工业水处理, 2021, 41(8): 41-46 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2020-0734

专论与综述

畜禽养殖废水处理工艺分析研究

王永磊,1, 刘杰1, 韩延镇2, 刘文明2, 孙文韬1, 王学琳1

Analysis and research on treatment process of livestock and poultry breeding wastewater

Wang Yonglei,1, Liu Jie1, Han Yanzhen2, Liu Wenming2, Sun Wentao1, Wang Xuelin1

收稿日期: 2021-06-17  

Received: 2021-06-17  

作者简介 About authors

王永磊(1977-),博士,教授电话:18865928865,E-mail:wyl1016@sina.com , E-mail:wyl1016@sina.com

Abstract

As the demand for livestock and poultry meat continually increase, its breeding industry has developed rapidly. The pollution of livestock and poultry breeding wastewater is becoming increasingly serious. The livestock and poultry breeding wastewater has high concentration of organic matter, ammonia nitrogen, and suspended solid, and the water quality of which is relatively complex, so it poses a great threat to human and environment. At present, there were many processes used in the treatment of livestock and poultry breeding wastewater. Different combination processes had different treatment effects for the breeding wastewater. Combined with the characteristics of the wastewater, physical and chemical treatment methods were generally used for the pretreatment and advanced treatment of livestock and poultry breeding wastewater. The biological method was mainly used as the conventional treatment process. The aerobic and anaerobic treatment processes applicable to livestock and poultry breeding wastewater were compared, and the actual engineering case of the treatment of wastewater was analyzed. It is hoped to provide reference and technical support for the selection of livestock and poultry breeding wastewater treatment process.

Keywords: livestock and poultry breeding wastewater ; biological treatment ; wastewater treatment

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本文引用格式

王永磊, 刘杰, 韩延镇, 刘文明, 孙文韬, 王学琳. 畜禽养殖废水处理工艺分析研究. 工业水处理[J], 2021, 41(8): 41-46 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0734

Wang Yonglei. Analysis and research on treatment process of livestock and poultry breeding wastewater. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(8): 41-46 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2020-0734

随着我国畜禽养殖业规模的不断扩大,污染问题不容小觑。《第二次全国污染源普查公报》数据显示,畜禽养殖业排放的COD、氨氮、总氮、总磷在全国水污染物排放量占比约为46.67%、11.51%、19.61%、37.95%1。我国农业面源污染问题较严重,畜禽养殖业已成为主要污染来源。

《水污染防治行动计划》指出,要防治畜禽养殖污染,科学划定畜禽养殖禁区2。为规范畜禽养殖业污染治理工程的建设与运行,我国制定了严格的排放标准——《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596—2001)和《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》(HJ 497—2009)。

畜禽养殖废水的处理工艺繁多,其中以生物处理应用较广泛。不同工艺的成本、处理稳定性及出水水质不同,部分工艺处理效果差强人意,成本较高。传统废水处理工艺在废水无害化处理中有较好效果,但未充分考虑畜禽养殖废水的资源化,易造成资源浪费,可考虑改进并优选成本较低、处理效果较优的工艺。笔者对畜禽养殖废水的部分主流处理工艺及应用实例进行整理,归纳其优缺点,为了解及选用畜禽养殖废水处理工艺提供一定参考。

1 畜禽养殖废水特点

养殖废水主要为畜禽尿液、冲洗污水、生活污水等3,其中冲洗水占大部分。该类废水含有大量粪便、生活杂质等,腥臭味较强,含较多病源微生物,对水处理设施冲击负荷大。此外,养殖废水的有机污染物、氨氮浓度高,悬浮物多4,且废水中的有机氮经厌氧处理后以氨氮形式存在,进一步增加处理难度。笔者对某母猪养殖场进行调研后发现,其废水COD、SS均在20 000 mg/L左右,氨氮可达1 500 mg/L,对环境威胁较大。

2 畜禽养殖废水处理工艺

畜禽养殖废水的处理根据处理方式及原理不同,大致分为物理化学处理和生物处理等。物理化学处理是通过物理及化学方法处理养殖废水,常用方法有过滤、吸附、离心、混凝沉淀、电化学氧化等5,可减轻对后续生化处理的影响。这些工艺一般用于预处理和深度处理,处理效果较为可观。邱敬贤等6采用混凝沉淀工艺预处理养殖废水,SS去除率可达90%,可大幅降低SS及胶状物质对后续处理效果的影响。淮北市某猪场废水处理工程的调研结果显示,采用机械格栅+固液分离机+气浮机+水解沉淀池组合工艺进行预处理,通过物理截留和絮凝加药方式分离水中悬浮物,可有效减小后续工艺的运行负荷。若要满足排放标准要求,畜禽养殖废水还需进一步处理。针对该类废水可生化性较好的特点,研究者常采用生物法进行处理。生物法主要利用微生物对有机物的分解转化作用,完成水质净化7。其中厌氧生物处理可将复杂有机物转化为简单有机物,常用于处理高浓度有机废水。好氧生物处理一般用于处理中、低浓度的有机废水。常见的生物处理工艺有升流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧折流板反应器(ABR)、膨胀颗粒污泥床(EGSB)、序批式活性污泥法(SBR)、序批式生物膜反应器(SBBR)、膜生物反应器(MBR)、A/O工艺等。

