規模化奶牛場廢水處理技術研究進展

摘 要：近年來我國奶牛養殖集約化、規?；酱蠓岣撸S之增多的奶牛場廢水量卻給環境帶來了壓力。本文針對奶牛場廢水的特征，對國內外廢水處理現狀進行了分析，簡述了還田利用、自然處理和工業化處理方式等處理工藝，為奶牛場廢水的處理和資源化利用提供參考。
關鍵詞：奶牛場廢水；水質特點；處理工藝
隨著生活水平日益提高，居民對奶制品的需求也大大增加，奶牛規模化養殖得到迅速發展[1]。規?；B殖在帶來巨大社會效益的同時，產生的廢水也給環境帶來了危害?，F階段奶牛業屬于微利行業，因此必須尋求一種高效、低成本的廢水處理方法來保證奶牛場取得利潤。
奶牛場廢水成分及水質特征
奶牛場廢水主要由尿液、沖洗水（包括圈舍沖糞水、飲槽沖洗水、地面清潔用水、設備和設施清潔用水等）以及少量工人生活生產中產生的廢水組成[2]。奶牛場廢水具有有機物、氮磷、懸浮物（SS）濃度較高，及水量大、溫度低、固液混雜等特征。且不同的清糞方式對廢水水質特征影響較大，其中干清糞相比水沖糞和水泡糞產生的廢水量更少，生物需氧量（BOD）和化學需氧量（COD）含量也相對較低，但目前我國奶牛場的清糞方式依然以后兩種為主。由于奶牛場廢水獨特的水質特征，也增加了處理難度。
國內外奶牛場廢水處理研究現狀
國外處理研究現狀
歐美、日本等發達國家的規?；B殖起步較早，所以對養殖廢水的處理方法研究也較早，現已形成了完善的管理措施和治理模式。例如，美國養殖業工廠化、專業化、規模化都很高，大部分農場采用農牧結合方式，產生的廢水直接用于農場灌溉。又如，從1984年開始荷蘭就限制養殖戶擴大經營模式，大中型農場分散在13.7萬個家庭中，產生的廢物廢水均由農場處理消化。因此，國外的養殖廢水大多進行資源化利用，實現農牧相互促進、相互協調。另外，國外對奶牛場廢水的生物處理方法也進行了深入研究，在好氧、厭氧方法的微生物機理以及動力學模型等方面均取得了較好的成果。
國內處理研究現狀
我國畜牧業污染防治起步較晚，2001年國家環保局才發布了《畜禽養殖污染防治管理辦法》[3]。目前國內廢水處理現狀較為混亂，還沒有規范化的處理方法。處理方法主要包括物理方法和生物方法。其中物理方法是指污水經池存放沉淀后排放，42.86%的養殖場采用此方法。生物方法主要包括沼氣池發酵、氧化塘無害化處理以及工業化處理[4]。由于人們環保意識的增強和國家重視程度的提高，我國更多的科研工作者積極研究科學有效的畜牧業廢水處理方法以及資源利用方法。
奶牛場廢水處理方法
養殖廢水的處理方法有很多，主要包括還田利用、自然處理和工業化處理方式。
還田利用
還田利用是一種將糞便污水處理后還田作為填料的污水處置方式，沒有禽畜糞尿排至外界環境，可以達到污染物的零排放，是一種傳統而經濟的污水處理方法。奶牛場廢水濃度較高，含有豐富的微量元素和營養物質，還田利用可以使廢水資源化，使營養物質在植物-土壤系統里循環利用[5]。但還田利用也有一定的缺點：第一，在雨季和植物不需要營養時不能進行回田利用，這時就要利用其他的廢水處理方法；第二，如果廢水濃度過高，超過了植物的營養限值，就會對植物根系造成破壞，從而影響作物的質量和產量；第三，此方法需要大量的土壤，因此只適合小規模且周邊土地較多的養殖場；第四，不合理或連續過量使用養殖廢水會導致硝酸鹽、磷及重金屬沉積，污染地表水和地下水。因此，在還田前應進行簡單的生物處理以降低環境污染風險。
自然處理
