厌氧消化对养猪场废水处理的效果

引言

   我国畜禽养殖业发展迅速 ， 同时带来的环境污染问题也日趋严重 ．养殖场不仅废水排放量大 ， 而且含有的污染物浓度高 （经过除渣处理的养猪场废水 COD 可在 6000mg／L 以上 ，氨氮可达700 mg／L以上） ． 畜禽粪便产生的环境污染 ， 已成为我国农村面源污染的主要来源之一 ． 许多地区畜禽养殖带来的污染已经或正在成为当地环境的主要污染源 ．据相关调查，全国 90％ 以上的畜禽养殖没有污水治理（处置）和综合利用设施 ， 大量畜禽粪便污水未经有效处理就直接排入自然水体 ， 造成了严重的环境污染 ， 引发和加速了水体富营养化的进程 ， 严重威胁着人们的健康和饮用水安全 ．

     以前国家制定的法律法规均是针对工业及城市污染，农村污染也只有关于农药、化肥方面的法律规定，而对于规模化畜禽养殖业，其污染控制无论是在管理上，还是在政策上都显得滞后。为了加强对我国畜禽养殖业污染排放的控制，国家环保局2001年5月发布了《畜禽养殖场污染物管理办法》，2002年初 又发布了《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)，对畜禽养殖场污染物排放总量及各种污染物的浓度进行了严格的限定。2005年12月，国务院颁发了《关于落实科学发展观加强环境保护的决定》，明确提出“积极发展节水农业与生态农业，加大规模化养殖业污染治理力度”。2006年10 月，国家环保总局颁布了《国家农村小康环保行动计划》，把防治规模化畜禽养殖污染作为行动计划的重点领域。2010年，国家颁布了《畜禽养殖业污染防治技术政策》，政策指出畜禽养殖污染防治应贯彻“预防为主、防治结合，经济性和实用性相 结合，管理措施和技术措施相结合，有效利用和全面处理相结合”的技术方针，实行“源头削减、清洁生产、资源化综合利用，防止二次污染”的技术路线。 2013年10月8日，国务院总理主持召开国务院常务会议，审议通过了《畜禽规模养殖污染防治条例(草案)》，强调了“要运用法律手段，促进养殖污染防 治，对推动畜牧业转型升级”。这些配套政策的出台，将畜禽养殖污染防治工作列入了各级政府目标责任管理，极大促进了畜禽养殖污染治理工作的开展。此外，上海市政府出台并实施了《上海市畜禽养殖管理办法》(简称《办法》)， 《办法》中明确规定了上海市畜禽养殖场所排放的污染物应当符合国家和本市的相关标准， 对养殖场污染的处理行为形成了一定的约束。福建省、杭州市、无锡市、大连市等省市相继制定了各地区的《畜禽养殖污染防治管理办法》或《畜禽养殖污染防治管 理办法实施细则》这些法规和办法极大促进了畜禽养殖业的污染防治，但我国在此方面的工作才刚刚起步，尚有许多法律、法规需要制定和完善。

目前畜禽养殖所带来的环境污染已引起政府 、养殖场业主 、污染治理研究和设计者的重视 ， 特别是随着枟畜禽养殖业污染物排放标准枠（GB18596-2001）的颁布实施 ，进一步推动了我国畜禽养殖业污染控制的步伐 ，近年来相继开发了不同处理工艺 ， 并建立了各种养殖废水处理工程 ．目前国内畜禽养殖场废水处理工艺已由单一的物化处理向组合型生物处理方向发展 ． 近年来 ， 许多新型工艺被应用到畜禽养殖场废水处理中来 ，例如水解-SBR-活性炭吸附工艺、接触氧化-水解（酸化）-两段接触氧化-混凝工艺、CSTR-SBR 工艺等 ． 上述工艺多数还停留在实验阶段 ， 现场应用的较少 ．有些工艺虽然处理效果好 ， 但仍具有较大的局限性 ， 如工程投资高 、耗能大 、运行管理不便等 ，难以在畜禽养殖场广泛分布的广大城郊地区及经济落后的农村地区推广应用 ． 利用水生植物净化畜禽养殖场废水将具有较强的经济性和推广价值 ．近年来国内也出现了利用水生植物-浮萍净化养猪场废水的相关报道， 然而由于养猪场废水 COD浓度很高 ， 而水生植物的耐有机污染性能有限 ，在利用水生植物对其处理前必须设置必要的前处理工艺 ． 为有效降低废水的 COD 浓度并尽可能减少处理成本 ，适宜采用厌氧消化作为预处理工艺 ． 当前，我国推进社会主义新农村建设正在大力实施沼气富民工程 ，研究厌氧消化对养猪场废水的预处理效果不仅符合各地实际情况 ， 还可为养猪场废水的后续达标处理提供参考和借鉴 ．

