规模化养猪场粪污处理工艺优化及运行效果

魏敦满

(福建省南平市农村环保能源站， 福建 南平 353000)

近年来，我国生猪规模化养殖产业蓬勃发展，为中国的经济做出了重要贡献。然而，养猪污水属于高浓度含有大量的有机废水，在自然环境下将产生大量的甲烷及其他有害物质。甲烷气体是造成温室效应的主要因素(甲烷的温室效应是二氧化碳的21倍)[1-2]；其他有害物质含有碳、氮、磷等元素，随意排放或被雨水冲刷进入河流水体，将导致水体中SS,COD,BOD5升高，发生严重的水体富营养化现象，水色变黑、发臭而污染环境。此外，生猪养殖废水中还含有的各种各样病原微生物没有进行有效处理，将会导致猪病的蔓延而威胁养猪行业的发展[3]。

目前，国内外猪场粪污的处理模式可归纳为3 种主要模式：还田模式、自然处理模式及工厂化处理模式[4]。还田模式[5]是指将畜禽粪污施用于农田的一种传统的、经济有效，可以达到零排放的处理模式，但是需要有足够的农田消纳能力。自然处理模式是指采用氧化塘、人工湿地[6]等自然处理方式对养殖场粪便污水进行处理，适用于乡村，经济欠发达，土地宽广并廉价的地区，养殖场规模一般不能太大，以人工清粪为主，水冲为辅，冲洗耗水量中等。工厂化处理模式是指将畜禽粪便进行预处理、厌氧处理、好氧处理、后处理等阶段对污水进行处理后达到国家污水排放标准，但是这种模式成本比较高、对机械设备的要求高、对技术工人的知识化水平要求高[3]。猪粪含有15%有机质，易被微生物分解释放出可为作物吸收利用的养分。尿液在一定的温度、湿度、酸度及厌氧条件下，经微生物作用(发酵)生产的甲烷是一种清洁燃料；产生的沼气池沼渣富含氮、磷、钾等元素，并含有机质、腐殖酸、微量营养元素、多种氨基酸、酶类和有益微生物，质地疏松、保墒性能好、酸碱度适中，能满足作物生长的需要及起到很好的改良土壤的作用。为此，探讨研究一种经济、有效的实现粪污资源化利用达到零排放的处理模式，将利于进一步推进我国生猪规模化养殖产业绿色可持续发展。

福建省是2016年全国首批生态文明试验区的三个省份之一[7]。近年来，福建省对养殖业粪污治理工程达标排放及废弃物资源化利用提出了更高要求，对养殖业进行了规范与整治。随着养猪业快速发展带来大量粪污排放，但猪场粪污治理理念和技术却相对滞后，便成为一种高浓度有机废水[8-9]的重要的污染源[10]。规模化沼气技术是环境与能源领域关注的重点[11]，用于有效治理与处置规模化养猪场粪污而避免对环境的污染，同时生产的沼气可向周围用户提供清洁能源，对开发可再生能源及发展农业循环经济都具有重要意义[12-13]，这促使国家大力发展沼气事业[14]。为此，本项目依据绿色可持续发展的理念，结合本地实际以实现粪污达标排放化为原则，辅以沼气、沼渣以及沼液资源化利用。现将以福建省某养殖基地(下称“养殖基地”)粪污处理工程技术工艺优化改进为实例进行分析总结，旨在为规模化猪场建立实用生态环保型技术模式提供参考。

1 养殖基地原粪污处理工程工艺剖析

1.1 养殖基地概况

养殖基地位于南平市松溪县郑墩镇双源村，养殖规模为年存栏生猪2355头。养殖基地污水主要为养猪过程产生粪污水、猪舍冲洗用水及员工生活污水，已建有CSTR+红泥厌氧沼气工程和一些污水处理工程。但因受到农作物种植季节消纳污水量的限制，在农作物需肥需水量减少季节，部分不达标污水直排，对周边环境产生了一定程度的污染。为此，养殖基地为实现排出的污水出水达到《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)旱作模式指标要求，需要对原污水综合处理工程进一步对处理系统进行方案优化改造提升。

