畜禽养殖粪水处理与资源化中的利用之达标排放

吴树彪，鞠鑫鑫，邵 蕾，杨守军，孔凡克，罗 星，王 伟，董仁杰*

（1.中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670；2.山东中农三月环保科技股份有限公司，山东 烟台 264670)

畜禽养殖粪水处理与资源化中的利用之达标排放

吴树彪1，鞠鑫鑫2，邵 蕾1，杨守军1，孔凡克1，罗 星1，王 伟1，董仁杰1*

（1.中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670；2.山东中农三月环保科技股份有限公司，山东 烟台 264670)

畜禽养殖粪水的达标排放是指利用物理、化学、生物等手段处理养殖粪水，使其达到农用灌溉水质标准后排放。本文以畜禽粪水经过厌氧发酵后的沼液达标排放处理流程为模板，详细介绍了沉淀预处理、好氧氧化和人工湿地生态处理等不同阶段的主要技术工艺和参数要求，为畜禽养殖场粪水无害化处理和达标排放提供指导意见，减轻畜禽养殖对环境造成的危害，推动我国规模化养殖绿色、健康发展。

达标排放；沉淀预处理；好氧氧化；人工湿地

近年来，专业化、规模化和集约化的养殖模式大大提高了畜禽养殖的生产效率和饲料转化率。但是规模化养殖在有效地降低生产成本、增加经济效益的同时也造成了粪尿过度集中和冲洗水大量增加等问题，给生态环境带来极大压力[1]。目前，畜禽养殖粪水的最佳的处理方式是还田，包括直接还田和厌氧发酵后沼液还田。但是由于匹配土地的资源性限制，对于多雨、土地面积小、无法进行种养结合的地区，养殖场粪水往往需要经过处理后，达标排放[2]。

2017年6月27 日，全国人大常委会通过了关于修改《中华人民共和国水污染防治法》的决定，要求向农田灌溉渠道排放未综合利用的畜禽养殖废水应当保证其下游最近的灌溉取水点的水质符合农田灌溉水质标准GB 5084-2005。这就意味着养殖场排放粪水不仅仅要满足《畜禽养殖业污染物排放标准》还要考虑其下游最近的灌溉取水点的水质要求（表1）。

对于无法开展种养结合农田循环利用的畜禽粪水厌氧发酵后的沼液，为了满足国家政策法规要求，避免排放对环境造成污染，需要对其进行达标排放处理，处理工艺一般需要沉淀预处理、好氧氧化和生态处理等多种处理技术的组合。畜禽粪水处理后达标排放的具体流程如图1所示。

1 沉淀预处理

畜禽粪水厌氧发酵后的沼液在进行达标排放处理工艺之前需要采取一定的沉淀预处理措施，防止沼渣等固形物进入后续处理环节，造成设备的堵塞或破坏等。针对粪水沼液中的大颗粒物质或易沉降物质的特性，畜禽养殖业多采用沉淀技术进行预处理。目前，畜禽养殖场常用的沉淀池工艺多为平流式沉淀池（图2）。池体一般为矩形池，长宽比以4～5为宜。废水从一端向另一端水平流过。进水通过溢流堰、穿孔墙等均匀进入池内。采用溢流堰式出水。池前底部有集泥斗，通过水静压力排泥。沉淀预处理池体积较大时，需要附加机械排泥设备。

平流式沉淀池由进、出水口，水流部分和污泥斗3部分组成。平流式沉淀池多采用混凝土筑造，也可用砖石圬工结构或用砖石衬砌的土池。平流式沉淀池构造简单，沉淀效果好，工作性能稳定，使用广泛，但占地面积较大。若加设刮泥机或对比重较大的沉渣采用机械排除，可以提高沉淀池的工作效率。入流处的挡板一般高出沉淀池水面0.1～0.15 m，挡板的浸没深度应不少于0.25 m，一般用0.5～1.0 m，挡板距进水口0.5～1.0 m。出水堰不仅可以控制沉淀池内的水面高度，而且对沉淀池内水流的均匀分布也有直接影响。沉淀池沿整个出流堰的单位长度溢应该相等，对于初沉池一般为250 m3/(m·d)，二沉池为130～250 m3/(m·d)。锯齿形三角堰应用最普遍，水面宜位于齿高的1/2处。为适应水流的变化或构筑物的不均匀沉降，堰口处需设置能使堰板上下移动的调节装置，使出口堰口尽可能水平。堰前设置挡板，以阻拦漂浮物，或设置浮渣收集和排除装置。挡板应当高出水面0.1～0.15 m，浸没在水面下0.3～0.4 m，距出水口处0.25～0.5 m。多斗式沉淀池，可不设置机械刮泥设备。每个贮泥斗单独设置排泥管，独立排泥，互不干扰，保证沉泥的浓度。在池的宽度方向污泥斗一般不多于两排。

