沼液的生態(tài)處理研究進(jìn)展

陳 斌，張妙仙，單勝道

(浙江林學(xué)院 環(huán)境科技學(xué)院，浙江 臨安 311300)

畜牧業(yè)是中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，但其排放的大量廢棄物會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)境污染，尤其是畜牧養(yǎng)殖廢水污染物加劇了我國(guó)水資源短缺的矛盾，嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，厭氧消化技術(shù)已成為減少畜禽糞便污染的主要途徑之一，雖然厭氧消化可以去除高濃度有機(jī)廢水的大量可溶性有機(jī)物 (去除率達(dá) 85% ～90%)［1］，但厭氧消化液(沼液)中仍然含有相當(dāng)數(shù)量的有機(jī)污染物，屬高濃度有機(jī)廢水，若不妥善處理仍會(huì)造成大的環(huán)境污染。

1 沼液的營(yíng)養(yǎng)特性

沼液是經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后的殘留液體［2］，仍屬高濃度有機(jī)廢水，它主要包括發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)、無(wú)機(jī)鹽類，如銨鹽、鉀鹽、磷酸鹽等可溶性物質(zhì)，其總固體含量小于1%［3］。沼液含有豐富的氮(0.03% ～0.08%)、磷 (0.02% ～0.07%)、鉀(0.05%～1.40%)等大量營(yíng)養(yǎng)元素和鈣、銅、鐵、鋅、錳等中、微量營(yíng)養(yǎng)元素，還含有豐富的氨基酸、B族維生素、各種水解酶、某些植物激素以及對(duì)病蟲害有抑制作用的物質(zhì)或因子［4－5］。其中COD 達(dá) 600～1 500 mg·L－1、氨氮 600～1 200 mg·L－1、全氮1 000 ～1 800 mg·L－1、濁度 150 ～300 NTU、電導(dǎo)率 >6 000 μS·cm－1。如果沼液未經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中，必將造成極大危害。

2 沼液的處理與利用現(xiàn)狀

目前，沼液的處理與利用尚缺乏規(guī)范化的管理，除了因地制宜利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源外，還需綜合考慮當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平和地域特點(diǎn)。如不合理地處理和利用沼液，就會(huì)造成二次污染。

2.1 處理

沼液處理技術(shù)可分為2大類:一是好氧微生物處理法，二是自然生物處理法。好氧處理法包括活性污泥法、生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤接觸氧化法和間歇式活性污泥法等。好氧處理法具有處理能力強(qiáng)、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。但其工藝構(gòu)筑物復(fù)雜、機(jī)械設(shè)備多、維護(hù)工作量大、投資大、能耗高、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，規(guī)模小的養(yǎng)殖場(chǎng)難以承受，與我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不相適應(yīng)。

自然生物處理法主要包括:生物塘法和人工濕地處理。生物塘法具有運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便、高效除污等優(yōu)點(diǎn)，能有效去除有機(jī)污染物、病菌和病毒，同時(shí)通過(guò)種植水生植物、養(yǎng)鴨和魚蝦貝類等實(shí)現(xiàn)污水資源化［6］。生物塘技術(shù)符合我國(guó)國(guó)情，但還存在諸多問(wèn)題，包括生物塘結(jié)構(gòu)不合理、凈化負(fù)荷低、普遍存在淤積問(wèn)題等。濕地處理法具有建造及運(yùn)行成本低、出水水質(zhì)好、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，選擇合適的植物品種還有美化環(huán)境的作用，是適合養(yǎng)殖廢水特點(diǎn)和我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀的廢水處理新技術(shù)，尤其適用于解決我國(guó)生態(tài)型新農(nóng)村建設(shè)面臨的水環(huán)境問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景［7］。但其占地面積大，在土地稀缺的地方，難以實(shí)際應(yīng)用。

