畜禽养殖场废水处理研究现状

缪畅,贺美,肖围

(长江大学 化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

我国是畜禽养殖大国，近年来，随着经济的发展，畜牧养殖业由传统的分散化、小规模家庭饲养逐步走向高度集约化、专业化和区域化发展[1]。但是，随着养殖规模化扩大，畜禽养殖废水排放量增加，排放更加集中，养殖废水带来的环境污染问题也日趋严重[2]。据统计，由畜禽养殖带来的污染成为当地第一大农业污染源。因此，如何处理畜禽养殖废水污染问题，实现畜禽养殖与生态环境和谐发展，越来越得到社会各界的关注[3-6]。

1 畜禽养殖废水的特点

畜禽养殖场废水主要包括粪便、尿液和场地冲洗水等。随着规模化养殖业的发展，养殖场每天排放的废水量大且排放集中，同时废水中的有机污染物、氨氮化合物、含硫化合物浓度较高，并伴随恶臭味[7-8]。废水中还含有大量的饲料添加剂、残留的兽药和大量的病菌等，如不经处理直接排放，一旦进入自然水体，将会污染周围生态健康环境，严重威胁周边人们的健康生活[9-10]。

表1为湖北某生猪养殖场废水(1号水样)和奶牛养殖场废水(2号水样)的化学需氧量(CODcr)、氨氮浓度(NH3-N)、总磷浓度(TP)的检测结果。根据《畜禽养殖业污染物排放标准》GB 18596—2001，畜禽养殖废水最高允许日均排放浓度具体指标见表2[11]。

表1和表2对比可知，畜禽废水CODcr过量50多倍，NH3-N浓度过量10多倍，TP浓度过量20倍，如果未经处理直接排放，将会对周围生态环境造成严重污染，不符合环保要求。2014年的《中国环境状况公报》显示：2014年，由农业面源排放的CODcr大约为1 100多万 t，占全年废水CODcr48.04%。而畜禽养殖废水为农业源水污染的重要组成部分，其CODcr含量远远高于农业其它生产生活所产生的污水。

表1 水样中污染物检测浓度Table 1 The decetion concentration of pollution in water sample (mg/L)

表2 GB 18596—2001污染物排放指标Table 2 Discharge standard of pollutants in GB 18596—2001 (mg/L)

2 畜禽养殖废水对环境的危害

2.1 对空气的污染

畜禽排放的粪污在堆放过程中有机物发酵产生大量的氨氮、甲烷、含硫化合物、有机酸等会散发出恶臭刺鼻的气味，严重污染周边的空气环境，直接影响周边居民的健康生活。研究表明，长期吸入恶臭类气体会降低呼吸系统和神经系统的敏感性，引起人体代谢紊乱，导致人们神经衰弱，注意力下降，工作效率降低。畜禽粪污中含有的大量粉尘和病菌微生物，经传播进入空气后将刺激人和动物的呼吸系统，可能引发呼吸类疾病。此外，恶臭气体还会引来大量蚊虫，导致病菌传播。

2.2 对地表及地下水的污染

养殖废水中含有大量的有机物，如果未经处理直接排放，通过雨水冲刷、地表径流等途径将会随地下水流入附近的河流或者渗透进地表，对水资源环境产生危害。废水中氮、磷化合物聚集，导致水中溶解氧下降，水体发黑发臭，水体富营养化，破坏水体生态圈。畜禽粪便中的病菌进入水中迅速繁殖，污染水体，导致水生生物死亡。饲料中残余的铜镉等重金属随废水流入地下水，使水中重金属含量超标，重金属被水中藻类和鱼类吸收并在体内富集，而这些藻类和鱼类作为食物进入人体后，会造成人体重金属超标。重金属在人体内能和蛋白质及酶等发生强烈的相互作用，使它们失去活性，重金属也会在人体某种器官内聚集，造成慢性中毒，危害人类健康。

