繆暢,賀美,肖圍

(長(zhǎng)江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

我國是畜禽養(yǎng)殖大國，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，畜牧養(yǎng)殖業(yè)由傳統(tǒng)的分散化、小規(guī)模家庭飼養(yǎng)逐步走向高度集約化、專業(yè)化和區(qū)域化發(fā)展[1]。但是，隨著養(yǎng)殖規(guī)模化擴(kuò)大，畜禽養(yǎng)殖廢水排放量增加，排放更加集中，養(yǎng)殖廢水帶來的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由畜禽養(yǎng)殖帶來的污染成為當(dāng)?shù)氐谝淮筠r(nóng)業(yè)污染源。因此，如何處理畜禽養(yǎng)殖廢水污染問題，實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展，越來越得到社會(huì)各界的關(guān)注[3-6]。

1 畜禽養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)

畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)廢水主要包括糞便、尿液和場(chǎng)地沖洗水等。隨著規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，養(yǎng)殖場(chǎng)每天排放的廢水量大且排放集中，同時(shí)廢水中的有機(jī)污染物、氨氮化合物、含硫化合物濃度較高，并伴隨惡臭味[7-8]。廢水中還含有大量的飼料添加劑、殘留的獸藥和大量的病菌等，如不經(jīng)處理直接排放，一旦進(jìn)入自然水體，將會(huì)污染周圍生態(tài)健康環(huán)境，嚴(yán)重威脅周邊人們的健康生活[9-10]。

表1為湖北某生豬養(yǎng)殖場(chǎng)廢水(1號(hào)水樣)和奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水(2號(hào)水樣)的化學(xué)需氧量(CODcr)、氨氮濃度(NH3-N)、總磷濃度(TP)的檢測(cè)結(jié)果。根據(jù)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 18596—2001，畜禽養(yǎng)殖廢水最高允許日均排放濃度具體指標(biāo)見表2[11]。

表1和表2對(duì)比可知，畜禽廢水CODcr過量50多倍，NH3-N濃度過量10多倍，TP濃度過量20倍，如果未經(jīng)處理直接排放，將會(huì)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，不符合環(huán)保要求。2014年的《中國環(huán)境狀況公報(bào)》顯示：2014年，由農(nóng)業(yè)面源排放的CODcr大約為1 100多萬 t，占全年廢水CODcr48.04%。而畜禽養(yǎng)殖廢水為農(nóng)業(yè)源水污染的重要組成部分，其CODcr含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于農(nóng)業(yè)其它生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的污水。

表1 水樣中污染物檢測(cè)濃度Table 1 The decetion concentration of pollution in water sample (mg/L)

表2 GB 18596—2001污染物排放指標(biāo)Table 2 Discharge standard of pollutants in GB 18596—2001 (mg/L)

2 畜禽養(yǎng)殖廢水對(duì)環(huán)境的危害

2.1 對(duì)空氣的污染

畜禽排放的糞污在堆放過程中有機(jī)物發(fā)酵產(chǎn)生大量的氨氮、甲烷、含硫化合物、有機(jī)酸等會(huì)散發(fā)出惡臭刺鼻的氣味，嚴(yán)重污染周邊的空氣環(huán)境，直接影響周邊居民的健康生活。研究表明，長(zhǎng)期吸入惡臭類氣體會(huì)降低呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的敏感性，引起人體代謝紊亂，導(dǎo)致人們神經(jīng)衰弱，注意力下降，工作效率降低。畜禽糞污中含有的大量粉塵和病菌微生物，經(jīng)傳播進(jìn)入空氣后將刺激人和動(dòng)物的呼吸系統(tǒng)，可能引發(fā)呼吸類疾病。此外，惡臭氣體還會(huì)引來大量蚊蟲，導(dǎo)致病菌傳播。

2.2 對(duì)地表及地下水的污染

養(yǎng)殖廢水中含有大量的有機(jī)物，如果未經(jīng)處理直接排放，通過雨水沖刷、地表徑流等途徑將會(huì)隨地下水流入附近的河流或者滲透進(jìn)地表，對(duì)水資源環(huán)境產(chǎn)生危害。廢水中氮、磷化合物聚集，導(dǎo)致水中溶解氧下降，水體發(fā)黑發(fā)臭，水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水體生態(tài)圈。畜禽糞便中的病菌進(jìn)入水中迅速繁殖，污染水體，導(dǎo)致水生生物死亡。飼料中殘余的銅鎘等重金屬隨廢水流入地下水，使水中重金屬含量超標(biāo)，重金屬被水中藻類和魚類吸收并在體內(nèi)富集，而這些藻類和魚類作為食物進(jìn)入人體后，會(huì)造成人體重金屬超標(biāo)。重金屬在人體內(nèi)能和蛋白質(zhì)及酶等發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使它們失去活性，重金屬也會(huì)在人體某種器官內(nèi)聚集，造成慢性中毒，危害人類健康。

