畜禽粪污厌氧消化液自然处理模式技术的研究与应用现状

郑 丹， 王 芳， 符 婧， 伍高辉， 刘 刈， 王 兰， 张云红， 邓良伟

(1．农业部沼气科学研究所，成都 610041； 2．中国测试技术研究院， 成都 610021； 3．崇州市环境监测站，成都 611230； 4．中国航空油料集团有限公司， 北京 100088)

畜禽养殖业是我国农业和农村经济发展的重要组成部分，近20年来，畜禽规模化养殖得到了快速发展。但是，规模化养殖发展所带来的环境污染问题日益严重，在一些地区，过度集中的畜禽粪尿污染已经成为制约规模化畜禽养殖场持续健康发展的主要因素[1-2]。2017年2月发布的《全国环境统计公报(2015年)》数据表明，畜禽养殖业化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)的排放量分别为1015.5，55.2万吨，占农业源排放量的95.03%，76.03%，占相应全国总排放量的45.67%，24.01%。由畜禽养殖带来的生态环境问题日趋突出，严重影响水环境及饮用水源安全，过量的畜禽粪污排放已经成为许多地区特别是农村的主要污染源[3]。

厌氧消化技术具有能耗低、回收能源、技术成熟等特点，是目前畜禽粪污一级处理的主要应用技术。但是，厌氧消化处理后产生的沼液需要进一步处理利用，而“污水达标排放”仍然是土地紧张地区畜禽粪污处理不得不面临的选择。厌氧消化液后处理技术主要包括工业化处理技术以及自然处理技术。工业化处理模式具有占地少、适应性广、不受地理位置限制以及受季节温度变化影响相对较小等优点，其主要缺点是成本高：投资大，万头猪场的粪污处理投资约120～150万元；能耗高，处理1 m3污水，耗电2～4 kWh；运转费用高，处理1 m3污水，运转费2元左右；机械设备多，维护管理量大且运行管理需要专门的技术人员。自然处理技术则正好相反，因其成本低廉，成为远离城市、经济欠发达、土地宽广、地价低廉、气候温和地区的规模化养殖场(特别是有滩涂、荒地、林地或低洼地可作污水自然处理系统的养殖场)粪污厌氧消化液处理的首选技术。本文主要综述3种自然处理工艺对畜禽粪污厌氧消化液的应用研究情况及其处理效果。

1 厌氧消化液自然处理

畜禽粪污经过厌氧消化(沼气发酵)处理后，产生的厌氧消化液主要采用稳定塘(氧化塘)、人工湿地和砂滤系统等自然处理系统进行处理。对于使用自然处理工艺的养殖场，其饲养规模不能太大，对于猪场而言，一般年出栏在5万头以下为宜，以人工清粪为主，水冲为辅，冲洗水量中等。

利用自然处理工艺处理厌氧消化液的主要原因是其处理费用较低，重点体现在：运行管理费用低，投资省、能耗少；污泥产生量少，不需要复杂的污泥处理系统；操作简单、管理方便，并且对周围环境影响小、无噪音。虽然厌氧消化液的自然处理是一种较经济的污水处理方法，但在具体操作时自然处理系统也存在诸多问题：占地面积大且水力停留时间长，在土地资源紧张的地区应用受限；系统处理效果受季节气候变化的影响大，低温(冬季)效果较差；有污染地下水的可能。

1.1 厌氧消化液自然处理的工艺类型

1.1.1 稳定塘(氧化塘)

稳定塘(Stabilization Pond, SP)是一种利用天然或人工修整的池塘，依靠菌藻的共同作用对污水进行处理的构筑物。在稳定塘处理污水的过程中，溶解氧在有机污染物的分解中起着决定性的作用。大气复氧以及藻类光合作用产生的氧是稳定塘系统中氧的主要来源[4]。在稳定塘中，有机废水停留的时间较长，其污染物可通过水中微生物的代谢活动而被降解[2]。多数情况下，稳定塘只是作为人工湿地的预处理单元，废水经稳定塘处理后，有机污染物浓度降低，溶解氧含量增加。

稳定塘经常用于畜禽粪污厌氧处理系统出水的后处理。在工艺设计合理、运行稳定的情况下，稳定塘可实现厌氧消化液达标处理排放。如广东某规模化养猪场采用“沼气池(或厌氧池)+兼性塘+氧化塘(或鱼塘)”工艺处理猪场废水，最终出水COD，BOD5，SS，TP，NH3-N的去除率均达到90%以上，出水水质为：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；除总磷以外，其余指标均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的要求[5]。

