畜禽养殖污染防治新技术：高效厌氧处理方法

工业处理方法主要包括厌氧处理、好氧处理及厌氧—好氧处理等不同处理系统，该方法占地面积小，适用于经济发达、土地紧张的畜禽养殖区。我国绝大多数养殖场采用该方法处理粪便废水。厌氧处理的基本原理是在无氧条件下，利用多种厌氧微生物的代谢活动，将水中的大分子有机污染物水解为小分子的醇类和有机酸，最终转化为二氧化碳和甲烷（沼气的主要成分）。厌氧处理模式能耗低，有机负荷高，一般化学需氧量为5～10kg/（m³·天），高时可达50kg/（m³·天），剩余污泥少，营养需要量少，被降解的有机物种类多，能承受较大的负荷变化和水质变化，常用工艺有上流式厌氧污泥床反应器、厌氧生物滤池、完全混合式厌氧反应器、厌氧复合反应器、厌氧序批式反应器、内循环厌氧反应器等。好氧处理的基本原理是利用微生物在好氧条件下分解有机物，可降解的有机物最终被完全氧化为简单的无机物（二氧化碳和水分），同时，微生物在降解过程中合成自身细胞（活性污泥）。厌氧—好氧处理是一种三段式处理畜禽养殖废水的方法，包括固液分离段、厌氧段和好氧段。

1.厌氧处理技术

厌氧处理技术已被广泛地应用于养殖场废物处理中，厌氧技术处理过程不需要氧，不受缺氧能力的限制，反应器单位容积负荷高，具有较高的有机物负荷潜力，能使一些好氧微生物所不能降解的部分进行有机物降解，厌氧消化处理时间长，动力费用节省，运行成本低，若产生的沼气能被利用，则运行成本会进一步降低。因此，厌氧处理技术成为畜禽养殖场废水处理中不可缺少的关键技术。目前，用于处理养殖场废水的厌氧工艺很多，其中常用厌氧处理方法有：完全混合式厌氧反应器、厌氧生物滤池、上流式厌氧污泥床反应器、厌氧序批式反应器、折流式厌氧反应器和内循环厌氧反应器等。

厌氧处理属于废水生物处理技术方法，要提高厌氧处理速率和效率，除了要提供给微生物一个良好的生长环境外，保持反应器内高的污泥浓度和良好的传质效果也是关键的因素。以厌氧接触工艺为代表的第一代厌氧反应器，污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）大体相同，反应器内污泥浓度较低，处理效果差。为了达到较好的处理效果，废水在反应器内通常要停留几天到几十天。以上流式厌氧污泥床反应器工艺为代表的第二代厌氧反应器，依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用，使污泥可以在反应器中长期滞留，实现了污泥停留时间大于水力停留时间，从而提高了反应器内污泥浓度，但是反应器的传质过程并不理想，其构造如图3-31所示。要改善传质效果，最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而，高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态，使原本污泥停留时间大于水力停留时间向两个时间相等的方向转变，污泥过量流失，处理效果变差。

图3-31 上流式厌氧污泥床反应器构造图

随着生产发展与资源、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出，现有的厌氧工艺又面临着严峻的挑战，尤其是如何处理生产发展带来的大量高浓度有机废水，这使得研发技术与经济更优化的厌氧工艺非常必要。内循环厌氧反应器（简称IC）是在这一背景下产生的高效处理技术，它是20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司研发成功并推入国际废水处理工程市场的，目前已成功应用于土豆加工、啤酒和柠檬酸等废水处理中。实践证明，该技术去除有机物的能力远远超过普通厌氧处理技术（如上流式厌氧污泥床反应器），而且IC反应器容积小、投资少、占地省、运行稳定，是一种值得推广的高效厌氧处理技术。其构造如图3-32所示。利用内循环厌氧反应器（IC）处理畜禽养殖污水，可使总磷去除率为53.8%，化学需氧量去除率达80.3%，生化需氧量去除率达95.8%，固体悬浮物去除率达78%，沼气产气率达1.5～3m³/天。