自然處理方法包括氧化塘（厭氧塘、兼氧塘、好氧塘、曝氣塘）處理、土壤處理（慢速滲濾、快遞滲濾、地表漫流）和人工濕地處理。自然處理方法優點主要有：投資能耗少、運行管理費用低；對難降解有機物、氮磷等營養物質以及細菌的去除率通常優于常規的二級處理，但基建費用和處理成本卻低于二級處理；可實現污水資源化利用。但自然處理方法也具有占地面積大、凈化效率低、處理效果易受季節溫度影響等缺點。因此，此方法主要適用于距城市較遠、氣溫較高且土地寬廣的地方，如灘涂、荒地、林地、低洼地等，多用于規模中等的養殖場[6]。Duan等[7]利用土地滲透作用處理奶牛場廢水，固體懸浮物（SS）、氨氮（NH4+ -N）、總 氮（TN）、總磷（TP）、COD及總有機碳（TOC）的 去除效率分別達到86.1％、78.0％、78.2％、94.6％、76.8％和74.6％。對自然處理的研究很多，其中人工濕地處理法在工程應用方面取得了穩定的處理效果。顏明娟等[8]利用間歇性人工濕地對奶牛場廢水進行處理，結果表明，象草和黑麥草可有效地吸收廢水中養分，氮磷的去除率均超過80%，且運行效果穩定。方志堅等[9]研究發現人工濕地中黑麥草對奶牛場廢水中的氨氮具有較好的去除效果。Adhikari等[10]在利用人工濕地對養殖廢水進行處理的同時通過回收植物生物質來回收營養物質，實現了資源化利用。
工業化處理
近年來城市對乳與乳制品的需求量越來越大，為了節約運輸成本和保證奶制品的品質，大城市周圍和城市近郊興建了更多的大型奶牛場。因此，由于奶牛場養殖規模和養殖地域的轉變，還田利用和自然處理方法不再適用，工業化處理模式成為主流方法。工業化模式主要包括：厭氧處理、好氧處理、厭氧-好氧組合工藝以及綜合處理技術。
厭氧處理技術。厭氧生物處理（厭氧消化）是指在無氧條件下，借助厭氧微生物的新陳代謝作用分解廢水中的有機物，并使之轉變為小分子無機物質的處理過程。廢水厭氧生物技術發展至今已有120多年的歷史。適用于奶牛場廢水處理的主要有厭氧濾池（AF）、升流式厭氧污泥床（UASB）、內循環厭氧反應器（IC）、升流式厭氧固體反應器（USR）等[11]，其中UASB應用較廣泛[12]。
厭氧處理具有以下優點：占地少，造價低，處理過程不受傳氧能力的限制，有機負荷高，對難降解有機物有較好的去除效果，同時可以產生沼氣?；谝陨蟽烖c，厭氧處理已經成為處理養殖廢水的較主要方法。但經厭氧處理后廢水中有機物濃度仍較高，無法達到國家排放標準；并且氨氮去除率較低，因此想要達標處理，后續還需對消化液進行其他方法的處理[13]。
好氧處理技術。好氧生物處理是指利用微生物在氧氣充足的條件下分解廢水中有機物的方法具有處理效果好，對pH、 溫度要求不高等優點。
好氧工藝主要包括活性污泥法、生物濾池法、生物接觸氧化法、序批式活性污泥法（SBR）、缺氧-好氧工藝（A/O）和氧化溝法等。用這些方法處理的養殖廢水可以得到很好的出水水質，但占地面積大；相比之下，SBR占地面積小，且自動化程度高，由于間歇曝氣有良好的脫氮效果，是禽畜養殖業常用的廢水處理工藝[14]。Mohammad等[15]利用SBR處理養殖廢水，經處理后，TN、NH4+ -N和NO3- -N去除率分別為61.0％、31.2％和54.5％，另外TS、TVS、TSS和TVSS的去除效率分別為61.4％、62.8％、77.6％和73.2％。SBR已經發展出很多變形工藝，如ICEAS工藝、CAST工藝，均廣泛應用于奶牛場廢水處理中。此外，A/O工藝技術成熟，缺 氧、好氧交替提高了氨氮去除率，且工藝簡單，也廣泛 應用于奶牛場廢水處理中。
