沼液处理

好氧生物处理（SBR)；2.厌氧生物处理（UASB）3.复合处理
畜禽养殖废水厌氧消化和沼液好氧后处理关联特性研究
摘要:本文综述了畜禽养殖废水厌氧消化和沼液好氧处理之间的关联性,分析了沼液的可生化性及其研究方法,侧重讨论了沼液后处理技术研究进展。

关键词:养殖废水;厌氧消化;沼液;好氧后处理
近年来,畜禽养殖业加速发展,规模化畜禽饲养的比例不断扩大,随之养殖污水所造成的环境问题也更加突出。

国内外的发展经验证明,利用厌氧消化技术处理畜禽废水,制取沼气,使废弃物减量化、资源化、无害化。

改善环境,实现经济的可持续发展,已成为畜禽废水处理不可或缺的重要单元之一[1～3]。

众所周知,处理养殖业沼液的最好方式是还田,但受我国人多地少的国情制约,部分地区耕地资源无法承受规模庞大的养殖业污水的排放。

又由于沼液中氮磷含量高,细菌指标也可能超标,如果不进行妥善处理,任意排放,必然造成二次污染,故沼液的后处理日益受到人们的重视。

我国东部沿海经济发达地区受土地紧张和养殖规模大的双重约束,畜禽养殖粪污厌氧消化沼液不能还田利用,必须经过处理后达标排放,但研究和实践表明,沼气工程和好氧处理的简单组合基本不能实现出水的达标排放,且能耗过高,所以,迫切需要研究和开发新的技术。

1 畜禽废水的厌氧消化处理
畜禽养殖场粪污除具有排放量大、有机物浓度高、SS含量高的特点外,同时畜禽养殖污水的可生化性好,厌氧消化较为容易,利用畜禽废水厌氧消化产沼气开发可再生能源效果好。

目前我国规模化养殖场沼气工程的建设速度非常快,已经建成一批日产沼气超过万立方的特大型养殖场沼气工程[4]
选择厌氧消化工艺处理养殖废水较其它工艺处理技术具有明显的优势:1)兼顾环境保护、生物质能源开发和循环农业发展,综合效益明显;2)处理适应性强,不同类型、不同浓度的畜禽养殖粪污均可以有效处置;3)投资较省、运行费用低;4)不产生大量剩余污泥等诸多优点。

国内外大多数沼气工程采用全混合和推流式沼气发酵工艺,从实践来看这两种工艺非常适合用于处理含高悬浮物(SS)的畜禽粪污。

近年来在高浓度发酵装置,搅拌输送设备,热交换设备和制罐技术等方面上取得突破性,从而推动了沼气工程发展。

经过全混合或者推流式沼气发酵处理后的沼液一般仍含有较高的COD,同时N,P几乎全部保留,这种沼液通常用于还田[4]。

经过固液分离前处理的养殖污水也有采用上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧滤器(AF)、升流式固体反应器(USR)和内循环厌氧反应器(IE)等厌氧消化工艺,这些工艺的去除效率较高,沼液的COD残余量也
较低,更容易与后处理衔接后满足达标排放要求[5～6]。

2 沼液特点和可生化性211 沼液的水质特点
畜禽养殖粪污经过厌氧消化处理后,沼液与原水相比有机物有40%～90%的削减,但仍然残留部分COD。

沼液中COD残留的多少与进水水质、浓度、消化时间等有关。

养殖场不同季节的用水情况差别很大,这也影响到原水水质和浓度,进而影响到沼液。

厌氧消化过程对于TN和TP的去除是微弱的,通常小于10%,但是由于厌氧消化过程中的矿化作用,氮和磷的化合物形态发生很大变化,沼液中氨态氮和无机磷浓度大大增加。

沼液中除了COD,TP,TN等主要水质指标不能满足排放要求外,卫生指标也常常不能满足排放要求,需要在后处理过程中解决。

212 沼液可生化性及其评价方法
废水的可生化性也称废水的生物可降解性,即废水中有机污染物被生物降解的难易程度,是废水的重要特征之一。

废水存在可生化性差异的主要原因在于废水中的有机物的含量和构成。

废水中除了含有一些易被微生物分解的有机物外,还含有一些不易被微生物分解、甚至对微生物的生长产生抑制作用的有机物。

有研究发现,猪粪水总COD中,容易降解COD约占29%,慢降解COD 占约60%,难
降解COD占约11%[7]。

厌氧消化中污染物降解不同步,易降解和慢降解COD先转化,造成沼液碳氮比失调,进而影响到微生物生长和处理效果,这是沼液可生化性差的主要原因,此外,废水碳氮比和营养成分的缺少也影响到废水的可生化性[8～9]。