1.2 工程工艺

1.2.1 工程工艺流程

养殖基地原粪污处理工艺流程如图1所示，主要构筑物及参数设计如表1。粪污处理系统中厌氧发酵采用CSTR+红泥塑料沼气池，污水深度处理采用A/O工艺，产生的沼气发电自用。

表1 主要构筑物及设计参数

图1 原养猪场粪污处理工程工艺流程

1.2.2 存在问题

随着养殖基地规模增长以及政府对于环保要求增强，原有的粪污处理工艺系统已经不能满足处理能力要求，经分析存在如下问题：

(1)原工程为干清粪与部分污水调配均匀后进入CSTR发酵罐，虽然沼气生产量较大，但产生的沼液有机物浓度也很高，汇同冲栏废水进入污水处理系统处理，对系统的冲击负荷大；

(2)处理工艺针对性不强，处理设施零散，工艺单元处理效能不足，缺乏整体连贯性；

(3)污水预处理不到位，沼气厌氧出水携带浮泥直接进入生化系统，影响污泥活性；

(4)生化处理系统进水有机负荷高，而生化系统池容不足，难以处理达标；

(5)生化系统采用一级A/O，功能单一，容易污泥膨胀，生化处理效果差；

(6)未配置风机。

2 养殖基地粪污处理工程工艺优化

2.1 优化设计原则与方案

针对养殖基地原粪污处理工艺系统已经不能满足处理能力要求，统筹考虑对其进行工艺优化。优化工程针对COD，NH3-N，P等增加设置针对性强、处理效率高的工艺单元，保证每级功能单体处理效率，从而出水水质符合设计要求。

根据总体设计原则，针对原养猪场粪污处理系统存在问题，优化整改思路是：以确保污水处理出水稳定达标为主，产沼气发电为辅；增加干清粪处理，降低污水处理系统进水负荷；强化预处理，厌氧发酵前增加格栅+固液分离前处理；根据厌氧罐进水出水水质、现场条件，增设适宜的溶气气浮一体机作为生化处理系统前的物化处理阶段，确保进生化前废水中SS有效去除；针对运行负荷太高，采用两级生化工艺，合理设计厌氧池和好氧池比例；增设生化后的混凝物化处理；最大化利用原有设施，不造成原有设施的浪费，从而减少改造投资；原污水处理系统处理能力达不到设计要求，尽可能减少土建建设的基础上先对已有设施进行改造，加快改造工程进度，尽快进水运行，改造工程处理能力设计为300 t·天-1。

2.2 优化后的工程工艺

2.2.1 工程工艺

根据养殖基地的水质特点、污水处理要求及现场调研的实际情况，优化工程整体处理工艺是：采用集水调节池+固液分离+CSTR厌氧发酵罐+溶气气浮1+A/O+BBAF+溶气气浮2+消毒工艺，处理出水经植物氧化塘储存及进一步降解后全部回用于1071亩苗圃、茶果林地浇灌(见图2)。由图2可以看出：优化的工艺路线针对性强，在明确养殖废水高有机、高氨氮、高磷浓度特性基础上设置专门处理单元；干清粪不进入处理系统，从源头上减少了污水处理系统进水负荷；强化预处理，生化处理前设置高效气浮；采用A/O+BBAF进行生化处理；深度处理采用高效气浮或混凝终沉，确保出水达标；新增的物化段均采用溶气气浮，比较适合本改造项目；一级A/O中的好氧池曝气系统采用可提升式曝气软管代替传统水下微孔曝气盘，充氧率高、动力省、检修无需放空池子；具有多项成功应用案例，经济性、可靠性高；成功进行技术集成、一体式高效反应器设备的工程化应用，具备施工周期短、见效快的优点。

