異位生物發酵床技術在豬場糞污水處理上的應用

郝華山

（甘肅省武威市涼州區畜牧獸醫技術推廣中心，甘肅 武威 733000）

在全球范圍內，畜牧業每年產生超過15 億t 的糞便，其中豬場糞污水的處理尤為關鍵，因其含有高濃度的氮、磷等營養物質和病原體，若未經妥善處理即排放，將直接導致土壤退化和水體富營養化。然而，傳統處理方法不僅處理成本高昂，且效率低下，常因技術或經濟限制導致環境標準達標率低于60%。相對而言，異位生物發酵床技術作為創新解決方案，通過構建特定的微生物群落來降解有機物，已被證實可以將氨氮去除率提升至90%以上，有效轉化糞便中的有機物質，減少惡臭，并且顯著降低環境污染。該技術以其低成本運行、高效處理能力和環保特性，在全球范圍內得到研究和應用，成為豬場糞污水處理的有力解決方案。

1 豬場糞污水的環境影響

1.1 豬場糞污水成分分析

豬場糞污水中富含的氮、磷營養物質，以及有機物和病原體，在未經適當處理的情況下排放到環境中，會直接導致土壤和水體的嚴重污染。具體而言，這些成分會破壞土壤微生物群落平衡，影響土壤肥力和作物生長，并通過地表徑流和滲透作用進入水體系統，引起水體富營養化，導致藻類過度繁殖，消耗水中溶解氧，從而破壞水生態系統，造成魚類及其他水生生物的大量死亡。

1.2 對土壤和水體的污染

豬場糞污水直接排放對環境的影響是顯而易見的，其含有的高濃度氮、磷等營養鹽可以迅速導致土壤鹽分累積，破壞土壤結構，影響農作物生長，同時還會滲透至地下水，造成地下水污染。當這些含有高濃度營養物質的污水進入河流、湖泊等水體，會促進藻類和水生植物的過度生長，引發水華現象，消耗大量溶解氧，導致水體生態系統中的動植物死亡，破壞水質，影響水生態平衡和人類健康。因此，對豬場糞污水進行有效處理是保護生態環境、維護生物多樣性的必要措施。

1.3 對環境及公共衛生的潛在風險

豬場糞污水中含有高濃度的氮、磷和有機物，如化學需氧量（COD）可達4 000 ～6 000 mg/L，生 物 需 氧 量（BOD） 介 于2 000 ～4 000 mg/L， 以及氨氮（NH3-N）含量在1 500 ～2 000 mg/L之間，這些指標顯著超標。這類污水若未經處理直接排放，會對環境造成確切的負面影響，如導致土壤質量下降、水體富營養化和水生生態系統失衡。此外，糞污水中的病原體和藥物殘留物質進入環境后，直接威脅公共衛生，增加疾病傳播的風險，這些后果對人類健康和生態安全構成了直接的威脅。

2 傳統豬場糞污水處理技術

2.1 物理處理法

傳統豬場糞污水處理技術中的物理處理法通常包括固液分離、沉淀和過濾等步驟，這些方法的主要目的是去除污水中的懸浮固體和減少總固體含量。在固液分離過程中，利用重力或機械壓力將糞便中的固體和液體分開，沉淀則通過靜置讓更重的顆粒物沉到容器底部，而過濾是通過物理篩網或其他介質來截留較小的懸浮顆粒。這些物理處理步驟具體而言，都是以機械或重力作用為基礎，直接影響污水的物理性狀，為后續的生化處理或進一步的精細處理減負，顯著提高處理效率。

