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養(yǎng)殖廢水處理理論與實踐進展

發(fā)布時間：2021.12.27 新聞來源：《農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報》瀏覽次數(shù)：

摘要：養(yǎng)殖廢水主要由動物尿液、糞便和養(yǎng)殖管理用水組成，含有高濃度的有機物、氮、磷和懸浮物，還包括構(gòu)成鹽分的部分元素。為了比較清楚地了解迄今為止我國養(yǎng)殖廢水技術(shù)關(guān)鍵突破口以及實際應(yīng)用中遇到的問題，本文在本領(lǐng)域組稿主題之外額外歸納總結(jié)了養(yǎng)殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的糾結(jié)、當(dāng)前備受關(guān)注的污染物內(nèi)容，以及部分技術(shù)領(lǐng)域的進展。最后對養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了建議。

畜牧業(yè)是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的重要組成部分，然而隨著畜牧業(yè)機械化、規(guī)模化的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了嚴(yán)峻的環(huán)保問題，其中養(yǎng)殖廢水是主要的污染源之一。養(yǎng)殖廢水是高濃度的有機廢水，含有有機物、氮、磷和懸浮物，以及重金屬、抗生素、抗生素抗性基因和病原微生物等，如果得不到合適處理，會導(dǎo)致周邊環(huán)境生態(tài)的改變，威脅動物和人類健康[1-2]。目前，養(yǎng)殖廢水的處理模式主要有兩種：一種是廢水深度處理（達標(biāo)排放）模式，主要應(yīng)用于土地配套較少的南方養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖廢水經(jīng)過固液分離、厭氧/好氧處理和深度處理后，達標(biāo)排放或者回收利用；另一種是資源化利用（肥料化、能源化）處理模式，主要應(yīng)用于土地配套較多的北方養(yǎng)殖場，廢水經(jīng)過沉淀、厭氧發(fā)酵等無害化處理后，沼氣進行能源化利用，沼液進行農(nóng)田資源化利用。本文對我國規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)落實推進廢水處理的現(xiàn)狀、待突破的技術(shù)難題等進行了簡要的歸納，以供從事生產(chǎn)、科研、管理工作的人員參考。

  1 養(yǎng)殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的徘徊

  養(yǎng)殖業(yè)廢水處理仍然是近十年養(yǎng)殖行業(yè)環(huán)保最受關(guān)注、投入最大的領(lǐng)域。規(guī)模化養(yǎng)殖企業(yè)在處置養(yǎng)殖廢棄物時必須在資源化利用和深度處理之中二選一。雖然近幾年一直倡導(dǎo)和鼓勵種養(yǎng)結(jié)合、廢棄物資源化利用，但由于種種原因，養(yǎng)殖廢水深度處理、達標(biāo)排放或零排放仍然是許多養(yǎng)殖企業(yè)求生存所必需的。

  環(huán)保問題的解決與資源化利用是不完全等同的概念，對于企業(yè)來說，解決環(huán)保問題至少首先要獲得環(huán)評許可，然后按照環(huán)評要求采取措施處置廢棄物并達到要求；而合法合規(guī)、經(jīng)濟有效的資源化利用，不是口頭上“變廢為寶”那么簡單，首先需要在經(jīng)濟有效的半徑范圍內(nèi)擁有足夠的土地資源配套（符合就地就近利用原則），更重要的是要“變寶”，即通過收獲物實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈后端的價值增加，如果收獲物只是理論上的產(chǎn)量，而沒有實現(xiàn)自身的利用或沒有轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌鰞r值，那資源化的可研報告會失真；資源化利用還要站在環(huán)保角度防止二次污染（包括對水、土、氣）。當(dāng)前我國養(yǎng)殖業(yè)廢棄物資源化利用推進難，還與以下因素有關(guān)：一是養(yǎng)殖業(yè)環(huán)評導(dǎo)則缺失，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)眾多，環(huán)評報告通常套用多個條文規(guī)章，各地執(zhí)行資源化利用的標(biāo)準(zhǔn)不一，如多數(shù)地方要求養(yǎng)殖廢水資源化利用前先要滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）等；二是由于歷史原因，許多規(guī)模化養(yǎng)殖場周邊已不再擁有足夠的配套土地資源。

