鄭 丹， 王 芳， 符 婧， 伍高輝， 劉 刈， 王 蘭， 張云紅， 鄧良偉

(1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所，成都 610041； 2．中國測試技術研究院， 成都 610021； 3．崇州市環(huán)境監(jiān)測站，成都 611230； 4．中國航空油料集團有限公司， 北京 100088)

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分，近20年來，畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖得到了快速發(fā)展。但是，規(guī)模化養(yǎng)殖發(fā)展所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，在一些地區(qū)，過度集中的畜禽糞尿污染已經(jīng)成為制約規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場持續(xù)健康發(fā)展的主要因素[1-2]。2017年2月發(fā)布的《全國環(huán)境統(tǒng)計公報(2015年)》數(shù)據(jù)表明，畜禽養(yǎng)殖業(yè)化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)的排放量分別為1015.5，55.2萬噸，占農(nóng)業(yè)源排放量的95.03%，76.03%，占相應全國總排放量的45.67%，24.01%。由畜禽養(yǎng)殖帶來的生態(tài)環(huán)境問題日趨突出，嚴重影響水環(huán)境及飲用水源安全，過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]。

厭氧消化技術具有能耗低、回收能源、技術成熟等特點，是目前畜禽糞污一級處理的主要應用技術。但是，厭氧消化處理后產(chǎn)生的沼液需要進一步處理利用，而“污水達標排放”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主要包括工業(yè)化處理技術以及自然處理技術。工業(yè)化處理模式具有占地少、適應性廣、不受地理位置限制以及受季節(jié)溫度變化影響相對較小等優(yōu)點，其主要缺點是成本高：投資大，萬頭豬場的糞污處理投資約120～150萬元；能耗高，處理1 m3污水，耗電2～4 kWh；運轉費用高，處理1 m3污水，運轉費2元左右；機械設備多，維護管理量大且運行管理需要專門的技術人員。自然處理技術則正好相反，因其成本低廉，成為遠離城市、經(jīng)濟欠發(fā)達、土地寬廣、地價低廉、氣候溫和地區(qū)的規(guī)模化養(yǎng)殖場(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)糞污厭氧消化液處理的首選技術。本文主要綜述3種自然處理工藝對畜禽糞污厭氧消化液的應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)進行處理。對于使用自然處理工藝的養(yǎng)殖場，其飼養(yǎng)規(guī)模不能太大，對于豬場而言，一般年出欄在5萬頭以下為宜，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用較低，重點體現(xiàn)在：運行管理費用低，投資省、能耗少；污泥產(chǎn)生量少，不需要復雜的污泥處理系統(tǒng)；操作簡單、管理方便，并且對周圍環(huán)境影響小、無噪音。雖然厭氧消化液的自然處理是一種較經(jīng)濟的污水處理方法，但在具體操作時自然處理系統(tǒng)也存在諸多問題：占地面積大且水力停留時間長，在土地資源緊張的地區(qū)應用受限；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污水進行處理的構筑物。在穩(wěn)定塘處理污水的過程中，溶解氧在有機污染物的分解中起著決定性的作用。大氣復氧以及藻類光合作用產(chǎn)生的氧是穩(wěn)定塘系統(tǒng)中氧的主要來源[4]。在穩(wěn)定塘中，有機廢水停留的時間較長，其污染物可通過水中微生物的代謝活動而被降解[2]。多數(shù)情況下，穩(wěn)定塘只是作為人工濕地的預處理單元，廢水經(jīng)穩(wěn)定塘處理后，有機污染物濃度降低，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。在工藝設計合理、運行穩(wěn)定的情況下，穩(wěn)定塘可實現(xiàn)厭氧消化液達標處理排放。如廣東某規(guī)?；B(yǎng)豬場采用“沼氣池(或厭氧池)+兼性塘+氧化塘(或魚塘)”工藝處理豬場廢水，最終出水COD，BOD5，SS，TP，NH3-N的去除率均達到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，其余指標均達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB18596-2001)的要求[5]。