１ 实验设计

养猪场废水取自南京郊区某规模化养猪场 ， 其水质为 ： COD 为 5272.5 mg／L 、NH４＋ -N 为416.2 mg／L 、TP 为22.8 mg／L 、pH 为 7.4（均为平均值） ． 厌氧消化实验用污泥采用实验室条件下培养与驯化后的厌氧污泥 ， 实验温度采用常见的中温消化温度（35℃ 左右） ，在固定的固-液比条件下进行实验 ， 参照枟畜禽养殖业污染物排放标准枠（GB18596-2001）相关水质指标 ， 考察不同水力停留时间下养猪场废水水质（COD 、NH４＋ -N 、TP 和 pH）及产气量的变化 ， 为后续水生植物处理提供理论依据 ．

厌氧污泥培养与驯化装置为有机玻璃圆柱体（内径10 cm ， 有效容积为 2.5 L） ，底部进水 ，上部出水 ，进水孔以乳胶管与高位水槽（有机玻璃制）相连 ， 并以闸阀手动控制 ． 厌氧消化实验用发酵装置为具塞广口玻璃瓶（有效容积为1L） ，并与排水集气瓶（玻璃瓶 ，有效容积为1L）相连以收集气体 ．橡皮塞上连一玻璃导管通至广口玻璃瓶底部（起液封作用） ，与外部乳胶管相连并以闸阀手动控制 ， 以供实验中取水样使用 ．实验中将广口瓶置于恒温水浴锅中 ． 实验装置见图

２ 实验方法
2.1污泥培养与驯化
实验采用处理高浓度有机化工废水厌氧污泥（浓缩污泥）进行驯化培养 ， 接种浓度为 1.16 kg/L ， 接种污泥量约占反应器容积的1/3 ． 实验初期向污泥培养与驯化装置中加入稀释的养猪场废水（COD 在1500 ～ 1800 mg/L） ，之后逐渐减少稀释比例直至最终进水全部采用养猪场原废水 ，约 2周后废水 COD 去除率稳定在 78% 左右 ，停止驯化 ．装置中污泥多呈现黑色 ， 部分为灰色 ，沉降性能较好 ．
2.2 厌氧消化实验方法
采用批式发酵 ，排水集气 ． 向发酵装置中加入体积比为 1:3 的厌氧污泥和养猪场原废水约1000mL ，混匀 ． 将发酵装置置于恒温水浴锅中 ， 调节温度使其维持在 35℃ 左右 ．每天定时记录产气量并适时适度摇晃发酵罐 ， 以加快产气速度 ．实验设置两个平行实验 ，每两天取样一次测定废水 COD 、NH４＋ -N 、TP 和pH ， 最大取样体积小于 10mL ． 实验中各测定结果取平行样测定值的平均值 ．废水监测指标为 COD 、NH４＋ -N 、TP 和 pH ， COD 采用快速微波消解法测定 ， 另三项均采用国标法测定 ， 分别为 ： NH４＋ -N 采用纳氏试剂光度法测定 ； TP 采用钼锑抗分光光度法测定 ； pH 值采用值采用 PHS-25 数显酸度计测定 ．

３ 结果与分析

3.1 厌氧消化时间对养猪场废水水质的影响

实验过程废水 COD 、NH４＋ -N 、TP 浓度及 pH 变化分别见图 2 、图 3．

由图 2、图 3 可看出 ， 废水 COD 浓度随水力停留时间的增加持续降低 ， 第 10天时废水 COD 浓度及去除率分别达到 112.6 mg／L 及78.1％ ， 这与厌氧反应的机理有关 ． 厌氧消化初期即水解酸化阶段 ， 主要是大分子的有机物在细胞外酶的作用下分解为小分子有机污染物 ， 而污染物的总量恒定 ， 因而随着水力停留时间的延长 ， 部分有机物分解为无机物 ，从而达到了去除有机物的效果 ．然而 ，虽然 COD 浓度持续降低 ， 但其去除速率随实验进行有所下降 ， 表明由于废水中有机物的不断减少 ， 废水环境可能不利于厌氧微生物的生长 ， 从而降低了其对有机物的吸收降解 ．

