專業養殖糞便處理新技術介紹和設備說明

畜禽養殖專業化與規模化集中飼養方式,有利於提高飼養技術、 防疫能力和管理水準, 與傳統方式即農戶分散飼養相比,規模化飼養可大大提高生產效率和飼料轉換率,降低生產成本,增加經濟效益。但畜禽規模化飼養也造成糞尿過度集中和沖洗水大量增加,給生態環境帶來極大壓力。據國家環境保護總局對全國 23 個省(區)、 市規模化畜禽養殖業污染狀況調查表明, 畜禽糞便產生量為工業固體廢棄物產生量的 2 .4 倍,畜禽糞便化學需氧量(COD)遠遠超過我國工業廢水和生活污水化學需氧量排放量之和。許多地區畜禽養殖帶來的污染已經或正在成為當地環境主要污染源。目前畜禽養殖所帶來的嚴重污染已引起政府、 養殖場業主、 污染治理研究和設計者的重視,相繼開發了不同處理工藝,並建立了各式畜程,主要有還田模式、 自然處理模式和工業化處理模式。
1 還田模式
    畜禽糞便污水還田作肥料為傳統而經濟有效的處置方法,可使畜禽糞尿不排往外界環境,達到污染物*。既可有效處置污染物,又能將其中有用的營養成分迴圈於土壤 - 植物生態系統中, 家庭分散戶養畜禽糞便污水處理均採用該法。該模式適用於遠離城市、 土地寬廣且有足夠農田消納糞便污水的經濟落後地區, 特別是種植常年需施肥作物的地區,要求養殖場規模較小。還田模式主要優點一是污染物*,zui大限度實現資源化,可減少化肥施用量,提高土壤肥力;二是投資省,不耗能,毋需專人管理, 運轉費用低等。其存在的主要問題一是需要大量土地利用糞便污水,每萬頭豬場至少需 7hm土地消納糞便污水, 故其受條件所限而適應性弱;二是雨季及非用肥季節必須考慮糞便污水或沼液的出路;三是存在著傳播畜禽疾病和人畜共患病的危險;四是不合理的施用方式或連續過量施用會導致 NO-3 、 P 及重金屬沉積,成為地表水和地下水污染源之一; 五是惡臭以及降解過程所產生的氨、 硫化氫等有害氣體釋放對大氣環境構成污染威脅。經濟發達的美國約 90%的養殖場採用還田方法處理畜禽廢棄物。鑒於畜禽糞尿污染的嚴重性和處理難度, 英國和其他歐洲國家已開始改變飼養工藝,由水沖式清洗糞尿回歸到傳統的稻草或作物秸稈鋪墊吸收糞尿,然後制肥還田。日本曲徑探尋 10 多年後,於 20 世紀 70 年代始又大力推廣糞便污水還田。說明還田模式仍有較強的生命力。我國上海地區在治理畜禽養殖污染過程中,經過近 10 年的達標治理實踐,又回到還田利用的綜合處理模式中。美國糞便污水還田前一般未經專門厭氧消化裝置厭氧發酵,而是貯存一定時間後直接灌田。由於擔心傳播畜禽疾病和人畜共患病,畜禽糞便廢水經過生物處理之後再適度應用於農田已成為新趨勢。德國等歐洲國家則將畜禽糞便污水經過中溫或高溫厭氧消化後再進行還田利用,以達到殺滅寄生蟲卵和病原菌的目的。我國一般採用厭氧消化後再還田利用,可避免有機物濃度過高而引起的作物爛根和燒苗,同時經過厭氧發酵可回收能源CH 4 ,減少溫室氣體排放,且能殺滅部分寄生蟲卵和病原微生物。國外對畜禽糞便污水還田利用的研究主要側重於安全性評估以及減少風險的措施。我國該方面研究則主要著眼於畜禽糞便厭氧消化液(沼液)的正面影響即改良土壤及增產效果 [4 ] ,而對其副作用即長期施用所產生的危害尚未引起足夠重視。
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2 自然處理模式