穩(wěn)定塘的組合工藝也有廣泛的研究報道，而對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]等在評估了388個穩(wěn)定塘工程的運行效果后得出，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、厭氧反應器+兼性塘、厭氧反應器+熟化塘工藝則表現(xiàn)出相對較高的污染物去除率，并且指出在今后的研究中應該更多的關注穩(wěn)定塘工藝的設計、運行以及環(huán)境影響因素[8]。

目前，對于穩(wěn)定塘的廢水處理機理研究已有大量的研究報道，也建立了諸多的機理模型。穩(wěn)定塘中廢水處理機理也在各種氣候及當?shù)丨h(huán)境條件下得到了驗證，但是穩(wěn)定塘作為一種污水的自然處理技術，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)動力學動態(tài)模型時，發(fā)現(xiàn)模型多達72個狀態(tài)變量，其中包含有20個不確定參數(shù)，最后經(jīng)過分析得出：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)細菌的生產(chǎn)系數(shù)，以及兼性塘不同層間的物質(zhì)轉移系數(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格的環(huán)保要求，在工程應用中，以往的工程設計經(jīng)驗法因其較低水平的設計要求以及運行效果的較大波動和不確定性已不再適用。因此，建議在今后的穩(wěn)定塘設計中，將不確定性的輸入和參數(shù)納入考慮，通過概率量化模型的不確定性輸出，可以得到更加科學可靠的設計。同樣地，Keh[11]等通過對比6種不同的穩(wěn)定塘工藝設計方法后，也建議在穩(wěn)定塘的設計過程中應考慮非確定性的隨機模擬方法，尤其是穩(wěn)定塘復合/組合工藝的設計中。

1.1.2 人工濕地

人工濕地(Constructed Wetlands, CWs)處理技術是20世紀70年代末發(fā)展起來的一種廢水處理技術，人工濕地按流動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。人工濕地主要通過自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物作用來進行污水凈化，利用吸附、沉淀、微生物作用以及植物吸收等途徑實現(xiàn)對污水中有機物、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，費用低以及負荷變化適應能力強等特點[12-13]。

人工濕地處理系統(tǒng)在厭氧消化液的處理過程中表現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，因為該系統(tǒng)可以實現(xiàn)廢水中的氮、磷、懸浮物以及有機物的同時去除。Lee[14]等進行了潛流人工濕地(SSFCW)處理豬場廢水厭氧發(fā)酵出水的研究，結果表明：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)人工濕地處理豬場廢水厭氧消化液的氮行為研究，結果表明在進水氮負荷為2.0～30.2 kg TN·ha-1d-1范圍時，TN的平均去除率為54.8%，最大去除率能達到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)上會生長生物膜，在植物近根區(qū)有氧條件下合成新的微生物，并將部分有機物轉化為水和二氧化碳，凈化水質(zhì)。另外，人工濕地碎石床具有過濾去除SS的效果，對于富含懸浮物的養(yǎng)殖場廢水處理更加具有針對性[19]。Kizito[20]等將生物炭添加到垂直潛流人工濕地中，以達到提高厭氧消化液中污染物去除效率的目的；對比研究兩種不同的生物炭以及普通砂礫添加對豬場糞水厭氧消化液的處理效果，結果表明，玉米芯和木材生物炭添加對有機物、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為59%，76%，37%，71%，而砂礫對以上污染物的去除率僅為22%～49%。另外，人工濕地處理系統(tǒng)在應用過程中存在的主要問題是堵塞，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)對入水水質(zhì)有一定的要求，過高的懸浮物或有機物濃度很可能會導致整個系統(tǒng)失效。

