116养猪废水处理技术的研究进展.pdf

年月第卷第期 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；广东省珠江人才计划“青年拔尖人才”项目（）作者简介：梁瑜海（），男，广西壮族自治区崇左市人，华南农业大学首聘副教授，博士，主要研究方向为污水处理新技术引用格式：梁瑜海，肖咏茵养猪废水处理技术的研究进展轻工学报，（）：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）养猪废水处理技术的研究进展 关键词：养猪废水；废水处理技术；资源化利用；脱氮：；梁瑜海，肖咏茵，华南农业大学资源环境学院，广东广州 ，摘要：综述了不同养猪废水处理技术的基本原理和优缺点，发现，传统处理技术多侧重于对废水中污染物的去除，但未考虑总氮的控制，难以实现节能降耗和资源的回收利用；新型处理技术不仅可以减少总氮去除过程中的能耗、物耗，还可以实现资源的回收利用为了实现可持续发展战略，未来达到更高的出水排放标准，现有处理技术还需在优化运行条件、增加预处理措施、组合多技术处理等方面做出相应改进；而未来养猪废水处理新技术也会朝着低耗、高效和高质的方向发展万方数据 年月第卷第期：，-，-，-，-，-，-，引言随着人们生活水平的提高，猪肉食品的需求量不断增加，生猪养殖业也因此越发集中，并逐渐实现规模化，而这种规模化养殖却带来了严重的环境污染问题 年，全国污染源普查公报显示，畜牧养殖业的粪便产生量为，尿液产生量为 其中，总氮和总磷的排放量可达 和 生猪养殖作为畜牧业的重要组成部分，其产生的废水污染问题不容忽视养猪废水主要由猪的粪便和尿液组成，臭味很重，但同时富含有机物、营养物质（氮、磷）和未消化的饲料其中，高质量浓度的氮、磷等营养物质进入水体后，会导致水体富营养化，水生生物大量死亡，从而破坏水体的生态平衡但如果能将养猪废水中的有机物、氮、磷等污染物进行高效处理，不仅可以降低养猪废水对环境的污染，还能实现资源的回收利用因此，如何对养猪废水进行科学的处理和利用已成为当前生态环境保护领域的重要研究课题目前，养猪废水的处理以生物方法为主，物理方法和化学方法为辅本文拟在对比分析传统养猪废水处理技术的基本原理和优缺点的基础上，重点阐述养猪废水的资源化利用和新型处理技术，并对未来养猪废水处理技术的发展趋势进行展望传统养猪废水处理技术厌氧生物处理技术厌氧生物处理技术是指在厌氧条件下，通过厌氧菌和兼性菌的代谢作用，对废水中的有机物进行生化降解该技术具有能耗低、有机负荷高、剩余污泥少、抗冲击负荷强、生物能源可再利用等优点，在畜禽养殖废水处理领域中较为常用沼气池是养猪废水处理中应用较多的厌氧生物处理装置，具有施工方便、工艺流程简单、所产沼气可以用于发电等优点，具有良好的环境效益和社会效益，但其在应用过程中也存在发酵原料不足、沼气池产气率低等问题因此，部分学者将研究重点集中在优化沼气池处理效果方面已有研究表明，玉米秸秆与猪粪混合、酒糟与猪粪混合、香菇与猪粪混合都可明显提高沼气池的产气率 此外，等还发现，采用两步加热的方式可提高养猪废水厌氧消化过程中甲烷的产量，与一步加热方式相比，当环境温度降低到 时，其甲烷产率可提高上流式厌氧污泥床（-）是厌氧生物处理技术中的常见工艺之一，其主要处理过程为：待处理的污水从反应器底部进入，与反应器内呈膨胀状态的污泥充分反应后进入沉淀区；混合液流经三相分万方数据梁瑜海，等：养猪废水处理技术的研究进展离器，产生的沼气从其上部进入集气系统，污泥靠重力再返回反应区该工艺具有处理效率高、结构紧凑、费用少等优点，但同时也存在耐冲击力差、进水中的悬浮物不宜过高等问题 已成功应用于食品加工、酿造、医药化工等诸多行业和高质量浓度的废水处理领域赵青玲等发现，根据化学需氧量（-）去除率的情况适时提高进水质量浓度，不仅可以促进污泥的颗粒化，还可以避免污泥结构松散郑仁宏研究发现，反应器运行的适宜温度为 左右，适宜值为左右，当容积负荷为（）时，对畜禽养殖业废水的处理效果较理想万莉等利用电增强零价铁升流式厌氧污泥床-（-）处理实际养猪废水时发现，-对废水中氮素的去除率较高 