  2 熱點污染物的研究

  養(yǎng)殖廢水處理，除了針對現(xiàn)行環(huán)保要求的指標(biāo)[如化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總磷（TP）等]之外，近幾年研究和實踐表明，有必要進一步關(guān)注以下污染物：耐藥菌和耐藥基因（ARGs）、鹽分（鹽度）、總氮（TN），以及廢水處理過程中所產(chǎn)生的污泥。污泥是水處理過程中的正常產(chǎn)物，由于清糞模式的改變以及后端出水標(biāo)準(zhǔn)要求的提升，污泥產(chǎn)量普遍增多；污泥的處理難點在于其含水率高。許多研究表明，現(xiàn)行的水處理工藝，其末端出水盡管化學(xué)指標(biāo)達標(biāo)，但仍然存在耐藥菌和耐藥基因的環(huán)境風(fēng)險。鹽分的積累會對土壤、農(nóng)作物產(chǎn)生危害，因此更要在資源化利用過程中加以防范。一些地方對養(yǎng)殖廢水總氮的排放進行限制，現(xiàn)有技術(shù)水平下會大幅增加水處理的成本，顯著加重企業(yè)的負擔(dān)。

  3 重要技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與突破

  目前使用較普遍的養(yǎng)殖廢水處理工藝包括厭氧生物處理、好氧生物處理、自然處理和深度處理技術(shù)，研發(fā)中的微藻、膜分離等處理技術(shù)，以及與后端水處理相關(guān)的養(yǎng)殖場清糞工藝等，已在本專刊的其他文章中專題闡述。本文僅針對厭氧氨氧化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化作扼要說明。

  3.1 厭氧氨氧化技術(shù)

  厭氧氨氧化技術(shù)是一種新型的厭氧生物處理技術(shù)，是在厭氧環(huán)境下厭氧氨氧化菌直接將氨氮和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮氣的過程。厭氧氨氧化技術(shù)的關(guān)鍵菌是厭氧氨氧化菌，其可以在厭氧條件下，通過生物化學(xué)反應(yīng)，將養(yǎng)殖廢水中的氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣，實現(xiàn)對氨氮的去除。因此，厭氧氨氧化技術(shù)是一種厭氧生物處理技術(shù)，也屬于同步硝化反硝化技術(shù)類型。由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，影響因素較多，因此，在生產(chǎn)中常使用固定床、活性污泥床和膜生物反應(yīng)器等，增加厭氧氨氧化菌的截留量，并與其他處理技術(shù)結(jié)合，提高廢水處理效率和穩(wěn)定性。厭氧氨氧化技術(shù)具有高效、經(jīng)濟等優(yōu)點，在養(yǎng)殖廢水脫氮方向具有較大的應(yīng)用前景，但存在啟動時間長、干擾因素多等問題，需要進一步解決。在野外工作條件下，厭氧氨氧化技術(shù)條件的摸索和調(diào)控能力還需要進一步突破。

  3.2 短程硝化反硝化技術(shù)

  缺氧好氧工藝（Anoxi/oxic，A/O）主要通過設(shè)置缺氧池和好氧池分別實現(xiàn)反硝化（NH+4→NO2→NO3）和硝化反應(yīng)（NO3→NO2→N2），實現(xiàn)對廢水氨氮的去除。但研究表明傳統(tǒng)硝化反硝化過程中會產(chǎn)生亞硝態(tài)氮的累積現(xiàn)象[3]。為此，提出了短程硝化反硝化的理論，通過促進氨氧化菌（亞硝酸菌）生長，抑制亞硝酸氧化菌（硝酸菌）的生長，從而實現(xiàn)短程硝化反硝化的進程（NH+4→NO2→N2）。氨氧化菌的生長周期短于亞硝酸氧化菌，其中泥齡、溫度、pH 和溶解氧等是影響氨氧化菌和亞硝酸氧化菌的主要因素。溫度大于28 ℃時利于氨氧化細菌生長，抑制亞硝酸氧化菌的生長；pH 在 8.0 附近也利于氨氧化菌積累；氨氧化細菌對低濃度溶解氧的親和力大于亞硝酸氧化菌[4-6]。理論上短程硝化反硝化縮短了反應(yīng)時間，節(jié)約了氧氣和碳源供應(yīng)量，同時降低了污泥產(chǎn)量[7]。但在水處理設(shè)施運行過程中由于需要增加污泥排出，以降低泥齡，因而每日會產(chǎn)生大量的污泥。此外，由于影響因素較多，其穩(wěn)定性也需要進一步的改進。

