規模化養豬場糞污處理工藝優化及運行效果

魏敦滿

(福建省南平市農村環保能源站， 福建 南平 353000)

近年來，我國生豬規模化養殖產業蓬勃發展，為中國的經濟做出了重要貢獻。然而，養豬污水屬于高濃度含有大量的有機廢水，在自然環境下將產生大量的甲烷及其他有害物質。甲烷氣體是造成溫室效應的主要因素(甲烷的溫室效應是二氧化碳的21倍)[1-2]；其他有害物質含有碳、氮、磷等元素，隨意排放或被雨水沖刷進入河流水體，將導致水體中SS,COD,BOD5升高，發生嚴重的水體富營養化現象，水色變黑、發臭而污染環境。此外，生豬養殖廢水中還含有的各種各樣病原微生物沒有進行有效處理，將會導致豬病的蔓延而威脅養豬行業的發展[3]。

目前，國內外豬場糞污的處理模式可歸納為3 種主要模式：還田模式、自然處理模式及工廠化處理模式[4]。還田模式[5]是指將畜禽糞污施用于農田的一種傳統的、經濟有效，可以達到零排放的處理模式，但是需要有足夠的農田消納能力。自然處理模式是指采用氧化塘、人工濕地[6]等自然處理方式對養殖場糞便污水進行處理，適用于鄉村，經濟欠發達，土地寬廣并廉價的地區，養殖場規模一般不能太大，以人工清糞為主，水沖為輔，沖洗耗水量中等。工廠化處理模式是指將畜禽糞便進行預處理、厭氧處理、好氧處理、后處理等階段對污水進行處理后達到國家污水排放標準，但是這種模式成本比較高、對機械設備的要求高、對技術工人的知識化水平要求高[3]。豬糞含有15%有機質，易被微生物分解釋放出可為作物吸收利用的養分。尿液在一定的溫度、濕度、酸度及厭氧條件下，經微生物作用(發酵)生產的甲烷是一種清潔燃料；產生的沼氣池沼渣富含氮、磷、鉀等元素，并含有機質、腐殖酸、微量營養元素、多種氨基酸、酶類和有益微生物，質地疏松、保墑性能好、酸堿度適中，能滿足作物生長的需要及起到很好的改良土壤的作用。為此，探討研究一種經濟、有效的實現糞污資源化利用達到零排放的處理模式，將利于進一步推進我國生豬規模化養殖產業綠色可持續發展。

福建省是2016年全國首批生態文明試驗區的三個省份之一[7]。近年來，福建省對養殖業糞污治理工程達標排放及廢棄物資源化利用提出了更高要求，對養殖業進行了規范與整治。隨著養豬業快速發展帶來大量糞污排放，但豬場糞污治理理念和技術卻相對滯后，便成為一種高濃度有機廢水[8-9]的重要的污染源[10]。規模化沼氣技術是環境與能源領域關注的重點[11]，用于有效治理與處置規模化養豬場糞污而避免對環境的污染，同時生產的沼氣可向周圍用戶提供清潔能源，對開發可再生能源及發展農業循環經濟都具有重要意義[12-13]，這促使國家大力發展沼氣事業[14]。為此，本項目依據綠色可持續發展的理念，結合本地實際以實現糞污達標排放化為原則，輔以沼氣、沼渣以及沼液資源化利用。現將以福建省某養殖基地(下稱“養殖基地”)糞污處理工程技術工藝優化改進為實例進行分析總結，旨在為規模化豬場建立實用生態環保型技術模式提供參考。

1 養殖基地原糞污處理工程工藝剖析

1.1 養殖基地概況

養殖基地位于南平市松溪縣鄭墩鎮雙源村，養殖規模為年存欄生豬2355頭。養殖基地污水主要為養豬過程產生糞污水、豬舍沖洗用水及員工生活污水，已建有CSTR+紅泥厭氧沼氣工程和一些污水處理工程。但因受到農作物種植季節消納污水量的限制，在農作物需肥需水量減少季節，部分不達標污水直排，對周邊環境產生了一定程度的污染。為此，養殖基地為實現排出的污水出水達到《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)旱作模式指標要求，需要對原污水綜合處理工程進一步對處理系統進行方案優化改造提升。