2.3 对土壤的污染

畜禽养殖废水中含有大量的氮磷钾等营养物质，如果处理好能成为植物生长的养分，被很好地利用。但废水若未经处理直接排放到土壤中，高浓度的有机物在发酵时产生大量的热量，使植物根系受损，导致植物减产甚至死亡。粪便中大量钠盐流入土壤中会使土壤板结，土壤通透性下降，不利于作物生长。粪便中的致病微生物和寄生虫卵进入土壤中大量繁殖将导致疾病传播，不利于周围动植物生存。饲料和兽药中未被吸收的抗生素进入土壤后，可能会破坏土壤中原有微生物的正常生长和繁殖，从而破坏土壤中原有的微生物生态系统平衡。

3 国内外养殖废水处理现状研究

3.1 单一处理技术

3.1.1 自然堆肥技术 畜禽的粪污集中到一个收集池中，经过沉淀、天然发酵一段时间后，被用作农业肥料，多余的废水也被用于灌溉农田或者直接排放。自然堆肥技术是比较传统的家庭处理养殖废水的方式，其优点是设备简单，成本低，目前仍然被很多小型养殖场沿用。其缺点是发酵时间长，粪污发酵产生的恶臭严重污染周边环境，容易滋生蚊虫和细菌。粪污中的寄生虫卵和病菌没有经过任何消毒杀菌处理，直接用作农田肥料还有可能导致疾病传播。

3.1.2 人工湿地处理技术 人工湿地是一个综合的生态系统。它由于运行成本低，工艺简单，易维护，用途广等优势被广泛应用于农村污水处理中。人工湿地一般由填充基质、水生植物和微生物三部分组成。湿地基质能够截留和吸附污水中的悬浮颗粒，并且基质床层中的土壤胶体也能吸附水中污染物。植物是人工湿地的重要组成部分，一般选择根系发达，适应能力和生命力强的植物。污水中的氮磷能通过生物脱氮和植物分解吸收等方式去除。水中的重金属离子和有害物质能通过植物发达的根系吸收并转移，从而达到净化污水的目的。为达到最好的污水净化效果，设计人工湿地系统时，要根据当地具体的环境和系统工艺特点选择湿地植物。近年来，随着我国城镇化进程的加速，农村土地资源越来越有限，建立人工湿地的场地受限，且满足不了大规模畜禽养殖场的废水处理需求。

3.1.3 厌氧处理技术 厌氧处理是在无需氧气供给的条件下，利用微生物群将有机物分解为甲烷和二氧化碳的过程。上流式厌氧污泥床(UASB)为目前应用最广泛的装置，反应器内的污泥颗粒化后具有更好的抗冲击性，相关研究表明，UASB对生物柴油废水CODcr的去除率达到88.6%[12]。吴鹏等采用ABR除碳-亚硝化耦合厌氧氨氧化工艺处理城市污水，装置出水总氮去除率为86%～92%，CODcr浓度为20～40 mg/L[13]。厌氧处理技术因其装置简单，剩余污泥量少，处理效果良好等特点被广泛应用于造纸废水、畜禽养殖废水和垃圾渗透液等水处理工艺中[14-15]。厌氧处理技术仅处理高浓度有机废水效果显著，但是处理周期长。厌氧技术对含重金属离子的废水几乎无效果，而且单一的厌氧处理技术目前无法满足环保的要求，容易产生二次污染。

3.1.4 好氧处理技术 好氧处理技术是指微生物在有溶解氧的条件下将有机物氧化分解成二氧化碳和水等。好氧处理技术根据微生物总类一般分为活性污泥法和生物膜法。

活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法，主要由曝气池、沉淀池、曝气系统及回流系统组成，是处理城市污水最广泛使用的方法[16]。曝气能让污水溶液充分接触氧气，溶液中的有机物被活性污泥吸附并被污泥中的好氧微生物分解，从而达到净化污水的目的。在沉淀池中，活性污泥与净化后的污水通过沉淀、分离，处理水排出，活性污泥通过浓缩后回流至曝气池。