2.1 UASB

UASB是现代厌氧工艺中应用最广泛的反应器形式之一8。厌氧产生的沼气上升后产生内部循环,通过三相分离器使污泥停留时间与废水停留时间分离,能更好地完成水质净化。水力停留时间、容积负荷率等因素会影响UASB的处理效果9。王刚等10采用UASB工艺处理畜禽养殖废水,进水COD为7 000~12 000 mg/L、COD容积负荷为8.1 kg/(m3·d)时,COD去除率为85.6%,出水COD约为1 277.2mg/L。闻韵等11采用UASB工艺处理养殖废水,COD容积负荷为8.1 kg/(m3·d),进水COD为8 083 mg/L时,出水COD为1 057 mg/L,去除率达86.9%。UASB工艺对COD的去除效果及产气性能12与回流比、酸碱度、温度、容积负荷等因素有关13-15

传统UASB工艺初次启动时间较长,对颗粒污泥的利用有些许不足。合理改进反应装置可实现快速启动,提高效率。上流式厌氧兼氧污泥床反应器(UAFSB)对COD的去除率在90%以上,脱氮效果上升10%,除磷效果可达80%甚至更高16。陈金发17对UASB进行改装,可用生活污水快速培养出好氧颗粒污泥,COD和总磷的去除率分别为90.42%、92.67%,反应器稳定运行,效果较优。

2.2 ABR

ABR具有一定抗冲击负荷能力,可处理不同浓度的污水18。ABR通过上下折流板的分隔,使隔室中的水流完全呈混合态,整体呈推流态,在1个反应器内实现多相处理过程,提高了处理效果和稳定性。雷英春等19采用ABR工艺预处理养殖废水,可去除70%的COD。陈晴20采用ABR工艺处理养殖废水,CODCr去除率为98%,氨氮去除率为19.27%。赵丽等21采用ABR工艺处理模拟养殖废水,COD负荷为5.7 kg/(m3·d)时,COD去除率达98%。方圣琼等22采用红泥塑料覆顶的ABR处理畜禽养殖废水,COD为9 000~10 000 mg/L时,去除率基本稳定在75%~85%,水力停留时间较传统厌氧工艺的更短。缩短厌氧反应器启动时间是该研究的重难点。温飞23在低有机负荷下进行接种颗粒污泥实验,有效缩短了ABR启动时间,CODCr去除率可达85%以上。

2.3 EGSB

EGSB充分膨胀后能增加废水中有机物与微生物之间的接触,强化传质效果,加快反应速度,提高处理效能,可用于处理低温、有毒性的废水和含硫酸盐、难降解的废水24。许光宇25采用EGSB工艺预处理奶牛养殖废水,COD去除率为70%~75%,运行35 d后COD平均去除率为80%,最佳条件下COD去除率可达85.3%。朱明等26采用EGSB工艺处理猪粪废水,进水COD为1 200~1 300 mg/L、HRT为0.7 d时,COD去除率达到80%,COD负荷为1.8 kg/(m3·d)时可保证工艺的高效性和稳定性,同时具有一定能源回收利用功能。

2.4 SBR

SBR能够稀释、缓冲进水中抑制微生物的物质,同时存在有机物浓度梯度,可有效控制活性污泥膨胀,脱氮除磷效果好27。段焱等28采用SBR结合悬浮填料交替好氧/缺氧运行方式,可有效处理养殖废水。邓良伟29采用SBR工艺处理猪场废水,COD、TN、NH3-N、SS、BOD5去除率分别为52.1%~82.1%、74.1%、97%、93.9%~97.3%、89.0%~95.7%。赵君楠等30发现供气量、pH、排泥量、原水稀释倍数对SBR工艺的处理效果均有影响,供气量为375 L/(m3·min)、pH为8、排泥100 mL时,COD、磷和凯氏氮去除率分别为96.37%、94.14%、99.38%。

将好氧颗粒污泥与SBR工艺结合后,启动时间更短,沉降性能更好。王晓春31选用颗粒污泥作为接种污泥,效果优于普通活性污泥,可缩短反应器启动时间,COD、氨氮及TP的去除率分别可达98%、87%、98%。郭硕32采用好氧颗粒污泥SBR反应器处理养猪沼液,氨氮去除率可达97%,但总氮和磷酸盐的去除率较低,低曝气量时COD去除率约为69.29%。