1.2 工程工藝

1.2.1 工程工藝流程

養殖基地原糞污處理工藝流程如圖1所示，主要構筑物及參數設計如表1。糞污處理系統中厭氧發酵采用CSTR+紅泥塑料沼氣池，污水深度處理采用A/O工藝，產生的沼氣發電自用。

表1 主要構筑物及設計參數

圖1 原養豬場糞污處理工程工藝流程

1.2.2 存在問題

隨著養殖基地規模增長以及政府對于環保要求增強，原有的糞污處理工藝系統已經不能滿足處理能力要求，經分析存在如下問題：

(1)原工程為干清糞與部分污水調配均勻后進入CSTR發酵罐，雖然沼氣生產量較大，但產生的沼液有機物濃度也很高，匯同沖欄廢水進入污水處理系統處理，對系統的沖擊負荷大；

(2)處理工藝針對性不強，處理設施零散，工藝單元處理效能不足，缺乏整體連貫性；

(3)污水預處理不到位，沼氣厭氧出水攜帶浮泥直接進入生化系統，影響污泥活性；

(4)生化處理系統進水有機負荷高，而生化系統池容不足，難以處理達標；

(5)生化系統采用一級A/O，功能單一，容易污泥膨脹，生化處理效果差；

(6)未配置風機。

2 養殖基地糞污處理工程工藝優化

2.1 優化設計原則與方案

針對養殖基地原糞污處理工藝系統已經不能滿足處理能力要求，統籌考慮對其進行工藝優化。優化工程針對COD，NH3-N，P等增加設置針對性強、處理效率高的工藝單元，保證每級功能單體處理效率，從而出水水質符合設計要求。

根據總體設計原則，針對原養豬場糞污處理系統存在問題，優化整改思路是：以確保污水處理出水穩定達標為主，產沼氣發電為輔；增加干清糞處理，降低污水處理系統進水負荷；強化預處理，厭氧發酵前增加格柵+固液分離前處理；根據厭氧罐進水出水水質、現場條件，增設適宜的溶氣氣浮一體機作為生化處理系統前的物化處理階段，確保進生化前廢水中SS有效去除；針對運行負荷太高，采用兩級生化工藝，合理設計厭氧池和好氧池比例；增設生化后的混凝物化處理；最大化利用原有設施，不造成原有設施的浪費，從而減少改造投資；原污水處理系統處理能力達不到設計要求，盡可能減少土建建設的基礎上先對已有設施進行改造，加快改造工程進度，盡快進水運行，改造工程處理能力設計為300 t·天-1。

2.2 優化后的工程工藝

2.2.1 工程工藝

根據養殖基地的水質特點、污水處理要求及現場調研的實際情況，優化工程整體處理工藝是：采用集水調節池+固液分離+CSTR厭氧發酵罐+溶氣氣浮1+A/O+BBAF+溶氣氣浮2+消毒工藝，處理出水經植物氧化塘儲存及進一步降解后全部回用于1071畝苗圃、茶果林地澆灌(見圖2)。由圖2可以看出：優化的工藝路線針對性強，在明確養殖廢水高有機、高氨氮、高磷濃度特性基礎上設置專門處理單元；干清糞不進入處理系統，從源頭上減少了污水處理系統進水負荷；強化預處理，生化處理前設置高效氣浮；采用A/O+BBAF進行生化處理；深度處理采用高效氣浮或混凝終沉，確保出水達標；新增的物化段均采用溶氣氣浮，比較適合本改造項目；一級A/O中的好氧池曝氣系統采用可提升式曝氣軟管代替傳統水下微孔曝氣盤，充氧率高、動力省、檢修無需放空池子；具有多項成功應用案例，經濟性、可靠性高；成功進行技術集成、一體式高效反應器設備的工程化應用，具備施工周期短、見效快的優點。