2.2 利用

沼液利用也可以看作為沼液的一種處理技術(shù)。主要包括:沼液浸種、葉面噴施、沼液無(wú)土栽培、沼液養(yǎng)豬、沼液養(yǎng)魚等。

沼液浸種。就是利用沼液所含的生物活性物質(zhì)和速效養(yǎng)分，對(duì)種子進(jìn)行預(yù)處理。它不僅可以提高種子的發(fā)芽率和成苗率，還可增強(qiáng)秧苗的抗旱、抗病及抗逆性能。

沼液葉面噴施。沼液所含的厭氧微生物的代謝產(chǎn)物，特別是銅鐵鋅錳等微量元素以及多種生物活性物質(zhì)，能迅速被植株吸收，有效調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)代謝，為作物提供營(yíng)養(yǎng)，還可抑制某些病蟲害。

蔬菜水培。湖南省農(nóng)科院經(jīng)過(guò)兩年的試驗(yàn)，用沼液做營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行蔬菜水培，獲得較好效果。由于發(fā)酵液的營(yíng)養(yǎng)成分隨發(fā)酵原料的不同而異，因此在使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)發(fā)酵液的營(yíng)養(yǎng)成分分析結(jié)果，結(jié)合蔬菜的營(yíng)養(yǎng)需求，補(bǔ)充適量的營(yíng)養(yǎng)元素，最后用98%磷酸調(diào)節(jié)pH到微酸性才能使用。

沼液養(yǎng)豬。人畜糞便經(jīng)沼氣發(fā)酵之后，其中的粗蛋白、粗纖維和脂肪在厭氧環(huán)境中，經(jīng)微生物分解發(fā)酵，粗纖維分解成葡萄糖，粗蛋白分解成氨基酸，再加上其它的微量元素以及B族維生素等都可成為豬生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。

沼液養(yǎng)魚。我國(guó)使用新鮮的有機(jī)肥養(yǎng)魚有悠久歷史，然而新鮮有機(jī)肥含有許多病原微生物，有機(jī)肥在轉(zhuǎn)變過(guò)程中，會(huì)大量消耗溶氧，造成氧氣不足。如果在施用之前有機(jī)肥先經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵，利用發(fā)酵后的沼液喂魚，就能取得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

3 污水的生態(tài)處理技術(shù)

污水生態(tài)處理技術(shù)是將污水有控制投配到生態(tài)系統(tǒng)中，利用土壤、植物 (動(dòng)物)、微生物復(fù)合系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物學(xué)和生物化學(xué)特征對(duì)污水中的水、肥資源加以利用，對(duì)污水中的可降解污染物進(jìn)行凈化，基于循環(huán)再生、和諧共存、整體優(yōu)化和區(qū)域分異的生態(tài)學(xué)原理的生態(tài)處理技術(shù)［8］。

目前污水生態(tài)處理工藝主要包括:污水土地處理系統(tǒng)、生態(tài)塘處理系統(tǒng)、蚯蚓濾池處理系統(tǒng)等。這些處理工藝主要利用天然能源，通過(guò)污染物質(zhì)在食物鏈中的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化達(dá)到去除的目的，具有建設(shè)管理費(fèi)用低、節(jié)約能耗等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 污水土地處理系統(tǒng)

污水土地處理系統(tǒng)由土壤 (介質(zhì))、植物、土壤-植物環(huán)境中的微生物組成，以土壤介質(zhì)的凈化功能為核心，強(qiáng)調(diào)在污水污染成分處理過(guò)程中修復(fù)植物-微生物體系與處理環(huán)境或介質(zhì) (如土壤)的相互關(guān)系，特別注意對(duì)環(huán)境因子的優(yōu)化與調(diào)控。土地處理系統(tǒng)包括慢滲生態(tài)處理系統(tǒng)、快滲生態(tài)處理系統(tǒng)、地表漫流生態(tài)處理系統(tǒng)、污水濕地生態(tài)處理系統(tǒng)、地下滲濾生態(tài)處理系統(tǒng)，其中污水濕地生態(tài)處理系統(tǒng)又稱人工濕地，目前研究最為深入、應(yīng)用最廣泛。土地處理系統(tǒng)造價(jià)低，處理效果佳，其工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用僅為傳統(tǒng)工藝的10% ～50%［9］。