奶牛場廢水具有高BOD、高COD的特征，而好氧處理工藝有機物負荷較低，因此在水處理前需將原水進行稀釋[16]，或者提高水力停留時間（一般6d以上，甚至長達16d），這導致占地面積大，能耗和運行費用高[17]。因此，養殖廢水通常采用厭氧-好氧聯合處理或綜合處理法。
厭氧-好氧組合工藝。厭氧-好氧組合工藝是目前奶牛場使用較多的工藝，既克服了厭氧處理無法達標排放的問題，又解決了好氧占地面積大、能耗高的缺點，具有能耗低、處理效果好、運行費用低等優點，特別適合大型奶牛場廢水處理。
如果將奶牛場廢水經過厭氧處理后直接進行好氧處理，雖然對COD、BOD去除率較高，但對總氮去除效果不佳，氨氮甚至有所提升。因此，在實際運行中通常使未處理的養殖原水與經硝化處理后的廢水一起進入好氧系統，解決氨氮去除效率低的問題。李清等[18]研究了厭氧-好氧組合工藝對養殖廢水的處理效果，結果發現厭氧消化時間越長的沼液，經處理后好氧效果越差， 因此對于含氮較高的養殖污水，其厭氧前處理的時間宜更短。
另外，為了解決厭氧消化液C/N較低難以脫氮這一問題，研究人員又提出了一些新的脫氮工藝，厭氧-短程亞硝化-厭氧氨氧化就是其中之一。該工藝建立在短程硝化反硝化基礎上的亞硝酸型硝化（SHARON）和厭氧氨氧化（ANAMMOX）上，可以在C/N很低的情況下還保持很高的脫氮效果，并且此工藝可以節省25%的需氧量，從而節省了投資和運行費用。但是要想取得好的脫氮效果，要求運行參數能控制50%的氨氮轉化為亞硝酸氮，使氨氮和亞硝酸氮以大約1:1的濃度比例進入厭氧氨氧化反應器，這樣才能為后續的厭氧氨氧化提供較佳的反應條件。目前對參數的控制研究還不是很完善，雖然對此工藝的研究比較多，但是僅限于實驗室中的小試和中試，工程應用還比較少。但是短程亞硝化-厭氧氨氧化在奶牛場廢水處理上有著很好的前景。此外，還有專家和學者利用鳥糞石結晶法回收消化液中的營養物質。例如Song等[19]將厭氧出水流入鳥糞石堆積裝置中，顯示對NH4+ -N有很好的去除效果，同時85％的磷被去除或回收。
綜合處理工藝
由于奶牛場廢水有機物濃度高，氮磷含量高，并且有大量細菌病毒，采用單一的處理工藝不能很好地達到處理效果，更多的時候采用聯合工藝，匯集不同處理方法的優點，使廢水處理達到效益和效率雙贏[20]。例如：厭氧-好氧-生態組合工藝，厭氧-好氧-氧化塘工藝，化學絮凝-好氧工藝等，在工程應用上均取得了穩定的處理效果。劉海霞等[21]利用折流厭氧反應+間歇式好氧(ABR-SBR)組合工藝處理奶牛場養殖廢水，結果COD、NH4+ -N、TP、SS去除率分別達到95%、92%、90%和95%。楊曉莉等[22]對奶牛場污水進行固液分離-厭氧發酵-好氧曝氣-絮凝沉淀處理，污水指標達排放標準。熊鴻斌等[23]采用USR+兩級A/O組合工藝處理奶牛場干清糞養殖廢水，結果顯示出水水質穩定達到《農田灌溉水質標準》(GB5084—2005)，并優于《畜禽養殖業污染物排放標準》(GB18596—2001)。
結語
隨著奶牛養殖規?；M程的加快，奶牛場廢水的排出量越來越多，處理工藝也層出不窮。根據養殖場及廢水特點選用不同的處理工藝，不但可以達到排放或回田標準，還可以節省水處理費用。同時在廢水處理過程中要轉變原有處理思路，不僅要解決末端處理，更要從源頭控制。例如：改變飼料質量可以降低廢水處理難度，推廣干清糞工藝，處理前進行固液分離等措施，均可減少廢水產出量。另外，在資源匱乏的當今社會，對于奶牛場廢水處理更需考慮廢水資源化問題，對厭氧處理中的沼氣和水處理中的中間產物應給予有效利用，以減輕對環境的壓力，降低處理成本，實現奶牛業的可持續發展。