图2 工艺流程框图

2.2.2 工程构筑物

工程工艺优化改造的工程构筑物如表2所示。

表2 新增改造构筑物一览表

3 养殖基地粪污处理优化后工程工艺运行效果

3.1 运行效果监测方法

3.1.1 取样方法

2017年9月19日～2017年9月20日，每间隔2 h分别对粪污处理工程进出水口进行多点取样，采样依据HJ 494-2009水质采样技术指导，检测污水中pH值，SS，COD，BOD5，水温、全盐量、氯化物、硫化物、汞、总镉、砷、六价铬、铅、粪大肠杆菌、阴离子表面活性剂、NH3-N和TP。

3.1.2 测试方法

pH值测定采用GB6920-1986玻璃电极法；SS采用GB11901-1989重量法；COD测定采用HJ/T399-2007快速消解分光光度法；BOD5采用HJ 505-2009稀释与接种法；水温采用GB13195-1991水质水温的测定温度计或颠倒温度计法(A)；全盐量采用HJ/T51-1999重量法；氯化物采用GB11896-1989硝酸银滴定法；硫化物采用GB/T16489-1996亚甲基蓝分光光度法；汞采用GB/T5750.6-2006原子荧光法；总镉采用GB/T5750.6-2006 9.5原子荧光法；砷采用GB/T5750.6-2006氢化物原子荧光法；六价铬采用二苯碳酰二肼分光光度法；铅采用GB/T5750.6-2006 11.5氢化物原子荧光法；粪大肠杆菌采用试行HJ/T347-2007多管发酵法和滤膜法；阴离子表面活性剂采用GB7494-1987亚甲蓝分光光度法；NH3-N测定采用HJ 535-2009纳氏试剂分光光度法； TP采用GB11893-1989钼锑铵分光光度法。

3.2 运行效果分析与讨论

该规模化猪场粪污处理采用达标排放与废弃物资源化利用相结合的治理模式，根据测试结果来看，运行效果较稳定，出水水质良好。通过对污水处理系统进出口监测，污水处理达到了预设目标，污水处理水质的检测结果均值如表3、表4所示。

表4 污水处理水质中GB5084项目指标的检测结果 (mg·L-1)

3.2.1 水质监测结果

由表3可知，COD和BOD5的去除率分别达到了96%，可能是由于在处理工艺中有活跃的微生物存在，通过微生物的氧化降解作用消耗掉污水中的有机物，从而高效去除CODcr和BOD5[15]。氨氮和总磷的去除率分别达到了99.9%和99.7%，可能是因为A/O工艺中的细菌进行了硝化和反硝化作用，具体是将污水在好氧条件下使含氮有机物被细菌分解为氨，然后在好氧自养型亚硝化细菌的作用下进一步转化为亚硝酸盐，再经好氧自养型硝化细菌作用转化为硝酸盐，至此完成硝化反应；在缺氧条件下，兼性异养细菌利用或部分利用污水中的有机碳源为电子供体，以硝酸盐替代分子氧作电子受体，进行无氧呼吸，分解有机质，同时将硝酸盐中氮还原成气态氮，至此完成反硝化反应[16]，从而去除氨氮的效果极佳。通过BBAF池+沉淀工艺和溶气气浮2工艺，总磷去除率也很高，可能是因为BBAF池以及溶气气浮2中的微生物例如聚磷微生物，在厌氧环境下可以吸收环境中的磷元素产生能量供其生长繁殖，因此在整个工艺流程中总磷的去除效果非常好[17]。综合表3、表4显示，从污水处理的整体效果上来看，最终消毒排水槽出水水质的各项指标均符合GB18596-2001《畜禽养殖业污染物排放标准》排放标准；各生化指标去除率均达到90%以上。经氧化塘总出口出水水质的各项指标均符合GB5084-2005《农田灌溉水质标准》“旱作”标准。总出水口出水用于浇灌1071亩苗圃、茶果林地，基本实现了污水零排放。

