畜禽糞污厭氧消化液自然處理模式技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

鄭 丹， 王 芳， 符 婧， 伍高輝， 劉 刈， 王 蘭， 張?jiān)萍t， 鄧良偉

(1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所，成都 610041； 2．中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院， 成都 610021； 3．崇州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，成都 611230； 4．中國(guó)航空油料集團(tuán)有限公司， 北京 100088)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，近20年來(lái)，畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖得到了快速發(fā)展。但是，規(guī)模化養(yǎng)殖發(fā)展所帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，在一些地區(qū)，過(guò)度集中的畜禽糞尿污染已經(jīng)成為制約規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)持續(xù)健康發(fā)展的主要因素[1-2]。2017年2月發(fā)布的《全國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)(2015年)》數(shù)據(jù)表明，畜禽養(yǎng)殖業(yè)化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)的排放量分別為1015.5，55.2萬(wàn)噸，占農(nóng)業(yè)源排放量的95.03%，76.03%，占相應(yīng)全國(guó)總排放量的45.67%，24.01%。由畜禽養(yǎng)殖帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨突出，嚴(yán)重影響水環(huán)境及飲用水源安全，過(guò)量的畜禽糞污排放已經(jīng)成為許多地區(qū)特別是農(nóng)村的主要污染源[3]。

厭氧消化技術(shù)具有能耗低、回收能源、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，是目前畜禽糞污一級(jí)處理的主要應(yīng)用技術(shù)。但是，厭氧消化處理后產(chǎn)生的沼液需要進(jìn)一步處理利用，而“污水達(dá)標(biāo)排放”仍然是土地緊張地區(qū)畜禽糞污處理不得不面臨的選擇。厭氧消化液后處理技術(shù)主要包括工業(yè)化處理技術(shù)以及自然處理技術(shù)。工業(yè)化處理模式具有占地少、適應(yīng)性廣、不受地理位置限制以及受季節(jié)溫度變化影響相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是成本高：投資大，萬(wàn)頭豬場(chǎng)的糞污處理投資約120～150萬(wàn)元；能耗高，處理1 m3污水，耗電2～4 kWh；運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，處理1 m3污水，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)2元左右；機(jī)械設(shè)備多，維護(hù)管理量大且運(yùn)行管理需要專門的技術(shù)人員。自然處理技術(shù)則正好相反，因其成本低廉，成為遠(yuǎn)離城市、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、土地寬廣、地價(jià)低廉、氣候溫和地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)(特別是有灘涂、荒地、林地或低洼地可作污水自然處理系統(tǒng)的養(yǎng)殖場(chǎng))糞污厭氧消化液處理的首選技術(shù)。本文主要綜述3種自然處理工藝對(duì)畜禽糞污厭氧消化液的應(yīng)用研究情況及其處理效果。

1 厭氧消化液自然處理

畜禽糞污經(jīng)過(guò)厭氧消化(沼氣發(fā)酵)處理后，產(chǎn)生的厭氧消化液主要采用穩(wěn)定塘(氧化塘)、人工濕地和砂濾系統(tǒng)等自然處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。對(duì)于使用自然處理工藝的養(yǎng)殖場(chǎng)，其飼養(yǎng)規(guī)模不能太大，對(duì)于豬場(chǎng)而言，一般年出欄在5萬(wàn)頭以下為宜，以人工清糞為主，水沖為輔，沖洗水量中等。

利用自然處理工藝處理厭氧消化液的主要原因是其處理費(fèi)用較低，重點(diǎn)體現(xiàn)在：運(yùn)行管理費(fèi)用低，投資省、能耗少；污泥產(chǎn)生量少，不需要復(fù)雜的污泥處理系統(tǒng)；操作簡(jiǎn)單、管理方便，并且對(duì)周圍環(huán)境影響小、無(wú)噪音。雖然厭氧消化液的自然處理是一種較經(jīng)濟(jì)的污水處理方法，但在具體操作時(shí)自然處理系統(tǒng)也存在諸多問(wèn)題：占地面積大且水力停留時(shí)間長(zhǎng)，在土地資源緊張的地區(qū)應(yīng)用受限；系統(tǒng)處理效果受季節(jié)氣候變化的影響大，低溫(冬季)效果較差；有污染地下水的可能。

1.1 厭氧消化液自然處理的工藝類型

1.1.1 穩(wěn)定塘(氧化塘)