2 好氧氧化工艺

序批式活性污泥法（Sequencing Ba tch Reactor Activated Sludge Process， S BR）是一种间歇式活性污泥工艺，它把污水处理构筑物从空间系列转化为时间系列，在同一构筑物内进行进水、反应、沉淀、排水、闲置等周期循环（图3）。序批活性污泥法是集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统的一种处理工艺。该工艺比其他工艺简单、剩余污泥处置麻烦少、节约投资、占地少、运行费用低、耐有机负荷和毒物负荷冲击、运行方式灵活、出水效果好、厌（缺）氧和好氧过程交替发生、泥龄短、活性高，有很好的脱氮除磷效果[3]。

表1 畜禽养殖业污染物排放标准及农田灌溉水质标准参考列表

图1 畜禽粪水厌氧发酵后的沼液达标排放处理流程

图2 平流式沉淀池示意图

图3 序批活性污泥法工艺流程图

表2 序批活性污泥工艺在去除污水中氨氮为主要目标时的主要设计参数

序批活性污泥法停留时间一般为 3～5 d，污泥回流比通 常 为 30%～ 50%。BOD（ 生化需氧量）有机负荷率通常为 0.13～0.3 kg BOD /(m·d)，污泥龄约 5～15 d。SBR进水应符合下列条件：①水温宜为12～35 ℃、pH宜为6～9、BOD5/COD的值宜不小于0.3；②有去除氨氮要求时，进水总碱度（以CaCO3计）/氨氮（NH3-N）的值宜不小于7.14，不满足时应补充碱度；③有脱氮要求时，进水的BOD5/总氮（TN）的值宜不小于4.0，总碱度（以CaCO3计）/氨氮的值宜不小于3.6，不满足时应补充碳源或碱度；④有除磷要求时，进水的BOD5/总磷（TP）的值宜不小于17；⑤要求同时脱氮除磷时，宜同时满足③和④的要求。

序批活性污泥法工艺反应池有效反应容积可按下式计算：

式中：

V1——反应池有效容积（m3）；

Q′——每个周期进水量（m3）；

S0——反应池进水五日生化需氧量（mg/L）；

Ls——反应池的五日生化需氧量污泥负荷（kg BOD5/( kg MLSS·d)）；

X——反应池内混合液悬浮固体（MLSS）平均质量浓度（kg/m3）；

tR——每个周期反应时间（h）。

序批活性污泥工艺在去除污水中氨氮为主要目标时的主要设计参数见表2。

图4 人工湿地建设流程图

表3 人工湿地的表面水力负荷

表4 人工湿地的表面污染负荷 g/(m2·d)

该工艺可有效去除沼液中的氨氮和剩余有机物，工艺流程简单，占地少，管理方便，投资与运行费用较低，出水水质较好，适用于大中型养殖场应用。

3 生态处理工艺

生态处理法是利用天然水体、土壤和生物的物理、化学与生物学综合作用来净化污水，其净化机理主要包括过滤、截留、沉淀、物理和化学吸附、生物氧化及生物吸收等[4]。该工艺能充分利用地形，结构简单，建设费用低，以土石结构为主，易于施工。

3.1 人工湿地系统选型

人工湿地系统选型应充分考虑其系统特点和当地条件，进行最佳的系统选型。表面流人工湿地工艺的特点是废水在人工湿地的土壤表层流动，水位较浅，一般在0.1～0.6 m，与潜流工艺相比，投资少，但负荷小；冬季北方地区表面会结冰，夏季可能会繁殖蚊子，还会有臭味。潜流人工湿地工艺的特点是废水在人工湿地的地表下流动，保温效果好，处理负荷相对较高，处理效果受气候的影响较小，但投资比表面流工艺要高。该工艺繁殖蚊子和产生臭味的可能性很小，是目前国际上采用较多的一种工艺。复合人工湿地工艺在综合考虑不同湿地工艺特点的同时，结合当地具体情况，发挥多种工艺的最大优势而产生的一种组合工艺。

3.2 人工湿地污水处理系统选址

在人工湿地建设前，应先对建设地实际情况进行考察论证，调查预处理污水量，分析污水水质，确定处理规模以及有关污染物的去除率，进行科学评估后进入设计规划阶段，最后按设计规划进行工程建设，工程交付完成后进入运行管理及科学研究阶段，详细流程如图4所示。