3.2.2 运行效果

规模化猪场粪污处理污水达到了良好的效果，经过高浓度反应器厌氧消化后产生的沼肥经过固液分离池，固体物质制成有机肥，液体物质和蓄水池内多余污水一起排入低浓度沼气池进行二次发酵，发酵后产生的沼液流入储液池，做成农业生产用肥，多余沼液至曝气池进行好氧处理，再流入人工生态湿地，后排放至氧化塘。发酵所产生的沼气经过气水分离器、脱硫塔、阻火器等一系列净化处理，可以给企业、农户用气以及沼气发电机组发电；产生的沼渣沼液可制作成有机肥料用于农业生产。沼渣、沼液用于农田施肥，在保持和提高土壤肥力的效果上远远超过化肥。其中的磷属有机磷，肥效优于磷酸钙，不易被固定，相对提高了磷肥肥效；沼渣、沼液中含有大量腐殖质，调节土壤的水分、温度、空气和肥效，适时满足作物生长发育的需要，并可改良土壤，提高作物产量[18]；沼渣沼液还可调节土壤的酸碱度，形成土壤的团粒结构，延长和增进肥效，提高土壤通透性，促进水分迅速进入植物体，并有催芽、促进根系发育等作用。同时，沼液还是高效的叶面肥，具有较强的抗病虫害作用[19]。固体粪污和气浮产生的浮渣以及好氧处理的污泥可制作有机肥[20]，实现粪污资源化利用，提升耕地质量，并带来可观的经济效益，同时降低污水处理系统进水负荷，解决污水处理设施投资过于庞大的问题。通过厌氧处理后产生的高溶度沼液可通过沼液车运输到远距离的田间储液池经调配后使用。经过好氧处理后达到旱作排放标准的沼液可直接抽取用于周边农田灌溉，剩余部分污水通过近万立方的各类人工湿地的自然净化，完全达标排放，以上方式完全解决养殖与种植业不匹配的问题，粪污收集及储运能力与农作物季节性施肥不对称的问题。

4 结论

当前，规模化、集约化养殖业得到蓬勃发展，但同时其排放的污染物尤其是废水能否得到妥善处理已成为行业长足发展的制约因素。因此，研究其污染物的回收循环利用和最终的处理处置技术有一定的应用价值。本文针对原粪污处理系统工程工艺，优化设计以达标排放为主，辅以沼气、沼渣沼液以及猪粪渣的资源化利用的集成工艺技术，可最大化利用原有设施，减少改造投资。优化工艺改进粪污进料方式，降低进水负荷，引入两级生化工艺，增加气浮处理，同时调整了A/O处理系统缺氧池和好氧池比例，增设消化液回流和污泥回流，增加生化后的混凝物化处理，确保了出水达标排放。

通过对福建省某基地原粪污处理优化后工程工艺的运行效果进行监测与分折，结果显示：排出的废水GB18596《畜禽养殖业污染物排放标准》主要项目指标为：总水出口COD，BOD5含量分别为30.7 mg·L-1和10.4 mg·L-1，去除率分别为97.6%和97.5%；出水口NH3-N，TP，SS含量分别为0.5 mg·L-1，0.2 mg·L-1和35.0 mg·L-1，去除率分别为99.9%，99.7%和92.6%，符合GB18596-2001排放标准。排出的废水GB5084-2005《农田灌溉水质标准》主要项目指标为：出水口、总水出口全盐量含量分别为29.5 mg·L-1和34.0 mg·L-1，氯化物含量分别为2.7 mg·L-1和2.9 mg·L-1，阴离子表面活性剂、硫化物、汞、镉、六价铬、铅含量分别为均<0.05 mg·L-1，<0.005 mg·L-1，<0.0002 mg·L-1，3.4×10-3mg·L-1，<0.000 mg·L-15，<0.005 mg·L-1和2.5×10-3mg·L-1，符合《农田灌溉水质标准》“旱作”标准。由此表明，优化后的工程工艺运行效果良好，可以实现规模化猪场粪污资源化利用及达标排放，解决了规模生猪养殖场粪污有效治理的问题，对推进生猪养殖业绿色可持续化发展具有重要的意义。