穩(wěn)定塘(Stabilization Pond, SP)是一種利用天然或人工修整的池塘，依靠菌藻的共同作用對(duì)污水進(jìn)行處理的構(gòu)筑物。在穩(wěn)定塘處理污水的過(guò)程中，溶解氧在有機(jī)污染物的分解中起著決定性的作用。大氣復(fù)氧以及藻類光合作用產(chǎn)生的氧是穩(wěn)定塘系統(tǒng)中氧的主要來(lái)源[4]。在穩(wěn)定塘中，有機(jī)廢水停留的時(shí)間較長(zhǎng)，其污染物可通過(guò)水中微生物的代謝活動(dòng)而被降解[2]。多數(shù)情況下，穩(wěn)定塘只是作為人工濕地的預(yù)處理單元，廢水經(jīng)穩(wěn)定塘處理后，有機(jī)污染物濃度降低，溶解氧含量增加。

穩(wěn)定塘經(jīng)常用于畜禽糞污厭氧處理系統(tǒng)出水的后處理。在工藝設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)定塘可實(shí)現(xiàn)厭氧消化液達(dá)標(biāo)處理排放。如廣東某規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)采用“沼氣池(或厭氧池)+兼性塘+氧化塘(或魚塘)”工藝處理豬場(chǎng)廢水，最終出水COD，BOD5，SS，TP，NH3-N的去除率均達(dá)到90%以上，出水水質(zhì)為：COD 103 mg·L-1，BOD532 mg·L-1，SS 54 mg·L-1，TP 9.26 mg·L-1，NH3-N 36.6 mg·L-1；除總磷以外，其余指標(biāo)均達(dá)到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)的要求[5]。

穩(wěn)定塘的組合工藝也有廣泛的研究報(bào)道，而對(duì)于如何組合可以獲得好的污水處理效果則需要更多的考慮。Espinosa[8]等在評(píng)估了388個(gè)穩(wěn)定塘工程的運(yùn)行效果后得出，兼性塘以及兼性塘+熟化塘組合工藝普遍表現(xiàn)出最低的污染物去除效率，而好氧塘+兼性塘/熟化塘、厭氧反應(yīng)器+兼性塘、厭氧反應(yīng)器+熟化塘工藝則表現(xiàn)出相對(duì)較高的污染物去除率，并且指出在今后的研究中應(yīng)該更多的關(guān)注穩(wěn)定塘工藝的設(shè)計(jì)、運(yùn)行以及環(huán)境影響因素[8]。

目前，對(duì)于穩(wěn)定塘的廢水處理機(jī)理研究已有大量的研究報(bào)道，也建立了諸多的機(jī)理模型。穩(wěn)定塘中廢水處理機(jī)理也在各種氣候及當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下得到了驗(yàn)證，但是穩(wěn)定塘作為一種污水的自然處理技術(shù)，也很容易受到環(huán)境和生態(tài)氣候條件等諸多因素的影響。Ochoa[9]等在利用全局敏感度分析穩(wěn)定塘系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)模型多達(dá)72個(gè)狀態(tài)變量，其中包含有20個(gè)不確定參數(shù)，最后經(jīng)過(guò)分析得出：溫度系數(shù)是穩(wěn)定塘系統(tǒng)的最主要影響參數(shù)，其次是異養(yǎng)細(xì)菌的生產(chǎn)系數(shù)，以及兼性塘不同層間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移系數(shù)。Ho[10]等指出，隨著穩(wěn)定塘用于廢水處理規(guī)模的增大以及日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，在工程應(yīng)用中，以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法因其較低水平的設(shè)計(jì)要求以及運(yùn)行效果的較大波動(dòng)和不確定性已不再適用。因此，建議在今后的穩(wěn)定塘設(shè)計(jì)中，將不確定性的輸入和參數(shù)納入考慮，通過(guò)概率量化模型的不確定性輸出，可以得到更加科學(xué)可靠的設(shè)計(jì)。同樣地，Keh[11]等通過(guò)對(duì)比6種不同的穩(wěn)定塘工藝設(shè)計(jì)方法后，也建議在穩(wěn)定塘的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮非確定性的隨機(jī)模擬方法，尤其是穩(wěn)定塘復(fù)合/組合工藝的設(shè)計(jì)中。

1.1.2 人工濕地

人工濕地(Constructed Wetlands, CWs)處理技術(shù)是20世紀(jì)70年代末發(fā)展起來(lái)的一種廢水處理技術(shù)，人工濕地按流動(dòng)方式可分為表面流濕地(FWSCW)、潛流濕地(SSFCW)，其中潛流濕地又分為水平潛流(HSSFCW)和垂直潛流(VSSFCW)人工濕地。人工濕地主要通過(guò)自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用來(lái)進(jìn)行污水凈化，利用吸附、沉淀、微生物作用以及植物吸收等途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中有機(jī)物、氮、磷、懸浮物和重金屬等物質(zhì)的去除，具有處理效果好，脫氮除磷能力強(qiáng)，費(fèi)用低以及負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[12-13]。