2.5 SBBR

SBBR的生物量多,微生物增殖慢、世代时间长,有较长食物链,对污染物的去除效果好,且剩余污泥量少,工艺稳定33。朱春兰34采用SBBR工艺处理养殖废水,CODCr和氨氮的去除率分别为95.76%、95.92%。SBBR工艺抗冲击负荷能力强,可有效脱氮和去除有机物,使用不同填料可进一步改进其处理效果。何一群35将碳纤维材料作为SBBR系统填料处理畜禽养殖废水,生物膜生长良好,再生性能佳。韩静36使用半固定式填料好氧生物膜反应器处理养殖废水,在水温为20~35 ℃、进水碳氮比为5∶1~20∶1、COD为500~4 000 mg/L、HRT为8 h的条件下,COD去除率可达87%以上,氨氮、TN的去除率分别达到95%、90%。

2.6 MBR

MBR是实现泥水分离和污泥浓缩的新型污水处理工艺。高效膜分离作用取代了二沉池,同时截留微生物,使得生物种群丰富,生化处理效率高。龙用波37采用MBR工艺处理养殖废水,CODCr和氨氮的去除率分别达96%、93%以上,膜组件的高效截留能力可完全去除SS。

水力停留时间、溶解氧含量、膜组件组合方式对处理效果的影响较大。许美蓝等38将可旋转的膜组件引入厌氧膜生物反应器(AnRMBR)中,可强化膜表面剪切力,控制膜污染,COD容积负荷为5.68 kg/(m3·d)时,COD去除率达到94.7%,除污效果和产气性能较好。

2.7 A/O工艺

A/O工艺是将反硝化段置于好氧工段前,利用原水中的有机物为碳源,故称为前置反硝化工艺。氨氮在A/O反应池生化系统内主要通过微生物同化作用以及硝化菌、反硝化菌的作用被去除。A/O工艺不仅可以稳定脱氮,由于硝化段有机负荷低,对COD、BOD也有较高的去除率,剩余污泥量少。多个A/O池串联起来可以解决复杂水质的处理问题39。李辰等40将2个A/O池进行结合实现废水的无害化处理,该工艺抗冲击负荷能力强、碳源利用率高,运行成本较低,脱氮除磷效果好。余薇薇等41采用改良型两级A/O工艺处理养殖场沼液,对COD、氨氮、总氮、总磷、SS的去除率分别为90.7%、92.3%、76.4%、84%、90.7%。对于总氮浓度高、厌氧消化后碳氮比低的废水,两级A/O工艺通过加强固液分离、添加原水补充碳源等措施,可有效增强脱氮效果42

2.8 工艺比较

笔者将处理畜禽废水的不同工艺进行归纳整理,其主要优缺点如表 1所示。

表1   典型工艺优缺点比较

Table 1  Comparison of advantages anddisadvantages of typical processes

工艺优点缺点
UASB水力停留时间短,有机负荷高;节省造价,避免填料堵塞;无需污泥回流设备存在短流现象,进水悬浮物不能过高,耐冲击力稍差
ABR污泥产率低,抗冲击负荷能力强,可抵御有毒物质冲击;构造简单,基建、维护费用低反应器深度不宜过大,均匀配水较为困难,推流状态较难维持
EGSB高径比大,占地小;机械强度高,沉降性能好;无短流、堵塞和死角问题;水力负荷高易出现污泥流失
SBR基建与维护费用较低;可脱氮除磷,有较强抗冲击负荷能力,可处理高浓度有机污水及有毒废水控制设备复杂,运行维护要求高,容积利用率低,系统流量不均匀
SBBR水力停留时间短,维护费用低,脱氮除磷和处理难降解有机物效果好,抗冲击负荷能力强不同微生物的生长环境相互影响,运行工况参数复杂
MBR能适应水量水质变化,运行控制灵活,剩余污泥量少,可去除难降解有机物及氨氮建设费用高,膜组件造价高;膜组件易被污染,反冲洗措施要求高,能耗高
A/O脱氮除磷效果好,运行成本低,抗冲击负荷能力强;方便管理,占地面积小需消耗大量碱度,对碳源要求高,需补充碳源