2.3 對(duì)土壤的污染

畜禽養(yǎng)殖廢水中含有大量的氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如果處理好能成為植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分，被很好地利用。但廢水若未經(jīng)處理直接排放到土壤中，高濃度的有機(jī)物在發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，使植物根系受損，導(dǎo)致植物減產(chǎn)甚至死亡。糞便中大量鈉鹽流入土壤中會(huì)使土壤板結(jié)，土壤通透性下降，不利于作物生長(zhǎng)。糞便中的致病微生物和寄生蟲卵進(jìn)入土壤中大量繁殖將導(dǎo)致疾病傳播，不利于周圍動(dòng)植物生存。飼料和獸藥中未被吸收的抗生素進(jìn)入土壤后，可能會(huì)破壞土壤中原有微生物的正常生長(zhǎng)和繁殖，從而破壞土壤中原有的微生物生態(tài)系統(tǒng)平衡。

3 國內(nèi)外養(yǎng)殖廢水處理現(xiàn)狀研究

3.1 單一處理技術(shù)

3.1.1 自然堆肥技術(shù) 畜禽的糞污集中到一個(gè)收集池中，經(jīng)過沉淀、天然發(fā)酵一段時(shí)間后，被用作農(nóng)業(yè)肥料，多余的廢水也被用于灌溉農(nóng)田或者直接排放。自然堆肥技術(shù)是比較傳統(tǒng)的家庭處理養(yǎng)殖廢水的方式，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，目前仍然被很多小型養(yǎng)殖場(chǎng)沿用。其缺點(diǎn)是發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，糞污發(fā)酵產(chǎn)生的惡臭嚴(yán)重污染周邊環(huán)境，容易滋生蚊蟲和細(xì)菌。糞污中的寄生蟲卵和病菌沒有經(jīng)過任何消毒殺菌處理，直接用作農(nóng)田肥料還有可能導(dǎo)致疾病傳播。

3.1.2 人工濕地處理技術(shù) 人工濕地是一個(gè)綜合的生態(tài)系統(tǒng)。它由于運(yùn)行成本低，工藝簡(jiǎn)單，易維護(hù)，用途廣等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村污水處理中。人工濕地一般由填充基質(zhì)、水生植物和微生物三部分組成。濕地基質(zhì)能夠截留和吸附污水中的懸浮顆粒，并且基質(zhì)床層中的土壤膠體也能吸附水中污染物。植物是人工濕地的重要組成部分，一般選擇根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)能力和生命力強(qiáng)的植物。污水中的氮磷能通過生物脫氮和植物分解吸收等方式去除。水中的重金屬離子和有害物質(zhì)能通過植物發(fā)達(dá)的根系吸收并轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到凈化污水的目的。為達(dá)到最好的污水凈化效果，設(shè)計(jì)人工濕地系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的環(huán)境和系統(tǒng)工藝特點(diǎn)選擇濕地植物。近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，農(nóng)村土地資源越來越有限，建立人工濕地的場(chǎng)地受限，且滿足不了大規(guī)模畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)的廢水處理需求。

3.1.3 厭氧處理技術(shù) 厭氧處理是在無需氧氣供給的條件下，利用微生物群將有機(jī)物分解為甲烷和二氧化碳的過程。上流式厭氧污泥床(UASB)為目前應(yīng)用最廣泛的裝置，反應(yīng)器內(nèi)的污泥顆粒化后具有更好的抗沖擊性，相關(guān)研究表明，UASB對(duì)生物柴油廢水CODcr的去除率達(dá)到88.6%[12]。吳鵬等采用ABR除碳-亞硝化耦合厭氧氨氧化工藝處理城市污水，裝置出水總氮去除率為86%～92%，CODcr濃度為20～40 mg/L[13]。厭氧處理技術(shù)因其裝置簡(jiǎn)單，剩余污泥量少，處理效果良好等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于造紙廢水、畜禽養(yǎng)殖廢水和垃圾滲透液等水處理工藝中[14-15]。厭氧處理技術(shù)僅處理高濃度有機(jī)廢水效果顯著，但是處理周期長(zhǎng)。厭氧技術(shù)對(duì)含重金屬離子的廢水幾乎無效果，而且單一的厭氧處理技術(shù)目前無法滿足環(huán)保的要求，容易產(chǎn)生二次污染。

3.1.4 好氧處理技術(shù) 好氧處理技術(shù)是指微生物在有溶解氧的條件下將有機(jī)物氧化分解成二氧化碳和水等。好氧處理技術(shù)根據(jù)微生物總類一般分為活性污泥法和生物膜法。

活性污泥法是一種污水的好氧生物處理法，主要由曝氣池、沉淀池、曝氣系統(tǒng)及回流系統(tǒng)組成，是處理城市污水最廣泛使用的方法[16]。曝氣能讓污水溶液充分接觸氧氣，溶液中的有機(jī)物被活性污泥吸附并被污泥中的好氧微生物分解，從而達(dá)到凈化污水的目的。在沉淀池中，活性污泥與凈化后的污水通過沉淀、分離，處理水排出，活性污泥通過濃縮后回流至曝氣池。