人工濕地處理系統(tǒng)在厭氧消化液的處理過(guò)程中表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，因?yàn)樵撓到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)廢水中的氮、磷、懸浮物以及有機(jī)物的同時(shí)去除。Lee[14]等進(jìn)行了潛流人工濕地(SSFCW)處理豬場(chǎng)廢水厭氧發(fā)酵出水的研究，結(jié)果表明：SS，COD，TN，TP的平均去除率分別為96%～99%，77%～84%，10%～24%，47%～59%。De Los Reyes[15]等開展了表面流(FWS)人工濕地處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的氮行為研究，結(jié)果表明在進(jìn)水氮負(fù)荷為2.0～30.2 kg TN·ha-1d-1范圍時(shí)，TN的平均去除率為54.8%，最大去除率能達(dá)到71.7%。

在人工濕地處理系統(tǒng)中，基質(zhì)是起主要作用的載體，土壤、礫石、砂、爐渣、活性炭與沸石等都可以用作人工濕地系統(tǒng)的基質(zhì)[18]。基質(zhì)上會(huì)生長(zhǎng)生物膜，在植物近根區(qū)有氧條件下合成新的微生物，并將部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳，凈化水質(zhì)。另外，人工濕地碎石床具有過(guò)濾去除SS的效果，對(duì)于富含懸浮物的養(yǎng)殖場(chǎng)廢水處理更加具有針對(duì)性[19]。Kizito[20]等將生物炭添加到垂直潛流人工濕地中，以達(dá)到提高厭氧消化液中污染物去除效率的目的；對(duì)比研究?jī)煞N不同的生物炭以及普通砂礫添加對(duì)豬場(chǎng)糞水厭氧消化液的處理效果，結(jié)果表明，玉米芯和木材生物炭添加對(duì)有機(jī)物、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為59%，76%，37%，71%，而砂礫對(duì)以上污染物的去除率僅為22%～49%。另外，人工濕地處理系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題是堵塞，而引起堵塞的主要原因是懸浮物。因此，人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)入水水質(zhì)有一定的要求，過(guò)高的懸浮物或有機(jī)物濃度很可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。

我國(guó)在人工濕地處理養(yǎng)殖廢水方面進(jìn)行的一些實(shí)驗(yàn)研究，主要著眼于植物篩選和處理效果的考察[17]，而在氧化塘以及人工濕地處理養(yǎng)殖廢水的設(shè)計(jì)中，一般參照氧化塘或人工濕地處理其他污水的資料作為設(shè)計(jì)依據(jù)或者隨意設(shè)計(jì)，但針對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水，氧化塘、人工濕地究竟需要多大面積才能使出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，季節(jié)溫度變化對(duì)自然處理系統(tǒng)效果的影響等方面尚缺乏深入研究和規(guī)范可依。

1.1.3 人工砂濾系統(tǒng)

人工砂濾系統(tǒng)是由傳統(tǒng)快速滲濾系統(tǒng)(Rapid Infiltration, RI)發(fā)展而來(lái)的，它采用滲透性能較好又具有一定陽(yáng)離子交換容量的天然河砂作為滲濾介質(zhì)，將系統(tǒng)進(jìn)水投配到砂濾系統(tǒng)的表面，使其在向下滲透的過(guò)程中經(jīng)歷不同的物理、化學(xué)和生物作用，最終達(dá)到凈化水質(zhì)的目標(biāo)[21]。作為土地處理系統(tǒng)的一種，砂濾系統(tǒng)水力負(fù)荷較高，占地面積減小，用于營(yíng)建的場(chǎng)地條件容易滿足，且出水可以通過(guò)集水管網(wǎng)回收利用，其實(shí)際工程在丹麥、瑞士、法國(guó)應(yīng)用較多。人工砂濾系統(tǒng)對(duì)污染物的去除機(jī)理目前尚不完全清楚，但學(xué)者普遍認(rèn)為它是在過(guò)濾截留、吸附和微生物降解的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的去除[22]。其中，SS，COD和BOD的去除基本符合一級(jí)活塞流反應(yīng)模式；氮的去除主要是吸附和硝化-反硝化聯(lián)合作用的結(jié)果；除磷主要有吸附、生化反應(yīng)和微生物活動(dòng)等作用，而且人工砂濾系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果會(huì)依河砂的性能而定[23]。人工砂濾系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中存在的最主要問(wèn)題則是填料堵塞。發(fā)生堵塞的部位主要集中在砂濾系統(tǒng)與進(jìn)水相接觸的初始地段，而隨著深度的增加，堵塞程度將會(huì)大大降低；發(fā)生堵塞主要是由于懸浮物的截留和吸附，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)微生物膜生長(zhǎng)到一定程度時(shí)，也會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行。