推流式和完全混合式是传统活性污泥法中具有代表性的两种曝气形式。推流式曝气池是水从池子的一端流入，从另一端流出，生化反应具有明显的阶段性，水中污染物质的浓度随池体的长度而逐渐降低。曝气池前端溶解氧含量低，随着池体的延长溶解氧浓度越来越大。推流曝气池的优点是处理效果好，比较稳定，缺点是因为曝气池前端溶解氧含量低，所以废水中有机物浓度不能太高，否则在前端容易形成厌氧状态，而且抗冲击性能差。完全混合式曝气池是废水溶液在曝气池内充分混合循环流动，在池内完成微生物对废水中有机物质的降解。因为废水在完全混合式曝气池内混合均匀，所以池内各点水质基本相同，耐冲击能力强。它的缺点是池内水体单一，降解动力低，易发生污泥膨胀现象。

生物膜法是通过附着在介质表面上的有氧微生物生长繁殖，形成活性污泥生物膜，利用生物膜降解污水中的有机物的处理方法。当有机废水均匀地喷淋在介质表面后，便沿着填料表面向下渗透。在充分提供氧气的条件下，微生物新陈代谢使得有机物不断分解的同时微生物自身也不断繁殖。因生物膜介质比表面积较高并且密度与水相近，所以生物膜附着在介质表面繁殖增长，填料在废水的翻转下移动。这种技术主要解决了传统固定床反应器需要定期冲洗及更换曝气装置复杂的问题。危叶等[17]采用生物膜反应器处理模拟畜禽废水，以CODcr、TN和TP为主要检测指标，判断微生物对污染物的去除作用，结果表明，在最佳工艺条件下CODcr去除率达到(91.0±1.39)%，TN去除率达到(93.3±1.42)%，TP去除率达到(73.0±3.65)%。

3.2 组合处理技术

以上介绍的单一的人工湿地、厌氧、好氧等技术处理大多是在实验室的研究结果。实际的畜禽废水成分比较复杂，单一的处理技术很难满足当今环保的要求。近年来，国内外一些学者开发了一些较为实用的组合工艺，通过优化工艺参数，使两个或两个以上的不同类型工艺联合在一起，用以提高有机物、氨氮等污染物的去除率，取得了良好的实验效果。

聂丽君[19]将厌氧折流板反应器、磷酸铵镁脱氮和膜生物反应器等方法进行集成，形成组合式ABR-MAP-MBR工艺，处理广东某养殖猪场废水，考察水力停留时间、温度和溶解氧等参数对处理效果的影响，结果表明：水温25～35 ℃时CODcr去除率达73.5%；沉淀过程选择氯化镁、磷酸三钠作为沉淀剂，CODcr、SS、NH4-N、TN指标的去除率分别为82.0%,95.2%,72.4%,67.7%。经过此组合工艺处理，出水各项指标达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)一级排放标准，此新工艺具有良好的应用前景。

张琳琳等[20]研究采用上流式污泥床(UBF)-复合生物滤池-人工湿地组合工艺，对传统农村庭院式养殖废水进行处理，考察了复合生物滤池水力负荷、人工湿地停留时间、回流比等工况对工艺处理效果的影响。结果表明：当进水CODcr和TN、NH3-N、TP的质量浓度分别为542～1 448,88.48～475.6,74.92～301.9,4.99～31.63 mg/L时，UBF停留时间为36 h，人工湿地HRT在5 d、回流体积比为1∶1时，系统对CODcr、TN、NH3-N、TP的平均去除率分别达到88.18%,65.24%,81.04%,91.92%。

4 结束语

在废水处理发展过程中，畜禽养殖业带来的环境问题已引起了社会各界的密切关注。在农村土地日益紧张和资源日益短缺的今天，规模化畜禽养殖业应打破传统的末端治理模式，从源头上科学合理布局，提高资源的利用率，严格把控生产过程，减少废水排放，从而达到清洁生产的要求，这将成为未来规模化畜禽养殖废水的发展趋势。