废水氨氮浓度随水力停留时间的增加呈现先下降后上升的变化 ，其原因为 ，在厌氧处理初期 ， 进水中的氨氮部分被微生物用于自身的合成 ， 因而氨氮浓度持续降低 ， 随着实验的进行 ，大量有机氮被降解为无机氮 ， 并主要转化为氨氮 ， 使得氨氮浓度回升 ， 并且这时废水 C／N 比相对较低 ，可能不利于微生物对氨氮的吸收利用 ， 因而氨氮浓度持续升高 ， 并在第 10天时达到 408.6 mg／L ， 去除率仅为 1.8％ ．

废水 TP 浓度随水力停留时间的增加也呈现先下降后上升的变化 ，其原因可能为 ，实验初期含磷颗粒物的沉降及微生物对磷的同化吸收作用使得废水 TP 浓度持续降低 ， 随着实验的进行 ，沉降已经较为彻底 ， 而废水低 C／N 比及较高的 N／P 比使得微生物对磷的同化吸收能力下降 ， 并且在厌氧条件下 ， 聚磷菌分解体内积聚的聚磷形成的无机磷释放到废水中 ， 因而废水 TP 浓度不断增加 ． 由于原废水 TP 浓度相对较低（为 22.8mg／L） ， 实验后期 TP 浓度虽然有所增加 ， 但增长较为缓慢 ，第 10天时其浓度为7.2 mg／L ，最终去除率依然达到 68.4％ ．

实验期间废水 pH 变化范围不大 ， 在 7.21 ～ 7.52 之间 ， 这对于微生物的生长较为有利 ． 废水 pH 值变化随水力停留时间的增加呈现先小幅降低而后缓慢升高的趋势 ， 其原因为 ， 消化前期废水中有机物在微生物作用下分解 ， 主要进行水解和酸化反应 ， 产生了一定量的有机酸 ， 导致废水的 pH 值逐步降低 ，随着实验的进行 ， 废水中不断生成的铵盐增加了碱度 ， 另一方面 ，， 系统中碳酸盐缓冲体系由于甲烷 、CO２ 等气体的产生而受到破坏 ， 进一步导致废水 pH 值增加 ．

3.2 厌氧消化时间对产气量的影响

由图 4 可见 ， 实验过程产气量变化随厌氧消化时间的延长呈现先增加后持续降低的变化过程 ， 日产气量在实验的第2天达到最大值 232mL ． 实验第 1 天 ， 微生物主要对废水中有机物进行液化 ， 因而第 1天的产气量明显低于第 2天的产气量 ． 随着实验的进行 ， 废水中有机物不断被消耗 ， 浓度持续降低 ， 废水中反硝化细菌等微生物在争夺碳源中对产甲烷菌构成一定的竞争作用使其活力下降 ， 同时 ， 实验后期废水 pH 值的持续升高也对产甲烷菌的生长产生了不利影响 ， 因而产气量逐渐减少 ， 并低于实验初期产气量。

４ 结论与展望

实验结果表明 ， 厌氧消化预处理工艺对养猪场废水 COD 的去除效果较好 ， 实验结束（第 10天）时废水 COD 浓度从原废水的 5272.5 mg／L 下降到 1152.6 mg／L ， 去除率达78.1％ ；其对养猪场废水 TP 尤是 NH４＋ -N 的去除效果不理想 ， 实验结束时废水 NH４＋ -N 浓度为 408.6，与原废水 NH４＋ -N 浓度较为接近 ．实验过程产气量随厌氧消化时间的延长呈现先增加后持续降低的变化过程 ， 日产气量最大值出现在第2天。

实验期内废水 COD 浓度持续降低 ， 这对于后续水生植物处理较为有利，然而第 6后废水 NH４＋ -N浓度不断增加 ， 会对水生植物的生长产生毒害作用 ，因而考虑到废水的后续处理效果以及尽可能减少消化时间 ， 降低处理成本 ，结合笔者此前研究，可在厌氧消化6后进入萍污水处理系统进行后处理 。

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