图3-32 内循环厌氧反应器构造图

折流式厌氧反应器（ABR）是Bachmann和Mc Carty等人于1982年前后提出的高效厌氧反应器。该反应器运用竖向导流板在反应室内形成几个独立的反应室，每个反应室内驯化培养出与该处环境条件相适应的微生物群落，实现了分相多阶段厌氧处理。反应器以推流为主的流动形态保证系统的出水水质，对冲击负荷及进水中的有害物质具有较强的缓冲适应能力。有学者利用ABR+CASS（周期循环活性污泥法）处理养殖污水，养殖污水在ABR停留72h，BOD₅（生化需氧量）和COD_Cr（化学需氧量，采用重铬酸钾法测定）的去除率均大于80%。利用厌氧折流板反应器（ABR）处理养猪场污水，进水COD（化学需氧量）为8000～11000mg/L，出水COD去除率达65%。而利用复合式折流板反应器（HBR）处理畜禽养殖污水，对COD、铵态氮均有很好的去除效果（见彩图10）。目前，国内畜禽养殖污水处理主要采用的是UASB（上流式厌氧污泥床反应器）和USR（升流式固体厌氧反应器）厌氧工艺。近年来，我国学者对各种厌氧反应器研究较多，认为新型高效厌氧反应器对畜禽养殖污水处理有广阔的应用前景。但厌氧处理过程不能算是完全的处理，因其只去除了有机物和悬浮物，处理后出水中的溶解氧量低且氮、磷等营养物质基本没有得到有效去除，想要达到出水水质标准还需要做进一步处理。

2.好氧处理技术

好氧处理的基本原理是利用微生物在好氧条件下分解有机物，同时合成活性污泥，在好氧处理中，可生物降解的有机物最终被完全氧化为简单的无机物。好氧处理方法主要有活性污泥法、生物滤池、生物转盘、生物接触氧化、序批式活性污泥、序批式生物膜反应器及氧化沟等。为了节省篇幅，仅介绍两种好氧处理方法。

序批式活性污泥（简称SBR）工艺是基于传统的Fill-Draw（半连续式）系统改进并发展起来的一种间歇式活性污泥工艺，其在活性污泥法好氧曝气的基础上增加了闲置缺氧和沉淀过程，强化了反硝化效能，如图3-33所示。SBR具有采用间歇曝气节省了耗电量，无须单独的沉淀池和污泥回流过程，以及工艺流程简单、操作方便等优点，但同时该工艺的硝化作用易导致系统酸化，致使SBR出水pH降至6.0以下，造成反应系统不稳定。因此，采用好氧技术对畜禽养殖废水进行生物处理较多的是水解与SBR结合的工艺。这是由于SBR工艺在一个构筑物中可以完成生物降解和污泥沉淀两种作用，减少了全套二沉池和污泥回流设施，同时又能脱氮除磷，在好氧与厌氧工艺组合中得到了广泛的应用。SBR与水解方式结合处理畜禽养殖污水时，水解过程对COD_Cr有较高的去除率，SBR对总磷的去除率为74.1%，高浓度氨氮去除率达97%以上。此方法的净化效果稳定、可靠，除臭效果好，但投资大且运行成本高。此外，其他好氧处理方法也逐渐应用于畜禽养殖污水处理中，如间歇式排水延时曝气（IDEA）、循环式活性污泥系统（CASS）、间歇式循环延时曝气活性污泥法（ICEAS）等。

图3-33SBR工艺

与SBR直接处理畜禽粪污原水相比，厌氧—加原水—间歇曝气（Anarwia）工艺（见图3-34）优点突出：①Anarwia工艺通过原水的添加使反应系统具有足够的反硝化电子供体，确保了良好的硝化—反硝化效能，氨氮去除率可高达99%，出水中的氨氮含量小于10mg/L；②良好的反硝化效能将反应体系pH基本稳定在7.5以上，赋予了其良好的中性环境，避免了因过酸而带来的效能损失；③Anarwia工艺通过原水的添加使反应系统具有较好的BOD₅/COD比例，COD去除率显著提高，COD去除率高达80%以上，出水COD降至250～350mg/L。(www.xing528.com)

序批式生物膜反应器（简称SBBR）保留了SBR的优点，同时还具有自身的特点：①生物相多样化生物膜固定在填料表面，具有形成稳定生态的条件，能够栖息增殖速度慢、世代时间长的细菌和较高级的微生物，如硝化菌，它的繁殖速度要比一般的假单胞菌慢40～50倍，故用SBBR法可获得很高的脱氮能力；②微生物量高，SBBR内挂的生物膜具有较少的含水量，单位体积内的生物量有时可多达SBR的5～20倍，因此，处理构筑物具有较大的容积负荷；③剩余污泥的产量少，SBBR的生物膜上栖息着较多的高级营养水平的生物，食物链较SBR的长，剩余污泥量较SBR少；④动力消耗少，由于填料的剪切作用提高了氧的传输效率，故其动力消耗较SBR小。SBBR工艺流程如图3-35所示。