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3 畜禽养殖废水工程案例分析

3.1 江西某有机牧场废水处理工程

江西某有机牧场有1 000头奶牛,每日产生废水量300 t,选用厌氧消化—UASB—SBR—氧化塘工艺进行处理43,工艺流程如图 1所示。

图1

图1   UASB+SBR工艺流程

Fig.1   Process of UASB + SBR


进水COD为18 000~20 000 mg/L、氨氮为410~510 mg/L、SS为4 000~6 000 mg/L时,该工艺对COD去除率为98.1%,SS去除率为97.5%,氨氮去除率为76.1%。工程总投资386万元,设备投资188万元,土建费用投资198万元,废水处理费用约1.05元/m3;沼气每天发电约160 kW·h,沼液可用于农作物灌溉,具有一定经济和社会效益。该工程常温处理效果较好,可供南方地区的养殖废水处理参考。各项出水指标满足GB 18596—2001要求,接续氧化塘处理后,出水满足灌溉水质标准要求(GB 5084—2005),可用于农田灌溉。

3.2 南京浦口某猪场废水处理工程

南京浦口某猪场采用AE厌氧反应器+两级A/O反应池+高效反应沉淀池处理养猪废水,如图 2所示。

图2

图2   AE反应器+两级A/O反应池

Fig.2   AE reactor+two-stage A/O reactor


该工程处理水量为120 m3/d,预期出水CODCr≤200 mg/L、SS≤100 mg/L、氨氮≤80 mg/L、TP≤8 mg/L,pH为5.5~8.5,出水达到灌溉水质标准的旱作作物排放标准,氨氮、总磷满足畜禽养殖业污染物排放标准要求(GB 18596—2001)。AE厌氧反应器结合了第一代厌氧反应器AC和第三代厌氧反应器EGSB的优点。该工程预计运行成本为9.68元/m3,污水处理站建成投产后将减少污水对周边的污染,改善水体水质条件。

3.3 江西某猪场废水处理工程

江西某规模化猪场商品猪年存栏量2万头,废水量400 m3/d,采用中温UASB+生物接触氧化+氧化塘工艺处理43,部分流程如图 3所示。

图3

图3   UASB+生物接触氧化工艺流程

Fig.3   Process of UASB +biological contact oxidation


经中温UASB+生物接触氧化+氧化塘工艺处理后,出水COD、BOD5、氨氮、总磷、SS分别为85.9、68.3、26.8、4.3、58 mg/L,满足GB 18596—2001要求,其中氨氮去除率85.6%,总磷去除率90.7%。厌氧产生的沼液部分用于施肥浇灌,沼气用于厂区供电和冬季UASB反应器保温;产生的沼渣经浓缩后与干粪一起堆肥发酵,制成有机肥出售。该工程共投资360万元,日运行费用340元,运行成本每吨约0.85元。

3.4 广东某猪厂废水处理工程

广东省某规模化养猪厂采用EGSB+生物接触氧化池+MBR工艺处理猪粪水和猪栏冲洗水44,部分工艺流程如图 4所示。

图4

图4   EOM工艺流程

Fig.4   Process of EOM


该猪厂每日产生废水量约100 t,COD、氨氮分别为4 042.48、754.1 mg/L,处理后出水COD、氨氮分别为162.36、63.3 mg/L,COD、氨氮、BOD5和悬浮物的去除率分别达到95.98%、91.61%、90.78%、92.02%。该工程总投资140万元,土建成本44.5万元,设备材料95.5万元,每天的运行费用180元,吨水成本约1.8元;相较于同类型工艺,该工程占地较小、运行费用低,可高效处理高浓度有机废水,出水水质满足广东省地方标准要求(DB 44/613—2009)。

4 结语

(1) 养殖废水可生化性较高,宜用生物法进行处理。生物处理法各有优劣,应依据排放标准、成本预算、人员管理等情况,选择合适的处理工艺。其中UASB工艺可在高负荷下稳定运行,污泥停留时间较长,造价低,运行成本较低,处理效果较好,适用范围更广泛。SBR、SBBR工艺有较强的脱氮除磷能力,抗冲击负荷能力强,成本较低,可适应不同处理环境。MBR工艺出水优质稳定,处理效果好,但造价较高。多级A/O工艺是稳定脱氮的不错选择,对有机物也有较好的去除效果。

某些厌氧工艺的优化可从运行参数等方面着手,如填料、处理负荷、产气性能、加药量等,以提高工艺处理效果,降低处理成本。MBR工艺可考虑膜组件的膜通量等参数。此外,可利用数学模型指导反应器研究,并作为废水处理技术扩展、迁移和分配的设计工具。

(2) 工程案例及调研表明,采用预处理—UASB—SBR组合工艺处理高浓度有机污水,可在获得清洁能源(甲烷)的同时有效脱氮除磷,出水水质较好,满足排放标准要求。该处理系统运行较稳定、成本较低,是实现废物再利用、减少污染的有效途径。规模较小的养殖场可根据当地排放标准要求及地理环境,优先考虑建设处理成本较低、效果较优的工艺,尽可能实现废水资源化利用,维系行业可持续发展。

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