圖2 工藝流程框圖

2.2.2 工程構筑物

工程工藝優化改造的工程構筑物如表2所示。

表2 新增改造構筑物一覽表

3 養殖基地糞污處理優化后工程工藝運行效果

3.1 運行效果監測方法

3.1.1 取樣方法

2017年9月19日～2017年9月20日，每間隔2 h分別對糞污處理工程進出水口進行多點取樣，采樣依據HJ 494-2009水質采樣技術指導，檢測污水中pH值，SS，COD，BOD5，水溫、全鹽量、氯化物、硫化物、汞、總鎘、砷、六價鉻、鉛、糞大腸桿菌、陰離子表面活性劑、NH3-N和TP。

3.1.2 測試方法

pH值測定采用GB6920-1986玻璃電極法；SS采用GB11901-1989重量法；COD測定采用HJ/T399-2007快速消解分光光度法；BOD5采用HJ 505-2009稀釋與接種法；水溫采用GB13195-1991水質水溫的測定溫度計或顛倒溫度計法(A)；全鹽量采用HJ/T51-1999重量法；氯化物采用GB11896-1989硝酸銀滴定法；硫化物采用GB/T16489-1996亞甲基藍分光光度法；汞采用GB/T5750.6-2006原子熒光法；總鎘采用GB/T5750.6-2006 9.5原子熒光法；砷采用GB/T5750.6-2006氫化物原子熒光法；六價鉻采用二苯碳酰二肼分光光度法；鉛采用GB/T5750.6-2006 11.5氫化物原子熒光法；糞大腸桿菌采用試行HJ/T347-2007多管發酵法和濾膜法；陰離子表面活性劑采用GB7494-1987亞甲藍分光光度法；NH3-N測定采用HJ 535-2009納氏試劑分光光度法； TP采用GB11893-1989鉬銻銨分光光度法。

3.2 運行效果分析與討論

該規模化豬場糞污處理采用達標排放與廢棄物資源化利用相結合的治理模式，根據測試結果來看，運行效果較穩定，出水水質良好。通過對污水處理系統進出口監測，污水處理達到了預設目標，污水處理水質的檢測結果均值如表3、表4所示。

表4 污水處理水質中GB5084項目指標的檢測結果 (mg·L-1)

3.2.1 水質監測結果

由表3可知，COD和BOD5的去除率分別達到了96%，可能是由于在處理工藝中有活躍的微生物存在，通過微生物的氧化降解作用消耗掉污水中的有機物，從而高效去除CODcr和BOD5[15]。氨氮和總磷的去除率分別達到了99.9%和99.7%，可能是因為A/O工藝中的細菌進行了硝化和反硝化作用，具體是將污水在好氧條件下使含氮有機物被細菌分解為氨，然后在好氧自養型亞硝化細菌的作用下進一步轉化為亞硝酸鹽，再經好氧自養型硝化細菌作用轉化為硝酸鹽，至此完成硝化反應；在缺氧條件下，兼性異養細菌利用或部分利用污水中的有機碳源為電子供體，以硝酸鹽替代分子氧作電子受體，進行無氧呼吸，分解有機質，同時將硝酸鹽中氮還原成氣態氮，至此完成反硝化反應[16]，從而去除氨氮的效果極佳。通過BBAF池+沉淀工藝和溶氣氣浮2工藝，總磷去除率也很高，可能是因為BBAF池以及溶氣氣浮2中的微生物例如聚磷微生物，在厭氧環境下可以吸收環境中的磷元素產生能量供其生長繁殖，因此在整個工藝流程中總磷的去除效果非常好[17]。綜合表3、表4顯示，從污水處理的整體效果上來看，最終消毒排水槽出水水質的各項指標均符合GB18596-2001《畜禽養殖業污染物排放標準》排放標準；各生化指標去除率均達到90%以上。經氧化塘總出口出水水質的各項指標均符合GB5084-2005《農田灌溉水質標準》“旱作”標準。總出水口出水用于澆灌1071畝苗圃、茶果林地，基本實現了污水零排放。