图3-34Anarwia工艺处理畜禽养殖污水流程

图3-35SBBR工艺流程

3.组合方法

组合方法是指采用好氧、厌氧和生态处理技术相结合的一种养殖废水处理技术。这种技术能以较低的处理成本取得较好的效果。

（1）SBR法SBR法采用限制性曝气，在时间上实现顺序的厌氧、好氧的交替组合，可以达到脱氮除磷的目的。它是目前我国养殖场经常使用的一种处理方法，在技术上比较成熟。但单一SBR工艺处理效果不理想，因此，SBR工艺主要与其他工艺结合，广泛用于国内各种养殖污水的处理中。湖南某养殖场选择UASB—SBR—化学混凝工艺处理畜禽养殖污水，杭州田园养殖场采用固液分离—厌氧消化—SBR好氧处理工艺处理畜禽养殖污水，均可以使出水中的氮、磷达到国家标准。以杭州灯塔养殖总场污水处理工程为例，该工程主要采用了UASB工艺及SBR工艺，出水中COD总去除率达98%，铵态氮去除率达99%以上，出水中的COD小于或等于150mg/L，铵态氮小于或等于15mg/L，出水达到《污水综合排放标准》的二级标准。

图3-36 氨吹脱—A²/O工艺流程

（2）氨吹脱—A²/O针对目前养殖污水处理工艺存在脱氮效率低且养殖污水污染物浓度普遍偏高的问题，氨吹脱—A²/O工艺在处理高浓度养殖污水方面得到关注。氨吹脱—A²/O工艺即氨吹脱—厌氧—缺氧—好氧工艺，属于厌氧—好氧结合工艺（见图3-36）。工程中实际废水进水水质COD_Cr为10700mg/L，BOD₅为6800mg/L，悬浮物为3000mg/L，铵态氮为806mg/L，标准排放口水质COD_Cr为280.6mg/L，BOD₅为84.3mg/L，悬浮物为50mg/L，铵态氮为65mg/L，去除率分别为97.4%、98.8%、98.3%和91.9%，各项指标均符合《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596—2001）。采用氨吹脱塔—絮凝沉淀池—ABR复合厌氧反应—CASS好氧反应器—沸石过滤器联合工艺处理养殖废水后，各项出水指标均优于《污水综合排放标准》（GB8978—1996）的一级排放标准。

（3）UASB—SBR—化学混凝工艺利用UASB—SBR—化学混凝工艺处理畜禽养殖污水，其中UASB反应器是一个采用大阻力布水系统的钢筋混凝土池；SBR反应器池中配置有组合填料，将活性污泥法与生物膜法巧妙地结合到了一起，处理效果更佳；化学混凝沉淀池池体分两格，分别投加PA（聚酰胺）和PAM（聚丙烯酰胺）。此工艺运行结果显示，COD、BOD₅、铵态氮、悬浮物、总磷的去除率分别达到了91.7%、91.6%、89.4%、98.1%和31.1%，各项指标均达到了《畜禽养殖业污染物排放标》（GB18596—2001）。河南省某牧业有限公司采用水解酸—UASB—接触氧化—生物氧化塘—人工湿地组合工艺对其养猪场产生的养殖废水进行处理，长期运行表明，出水一直稳定达到并高于《农田灌溉水质标准》（GB5084—2005），处理后的水全部用于附近农田灌溉（每天平均200m³），所产生的污泥用于附近农田施肥，所产生的沼气用于厂区发电机发电。这样不仅大大减少了污染物排放总量，而且开发了可再生能源资源，为该公司创造了良好的经济效益，也促进了附近农业生产的发展。此外，利用生物—生态复合处理技术（属厌氧—好氧联合处理范畴）处理畜禽养殖污水，各流程进水、出水的pH均为6.9～7.5，COD_Cr、BOD₅、铵态氮、悬浮物等的总去除率均达到96%以上，养殖废水平均处理成本为0.99元/m³，因此，该方法运行可靠、管理方便、处理效果良好。

结合考虑畜禽养殖污水的特点，内循环厌氧反应器（简称IC）—SBBR工艺非常适用于处理畜禽养殖污水。具体原因有：①传统的厌氧+好氧组合工艺只适用于含氮浓度较低的废水，但养畜禽养殖污水属于高含氮有机污水，经厌氧处理后，其出水水质严重缺乏碳源，SBBR工艺则可以较好地处理此类污水；②本组合工艺中的IC厌氧技术（包括三相分离器）与传统厌氧技术相比，实现了水力停留时间（HRT）与污泥停留时间（SRT）完全分离，另外该技术还能产生大量的沼气气体，使反应器内的混合液得到充分搅拌，废水中有机物与活性污泥充分接触，从而大大提高了有机物的去除效率。

【提示】 目前，国内外处理畜禽养殖废水的方法不少，但具体采用哪种处理方法，这不仅要考虑此处理方法技术上的优势，还要考虑该方法在投资、运行费用、操作和地域方面是否方便等问题。畜禽养殖废水成分复杂，采用单一的处理方法很难达到排放要求，根据当前畜禽养殖废水处理现状，应该采用多种方法相结合的处理模式，优化组合，以实现养殖废水处理过程的无害化、资源化，促进养殖业与自然环境、社会和经济的和谐发展。