    自然處理模式主要採用氧化塘、 土地處理系統或人工濕地等自然處理系統對養殖場糞便污水進行處理, 適用於距城市較遠、 氣溫較高且土地寬廣有灘塗、 荒地、 林地或低窪地可作污水自然處理系統、 經濟欠發達的地區,要求養殖場規模中等。自然處理模式主要優點一是投資較省, 能耗少, 運行管理費用低; 二是污泥量少, 不需要複雜的污泥處理系統;三是地下式厭氧處理系統厭氧部分建於地下,基本無臭味; 四是便於管理,對周圍環境影響小且無噪音;五是可回收能源 CH 4 。其主要缺點一是土地佔用量較大;二是處理效果易受季節溫度變化的影響;三是建於地下的厭氧系統出泥困難,且維修不便;四是有污染地下水的可能。該模式在美國、 澳大利亞和東南亞一些國家應用較多,且國外一般未經厭氧處理而直接進入氧化塘處理畜禽糞便污水,往往採用多級厭氧塘、 兼性塘、 好氧塘與水生植物塘,污水停留時間長(水力停留時間長達 600d) , 占地面積大, 多數情況下氧化塘只作為人工濕地的預處理單元。歐洲及美國較多採用人工濕地處理畜禽養殖廢水, 美國自然資源保護服務組織(NRCS)編制了養殖廢水處理指南,建議人工濕地生化需氧量(BOD 5 )負荷為 73kg / hm2 •d,水力停留時間至少 12d。墨西哥灣專案(GMP)調查收集了 68 處共 135 個中試和生產規模的濕地處理系統約 1300 個運行數據,並建立了養殖廢水濕地處理資料庫,發現污染物平均去除效率生化需氧量(BOD 5 )為 65%, 總懸浮物 53%,NH+4- N 48%,總 N 42% ,總 P 42%。人工濕地存在的主要問題是堵塞, 而引起堵塞的主要原因是懸浮物,微生物生長的影響卻很小。避免堵塞的方法主要有加強預處理、 交替進水和濕地床輪替休息 , 近年還發展了 “潮汐流” 以及反粒級(上大下小)等避免堵塞。我國南方地區如江西、 福建和廣東等省也多應用自然處理模式,但大多採用厭氧預處理後再進入氧化塘進行處理, 厭氧處理系統分地上式和地下式, 氧化塘為多級塘串聯。我國在人工濕地處理養殖廢水方面進行的一些實驗研究和工程應用, 主要著眼於植物篩選和處理效果的考察,而在氧化塘以及人工濕地處理養殖廢水設計中,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或者隨意設計, 但針對畜禽養殖污水處理, 其氧化塘、 人工濕地究竟需要多大面積, 出水才能達到標準,季節溫度變化對自然處理系統效果的影響等方面尚缺乏深入研究和規範可依。
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3 工業化處理模式
    工業化處理模式包括厭氧處理、 好氧處理以及厭氧 - 好氧處理等不同處理組合系統。對那些地處經濟發達的大城市近郊、 土地緊張且無足夠農田消納糞便污水或進行自然處理的規模較大養殖場, 採用工業化處理模式淨化處理畜禽糞便污水為宜。工業化處理模式主要優點一是占地少;二是適應性廣, 不受地理位置限制; 三是季節溫度變化的影響較小。其主要缺點一是投資大, 每萬頭豬場糞便污水處理投資約 120 萬～150 萬元; 二是能耗高, 每處理 1m3污水約耗電 2～4kW •h;三是運轉費用高, 每處理 1m3污水需運轉費 2 .0 元左右; 四是機械設備多,維護管理量大;五是需專門技術人員管理。韓國、 義大利和西班牙等國少部分養殖場應用該模式處理糞便污水,而日本則大量應用該模式, 美國亦開始該模式的研究與應用; 我國目前已有相當多的養殖場採用該模式處理糞便污水。畜禽養殖糞便污水厭氧處理工藝通常有*混合式厭氧反應器、 厭氧濾池、 厭氧擋板反應器、 厭氧複合反應器、 上流式厭氧污泥床和內迴圈厭氧反應器等。畜禽養殖糞便污水含有高濃度的懸浮物和NH+4- N,影響了高效厭氧反應器的效率。徐潔泉等對厭氧複合反應器、 上流式厭氧污泥床和厭氧擋板反應器處理豬糞過篩液運行性能試驗結果表明,幾種反應器的運行指標基本*,綜合比較厭氧複合反應器略優於上流式厭氧污泥床, 上流式厭氧污泥床略優於厭氧擋板反應器。且溫度對反應器性能的影響更大,發酵溫度 10℃段時化學需氧量負荷 1 .9～2 .3g / L •d,裝置平均產氣率 0 .32～0 .51L / L •d, 化學需氧量平均去除率 82 .2% ～91 .0% ; 發酵溫度 15℃段時負荷化學需氧量 2 .5～2 .6g / L•d, 裝置平均產 氣率 0 .57～0 .59L/ L •d;發酵溫度 25℃段時化學需氧量負荷 5 .5～5 .7g/ L •d, 裝置平均產氣率 1 .93～2 .01L/ L •d。