3.3 人工湿地设计计算方法

人工湿地的设计可以按照表面水力负荷和表面污染负荷进行计算，计算方法如下：

人工湿地表面水力负荷按下式进行计算：

式中：

qh——人工湿地的水力负荷率（m3/(m2·d)）；

Qin——人工湿地的进水流量（m3/d）；

AW——面积（m2）。

表面流人工湿地、潜流人工湿地的表面水力负荷推荐值如表3所示。对于冬季温度在0 ℃以下的地区，为保证低温情况下的水质净化效果，冬季应做好保温措施，且表面水力负荷应取低值，并设置一定的保证系数。

表面污染负荷按下式进行计算：

式中：

qp——人工湿地的表面污染负荷（g/(m2·d)）；

Qin——人工湿地水质净化系统的进水流量（m3/d）；

C0——进水中的污染物浓度值（mg/L）；

Ce——出水中的污染物浓度值（mg/L）；

AW——面积（m2）。

表面流人工湿地、潜流人工湿地的表面污染负荷推荐值如表4所示。对于冬季温度在0 ℃以下的地区，为保证低温情况下的水质净化效果，冬季应做好保温措施，且表面污染负荷应取低值，并设置一定的保证系数。

3.4 人工湿地建设施工

人工湿地的建筑结构包括底部的衬垫和围堰；水流的分布结构；水位调节结构；以及水流分布和收集管道。

1）对于新建人工湿地，根据设计形成的湿地单元，分单元进行挖掘，将场地挖到设计深度，平整夯实，保证达到设计坡度，然后进行防渗处理，以防止地下水受到污染或防止地下水渗透进入湿地，这个过程是人工湿地地基的准备。地基上铺上纺织网，大的石块必须被清除，或者在地基上铺上砂子防治破坏渗透层。

2）围堰是湿地建筑中的一个普通的要素。总体来讲，围堰的高度一般不超过上坡周围地形20 cm。上坡围堰被用来转移表面径流。下坡围堰设计用来爆出砺石床和维持湿地的水位。围堰的压实程度必须是90%的最大密度。

3）人工湿地基质选择：潜流人工湿地基质层的初始孔隙率宜控制在35%～40%；进水配水区和出水集水区的基质一般采用60～100 mm粒径的砾石，均匀分布于整个床体。进、出水口则应填充较大粒径的砾石，以防堵塞。

4）人工湿地植物的选择：人工湿地可选择芦苇、蒲草、荸荠、莲、水芹、水葱、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麦冬、风车草、灯芯草等挺水植物。人工湿地植物种植的时间宜为春季。植物种植密度可根据植物种类与工程的要求调整，挺水植物的种植密度宜为9～25株/m2，浮水植物和沉水植物的种植密度均宜为3～9株/m2。

5）在启动阶段，需对湿地内杂草进行处理，一般可采用淹水灭杂草的办法。人工湿地在栽种湿地植物后需要充水，将水位控制在地面以下25 mm处。按设计流量运行3个月后，将水位降低到距湿地床底0.2 m处运行，以促进湿地植物的根系向床体深处发展，待根系深入到床底生长后，可再将水位调节到地表以下0.2 m处，开始正常运行。

[1] 陈子爱，邓良伟.生猪标准化养殖粪污处理关键技术应用现状效果分析[J].饲料与畜牧·规模养猪，2013(7)：5-8.

[2] 孔凡克，邵蕾，杨守军，等.固液分离技术在畜禽养殖粪水处理与资源化利用中的应用 [J]. 猪业科学 ，2017，34(4)：96-98.

[3] 国家环境保护总局科技标准司. 畜禽养殖业污染物排放标准：GB 18596-2001[S].北京：中国标准出版社，2001.

[4] 中华人民共和国农业部. 农田灌溉水质标准：GB 5084-2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[5] 汤欢欢.城市污水处理工艺的现状分析及问题研究[J].城市建设理论研究（电子版）2015(7).

[6] 吴树彪，董仁杰.人工湿地生态水污染控制技术与理论[M].北京：中国林业出版社，2016.

[7] 中华人民共和国环境保护部. 人工湿地污水处理工程技术规范：HJ 2005-2010[S].北京：中国环境科学出版社，2010.

2017-08-11）

山东省重点研发计划（2016ZDJS11A07），烟台市科技发展计划（2015ZH070，2016ZH075）

作者：吴树彪（1983－），男，博士，主要从事人工湿地污水处理及厌氧发酵工艺研究，E-mail：wsb4660017@126.com

*通讯作者：董仁杰，教授，博导，主要从事生物质能、有机废弃物资源化研究。E-mail： rjdong@cau.edu.cn