我國在人工濕地處理養(yǎng)殖廢水方面進行的一些實驗研究，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)殖廢水的設計中，一般參照氧化塘或人工濕地處理其他污水的資料作為設計依據(jù)或者隨意設計，但針對畜禽養(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到排放標準，季節(jié)溫度變化對自然處理系統(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)展而來的，它采用滲透性能較好又具有一定陽離子交換容量的天然河砂作為滲濾介質(zhì)，將系統(tǒng)進水投配到砂濾系統(tǒng)的表面，使其在向下滲透的過程中經(jīng)歷不同的物理、化學和生物作用，最終達到凈化水質(zhì)的目標[21]。作為土地處理系統(tǒng)的一種，砂濾系統(tǒng)水力負荷較高，占地面積減小，用于營建的場地條件容易滿足，且出水可以通過集水管網(wǎng)回收利用，其實際工程在丹麥、瑞士、法國應用較多。人工砂濾系統(tǒng)對污染物的去除機理目前尚不完全清楚，但學者普遍認為它是在過濾截留、吸附和微生物降解的協(xié)同作用下實現(xiàn)對污染物的去除[22]。其中，SS，COD和BOD的去除基本符合一級活塞流反應模式；氮的去除主要是吸附和硝化-反硝化聯(lián)合作用的結果；除磷主要有吸附、生化反應和微生物活動等作用，而且人工砂濾系統(tǒng)對磷的去除效果會依河砂的性能而定[23]。人工砂濾系統(tǒng)在運行過程中存在的最主要問題則是填料堵塞。發(fā)生堵塞的部位主要集中在砂濾系統(tǒng)與進水相接觸的初始地段，而隨著深度的增加，堵塞程度將會大大降低；發(fā)生堵塞主要是由于懸浮物的截留和吸附，同時當系統(tǒng)微生物膜生長到一定程度時，也會嚴重影響系統(tǒng)的運行。

由于砂濾池對進水水質(zhì)有一定的要求，而且處理負荷較小，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用中的研究報道比較有限[26]。

1.2 厭氧消化液自然處理工藝對比及組合工藝

綜上，不同的自然處理系統(tǒng)針對同一廢水都各有優(yōu)勢，而且在水力負荷、有機負荷、投資費用上也有很大的區(qū)別。為了應對不同畜禽養(yǎng)殖廢水的差異化和當?shù)貧夂颦h(huán)境以及其他條件的差異化，工程應用中通常將不同類型的自然處理工藝進行組合優(yōu)化。實踐應用中，常在人工濕地系統(tǒng)中設置好氧穩(wěn)定塘來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)定塘的復氧效果要比人工濕地好。

表1 人工濕地和氧化塘處理豬場廢水厭氧消化液的出水水質(zhì)比較

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

Forbes[28]等對比研究了人工濕地-氧化塘-人工濕地組合工藝以及兩級人工濕地處理類豬場糞污厭氧消化液的效果，發(fā)現(xiàn)兩種工藝對總氮，TS和COD的去除并沒有明顯的差異，但是在高氮負荷率和低氮負荷率條件下，兩種工藝在氮的去除率上表現(xiàn)出明顯的差異?？傮w來說，較低的進水負荷會取得較好的運行效果?；诎钡摵傻慕?jīng)濟效益分析發(fā)現(xiàn)，在進水氮負荷相同的情況下，不論什么運行模式下的人工濕地系統(tǒng)，其運行效果都很相近[29]。

1.3 我國厭氧消化液自然處理工程應用運行效果

表2列出了采用沼氣(厭氧)-自然處理模式處理規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污的處理效果以及與執(zhí)行的《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB18596-2001)的對比結果。此次調(diào)研考察的97個規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污處理沼氣工程，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個省(市)。根據(jù)調(diào)研結果，共有22個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個工程項目中均建設有氧化塘，建設有人工濕地的為9處，建設有人工砂濾系統(tǒng)的僅1處。

表2 沼氣(厭氧)-自然處理模式處理規(guī)?；B(yǎng)殖場糞污的處理效果 (mg·L-1)

在這22個自然處理工程中，有12個工程對處理后的污染物指標進行了測試分析，處理效果見表2。在測試的12個工程中，處理后的厭氧消化液污染物指標全部達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》(GB18596-2001)的有8處，達標率為66.7%。在剩余4處厭氧消化液處理未達標的工程中，有2處是COD，NH3-N均不達標，1處是COD達標而NH3-N未達標，1處是NH3-N達標而COD未達標，其中NH3-N超標較多。12個工程的出水SS和BOD5均達到了排放標準。

2 結論

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，各個處理工藝又包含了復雜的物理、化學和生物反應，因此，針對不同特性的厭氧消化液，其處理工藝系統(tǒng)也不盡相同。在研究和應用相關工藝時，需要考慮更多的非確定因素，針對特定或主要污染物的去除并結合不同工藝的特點，對不同工藝類型進行組合應用。