国内外可生化性的评价方法大致可分为好氧呼吸法、微生物数量活性法、脱氧酶活性法和综合模拟实验法等方法。

好氧呼吸法的理论基础是:在微生物对有机物的好氧降解过程中,同时伴随O2的消耗。

好氧呼吸法中BOD5/COD比值法是目前最经典、最常用的水质指标评价方法。

用BOD5/COD来初步评价有机物的可生化降解性,可参考表
1中所列的数据。

据分析猪粪原水的BOD5/COD值为0.64,可生化性好,但经过厌氧消化6天后沼液的BOD5/COD值仅为0.23,可生化降解性变为较难奶牛粪原水BOD5/COD值在0.5左右,可生化性较好表1 BOD5/COD值与可生化降解参考数据
BOD5/COD生物分解速度可生化降解性>0.4较快较好0.4～0.3一般可降解0.3～0.2较慢较难<0.2很慢不宜生物降解
3 沼液好氧后处理
311 有机物的后处理
通常的观点是,对于控制猪场废水污染较为经济合理的方法是以厌氧工艺为主,辅以好氧、物理、化学处理的组合工艺系统。

近年来国内对养殖场粪污的厌氧-好氧组合处理工艺开展了大量的实
验研究,采用的典型处理工艺有:厌氧-SBR工艺、水解接触氧化或人工湿地[14～19]等等。

常温厌氧消化HRT一般在20天以上,这么长时间厌氧消化后沼液中BOD5几乎转化完毕,仅残留有部分难降解COD,这给后处理,尤其是采用好氧生物处理带来困难。

基于既有利于厌氧消化又有利于好氧后处理效果的考虑,寻找一个适宜的厌氧消化HRT值得探索。

通过控制厌氧消化进程使容易降解有机物不至于降解过低,从而有利于沼液的好氧后处理。

但是有研究发现,对于处理猪场粪污通过缩短厌氧消化
时间来改善沼液好氧后处理的性能是不可行的[
312 氮磷的后处理
畜禽养殖废水中高含量氮磷的大量排放是主要的农业面源污染问题,造成水体富营养化,同时还影响到农村饮用水安全,由此通过环保工程措施控制氮磷排放非常必要。

去除废水中氮的方法包括硝化/反硝化法、氨吹脱、离子交换、反渗透等,其中硝化/反硝化法是最常用的方法,后处理设施包括SBR、活性污泥法等。

在
好氧生物条件下发生的硝化过程首先将NH+42N转变成NO-X2N,再通过缺氧或厌氧条件下发生的反硝化过程将NO-X转变成N2排入大气中,实现氮的去除。

有对比分析表明,生物硝化/反硝化法和氨吹脱法处理氨氮废水费用最低,在1.8～20元(kgNH42N)-1[20]。

BOD5/TN是表示过程反硝化性能的重要指标,处理过程一般将BOD5/TN控制在4以上[21]。

为了实现反硝化,有必要向沼液中添加碳源。

从运行费用方面考虑,较可行的方法是利用原始废水中的有机物质作为碳源。

有研究采用“厌氧-加原水-间歇曝气”(Anarwia)工艺,即大部分猪场废水先进行厌氧消化,再与小部分猪场原水混合,采用序批式反应器进行好氧后处理,实现CODCr,TKN,和NH32N的去除率分别高达约95%,93.1%,9812%[19]。

也有采用两个序批式反应器(厌氧SBR-好氧SBR)系统对猪场废水进行生物处理,在厌氧反应器中,流入的是原废水和好氧反应器的部分出水回流液,TOC和TKN整体去除情况分别是81%～91%和85%～91%,实验结果较为理想[17]。