以人工濕地處理系統(tǒng)為例，土地生態(tài)處理系統(tǒng)對(duì)污水的凈化機(jī)理如下:系統(tǒng)中的填料 (介質(zhì))具有巨大的比表面積，易形成生物膜，污水流經(jīng)顆粒表面時(shí)，其中的污染物質(zhì)通過(guò)沉淀、過(guò)濾、吸附作用而被截留。

土地處理系統(tǒng)的局限性主要有: (1)占地面積較大，占地面積是傳統(tǒng)二級(jí)生物處理法的2～3倍;(2)污水會(huì)堵塞處理系統(tǒng)，使透水性變差;(3)底部需要設(shè)隔水層，一旦隔水層遭到破損，污水會(huì)滲入自然土壤中，污染地下水體; (4)污水會(huì)產(chǎn)生短流或在過(guò)水?dāng)嗝嫔戏植疾痪鶆? (5)寒冷地區(qū)易受冰凍影響，熱帶地區(qū)易產(chǎn)生瘧疾等病原體;(6)國(guó)內(nèi)的研究應(yīng)用尚處于起步階段，工藝設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)用實(shí)例較少，技術(shù)上有待進(jìn)一步探索。

3.2 生態(tài)塘處理系統(tǒng)

生態(tài)塘系統(tǒng)通過(guò)塘內(nèi)種植水生作物，進(jìn)行水產(chǎn)和水禽養(yǎng)殖，建立人工生態(tài)系統(tǒng)，以太陽(yáng)能為初始能源，將污水中的有機(jī)污染物降解和轉(zhuǎn)化［10］。生態(tài)塘處理系統(tǒng)包括厭氧塘、兼性塘、好氧塘等，本身既是污水處理單元又是利用單元，不僅可以去除污染物，而且以水生作物、水產(chǎn)的形式作為資源回收，在污水處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污水的資源化利用，可將原來(lái)荒廢土地變?yōu)榱继铮缗禾铩⒌咎铩⒉颂铩Ⅳ~塘、蟹場(chǎng)等于一體的現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)基地和游覽勝地。生態(tài)塘處理系統(tǒng)能夠有效處理生活污水及有機(jī)工業(yè)廢水，對(duì)有機(jī)物和病原體有很好的去除效果。

生態(tài)塘系統(tǒng)中對(duì)凈化污水的機(jī)理不同。厭氧塘中大部分有機(jī)物質(zhì)和部分難降解物質(zhì)被兼性厭氧產(chǎn)酸菌分解成低分子有機(jī)物如有機(jī)酸類，部分污染物質(zhì)被徹底降解為 CH4、CO2、NH3等。兼性塘主要由細(xì)菌和藻類組成，并存在一定數(shù)量的原生動(dòng)物和后生動(dòng)物。簡(jiǎn)單有機(jī)物質(zhì)在細(xì)菌的作用下進(jìn)行好氧和厭氧作用，逐漸被降解、同化和轉(zhuǎn)化。好氧生態(tài)塘是由分解者、生產(chǎn)者和消費(fèi)者構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，建立菌、藻→浮游動(dòng)物→魚→鴨，藻→貝、螺，水草→鵝、鴨等各種食物鏈，形成一個(gè)十分復(fù)雜的食物網(wǎng)，各自形成獨(dú)特的物理化學(xué)和生物環(huán)境，大大增加了系統(tǒng)的生物多樣性。被細(xì)菌和真菌降解凈化的最終產(chǎn)物——無(wú)機(jī)化合物作為碳源、氮源和磷源，參與食物網(wǎng)中的新陳代謝過(guò)程，并從低營(yíng)養(yǎng)級(jí)到高營(yíng)養(yǎng)級(jí)逐級(jí)遷移轉(zhuǎn)化，最后轉(zhuǎn)變成水生作物、魚、蝦、蚌、鵝、鴨等產(chǎn)物。

