奶牛養殖廢水處理技術研究進展

摘要:奶牛養殖廢水具有高COD、高SS、高氨氮的特點，大多數集約化奶牛養殖場所暴露出的廢水未經處理任意排放的問題，已嚴重威脅到周邊的生態環境。文中敘述了奶牛養殖廢水的來源及特征，討論了物化處理技術、自然處理技術、生物處理技術在處理奶牛養殖廢水時的優缺點，指出今后在奶牛養殖廢水處理方面仍需解決的重要問題。
在農村經濟產業中，奶牛養殖業逐漸成為不可或缺的一部分。近年來，集約化、標準化的奶牛養殖模式已經主流。然而，在集約化養殖過程中會產生大量糞尿及沖洗水，且在這些廢水中含有COD、SS及氮磷等高濃度的污染物［1］。據2015年的《全國環境統計公報》相關數據顯示，農業源COD和氨氮排放量分別為1068.6萬t和72.6萬t，占全國總排放量的48%和32%，而畜禽養殖業污染物排放量在農業源排放總量中的比例高達95%［2］。畜禽養殖廢水無疑已成為引起農村面源污染的罪魁禍首，同時也嚴重阻礙了國家推進畜禽養殖業標準化、規范化的進程。目前奶牛養殖廢水的排量越來越大，全國范圍內并沒有對其危害引起足夠的重視，奶牛養殖廢水處理效率很低。
1、奶牛養殖廢水的來源及特征
在集約化的奶牛養殖場中，養殖廢水主要包括了牛尿、部分牛糞及牛舍沖洗水。調研可知，鮮牛糞中含有8.44%～10.62%的有機物，主要是未消化的蛋白質和纖維素等，其中水溶性蛋白質含量在1.17%～1.23%之間，pH為7.5［3］。
總體來講，奶牛養殖廢水具有以下幾個基本特征:(1)水質變化大:牛舍沖洗水是影響奶牛養殖廢水水質變化的主要因素，而不同場所不同時間段產生的沖洗水的水質會有很大差異，導致養殖廢水整體水質變化很大。(2)污染指標高:奶牛養殖廢水中含有大量的COD、BOD、氨氮、總磷等污染物質，其中高濃度的懸浮物也使其處理起來具有一定的難度［4］。(3)含有致病菌:奶牛養殖廢水中含有大量的致病菌和寄生蟲，未經處理直接排放會導致水體惡化［5］。(4)可生化性好:奶牛養殖廢水為例，經過檢測，廢水中的B/C比值均超過了0.45，廢水的可生性好。
2、奶牛養殖廢水處理技術
目前奶牛養殖廢水處理技術應用較多的主要有以下幾類:物化法、自然生態法、生物法等。下面針對這幾類處理技術進行綜合分析。
2.1物化處理技術
未經處理的奶牛養殖廢水中含有較多的糞便以及少量的飼料，固體懸浮物濃度很高，單單的生物降解，反應器會因大量固體懸浮物無法去除而發生堵塞，影響了工作效率，且污泥活性也會降低［6］。因此，需要先采用物化法對廢水進行預處理，這樣大量的固體懸浮物會被去除，分離出來的糞渣也可進行二次利用［7］。目前，混凝沉淀、酸堿中和、電化學、高級氧化、離子交換等物化處理技術被應用于各行各業的廢水治理中［8］。
(1)混凝沉淀法
通過混凝劑的作用使廢水中的膠體顆粒和小懸浮物聚集形成大的絮凝體，絮凝體自然沉降到廢水底部，從而實現污染物的去除。目前常用的混凝劑主要有聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鐵(PFC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝劑。該法操作簡單、成本低廉，迄今為止仍被廣泛使用。周亞紅［9］等研究不同混凝劑對畜禽養殖廢水的處理效果時發現，混凝沉淀法對養牛廢水的預處理效果明顯，鋁鹽和鐵鹽混凝劑可以有效地降低廢水中的有機物含量，COD去除率為82%以上，混凝產生的沉淀物質量增長到之前的2.7倍左右，更容易實現固液分離。
(2)吹脫法
吹脫法主要用于氨氮的去除，其原理是在堿性條件下進行空氣吹脫，改變氣液相中的氨比例，利用氨在廢水中處于游離狀態的特性，使其透過氣液界面，達到去除廢水中氨氮的目的［10］。劉麗［11］通過超聲吹脫法對養豬場廢水氨氮吹脫的處理過程中，發現在初始濃度為667.8mg/L，pH=12，曝氣量為0.3m3/h，吹脫時間為8h的條件下，較終使出水濃度達到78.4mg/L，達到了《畜禽養殖業污染物排放標準》(GB18596－2001)要求的相關排放標準。
(3)吸附法
利用吸附材料孔隙密集的特點，可以有效地將廢水中的污染物吸附到吸附劑的表面，將污染物與水體進行了分離處理。HaimingHuang［12］等在處理養豬場廢水的研究中發現，使用鎂鹽對沸石進行改性，在改性后的沸石濃度為110g/L、反應時間為40min的條件下，可以去除廢水中82%的氨氮和98%的磷酸鹽。吸附法相對來說運行成本較高，技術要求也較嚴格，同時吸附完成后吸附劑表面會附著大量污染物，應及時進行脫附防止引起以防發生二次污染。
2.2自然處理技術
自然處理技術是利用河流湖泊等自然水體及土壤中的微生物、植物，利用其生命活動實現對污染物的轉移、轉化及降解，以此達到凈化廢水的目的，多用于廢水的深度處理。穩定塘和人工濕地是兩種常用自然處理技術。
