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養殖廢水處理理論與實踐進展

發布時間：2021.12.27 新聞來源：《農業環境科學學報》瀏覽次數：

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

畜牧業是我國農業經濟的重要組成部分，然而隨著畜牧業機械化、規模化的迅速發展，產生了嚴峻的環保問題，其中養殖廢水是主要的污染源之一。養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，會導致周邊環境生態的改變，威脅動物和人類健康[1-2]。目前，養殖廢水的處理模式主要有兩種：一種是廢水深度處理（達標排放）模式，主要應用于土地配套較少的南方養殖場，養殖廢水經過固液分離、厭氧/好氧處理和深度處理后，達標排放或者回收利用；另一種是資源化利用（肥料化、能源化）處理模式，主要應用于土地配套較多的北方養殖場，廢水經過沉淀、厭氧發酵等無害化處理后，沼氣進行能源化利用，沼液進行農田資源化利用。本文對我國規模養殖企業落實推進廢水處理的現狀、待突破的技術難題等進行了簡要的歸納，以供從事生產、科研、管理工作的人員參考。

  1 養殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的徘徊

  養殖業廢水處理仍然是近十年養殖行業環保最受關注、投入最大的領域。規模化養殖企業在處置養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和鼓勵種養結合、廢棄物資源化利用，但由于種種原因，養殖廢水深度處理、達標排放或零排放仍然是許多養殖企業求生存所必需的。

  環保問題的解決與資源化利用是不完全等同的概念，對于企業來說，解決環保問題至少首先要獲得環評許可，然后按照環評要求采取措施處置廢棄物并達到要求；而合法合規、經濟有效的資源化利用，不是口頭上“變廢為寶”那么簡單，首先需要在經濟有效的半徑范圍內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”，即通過收獲物實現產業鏈后端的價值增加，如果收獲物只是理論上的產量，而沒有實現自身的利用或沒有轉變為市場價值，那資源化的可研報告會失真；資源化利用還要站在環保角度防止二次污染（包括對水、土、氣）。當前我國養殖業廢棄物資源化利用推進難，還與以下因素有關：一是養殖業環評導則缺失，相關標準眾多，環評報告通常套用多個條文規章，各地執行資源化利用的標準不一，如多數地方要求養殖廢水資源化利用前先要滿足《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）等；二是由于歷史原因，許多規模化養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

  養殖廢水處理，除了針對現行環保要求的指標[如化學需氧量（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生的污泥。污泥是水處理過程中的正常產物，由于清糞模式的改變以及后端出水標準要求的提升，污泥產量普遍增多；污泥的處理難點在于其含水率高。許多研究表明，現行的水處理工藝，其末端出水盡管化學指標達標，但仍然存在耐藥菌和耐藥基因的環境風險。鹽分的積累會對土壤、農作物產生危害，因此更要在資源化利用過程中加以防范。一些地方對養殖廢水總氮的排放進行限制，現有技術水平下會大幅增加水處理的成本，顯著加重企業的負擔。

  3 重要技術領域的發展與突破

  目前使用較普遍的養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，研發中的微藻、膜分離等處理技術，以及與后端水處理相關的養殖場清糞工藝等，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

  厭氧氨氧化技術是一種新型的厭氧生物處理技術，是在厭氧環境下厭氧氨氧化菌直接將氨氮和亞硝酸鹽轉化成氮氣的過程。厭氧氨氧化技術的關鍵菌是厭氧氨氧化菌，其可以在厭氧條件下，通過生物化學反應，將養殖廢水中的氨氮轉化為氮氣，實現對氨氮的去除。因此，厭氧氨氧化技術是一種厭氧生物處理技術，也屬于同步硝化反硝化技術類型。由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，影響因素較多，因此，在生產中常使用固定床、活性污泥床和膜生物反應器等，增加厭氧氨氧化菌的截留量，并與其他處理技術結合，提高廢水處理效率和穩定性。厭氧氨氧化技術具有高效、經濟等優點，在養殖廢水脫氮方向具有較大的應用前景，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，厭氧氨氧化技術條件的摸索和調控能力還需要進一步突破。

  3.2 短程硝化反硝化技術

  缺氧好氧工藝（Anoxi/oxic，A/O）主要通過設置缺氧池和好氧池分別實現反硝化（NH+4→NO2→NO3）和硝化反應（NO3→NO2→N2），實現對廢水氨氮的去除。但研究表明傳統硝化反硝化過程中會產生亞硝態氮的累積現象[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時間，節約了氧氣和碳源供應量，同時降低了污泥產量[7]。但在水處理設施運行過程中由于需要增加污泥排出，以降低泥齡，因而每日會產生大量的污泥。此外，由于影響因素較多，其穩定性也需要進一步的改進。

  3.3 同步硝化反硝化技術

  同步硝化反硝化技術通過控制生物池中溶解氧、pH 和溫度等參數，從而實現硝化反應和反硝化反應同時進行，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境理論、微觀環境理論和微生物學理論[9]。宏觀環境理論指控制反應器溶解氧的濃度和均勻度，創造硝化菌和反硝化菌都適宜生長的環境，使硝化和反硝化進程同步進行[10]。微觀環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，在活性污泥顆粒和生物膜表面和內層形成溶解氧梯度，表面好氧發生硝化反應，內層缺氧發生反硝化反應。微生物學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化成氮氣[11]。

  除上述技術之外，廢水處理過程高效微生物的研發與應用、厭氧過程產物抑制的控制、發酵過程條件的優化與自動化調控、破解磷結晶造成廢水處理系統管道堵塞、防控廢水處理過程臭氣滋生、擴散以及防滲等技術的突破將有助于風險控制和降本增效。

  4 小結與展望

  養殖場廢水處理技術包括好氧生物處理、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器（USR）、沼氣池、氧化塘、化學氧化和混凝等工藝技術均比較成熟，并得到廣泛應用。每種處理方法都有其自身的優勢和限制，可以根據養殖場廢水特征以及當地政策等情況，選擇不同的技術組合，如廢水排放標準較高的養殖場可以選擇厭氧+好氧+深度處理的技術組合，配套足夠土地的養殖場可以優先選擇厭氧處理技術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具有較高的應用前景，但其處理參數及穩定參數需要進一步的研究優化或戶外工程應用。

  隨著環保力度的加大，人們對養殖廢水處理技術的研究和應用提出了更高的要求。研發新型廢水處理技術仍是未來的研究重點，特別是對高效穩定、成本低廉的廢水處理技術有強烈的市場需求；對現有廢水處理技術的改進也是未來一段時間內的研究重點，如好氧或厭氧生物處理技術中功能微生物的開發、膜分離技術中高效、耐用膜的研發；同時，養殖廢水資源化和能源化是重要的研究方向，如養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研發，這對于養殖廢水的安全處理及利用有重要參考意義。

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