推流式和完全混合式是傳統(tǒng)活性污泥法中具有代表性的兩種曝氣形式。推流式曝氣池是水從池子的一端流入，從另一端流出，生化反應(yīng)具有明顯的階段性，水中污染物質(zhì)的濃度隨池體的長(zhǎng)度而逐漸降低。曝氣池前端溶解氧含量低，隨著池體的延長(zhǎng)溶解氧濃度越來越大。推流曝氣池的優(yōu)點(diǎn)是處理效果好，比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是因?yàn)槠貧獬厍岸巳芙庋鹾康?，所以廢水中有機(jī)物濃度不能太高，否則在前端容易形成厭氧狀態(tài)，而且抗沖擊性能差。完全混合式曝氣池是廢水溶液在曝氣池內(nèi)充分混合循環(huán)流動(dòng)，在池內(nèi)完成微生物對(duì)廢水中有機(jī)物質(zhì)的降解。因?yàn)閺U水在完全混合式曝氣池內(nèi)混合均勻，所以池內(nèi)各點(diǎn)水質(zhì)基本相同，耐沖擊能力強(qiáng)。它的缺點(diǎn)是池內(nèi)水體單一，降解動(dòng)力低，易發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象。

生物膜法是通過附著在介質(zhì)表面上的有氧微生物生長(zhǎng)繁殖，形成活性污泥生物膜，利用生物膜降解污水中的有機(jī)物的處理方法。當(dāng)有機(jī)廢水均勻地噴淋在介質(zhì)表面后，便沿著填料表面向下滲透。在充分提供氧氣的條件下，微生物新陳代謝使得有機(jī)物不斷分解的同時(shí)微生物自身也不斷繁殖。因生物膜介質(zhì)比表面積較高并且密度與水相近，所以生物膜附著在介質(zhì)表面繁殖增長(zhǎng)，填料在廢水的翻轉(zhuǎn)下移動(dòng)。這種技術(shù)主要解決了傳統(tǒng)固定床反應(yīng)器需要定期沖洗及更換曝氣裝置復(fù)雜的問題。危葉等[17]采用生物膜反應(yīng)器處理模擬畜禽廢水，以CODcr、TN和TP為主要檢測(cè)指標(biāo)，判斷微生物對(duì)污染物的去除作用，結(jié)果表明，在最佳工藝條件下CODcr去除率達(dá)到(91.0±1.39)%，TN去除率達(dá)到(93.3±1.42)%，TP去除率達(dá)到(73.0±3.65)%。

3.2 組合處理技術(shù)

以上介紹的單一的人工濕地、厭氧、好氧等技術(shù)處理大多是在實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果。實(shí)際的畜禽廢水成分比較復(fù)雜，單一的處理技術(shù)很難滿足當(dāng)今環(huán)保的要求。近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者開發(fā)了一些較為實(shí)用的組合工藝，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，使兩個(gè)或兩個(gè)以上的不同類型工藝聯(lián)合在一起，用以提高有機(jī)物、氨氮等污染物的去除率，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

聶麗君[19]將厭氧折流板反應(yīng)器、磷酸銨鎂脫氮和膜生物反應(yīng)器等方法進(jìn)行集成，形成組合式ABR-MAP-MBR工藝，處理廣東某養(yǎng)殖豬場(chǎng)廢水，考察水力停留時(shí)間、溫度和溶解氧等參數(shù)對(duì)處理效果的影響，結(jié)果表明：水溫25～35 ℃時(shí)CODcr去除率達(dá)73.5%；沉淀過程選擇氯化鎂、磷酸三鈉作為沉淀劑，CODcr、SS、NH4-N、TN指標(biāo)的去除率分別為82.0%,95.2%,72.4%,67.7%。經(jīng)過此組合工藝處理，出水各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，此新工藝具有良好的應(yīng)用前景。

張琳琳等[20]研究采用上流式污泥床(UBF)-復(fù)合生物濾池-人工濕地組合工藝，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)村庭院式養(yǎng)殖廢水進(jìn)行處理，考察了復(fù)合生物濾池水力負(fù)荷、人工濕地停留時(shí)間、回流比等工況對(duì)工藝處理效果的影響。結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)水CODcr和TN、NH3-N、TP的質(zhì)量濃度分別為542～1 448,88.48～475.6,74.92～301.9,4.99～31.63 mg/L時(shí)，UBF停留時(shí)間為36 h，人工濕地HRT在5 d、回流體積比為1∶1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)CODcr、TN、NH3-N、TP的平均去除率分別達(dá)到88.18%,65.24%,81.04%,91.92%。

4 結(jié)束語

在廢水處理發(fā)展過程中，畜禽養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境問題已引起了社會(huì)各界的密切關(guān)注。在農(nóng)村土地日益緊張和資源日益短缺的今天，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)應(yīng)打破傳統(tǒng)的末端治理模式，從源頭上科學(xué)合理布局，提高資源的利用率，嚴(yán)格把控生產(chǎn)過程，減少廢水排放，從而達(dá)到清潔生產(chǎn)的要求，這將成為未來規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢水的發(fā)展趨勢(shì)。