(1)穩定塘工藝
穩定塘又稱氧化塘，是一種利用天然或將人工修整的池塘進行廢水處理的構筑物。通過藻類光合作用、好氧菌好氧分解、厭氧菌厭氧分解的共同作用，將池塘內污染物進行降解。具有操作簡單、投資運行費用少、出水效果較好的優點［13］。但穩定塘容易受自然因素的影響，例如要依靠現有池塘進行構建、季節溫度的變化可能會導致凈化效果不穩定，因此多數情況下作為人工濕地的預處理單元。
(2)人工濕地工藝
與土壤處理類似，人工濕地也具備了低廉的投資和運行成本、處理效果好等優點，此外，該技術可針對不同的污染物，通過種植合適的植物來實現凈化水體的目的，具有很強的針對性和多樣性。但其也存在著占地面積大、受外界條件影響大等缺點。XuYang［14］等在研究潛流人工濕地處理奶牛養殖廢水時發現，在進水流量為3m3/d的條件下，較終可以去除66.98%的COD，57.49%的TP，57.16%的TN和55.09%的NH3－N。
2.3生物處理技術
生物處理技術是一種利用微生物自身的代謝來降解轉化水中污染物的方法。具有去除效果好，不產生二次污染等優點。生物處理技術主要包括厭氧處理技術、好氧處理技術和厭氧－好氧聯合處理技術等。
(1)厭氧處理技術
厭氧處理技術是指在厭氧狀態下，厭氧菌與兼性菌把廢水中的有機物利用自身的代謝活動中，將其作為自身生長的營養物質所利用，并較終使有機物分解為CH4、CO2和H2O等小分子有機物和無機物的一種廢水處理方法。該技術經歷了近百年時間的發展，目前常用的有上流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧濾池(AF)、厭氧流化床(AFB)等二代厭氧反應器，三代厭氧反應器則是以厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內循環式反應器(IC)、上流式厭氧污泥床過濾器(UBF)和厭氧折流板反應器(ABＲ)等技術為主［15］，厭氧處理技術能夠去除大量污染物，提高廢水的可生化性，適用于處理高濃度的有機廢水，并且在養殖廢水的處理上已有很多工程實例［16］。
聶麗君［17］等研究ABＲ－MAP－MBＲ組合工藝對高濃度養殖廢水處理效果時發現，當進水COD濃度為2000～3000mg/L時，經ABＲ反應器處理后COD去除率穩定在70%，較終COD去除率為96.6%，處理效果好。楊陽［18］采用UASB處理技術，反應器共運行207d，較終COD去除率為80%。
(2)好氧處理技術
好氧處理技術是指在好氧微生物的作用下將廢水中污染物降解去除的方法，一般通過曝氣等方式來提高好氧微生物的代謝活動，從而增強其降解污染物的能力。好氧法可以有效去除廢水中的氮磷及臭味，目前常用的好氧處理工藝有序批式活性污泥法(SBＲ)、氧化溝、A2O工藝、生物濾池、膜生物反應器(MBＲ)等［17］。
楊朝暉［18］等在養牛場廢水處理過程中運用了水解酸化－SBＲ好氧工藝，不論是對COD還是NH3－N，都達到了90%以上的去除效果，尤其是NH3－N的去除率高達99%，滿足相關排放規定。LijiaoＲen［19］等對養殖廢水進行了稀釋，再利用A/O法進行處理，實驗結果表明，反應器運行72d時，COD去除率為79%～94%，TN去除率為37%～50%，去除效果較好。
(3)厭氧－好氧聯合處理技術
在處理養殖廢水的實際應用中發現，僅通過單一的厭氧或好氧處理技術并不能滿足廢水的排放要求。厭氧處理技術雖能去除大部分的COD，但對高濃度的氨氮基本沒有去除能力;而好氧處理技術雖然能夠有效處理廢水的氨氮，出水水質較好，但是一般好氧反應器容積負荷較低，高濃度的養殖廢水會對其產生沖擊力。因此采用厭氧和好氧技術相結合，甚至生物處理與物化處理相結合的工藝處理養殖廢水成為當前的研究熱點，并且取得了較好的效果。趙玉祥［20］采用UASB－生物接觸氧化池組合工藝處理養牛廢水的試驗結果表明，當進水CODcr濃度為3000～4000mg/L，NH3－N濃度為30～50mg/L時，較終有98%的COD和80%的NH3－N被去除，組合工藝出水經進一步的化學處理后水質可以滿足排放標準。
3、結語
針對目前中國奶牛養殖廢水污染問題，政府部門應加強監管力度，完善防治措施，對于污染源頭要嚴加監管，對于不符合排放標準的要責令整改。
雖然目前國內外對于奶牛養殖廢水的處理技術問題越來越重視，但是在實際運用方面還有待加強和改善，需根據奶牛養殖廢水的水質條件、地理位置等因素選擇合適的處理技術。對于廣大研究學者而言，探討出一種處理效果優良、投資成本低、適于推廣的奶牛養殖廢水處理技術，對于奶牛養殖行業規?；l展具有重要意義。