等在中使用驯化的外源颗粒污泥处理养猪废水，第 的去除率为，去除效果明显优于使用土著厌氧污泥的对比组但是，厌氧生物处理技术也面临一定的挑战例如，难降解的膳食纤维是猪饲料中的主要物质，它们进入养猪废水后，可能会严重阻碍废水进行厌氧消化反应同时，该技术还存在出水难以达到现有养猪废水的排放标准等问题，因此，一般都需要与好氧生物处理技术或其他技术组合运行使用好氧生物处理技术好氧生物处理技术是指在好氧条件下，通过好氧微生物的代谢作用，去除废水中的有机物、氮、磷等污染物该技术具有处理性能稳定、易于操作和管理、去除污染物能力强等优点在养猪废水处理中，多级工艺和 工艺是应用较广的好氧生物处理技术 郑志彬采用“预处理沼气池两级”工艺，陈凤祥采用 两级工艺，陈威等采用-工艺，曾哲伟采用 混凝组合工艺处理养猪废水，都实现了良好的处理效果，出水中各项污染物指标也都优于排放标准序批式反应器（-）也是一种常用的养猪废水好氧生物处理装置，改变其运行模式可以在一定程度上提高养猪废水的处理效果 等发现，在间歇曝气的条件下，可更高效地去除养猪废水中的污染物 等则发现，在中采用间歇曝气运行模式，可快速实现好氧污泥的颗粒化 等和 等发现，与传统连续曝气运行模式相比，采用间歇曝气运行模式的具有较高的反硝化细菌丰度，且在脱氮方面效果更好上流式微好氧反应器（）也能较好地同步去除养猪废水中的、总磷和总氮（）等采用处理养猪废水时发现，的平均去除率为，总磷的平均去除率为，的平均去除率为；同时发现，反应器中不同类型菌群的竞争协同关系会对污染物的去除产生重要影响 等研究发现，在中，氨氧化菌、异养反硝化菌、自养反硝化菌与聚磷菌间的协同作用对、氨氮、磷酸盐等污染物的去除起重要作用但中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和异养菌对氧的竞争却又限制了养猪废水中氮素的去除除上述工艺外，施云芬等在移动床生物膜反应器中进行不同悬浮填料的对比实验时发现，碳纤维球填料不仅挂膜速度快，且在不同运行条件下对、氨氮、总磷等的去除效果均好于聚乙烯塑料填料 等研究发万方数据 年月第卷第期现，向反应器中加入聚氯乙烯填料后，可增强硝化细菌、反硝化细菌、厌氧细菌等生长缓慢细菌的富集，氨氮、的去除率分别达到和万莉采用生物接触氧化池和序批式生物膜反应器处理养猪沼液，出水再经过人工湿地处理，可使出水水质优于排放标准由此可见，好氧生物处理是养猪废水处理技术的核心之一但好氧生物处理技术也存在剩余污泥量多、能耗较高等问题在养猪废水的实际处理中，好氧工艺一般会与厌氧工艺结合以降低能耗，再与其他深度处理工艺结合进一步提高出水水质人工湿地处理技术人工湿地系统是模拟湿地生态系统建造的一种污水处理系统，其作用原理主要是，在一定的填料上种植湿地植物，当污水通过人工湿地时，可利用湿地中填料的物理、化学作用和植物与微生物的生物协同作用降解污染物人工湿地系统具有总体投资低、运行费用少等优点，多种类型的人工湿地系统均可对养猪废水进行有效处理混合潜流人工湿地系统对养猪废水中大部分污染物均具有较好的去除效果；多级表面流人工湿地系统对养猪废水不仅具有良好的处理效果，而且湿地基质中还具有较丰富的细菌群落；沼泽池塘沼泽人工湿地系统可以降低养猪废水中的、氨氮、总磷和 的平均质量浓度；潮汐流人工湿地在厌氧消化后的养猪沼液处理中，具有良好的脱氮效果植物种植可改善人工湿地系统中养猪废水的处理效果其中，种植浮萍的人工湿地对溶解性有机物的平均去除率提高了，但废水中的氨氮质量浓度会对浮萍的处理效果产生一定的影响 等以 浮萍为模型物种进行养猪废水处理实验时发现，氨氮质量浓度的升高会延缓浮萍的生长、降低固碳和能量的产生速率除浮萍外，绿狐尾藻也是一个研究热点 等研究发现，种植有绿狐尾藻的表面流人工湿地能有效地去除养猪废水中的磷 等发现，绿狐尾藻净化系统可以提高养猪废水中的溶解氧（-），从而促进硝化过程此外，为了阐明人工湿地的污染物去除机理，部分研究者将目光转向了人工湿地中微生物的种群结构 