稳定塘的组合工艺也有广泛的研究报道，而对于如何组合可以获得好的污水处理效果则需要更多的考虑。Espinosa[8]等在评估了388个稳定塘工程的运行效果后得出，兼性塘以及兼性塘+熟化塘组合工艺普遍表现出最低的污染物去除效率，而好氧塘+兼性塘/熟化塘、厌氧反应器+兼性塘、厌氧反应器+熟化塘工艺则表现出相对较高的污染物去除率，并且指出在今后的研究中应该更多的关注稳定塘工艺的设计、运行以及环境影响因素[8]。

目前，对于稳定塘的废水处理机理研究已有大量的研究报道，也建立了诸多的机理模型。稳定塘中废水处理机理也在各种气候及当地环境条件下得到了验证，但是稳定塘作为一种污水的自然处理技术，也很容易受到环境和生态气候条件等诸多因素的影响。Ochoa[9]等在利用全局敏感度分析稳定塘系统动力学动态模型时，发现模型多达72个状态变量，其中包含有20个不确定参数，最后经过分析得出：温度系数是稳定塘系统的最主要影响参数，其次是异养细菌的生产系数，以及兼性塘不同层间的物质转移系数。Ho[10]等指出，随着稳定塘用于废水处理规模的增大以及日益严格的环保要求，在工程应用中，以往的工程设计经验法因其较低水平的设计要求以及运行效果的较大波动和不确定性已不再适用。因此，建议在今后的稳定塘设计中，将不确定性的输入和参数纳入考虑，通过概率量化模型的不确定性输出，可以得到更加科学可靠的设计。同样地，Keh[11]等通过对比6种不同的稳定塘工艺设计方法后，也建议在稳定塘的设计过程中应考虑非确定性的随机模拟方法，尤其是稳定塘复合/组合工艺的设计中。

1.1.2 人工湿地

人工湿地(Constructed Wetlands, CWs)处理技术是20世纪70年代末发展起来的一种废水处理技术，人工湿地按流动方式可分为表面流湿地(FWSCW)、潜流湿地(SSFCW)，其中潜流湿地又分为水平潜流(HSSFCW)和垂直潜流(VSSFCW)人工湿地。人工湿地主要通过自然生态系统中的物理、化学和生物作用来进行污水净化，利用吸附、沉淀、微生物作用以及植物吸收等途径实现对污水中有机物、氮、磷、悬浮物和重金属等物质的去除，具有处理效果好，脱氮除磷能力强，费用低以及负荷变化适应能力强等特点[12-13]。

人工湿地处理系统在厌氧消化液的处理过程中表现出很大的优越性，因为该系统可以实现废水中的氮、磷、悬浮物以及有机物的同时去除。Lee[14]等进行了潜流人工湿地(SSFCW)处理猪场废水厌氧发酵出水的研究，结果表明：SS，COD，TN，TP的平均去除率分别为96%～99%，77%～84%，10%～24%，47%～59%。De Los Reyes[15]等开展了表面流(FWS)人工湿地处理猪场废水厌氧消化液的氮行为研究，结果表明在进水氮负荷为2.0～30.2 kg TN·ha-1d-1范围时，TN的平均去除率为54.8%，最大去除率能达到71.7%。

在人工湿地处理系统中，基质是起主要作用的载体，土壤、砾石、砂、炉渣、活性炭与沸石等都可以用作人工湿地系统的基质[18]。基质上会生长生物膜，在植物近根区有氧条件下合成新的微生物，并将部分有机物转化为水和二氧化碳，净化水质。另外，人工湿地碎石床具有过滤去除SS的效果，对于富含悬浮物的养殖场废水处理更加具有针对性[19]。Kizito[20]等将生物炭添加到垂直潜流人工湿地中，以达到提高厌氧消化液中污染物去除效率的目的；对比研究两种不同的生物炭以及普通砂砾添加对猪场粪水厌氧消化液的处理效果，结果表明，玉米芯和木材生物炭添加对有机物、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为59%，76%，37%，71%，而砂砾对以上污染物的去除率仅为22%～49%。另外，人工湿地处理系统在应用过程中存在的主要问题是堵塞，而引起堵塞的主要原因是悬浮物。因此，人工湿地处理系统对入水水质有一定的要求，过高的悬浮物或有机物浓度很可能会导致整个系统失效。

我国在人工湿地处理养殖废水方面进行的一些实验研究，主要着眼于植物筛选和处理效果的考察[17]，而在氧化塘以及人工湿地处理养殖废水的设计中，一般参照氧化塘或人工湿地处理其他污水的资料作为设计依据或者随意设计，但针对畜禽养殖废水，氧化塘、人工湿地究竟需要多大面积才能使出水达到排放标准，季节温度变化对自然处理系统效果的影响等方面尚缺乏深入研究和规范可依。