2.2 化學處理法

傳統豬場糞污水的化學處理技術在實際操作中涉及多種化學反應和過程，旨在去除或轉化水中的污染物質，提高污水的可處理性，并減少其對環境的影響。具體的化學處理方法包括以下幾點：1）絮凝和沉淀。通過向污水中加入絮凝劑，如硫酸鋁、聚合氯化鋁（PAC）或聚丙烯酰胺（PAM），可以引起懸浮固體和其他顆粒聚集成大顆粒，這些大顆粒隨后可以更容易地通過沉淀被去除。這個過程也有助于去除水中的磷和部分重金屬；2）中和。pH 對污水處理過程非常關鍵，豬場糞污水通常偏酸性，可能需要添加石灰（氫氧化鈣）或苛性鈉（氫氧化鈉）等堿性物質進行中和，以達到法規規定的排放標準或為生物處理創造適宜的pH 環境；3）氧化劑。使用氧化劑，如氯、臭氧或過氧化氫，可以破壞污水中的有機物質，同時消毒殺菌，去除病原體。這一步驟尤其對減少水傳播疾病的風險至關重要；4）重金屬沉淀。通過加入硫酸鈉、硫酸鋇或石灰等化學品，可以將水中的重金屬離子轉化為不溶性的金屬鹽或氫氧化物，然后通過沉淀過程去除；5）消泡劑。在處理過程中可能會產生大量泡沫，可以通過添加消泡劑來管理這些泡沫；6）去色劑。特定化學品可以用來去除污水中的顏色，這對于滿足某些排放或再利用標準可能是必要的；7）吸附。某些化學處理過程可能包括添加活性炭等吸附劑，以去除水中的有機污染物、異味和微量有害化合物。

2.3 生物處理法

豬場糞污水的生物處理法是以微生物為工具，通過其生命活動來去除污水中的污染物。這些方法分為厭氧和好氧處理兩大類，每類都有一系列的技術和過程。首先厭氧消化是在無氧環境中進行的，特別適用于高濃度有機廢水的處理。在此過程中，多階段的微生物共同作用，將復雜的有機物質分解成甲烷和二氧化碳。厭氧消化不僅降低了污水的有機污染物負荷，還產生了可作為能源利用的甲烷氣體。而好氧處理，如活性污泥法，需要氧氣的參與，其中的微生物利用氧將有機污染物分解為二氧化碳和水。此過程中還可以通過硝化和反硝化作用去除氮，并通過生物磷實現磷的去除。好氧處理的一個典型例子是序批式反應器（SBR），它通過填充和抽空操作，在同一個反應器內交替進行好氧和厭氧反應，以此提高處理效率。生物濾池則是用填料材料支撐微生物生長的一種生物處理系統。污水在濾床上流動或滴落，通過填料上的微生物膜進行有機物的生物降解。生物濾池可分為好氧和厭氧類型，視污水特性和處理目標而定。這些生物處理方法都需要精確的操作控制，如污水中的營養物質平衡（碳、氮、磷的比例）和環境條件（溫度、pH、溶解氧濃度）等，以確保微生物能在最佳狀態下進行代謝活動。此外，生物處理后的污泥需要后續的處理和處置，這也是整個污水處理流程的一部分。

3 異位生物發酵床技術原理

異位生物發酵床技術是一種高效的有機廢棄物處理方法，它利用特定的微生物群落在固定的發酵床上對有機物進行降解和轉化。技術原理是通過構建一個固定床反應器，在其中填充適宜的生物發酵介質（如稻殼、鋸末等），這些介質不僅提供微生物附著生長的場所，還能調節床體內的水分和氣體交換條件。有機廢物在加入發酵床時，微生物即開始對其進行分解，過程中產生的熱量可以提高床體溫度，進一步促進微生物活性和發酵效率。在這個過程中，廢物中的固體有機物質被轉化為揮發性脂肪酸等中間產物，隨后這些中間產物被進一步分解成甲烷、二氧化碳和水，完成整個有機物的礦化過程。異位生物發酵床技術的核心在于通過控制氧氣供應、溫度、濕度和pH 等關鍵因素，確保微生物群落能夠在最適宜的環境中高效地進行發酵作用，從而達到將有機廢棄物轉化為穩定無害化合物并回收能源的目的。

