高浓度养殖废水处理新工艺展望

Posted 2023-01-12 水处理

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改革开放以来，人民生活水平不断提高，我国畜禽业得到快速发展，主要畜产品产量连续20年以10%的速度递增。据资料统计，2005年，我国猪、牛、羊、家禽、兔存栏分别达到50334.8万头、14157.5万头、37265.9万头、53.3万只、21764.1万只，畜牧业总产值达到13311亿元，占农业总产值的33.7%，畜牧业已成为我国农业和农村经济中的支柱产业。随着大中城市“菜篮子工程”的实施以及市场对畜禽质量的不断追求，规模化畜禽养殖场将大量涌现，截至2005年，全国各类畜禽规模化养殖小区已达4万多个。集约化、规模化养殖业迅速崛起的同时，也使畜禽养殖污染成为了不容忽视的问题。规模化养殖场排放的大量粪尿与废水现已成为许多城市和农村的新兴污染源，他们大多未经过妥善回收利用、处理及处置就直接排放，对环境造成严重污染，尤其对水体富营养化产生了极其不良的影响。在许多地区，畜禽养殖业产生的废水超过环境的容纳量，已经或正在成为比工业废水、生活污水更大的污染源。据资料统计表明，1999年我国畜禽粪便产生量约为19亿吨，是固体废弃物产生量的2.4倍。其中规模化养殖产生的粪便相当于工业固体废弃物的30%，CODcr排放量已达7118万吨，远远超过我国工业废水和生活废水的排放量之和;2002年，我国畜禽粪便产生量达27.5亿吨。据专家统计，到2010年，我国每年畜禽粪便产生量将达到45亿吨。随着我国畜禽业的迅猛发展，养殖废水污染将不断加剧，其污染防治迫在眉睫。

养殖废水具有典型的“三高”特征，CODcr高达3000～12000mg/l，氨氮高达800～2200mg/l，SS超标数十倍。限于养殖业是薄利行业，目前的处理工艺仅能针对CODcr的大幅削减，而对氨氮达标排放尚存在很大的技术经济难度。规模化畜禽养殖废水处理目前已引起养殖场业主及有关部门的高度重视，采取一系列防治措施及选用经济、高效的处理技术已刻不容缓。随着国家污水排放标准日益更新，高浓度养殖废水达标排放问题更加突出。

畜禽养殖业环境污染问题是发达国家和发展中国家共同关心的问题。如荷兰每年产畜禽粪便9500万吨，过剩1500万吨，比利时每年产畜禽粪便4100万吨，过剩800万吨，法国布列塔省集中了全国40%的养殖业，已造成了该地区饮用水水质超标，日本1980年养殖业造成5392起公害事件。但上世纪80年代后，发达国家普遍采用立法管理的办法来处理畜禽养殖业环境污染问题。芬兰是最早开展畜禽粪便污染防治立法的国家，立法最多的是日本(有7部法律)，此外美国、加拿大等皆在充分研究的基础上建立了完善的法律和法规体系。英国是公认基本实现无畜禽粪便污染的国家。

发达国家成功经验归纳如下:(1)依靠科技，开展充分的调查研究，提供充分的技术保障;(2)形成完整的法律、法规和技术规范体系;(3)规范畜禽养殖场建设管理;(4)实施种养区域平衡一体化，并控制畜禽粪便施用量，防治土地和地下水污染;(5)治理达标(多数经预处理后排入市政污水处理厂)。

我国关于畜禽养殖污染防治的研究开展较晚，2001年国家环保总局才正式发布了《畜禽养殖污染防治管理办法》、《畜禽养殖业污染物排放标准》、《畜禽养殖业污染防治技术规范》，1995年后才有少数高效、科研单位开展了这方面的研究，但这些研究比较零星，缺乏系统可操作性。我国养殖业现状是数量多、规模小、生产方式落后、经济条件较差、环境污染防治设施配套不全。国内对养殖废水的处理目前大致有二种，即还田利用自然处理及工业化处理模式。还田利用指通过简单的厌氧沉淀后，将残渣、残液用作农家肥或鱼饵等，这种处理方法目前在国内大部分地区和养殖场采用，但需要大量的接纳土地。工业化处理排放指通过生物、化学、物理等综合作用后，使废水能达标排放，这种处理方法因其投资较大，集中分布在上海、浙江等经济发达地区，实际上即使在这些地方，污水仍不能完全满足达标排放，尤其是TN的排放情况尤为突出。