1.1.3 人工砂滤系统

人工砂滤系统是由传统快速渗滤系统(Rapid Infiltration, RI)发展而来的，它采用渗透性能较好又具有一定阳离子交换容量的天然河砂作为渗滤介质，将系统进水投配到砂滤系统的表面，使其在向下渗透的过程中经历不同的物理、化学和生物作用，最终达到净化水质的目标[21]。作为土地处理系统的一种，砂滤系统水力负荷较高，占地面积减小，用于营建的场地条件容易满足，且出水可以通过集水管网回收利用，其实际工程在丹麦、瑞士、法国应用较多。人工砂滤系统对污染物的去除机理目前尚不完全清楚，但学者普遍认为它是在过滤截留、吸附和微生物降解的协同作用下实现对污染物的去除[22]。其中，SS，COD和BOD的去除基本符合一级活塞流反应模式；氮的去除主要是吸附和硝化-反硝化联合作用的结果；除磷主要有吸附、生化反应和微生物活动等作用，而且人工砂滤系统对磷的去除效果会依河砂的性能而定[23]。人工砂滤系统在运行过程中存在的最主要问题则是填料堵塞。发生堵塞的部位主要集中在砂滤系统与进水相接触的初始地段，而随着深度的增加，堵塞程度将会大大降低；发生堵塞主要是由于悬浮物的截留和吸附，同时当系统微生物膜生长到一定程度时，也会严重影响系统的运行。

由于砂滤池对进水水质有一定的要求，而且处理负荷较小，通常被用在废水净化回用的工艺中，而在厌氧消化液处理应用中的研究报道比较有限[26]。

1.2 厌氧消化液自然处理工艺对比及组合工艺

综上，不同的自然处理系统针对同一废水都各有优势，而且在水力负荷、有机负荷、投资费用上也有很大的区别。为了应对不同畜禽养殖废水的差异化和当地气候环境以及其他条件的差异化，工程应用中通常将不同类型的自然处理工艺进行组合优化。实践应用中，常在人工湿地系统中设置好氧稳定塘来增加废水中氧的浓度，从而提高人工湿地的硝化效率，主要原因是稳定塘的复氧效果要比人工湿地好。

表1 人工湿地和氧化塘处理猪场废水厌氧消化液的出水水质比较

注:*《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)

Forbes[28]等对比研究了人工湿地-氧化塘-人工湿地组合工艺以及两级人工湿地处理类猪场粪污厌氧消化液的效果，发现两种工艺对总氮，TS和COD的去除并没有明显的差异，但是在高氮负荷率和低氮负荷率条件下，两种工艺在氮的去除率上表现出明显的差异。总体来说，较低的进水负荷会取得较好的运行效果。基于氨氮负荷的经济效益分析发现，在进水氮负荷相同的情况下，不论什么运行模式下的人工湿地系统，其运行效果都很相近[29]。

1.3 我国厌氧消化液自然处理工程应用运行效果

表2列出了采用沼气(厌氧)-自然处理模式处理规模化养殖场粪污的处理效果以及与执行的《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的对比结果。此次调研考察的97个规模化养殖场粪污处理沼气工程，遍布辽宁、河北、甘肃、河南、安徽、湖北、山东、江西、淅江、上海、四川、重庆、广东、广西、福建等15个省(市)。根据调研结果，共有22个沼气工程在厌氧消化后采用自然处理模式处理厌氧消化液，自然处理模式的使用率为22.7%。而在采用自然处理模式处理厌氧消化液的这22个工程项目中均建设有氧化塘，建设有人工湿地的为9处，建设有人工砂滤系统的仅1处。

表2 沼气(厌氧)-自然处理模式处理规模化养殖场粪污的处理效果 (mg·L-1)

在这22个自然处理工程中，有12个工程对处理后的污染物指标进行了测试分析，处理效果见表2。在测试的12个工程中，处理后的厌氧消化液污染物指标全部达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的有8处，达标率为66.7%。在剩余4处厌氧消化液处理未达标的工程中，有2处是COD，NH3-N均不达标，1处是COD达标而NH3-N未达标，1处是NH3-N达标而COD未达标，其中NH3-N超标较多。12个工程的出水SS和BOD5均达到了排放标准。

2 结论

厌氧消化液自然处理工艺的处理效果受到诸多因素的影响，各个处理工艺又包含了复杂的物理、化学和生物反应，因此，针对不同特性的厌氧消化液，其处理工艺系统也不尽相同。在研究和应用相关工艺时，需要考虑更多的非确定因素，针对特定或主要污染物的去除并结合不同工艺的特点，对不同工艺类型进行组合应用。