3.2.2 運行效果

規模化豬場糞污處理污水達到了良好的效果，經過高濃度反應器厭氧消化后產生的沼肥經過固液分離池，固體物質制成有機肥，液體物質和蓄水池內多余污水一起排入低濃度沼氣池進行二次發酵，發酵后產生的沼液流入儲液池，做成農業生產用肥，多余沼液至曝氣池進行好氧處理，再流入人工生態濕地，后排放至氧化塘。發酵所產生的沼氣經過氣水分離器、脫硫塔、阻火器等一系列凈化處理，可以給企業、農戶用氣以及沼氣發電機組發電；產生的沼渣沼液可制作成有機肥料用于農業生產。沼渣、沼液用于農田施肥，在保持和提高土壤肥力的效果上遠遠超過化肥。其中的磷屬有機磷，肥效優于磷酸鈣，不易被固定，相對提高了磷肥肥效；沼渣、沼液中含有大量腐殖質，調節土壤的水分、溫度、空氣和肥效，適時滿足作物生長發育的需要，并可改良土壤，提高作物產量[18]；沼渣沼液還可調節土壤的酸堿度，形成土壤的團粒結構，延長和增進肥效，提高土壤通透性，促進水分迅速進入植物體，并有催芽、促進根系發育等作用。同時，沼液還是高效的葉面肥，具有較強的抗病蟲害作用[19]。固體糞污和氣浮產生的浮渣以及好氧處理的污泥可制作有機肥[20]，實現糞污資源化利用，提升耕地質量，并帶來可觀的經濟效益，同時降低污水處理系統進水負荷，解決污水處理設施投資過于龐大的問題。通過厭氧處理后產生的高溶度沼液可通過沼液車運輸到遠距離的田間儲液池經調配后使用。經過好氧處理后達到旱作排放標準的沼液可直接抽取用于周邊農田灌溉，剩余部分污水通過近萬立方的各類人工濕地的自然凈化，完全達標排放，以上方式完全解決養殖與種植業不匹配的問題，糞污收集及儲運能力與農作物季節性施肥不對稱的問題。

4 結論

當前，規模化、集約化養殖業得到蓬勃發展，但同時其排放的污染物尤其是廢水能否得到妥善處理已成為行業長足發展的制約因素。因此，研究其污染物的回收循環利用和最終的處理處置技術有一定的應用價值。本文針對原糞污處理系統工程工藝，優化設計以達標排放為主，輔以沼氣、沼渣沼液以及豬糞渣的資源化利用的集成工藝技術，可最大化利用原有設施，減少改造投資。優化工藝改進糞污進料方式，降低進水負荷，引入兩級生化工藝，增加氣浮處理，同時調整了A/O處理系統缺氧池和好氧池比例，增設消化液回流和污泥回流，增加生化后的混凝物化處理，確保了出水達標排放。

通過對福建省某基地原糞污處理優化后工程工藝的運行效果進行監測與分折，結果顯示：排出的廢水GB18596《畜禽養殖業污染物排放標準》主要項目指標為：總水出口COD，BOD5含量分別為30.7 mg·L-1和10.4 mg·L-1，去除率分別為97.6%和97.5%；出水口NH3-N，TP，SS含量分別為0.5 mg·L-1，0.2 mg·L-1和35.0 mg·L-1，去除率分別為99.9%，99.7%和92.6%，符合GB18596-2001排放標準。排出的廢水GB5084-2005《農田灌溉水質標準》主要項目指標為：出水口、總水出口全鹽量含量分別為29.5 mg·L-1和34.0 mg·L-1，氯化物含量分別為2.7 mg·L-1和2.9 mg·L-1，陰離子表面活性劑、硫化物、汞、鎘、六價鉻、鉛含量分別為均<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《農田灌溉水質標準》“旱作”標準。由此表明，優化后的工程工藝運行效果良好，可以實現規模化豬場糞污資源化利用及達標排放，解決了規模生豬養殖場糞污有效治理的問題，對推進生豬養殖業綠色可持續化發展具有重要的意義。