  3.3 同步硝化反硝化技術(shù)

  同步硝化反硝化技術(shù)通過控制生物池中溶解氧、pH 和溫度等參數(shù)，從而實現(xiàn)硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)同時進行，提高工藝對廢水的處理效率[8]。同步硝化反硝化機理包括宏觀環(huán)境理論、微觀環(huán)境理論和微生物學(xué)理論[9]。宏觀環(huán)境理論指控制反應(yīng)器溶解氧的濃度和均勻度，創(chuàng)造硝化菌和反硝化菌都適宜生長的環(huán)境，使硝化和反硝化進程同步進行[10]。微觀環(huán)境理論指控制溶解氧濃度、活性污泥顆粒大小和生物膜厚度等參數(shù)，在活性污泥顆粒和生物膜表面和內(nèi)層形成溶解氧梯度，表面好氧發(fā)生硝化反應(yīng)，內(nèi)層缺氧發(fā)生反硝化反應(yīng)。微生物學(xué)理論指能同時進行硝化和反硝化的微生物的利用。研究表明環(huán)境中存在好氧反硝化菌和厭氧硝化菌，如厭氧氨氧化菌可直接把氨氮轉(zhuǎn)化成氮氣[11]。

  除上述技術(shù)之外，廢水處理過程高效微生物的研發(fā)與應(yīng)用、厭氧過程產(chǎn)物抑制的控制、發(fā)酵過程條件的優(yōu)化與自動化調(diào)控、破解磷結(jié)晶造成廢水處理系統(tǒng)管道堵塞、防控廢水處理過程臭氣滋生、擴散以及防滲等技術(shù)的突破將有助于風(fēng)險控制和降本增效。

  4 小結(jié)與展望

  養(yǎng)殖場廢水處理技術(shù)包括好氧生物處理、厭氧生物處理、深度處理和自然處理等類型，其中A/O、上流式厭氧污泥床（UASB）、升流式固體厭氧反應(yīng)器（USR）、沼氣池、氧化塘、化學(xué)氧化和混凝等工藝技術(shù)均比較成熟，并得到廣泛應(yīng)用。每種處理方法都有其自身的優(yōu)勢和限制，可以根據(jù)養(yǎng)殖場廢水特征以及當(dāng)?shù)卣叩惹闆r，選擇不同的技術(shù)組合，如廢水排放標(biāo)準(zhǔn)較高的養(yǎng)殖場可以選擇厭氧+好氧+深度處理的技術(shù)組合，配套足夠土地的養(yǎng)殖場可以優(yōu)先選擇厭氧處理技術(shù)對廢水進行無害化處理。此外，短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、微藻處理及膜分離等一些新型的處理技術(shù)具有較高的應(yīng)用前景，但其處理參數(shù)及穩(wěn)定參數(shù)需要進一步的研究優(yōu)化或戶外工程應(yīng)用。

  隨著環(huán)保力度的加大，人們對養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)的研究和應(yīng)用提出了更高的要求。研發(fā)新型廢水處理技術(shù)仍是未來的研究重點，特別是對高效穩(wěn)定、成本低廉的廢水處理技術(shù)有強烈的市場需求；對現(xiàn)有廢水處理技術(shù)的改進也是未來一段時間內(nèi)的研究重點，如好氧或厭氧生物處理技術(shù)中功能微生物的開發(fā)、膜分離技術(shù)中高效、耐用膜的研發(fā)；同時，養(yǎng)殖廢水資源化和能源化是重要的研究方向，如養(yǎng)殖廢水資源化過程中的安全性評估、沼氣生物能和生物柴油等能源化利用技術(shù)研發(fā)，這對于養(yǎng)殖廢水的安全處理及利用有重要參考意義。

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