好氧工藝早期主要採用活性污泥法、 接觸氧化法、 生物轉盤、 氧化溝和缺氧 - 好氧法等工藝, 這些工藝處理養殖場廢水脫 N 效果均差, 其中缺氧 - 好氧法雖能取得較好脫 N 效果,但需要污泥回流和高比例混合液回流,一般還需加堿。而採用間歇曝氣處理豬場廢水其有機物與 N、 P 去除效果較好, 此後以間隙曝氣為特點的序批式反應器廣泛應用於豬場廢水處理中, 且絕大多數獲得較好有機物與 N、 P 去除效果, 並建立了規模生產試驗裝置。由於養殖場廢水系高濃度有機廢水, 採用好氧處理工藝直接進行處理則需對廢水進行稀釋,或採用很長的水力停留時間(一般 6d 以上, 有的甚至長達 16d, 這都需建大型處理裝置, 投資大,能耗高, 運行費用昂貴,如意大利某生產性序批式反應器處理豬場廢水試驗運行費用高達 3 歐元/ m3 [ 29 ]。高濃度有機廢水採用厭氧 - 好氧聯合處理工藝是公認的zui經濟方法。目前採用厭氧 - 好氧工藝處理養殖場廢水尚少見報導,且已有的厭氧 - 好氧工藝處理養殖場廢水報導, 其處理效果均很差,主要是好氧後處理對厭氧消化液污染物去除效果差。Ng W .G .
採用序批式反應器工藝處理豬場廢水厭氧消化液其NH+4- N 去除率僅 68 .7%。徐潔泉等
採用接觸氧化法處理豬場廢水厭氧消化液其出水化學需氧量 > 500mg/ L, NH+4-N > 200mg/ L。Jung Jeng Su 等採用序批式反應器工藝處理豬場廢水厭氧消化液得出同樣結果, 總凱氏N 去除率僅42 .4%～71 .1% ,化學需氧量去除率僅 10%～40%。楊虹等試驗發現間歇曝氣處理豬場廢水厭氧消化液其NH 3 - N 去除率 < 60% , 出水中NH+4- N 濃度為 600mg/ L 左右, Liao C .M .等 [ 32 ] 採用間歇曝氣處理豬場廢水厭氧消化液其總 N 去除率達 30% , NH+4- N 去除率為 40%。一些研究者針對厭氧消化液處理效果差的問題,研究提出改進方法一是加堿,改善了NH+4- N 去除效果,但對總 N 去除無效果。二是加C 源,主要添加葡萄糖、 甲醇 [ 26 ] 和乙酸, 這些方法雖取得較好處理效果, 但需增添裝置投資, 工作強度和運行費用亦大幅增加。厭氧 - 加原水 - 間歇曝氣(簡稱 Anarwia 工藝)是由我國研製開發的畜禽養殖污水處理新工藝, 即將大部分畜禽養殖廢水進行厭氧消化後,出水再與小部分未經厭氧消化的養殖廢水混合, 然後採用間歇曝氣序批式反應器處理混合水,該 Anarwia 工藝處理效果與序批式反應器直接處理工藝相同, 但其水力停留時間、 工程投資、 剩餘污泥量、 需氧量同比分別降低 38 .6%、 11 .8%、 16 .4%和 95 .9% , 並能回收沼氣。若不計沼氣收益,Anarwia 工藝處理費用比序批式反應器工藝低 47 .5% ; 若計沼氣收益則 Anarwia 工藝處理費用僅有序批式反應器工藝的 9 .1% ,說明 Anarwia 工藝頗具優勢,並已成功應用於畜禽養殖污水處理工程,且處理效果良好。現階段我國規模化養殖場大多建在距離大城市較遠的地區,飼養規模不大。因此糞便污水處理應優先考慮還田利用模式,剩餘的再採用自然處理模式,即採用還田與自然處理相結合的綜合利用處理模式,在前 2 種模式無條件實施時,再考慮工業化處理模式。但隨著社會經濟的發展,用於消納或處理糞便污水土地將越來越少,加之還田與自然處理模式均帶來二次污染,工業化處理模式必將受到更廣泛關注,並成為今後的研究重點。無論採用何種處理模式,綜合利用優先、 減量化、 資源化、 無害化和運行費用低廉化應是畜禽養殖污水處理的首要原則。