等研究发现，在养猪废水处理实验中，对反硝化菌的种群分布有负面影响 等分析表明，厌氧氨氧化菌的活性和丰度与人工湿地中沉积物的值、氨氮含量和-含量密切相关 等研究表明，在垂直流动人工湿地中，基质类型对细菌种群的变化有显著影响将人工湿地处理技术应用于养猪废水处理，不仅可以获得稳定的出水水质，还可以美化周边环境但人工湿地处理技术也存在不足之处，如易受气候、温度、污染负荷的影响，易发生堵塞等，这些都阻碍了其更广阔的应用前景综上，在实际应用中，养猪废水的传统处理工艺一般都是厌氧好氧人工湿地系统的组合工艺（见图）其主要步骤为：首先，待处理的污水先通过格栅井，去除粗大的悬浮物或漂浮物；接着，进入厌氧处理系统，通过厌氧菌和兼性菌降解有机物，同时产生沼气和沼渣；然后，厌氧系统出水再进入好氧处理系统，污染物被好氧微生物进一步降解；最后，好氧处理系统出水进入人工湿地系统，进行深度处理，进一步提高出水的水质目前，传统工艺多侧重于对污染物的去除，大多没有考虑到的控制，难以达到节能降耗和资源回收利用的目的为了缓解日趋恶化的水污染问题，增加的控制指标，提高养猪废水的排放标准势在必行若使万方数据梁瑜海，等：养猪废水处理技术的研究进展用现有工艺实现的去除，还需增强反硝化脱氮然而，养猪废水中碳氮含量比较低，废水中的有机物难以满足氮素反硝化需求，只有投加大量外加碳源才能实现控制的目标，这会导致废水处理成本大幅增加因此，研发低耗、高效的养猪废水资源回收和处理新工艺迫在眉睫养猪废水的资源回收利用和新型处理技术养猪废水的资源回收利用技术磷酸铵镁结晶法回收养猪废水中的氮磷目前，养猪废水中的和 可通过与 结合形成沉淀的方法去除，其沉淀物为磷酸铵镁（-），英文俗名为，中文俗称为鸟粪石，可作为氮肥和磷肥使用该方法也称结晶法，其反应原理见图影响结晶法回收效率的因素较多 等研究发现，海藻酸钠和牛血清白蛋白的存在可轻微抑制的结晶 等研究发现，当（）（）（）时，结晶效果最佳 等研究发现，正渗透可促进的原位生成和牲畜养殖废水的养分回收 等研究发现，在预处理中，与添加磷肥相比，添加发酵过的磷酸可得到更高的氨氮去除率和回收率图厌氧好氧人工湿地系统的组合工艺 -膜技术回收养猪废水中的氨氮养猪废水中的氨氮可以通过膜接触器加以回收，其回收原理（见图）是：通过提高废水的值或温度，使得转化为；通过膜孔向通有侧扩散，使得转化为（）采用膜接触器回收氨氮不仅可以达到的氨氮去除率，而且回收产物（）还可作为农业肥料进行销售目前，如何提高氨氮回收率是该技术的研究重点赵倩倩等使用膜接触器处理经预处理的垃圾渗滤液，通过提高料液的值、温度，控制合适的吸收液流量，提高了氨氮的回收率张宗阳等研究发现，双套膜接触器可以克服传统膜接触器中由于壳程非理想流动导致的传质阻力刘芮等通过比较分析发现，错流式膜组件比平流式膜组件更易获得较高的氨图 结晶法的反应原理 图膜接触器的回收原理 万方数据 年月第卷第期氮总传质系数膜接触器回收氨氮技术具有高效、经济等特点，但在处理养猪废水时，应进行相应的预处理，避免养猪废水中其他污染物对膜组件和回收率的影响电化学法回收养猪废水中的氨氮目前，应用于养猪废水处理的电化学处理技术主要有电渗析技术和微生物电化学技术电渗析技术的基本原理是利用电场使废水中不同电荷的离子透过不同选择性离子交换膜，使废水得到净化，向电极迁移的离子可以进一步回收利用（见图）电渗析技术在养猪废水处理领域有一定的应用潜力例如，两段双极膜电渗析系统被用于猪粪水解物养分的回收，通过控制运行条件，可以达到较好的处理效果 等研究发现，电流密度对养猪废水脱氮有显著影响，当电流密度为 时，的去除率最大，可达 等研究发现，在废水中加入白云石可提高废水的电解性能，进而提高氨氮的去除率由此可见，通过电渗析技术可有效回收养猪废水中的氮素，但多种污染物并存时，回收产物的纯度会受到影响微生物电化学技术的基本原理是利用固定在电极上的微生物之间的电化学作用来降解废水中的污染物，它是一种能量自给的废水处理图电渗析技术的基本原理 技术，可以应用于养猪废水的处理，其作用原理见图 等研