样品检测(处理后净化水为样品2)。③随机采取猪场粪污经过固液分离处理的液体为臭氧技术治理前测定样品，随机取经过臭氧技术治理后的粪污测定样品。选择每天早中晚3个样品各1L，混合为1个样品，连续采集20d的样品，测定抗生素残留，每个样品做2个平行。分别量取1.0ml猪场粪污处理前后样品放人100ml锥形瓶中，加入10.0ml 1.0%甲酸：甲醇(7:3，V/V)混合液提取，摇床振荡2h，4000r·min-1离心10min，重复一次，收集提取液，用0.45mm有机系滤膜过滤，待测。④对目前猪场常用的磺胺类(SMM、SD)、喹诺酮类(CIP、NOR)、四环素类(强力霉素、土霉素)抗生素以固相萃取-高效液相色谱(HPLC)法对臭氧技术处理前样品1和臭氧技术处理后样品2进行检测[8]。

1.2.2臭氧对废水杀菌效率测定方法（1）菌落总数的测定：采集集污池、净水池样本，细菌总数用平皿法进行检测。采集臭氧技术处理后废水样品制成1:10、1:100、1:1000的样品匀液。普通琼脂培养基36℃培养48h。观察记录稀释倍数和相应的菌落数量(CFU)。（2）大肠杆菌群(MPN)的检验：采集集污池、净水池样本，MPN用多管发酵法进行检测。采集臭氧技术处理后废水样品制成1:10、1:100、1:1000的样品匀液。①乳糖发酵试验：样品稀释后，选择3个稀释度，每个稀释度接种三管乳糖胆盐发酵管。36±1℃培养48±2h，观察是否产气。②分离培养：将产气发酵管培养物转种于伊红美蓝琼脂平板上，36±1℃培养18～24h，观察菌落形态。③证实试验：挑取平板上的可疑菌落，进行革兰氏染色观察。同时接种乳糖发酵管36±1℃培养24±2h，观察产气情况。（3）悬液定量法定性杀菌试验：①三角瓶菌悬液制备：将金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、大肠杆菌(8099)新鲜培养物，用含胰蛋白胨稀释液(TPS)配制成试验浓度菌悬液；另取枯草杆菌黑色变种(ATCC9372)芽孢悬液也按上述方法稀释并配制试验浓度芽孢悬液。染菌量均为9×105×106cfu·ml-1(指标菌购于军事医学科学院消毒检测中心)。②菌片制备：将2×2cm无菌纱布片分别侵入各菌悬液内，淋干备用。③悬液定性杀菌：将试验菌悬液置1000ml三角瓶内，37℃水浴5min后，侵入并悬置臭氧技术净化罐液中，臭氧水臭氧浓度达7.8mg·L-1，净化处理10min，收集臭氧技术净化后三角瓶内水样品，取1ml作琼脂倾注培养，于37℃培养48h，计数菌落数并计算杀灭率。试验重复3次。（4）将装有菌片的不锈钢网放入臭氧浓度达7.8mg·L-1的臭氧废水中，浸泡作用10min，将菌片移入灭菌三角瓶内。经充分振荡洗脱，取洗脱液进行活菌培养计数，计算杀灭菌率。试验重复3次[9]。

12.3猪场废水治理工艺猪场废水经过预处理系统的收集、分离、过滤进行臭氧净化技术处理，固体粪污生物发酵、净化水循环利用[5-7]。猪场废水处理工艺见附图。（1）猪场废水收集系统：猪舍内建以粪污排泄地沟与猪舍外粪污管道收集管道系统链接，猪场内的生产粪污、生活废水及雨水收集至乙烯双壁波纹排污管道，粗格栅与废水水平面倾角45°倾斜安装在粪污进入集污池的渠道，经过2级隔栅网拦截粪污中较大漂浮物，废水流入集污池沉淀。收集经过粗过滤的猪舍粪污、生活废水及雨水，粪污停留时间为2～3d。（2）粪污固液分离系统：以气动隔膜泵将集污池的粪污吸抽至粪污固液压滤机进行粪污的固液分离，分离后的固体粪污与在猪舍内清扫收集的粪便一同进行生物发酵处理；分离后的废水进入沉淀池。（3）废水过滤系统：沉淀池内废水吸抽至全自动反冲式石英砂过滤罐过滤处理。（4）臭氧净化技术系统：石英砂过滤罐过滤处理后的液体进入臭氧净化罐进行臭氧净化技术处理，净化水进入净水池。（5）粪污无害化利用系统：固液分离获得的固体粪污与在猪舍内干清粪一同进行生物发酵处理；净化处理的净化池水循环利用。