生態(tài)塘處理系統(tǒng)的應(yīng)用局限性是: (1)占地面積大，適合在有大面積荒地的地區(qū)推廣; (2)易出現(xiàn)短流現(xiàn)象，導(dǎo)致實(shí)際水力停留時(shí)間小于設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間; (3)溫度較高時(shí)，易產(chǎn)生臭氣，孳生蚊蟲干擾居民生活，故而應(yīng)遠(yuǎn)離居民生活區(qū);(4)對(duì)氮磷的去除效果不穩(wěn)定。如果與其它工藝相結(jié)合，采用可調(diào)節(jié)的人工強(qiáng)化除氮磷方法，可以解決這一不足。

3.3 蚯蚓微生物濾池系統(tǒng)

蚯蚓生態(tài)濾池是濾床中建立的人工生態(tài)系統(tǒng)，由濾床填料、蚯蚓及布水系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)利用蚯蚓和微生物的協(xié)同作用對(duì)污水中各種形態(tài)的污染物質(zhì)進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)化。污水中的生物膜污泥和微生物通過(guò)食物鏈最終被有效地轉(zhuǎn)化為蚯蚓的增殖及其排泄物，而蚯蚓的機(jī)體及其排泄物又可成為其它微生物的分解利用對(duì)象，從而進(jìn)行新一輪的生態(tài)循環(huán)［11］。它既可高效、低能耗地去除城鎮(zhèn)污水中的污染物質(zhì)，又可避免剩余污泥等二次污染物的產(chǎn)生，是一種全新概念的污水處理工藝。

處理效果好。將蚯蚓引入傳統(tǒng)生物濾池不僅解決了濾床容易堵塞的問(wèn)題，而且有利于污水和污泥的分解和吸收，從而提高濾床的有機(jī)處理負(fù)荷。經(jīng)比較該系統(tǒng)的出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)二級(jí)活性污泥法。蚯蚓的存在，還可消滅飛蠅蟲卵和病原菌，改善環(huán)境衛(wèi)生狀況。

物耗、能耗低。蚯蚓生態(tài)濾池處理污水的工藝流程簡(jiǎn)單，大幅度簡(jiǎn)化了污水處理流程，而且不需要復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備和投加任何化學(xué)藥劑，運(yùn)行管理和設(shè)備維修十分方便。

廢物的零排放。實(shí)現(xiàn)剩余污泥零排放，杜絕二次污染，其環(huán)境影響遠(yuǎn)小于活性污泥法以及其它二級(jí)生物處理工藝。

污水處理的資源化。在蚯蚓生態(tài)濾池中，廢水中的固體懸浮物和增殖的微生物被小粒徑填料截留和吸附，成為蚯蚓的食物，一部分吸收后轉(zhuǎn)化為蚓糞。蚯蚓具有重要的飼用、食用和藥用價(jià)值，系統(tǒng)繁殖的蚯蚓可作為畜禽和魚類的高蛋白飼料;蚓糞含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，可作為農(nóng)肥或園藝肥料。

4 小結(jié)

沼液的速效營(yíng)養(yǎng)豐富，養(yǎng)分利用率高，能有效地被作物吸收利用，它含有豐富的可溶性無(wú)機(jī)鹽類，還含有厭氧發(fā)酵的生化產(chǎn)物，具有營(yíng)養(yǎng)、抑菌、刺激、抗逆等功效。不過(guò)沼液利用尚缺乏規(guī)范化和程序化的管理，沼液利用不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的二次污染。污水生態(tài)處理具有投資費(fèi)用低、節(jié)能、運(yùn)行和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，且環(huán)境友好，基本上不涉及化學(xué)能的投入和化學(xué)品的消耗。如果將污水的生態(tài)處理應(yīng)用在沼液處理上，就可提高沼液的處理與回收利用水平，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展。

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