由于砂濾池對(duì)進(jìn)水水質(zhì)有一定的要求，而且處理負(fù)荷較小，通常被用在廢水凈化回用的工藝中，而在厭氧消化液處理應(yīng)用中的研究報(bào)道比較有限[26]。

1.2 厭氧消化液自然處理工藝對(duì)比及組合工藝

綜上，不同的自然處理系統(tǒng)針對(duì)同一廢水都各有優(yōu)勢(shì)，而且在水力負(fù)荷、有機(jī)負(fù)荷、投資費(fèi)用上也有很大的區(qū)別。為了應(yīng)對(duì)不同畜禽養(yǎng)殖廢水的差異化和當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境以及其他條件的差異化，工程應(yīng)用中通常將不同類型的自然處理工藝進(jìn)行組合優(yōu)化。實(shí)踐應(yīng)用中，常在人工濕地系統(tǒng)中設(shè)置好氧穩(wěn)定塘來(lái)增加廢水中氧的濃度，從而提高人工濕地的硝化效率，主要原因是穩(wěn)定塘的復(fù)氧效果要比人工濕地好。

表1 人工濕地和氧化塘處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的出水水質(zhì)比較

注:*《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)

Forbes[28]等對(duì)比研究了人工濕地-氧化塘-人工濕地組合工藝以及兩級(jí)人工濕地處理類豬場(chǎng)糞污厭氧消化液的效果，發(fā)現(xiàn)兩種工藝對(duì)總氮，TS和COD的去除并沒有明顯的差異，但是在高氮負(fù)荷率和低氮負(fù)荷率條件下，兩種工藝在氮的去除率上表現(xiàn)出明顯的差異。總體來(lái)說(shuō)，較低的進(jìn)水負(fù)荷會(huì)取得較好的運(yùn)行效果。基于氨氮負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)效益分析發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)水氮負(fù)荷相同的情況下，不論什么運(yùn)行模式下的人工濕地系統(tǒng)，其運(yùn)行效果都很相近[29]。

1.3 我國(guó)厭氧消化液自然處理工程應(yīng)用運(yùn)行效果

表2列出了采用沼氣(厭氧)-自然處理模式處理規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的處理效果以及與執(zhí)行的《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)的對(duì)比結(jié)果。此次調(diào)研考察的97個(gè)規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污處理沼氣工程，遍布遼寧、河北、甘肅、河南、安徽、湖北、山東、江西、淅江、上海、四川、重慶、廣東、廣西、福建等15個(gè)省(市)。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，共有22個(gè)沼氣工程在厭氧消化后采用自然處理模式處理厭氧消化液，自然處理模式的使用率為22.7%。而在采用自然處理模式處理厭氧消化液的這22個(gè)工程項(xiàng)目中均建設(shè)有氧化塘，建設(shè)有人工濕地的為9處，建設(shè)有人工砂濾系統(tǒng)的僅1處。

表2 沼氣(厭氧)-自然處理模式處理規(guī)模化養(yǎng)殖場(chǎng)糞污的處理效果 (mg·L-1)

在這22個(gè)自然處理工程中，有12個(gè)工程對(duì)處理后的污染物指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試分析，處理效果見表2。在測(cè)試的12個(gè)工程中，處理后的厭氧消化液污染物指標(biāo)全部達(dá)到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)的有8處，達(dá)標(biāo)率為66.7%。在剩余4處厭氧消化液處理未達(dá)標(biāo)的工程中，有2處是COD，NH3-N均不達(dá)標(biāo)，1處是COD達(dá)標(biāo)而NH3-N未達(dá)標(biāo)，1處是NH3-N達(dá)標(biāo)而COD未達(dá)標(biāo)，其中NH3-N超標(biāo)較多。12個(gè)工程的出水SS和BOD5均達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)論

厭氧消化液自然處理工藝的處理效果受到諸多因素的影響，各個(gè)處理工藝又包含了復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物反應(yīng)，因此，針對(duì)不同特性的厭氧消化液，其處理工藝系統(tǒng)也不盡相同。在研究和應(yīng)用相關(guān)工藝時(shí)，需要考慮更多的非確定因素，針對(duì)特定或主要污染物的去除并結(jié)合不同工藝的特點(diǎn)，對(duì)不同工藝類型進(jìn)行組合應(yīng)用。