此外,反硝化速率还与处理温度有关。

用生物法除磷主要通过两种机制来完成:1.用悬浮生长的细胞和植物直接吸收磷;2.通过污水处理中的活性污泥微生物,如聚磷酸盐来提高磷的储存能力。

目前,工程实践中采用较多的生物除磷技术是人工湿地、厌氧/好氧工艺,后者通常与脱氮同步[21～22]。

工程实践中多数都是将氮磷的去除和有机物去除合为一体进行处理。

当畜禽养殖场地处农村,土地宽广,有滩涂、荒地、林地或低洼地时,可用作废水自然处理系统成为出水的最后净化单元。

如氧化塘是一种简单、有效而经济的废水处理方法,能有效地出去氮、磷和有机物。

人工湿地也具有较强的脱氮除磷综合能力。

但是氧化塘和人工湿地中的植物只有拿走并作为资源化利用,才能真正实现对该环境氮、磷总量的有效去除,避免第二次污染。

还有有研究采用悬浮藻和固定
藻处理鸡粪和猪粪沼液,取得较好的效果[23]。

313 卫生效果强化技术
沼气装置具有控制人畜疾病微生物传播的功能,但是如果厌氧消化中温度和水力滞留时间(HRT)控制不当,沼渣和沼液也可能成为新的病菌污染源。

丹麦能源和环境部规定了农场沼气装置的最短滞留时间(MGRT),要求高温(>52℃)HRT至
少7天,中温(20℃～52℃)HRT至少14天[24]。

严格上讲,目前我国多数的农场沼气工程发酵后出水很难达到《畜禽养殖业污染物排放标准GB18596-2001》卫生要求,其原因主要是这些沼气装置多数为中常温度发酵,HRT一般较短(数小时到数天),尚不足以有效杀灭有害病菌和寄生虫卵。

丹麦已建成20座大型的集中消化系统(简称CAD),运行良好。

装置规模在2000#4000m3,中温或高温,厌氧消化工艺主要是全混合发酵和推流式发酵工艺,停留时间在12～20天,在对沼液后处理中,还包括一个巴氏灭菌高温消毒过程,以防止处理过程中病菌传播。

有研究报告采用“厌氧发酵-延时曝气活性污泥法”处理工艺并辅以投加生物制剂等措施对猪场粪污进行处理。

实验结果表明,该工艺出水蛔虫死亡率达99%,大肠杆菌为零(未检出),CODCr,BOD5,SS和NH32N的去除率分别达到96.7%,98.6%,99.5%,和99.4%的较高水平，卫生杀菌方法发展到今天技术大致分为两类:一类为加热处理,另一类为非加热处理。

传统的高温灭菌方法能耗较大、处理时间长,在粪便处理中使用此法杀菌,需要增加设备,费用也较高。

近年来,人们多致力于非加热灭菌方法的研究,并取得了一定的进展,常见方法主要有:紫外线—C、氯气、臭氧和电脉冲法[25]
4 结束语
处理养殖业沼液的最好方式是还田利用,选择沼液经好氧后处理达标排放是不得以而为之。

以环保为主要目的的厌氧消化-好氧后处理系统中,影响最后排放出水水质的环节很多,包括原水收集和前处理、厌氧消化工艺条件控制、后处理工艺条件控制等等。

已有研究表明,厌氧消化时间长短影响到沼液中BOD5/COD和BOD5/TN比值,进而影响到其可生化性。

但是单纯通过缩短厌氧消化时间来改善沼液好氧后处理的性能是不可取的,反之从发挥产沼气潜力和保证卫生效果的角度讲,必须保证必要的水力滞留时间。

近年来,人畜共患疾病如疯牛病、禽流感和血吸虫病的猖獗传播,对人类的公共健康已造成极大的危害。

如何阻断这些疾病的传播途径、建立有效的公共卫生体系,是目前亟待解决的问题,由此加强对于沼气工程卫生强化后处理措施的研究和开发应该引起足够重视。