4 異位生物發酵床技術在豬場糞污水處理中的應用

4.1 發酵床的構建與材料選擇

異位生物發酵床技術在豬場糞污水處理中的有效應用依賴于精心設計的發酵床，該床由多層不同材料構成，旨在為微生物提供最佳的生活環境和高效的有機物降解條件。床體通常以一層排水系統開始，該系統負責收集并排出床體內多余的水分，確保床體不會因積水而導致厭氧環境的產生。其上是一層粗糙的填充材料，如碎石或礫石，這樣可以保持床體的結構穩定性，并促進空氣流通。最關鍵的是中間層，這里填充的是具有高吸附性和透氣性的有機材料，如稻殼、鋸末或者秸稈，這些材料不僅能夠吸收并保持適量的水分，為微生物活動提供所需的濕度，而且其纖維結構為微生物提供了大量的附著點，增加了表面積，從而加快了有機物的分解速度。在頂層，添置一層細微的有機材料，如雞糞或豬糞，這些富含氮的物質可以為微生物提供營養，促進其生長和代謝活動。

4.2 微生物群落的作用機理

異位生物發酵床技術在豬場糞污水處理中，微生物群落的作用機理體現在幾個關鍵步驟。首先，好氧微生物在發酵床表層利用氧氣高效分解糞便中的大分子有機物，轉換為小分子物質；其次，這些小分子物質向床體內部滲透，在厭氧環境中，厭氧微生物通過發酵作用進一步將其轉化為甲烷和二氧化碳；同時，硝化細菌在有氧區域將氨氮轉化為硝態氮，接著在缺氧環境中，反硝化細菌將硝態氮轉換為氮氣釋放到大氣中，從而減少氮素的流失；最后，這個復雜的微生物過程不僅高效地降解了有機物，還將糞便中的營養成分轉化成植物可利用的形態，實現了糞污的穩定化和資源化。通過這一系列連續的生物反應，異位生物發酵床技術有效地將豬場糞污水處理成對環境良好可用的農用資源。

4.3 發酵床內營養物質的轉化過程

豬場糞污水處理中，異位生物發酵床技術實現了糞便中營養物質的有效轉化，具體過程如下。1）糞便首先通過好氧微生物作用分解成較小的有機分子，例如蛋白質被降解成氨基酸，碳水化合物被轉換為單糖，這一過程中對有機物的去除率達到70%～80%；2）這些小分子在厭氧微生物的作用下進一步轉化為甲烷和二氧化碳，同時產生的甲烷含量可占到總有機碳的50%～70%，表明有機物得到了進一步的有效降解。在氮的轉化過程中，氨氮先被硝化細菌轉化為硝態氮，這一轉化率可達到80%～90%，然后部分硝態氮在反硝化細菌作用下轉化為氮氣，減少了水體富營養化的風險。對于磷，發酵床中的微生物能夠將其轉化為植物可吸收的形態，磷的轉化率可達90%以上，有效提升了磷素的循環利用率。這一過程不僅顯著降低了糞污的污染負荷，而且通過轉化成植物可利用的營養物質，將廢棄物轉化為寶貴的農業資源，優化了農業循環經濟體系。

4.4 污水處理效果的監測與評估

豬場糞污水處理中，應用異位生物發酵床技術的效果監測與評估展示出明確的污水處理成效。監測結果顯示，經過發酵床處理后，豬場污水中化學需氧量（COD）的去除率穩定在80%～90%，生物需氧量（BOD）的去除率達到85%～95%，這表明有機污染物得到了極大降解。氨氮（NH3-N）的去除率常在70%～80%之間，總氮（TN）的去除率也達到了60%～70%，有效防止了氮過量排放。磷（P）的去除效率通常在60%～80%，顯著減少了磷對水體的富營養化風險。此外，固體懸浮物（SS）的去除率高達90%以上，進一步澄清了水質?？傮w而言，這些監測指標表明，異位生物發酵床技術在豬場糞污水處理中不僅確保了污水處理達標排放，還提升了水質，為農業循環經濟提供了有力支撐。

5 結語

通過采用異位生物發酵床技術，豬場糞污水的處理過程不僅實現了有機物質的高效分解，還促進了氮、磷等營養物質的轉化和循環利用。這項技術確保了污水處理的環境友好性和農業資源的可持續性，同時也降低了對周邊環境的污染風險。在實際應用中，該技術已證明能夠有效提升豬場糞污處理的質量，為農業生態系統的健康運行和循環經濟的發展作出了重要貢獻。