近年来规模化养殖已经成了主要的发展方向，生猪规模化养殖已占27%，规模化养鸡已占56%。河南、浙江两省规模化养殖业已占83%。因此采用原有的还田利用处理方法因污染量大、周边接纳土地有限、环境二次污染以及运输费用等问题日益不能满足排放要求，工业化处理模式已成为目前主流需要。

高浓度有机废水采用厌氧-好氧联合处理工艺是目前公认的最经济高效方法。采用厌氧-好氧工艺系统的处理实际养殖场废水目前尚少见报道，且已有的厌氧-好氧工艺处理养殖场废水报道，其处理效果均不佳，主要是好氧处理后对厌氧消化液污染物去除效果较差，尤其氨氮与总氮去除率都不高，远未达到排放标准。Ng W.G.采用序批式反应器工艺(SBR)处理猪场废水厌氧消化液，其NH+4-N去除率仅68.7%。徐洁泉等采用接触氧化法处理猪场废水厌氧消化液，其出水CODcr大于500mg/L，NH+4-N大于200mg/L。Jung Jeng Su等采用SBR工艺处理猪场废水厌氧消化液得出同样结果，总凯氏N去除率仅42.4%～71.1%，CODcr去除率仅10%～40%。杨虹等试验发现间歇曝气处理猪场废水厌氧消化液其NH+4-N去除率小于60%，出水中NH+4-N浓度为600mg/L左右。Liao C.M.等采用间歇曝气处理猪场废水厌氧消化液其总氮去除率达30%，NH+4-N去除率为40%。随着排放的严格监管，废水的达标排放尤其氨达标排放已成为制约养殖产业发展的瓶颈。

养殖废水成份复杂、水质水量波动大、CODcr浓度较高且存在部分有机氮，此类物质的有效降解和转化是开展后续脱氮工艺的前提和关键。目前最常用的污水脱氮技术为传统生物脱氮，即通过硝化-反硝化过程使氨氮转化为氮气。硝化和反硝化是两个相互对立的过程，硝化反应借助硝化细菌的作用，要在有氧环境下进行;反硝化反应则需借助于反硝化菌的作用，只有在无氧条件下，该反应才能顺利进行;而且该工艺还需要大量的有机碳源作为电子供体，如果C/N<2.5，没有外加有机碳源，反硝化就无法有效的进行，而如果C/N<4，反硝化容器体积要提高1.5～1.7倍;因此在处理养殖废水这类超低C/N比高浓度含氮废水时，该工艺表现出极大的局限性。

20世纪90年代末，生物脱氮技术的新发展突破了传统理论的认识。1994年Kuenen等发现某些细菌在硝化反硝化反应中能利用硝酸盐作电子受体将氨氮氧化成氮气和气态氮化物;1995年，Mulder和Vande Graaf等用流化床反应器研究生物反硝化时，发现了氨氮的厌氧生物氧化现象。建立在短程硝化反硝化(Shortcut nitrification-denitrification)基础上的亚硝酸型硝化(SHARON， Single Reactor High Activity Aammonia Removal Over Nitrite)和厌氧氨氧化工艺(ANAMMOX，Anaerobic Ammonium Oxidation)的联合，弥补了传统工艺的缺陷，被认为是一个突破性的创新。该工艺对养殖废水这类低C/N比高浓度含氮废水具有高效脱氮作用，最为突出的优点是不需要外加有机碳源，并且相对于传统硝化-反硝化工艺节省了25%需氧量，从而降低了投资和运行费用，具有重要的理论和实践意义。

虽然，目前国内外分别对UASB、SHRON、ANAMMOX均有一定研究，但对其组合工艺处理高浓度废水鲜见报道。对于UASB工艺产甲烷的影响因素分析及厌氧氨化作用还存在巨大缺陷，制约了高浓度有机污水处理资源化的进一步发展;国内外对短程硝化反硝化的研究比较多，但对匹配厌氧氨氧化的亚硝化的相关研究较少，关于其系统稳定运行的影响因素、周期内各指标的转化规模等还不能最终确定，有待进一步试验研究;对于ANAMMOX工艺，国内外研究取得了一定成果，但基本上全部采用的是实验室配水来进行研究，同时对如何使这项技术走出试验室成功地应用于实际污水处理领域，还需要进行大量的研究，同时对于厌氧氨氧化的启动及优化、除氨氮的作用机理、微生物学特性研究还很不完善，各生物系统内的主导控制参数及最佳运行参数尚未开展，组合工艺下各生物系统内的动力学模型均还没有完全建立。