附图　规模化猪场粪污处理工艺

2　结果

2.1废水残留抗生素治理效率

臭氧技术处理前样品1和臭氧技术处理后样品2进行SMM、SD、CIP、NOR、DXC、OTC抗生素检测结果见表1。

表1　猪场抗生素残留量　(μg·L-1)

猪场粪污进行固液分离及过滤系统处理后的污水经过臭氧水浓度7.8mg·L-1作用20-30min净化处理，废水残留抗生素降解效率SMM97.37%、SD96.33%、CIP97.52%、NOR95.46%、DXC94.57%、OTC93.81%。

2.2废水杀毒灭菌治理效率

2.2.1菌落总数、MPN检测结果猪场粪污细菌总数与肠菌群臭氧净化效率见表2。猪场粪污细菌总数与大肠菌群经过臭氧水浓度

表2　猪场粪污细菌总数与肠菌群臭氧净化效率　(cfu·ml-1)

7.8mg·L-1作用10min的净化处理，处理效率近于100%。出水低于GB/T18596-2003《畜禽养殖业污染物排放标准》中要求。

2.2.2定性杀菌效率臭氧技术净化猪场粪污定性杀菌效率见表3。

表3　臭氧技术净化猪场粪污杀菌效率　(cfu·ml-1)

三角瓶菌悬液和菌片在臭氧净化反应罐内，臭氧水浓度7.8mg·L-1作用10min，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌黑色变种芽胞杀灭效率均为100%。

3　讨论与结论

（1）在研究分析猪场废水的20个样品中，SMM等6种抗生素残留量在113.11～732.11μg·L-1不等，残留量高于丁佳丽[10]等研究结果；废水细菌总数=7.3×105cfu·ml-1，MPN x=3.4×105cfu·ml-1，定性杀菌试验废水三角瓶菌悬液方法大肠杆菌(8099)5.7×108cfu·ml-1、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)6.2×108cfu·ml-1及枯草杆菌黑色变种芽胞(ATCC 9372)4.3×108cfu·ml-1，均高于《畜禽养殖业污染物排放标准》。检测结果表明：猪场废水环境污染因子有有机污染物(氨氮、总磷、总氮、CODcr等)、重金属(砷、铜、铁、锰等)[11]，抗生素残留与致病菌的排放已经成为重要环境污染因子。（2）猪场产生的废水固液混杂、难降解有机物含量高，残留抗生素、病原微生物等环境污染因子治理难度大，常规活性污泥等处理工艺难以实现达标排放。臭氧技术氧化净化能力强、残留少、成本低及操作便利等独特优势成为治理猪场废水的热点。研究结果表明：以臭氧净化技术工艺，臭氧水浓度7.8mg/L作用10～30min的净化处理，对残留抗生素、病原微生物等治理效率明显，出水低于GB/T18596-2003《畜禽养殖业污染物排放标准》中要求。（3）在世界范围内，抗生素总产量的约70%用于畜牧业，尽管目前欧盟已禁止饲料抗生素的使用，但在20世纪末时，其每年抗生素的消耗量仍达到5000t。目前，我国已有17种抗生素、抗氧化剂和激素类药物和11种抗菌剂作为饲料添加剂用于饲喂畜禽。刘向明[12]等对猪粪中多拉菌素残留的研究表明，多拉菌素颈部肌肉注射300μg·kg-1，28d的粪便内仍有约12μg·kg-1药物排出；如盐霉素在粪便中的降解主要是微生物降解，一些抗生素的代谢物可重新转变为活性物质，研究表明液体肥料中氯霉素糖苷酸可重新转变为氯霉素。所以，抗生素的二次合成给环境带来的潜在风险也应当引起重视。研究结果表明：经过臭氧水浓度7.8mg·L-1作用20～30min净化处理，废水残留抗生素降解效率93.81%～ 97.52%，治理效率明显。（4）在养殖场产生的废水中，存在大量随畜禽粪便和尿液排出的细菌、病毒等病原微生物，其中有些病原细菌或病毒可以随污水在自然界中存活很长时间，污水直接回用，会增加病原微生物引发动物疫病和人畜共患病的风险，对畜禽和人类的健康存在极大的威胁。研究结果表明：猪场粪污细菌总数、大肠菌群、特定大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌黑色变种芽胞，经过臭氧水浓度7.8mg·L-1作用10min的臭氧技术净化处理，灭菌效率近于100%，说明臭氧水对病原菌有快速、高效杀灭作用。

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S851.2+4

A

1007-1733(2016)12-0001-03

北京市农业科技项目(20160119)；菜篮子；技术研发与示范推广基金项目(XY-YF-15-05)；“菜篮子”新型生产经营主体科技能力提升项目(20140204-36)

（2016–09–06）