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畜禽糞污厭氧沼氣池沼液自然處理模式技術的研究與應用現狀
時間 : 2019-09-07 瀏覽量 : 98

畜禽養殖業是我國農業和農村經濟發展的重要組成部分,近20年來,畜禽規?;B殖得到了快速發展。但是,規?;B殖發展所帶來的環境污染問題日益嚴重,在一些地區,過度集中的畜禽糞尿污染已經成為制約規?;笄蒺B殖場持續健康發展的主要因素121。2017年2月發布的《全國環境統計公報(2015年)》數據表明,畜禽養殖業化學需氧量


(COD)、氨氮(NH3N)的排放量分別為1015.5,552  萬噸,占農業源排放量的95.03%,76.03%,占相應  全國總排放量的45.67%,24.01%。由畜禽養殖帶  來的生態環境問題日趨突出,嚴重影響水環境及飲  用水源安全,過量的畜禽糞污排放已經成為許多地區特別是農村的主要污染源。

沼氣池厭氧消化技術具有能耗低、回收能源、技術成熟


等特點,是目前畜禽糞污一級處理的主要應用技術。  但是,沼氣池厭氧消化處理后產生的沼液需要進一步處理  利用,而“污水達標排放”仍然是土地緊張地區畜禽  糞污處理不得不面臨的選擇。沼氣池厭氧消化液后處理技  術主要包括工業化處理技術以及自然處理技術。工  業化處理模式具有占地少、適應性廣、不受地理位置  限制以及受季節溫度變化影響相對較小等優點,其  主要缺點是成本高:投資大,萬頭豬場的糞污處理投  資約120~150萬元;能耗高,處理1m3污水,耗電2  4kWh;運轉費用高,處理1m3污水,運轉費2元  左右;機械設備多,維護管理量大且運行管理需要專門的技術人員。自然處理技術則正好相反,因其成本低廉,成為遠離城市、經濟欠發達、土地寬廣、地價低廉、氣候溫和地區的規?;B殖場(特別是有灘涂、荒地、林地或低洼地可作污水自然處理系統的養  殖場)糞污沼氣池厭氧消化液處理的首選技術。本文主要  綜述3種自然處理工藝對畜禽糞污沼氣池厭氧消化液的應用研究情況及其處理效果。


畜禽糞污經過沼氣池厭氧消化(沼氣發酵)處理后,產  生的沼氣池厭氧消化液主要采用穩定塘(氧化塘)、人工濕  地和砂濾系統等自然處理系統進行處理。對于使用  自然處理工藝的養殖場,其飼養規模不能太大,對于  豬場而言,一般年出欄在5萬頭以下為宜,以人工清  糞為主,水沖為輔,沖洗水量中等。  利用自然處理工藝處理沼氣池厭氧消化液的主要原因  是其處理費用較低,重點體現在:運行管理費用低,  投資省、能耗少;污泥產生量少,不需要復雜的污泥  處理系統;操作簡單、管理方便,并且對周圍環境影  響小、無噪音。雖然沼氣池厭氧消化液的自然處理是一種  較經濟的污水處理方法,但在具體操作時自然處理  系統也存在諸多問題:占地面積大且水力停留時間長,在土地資源緊張的地區應用受限;系統處理效果受季節氣候變化的影響大,低溫(冬季)效果較差;有污染地下水的可能。

1.1沼氣池厭氧消化液自然處理的工藝類型

1.1.1穩定塘(氧化塘)

穩定塘( Stabilization Pond,SP)是一種利用天然或人工修整的池塘,依靠菌藻的共同作用對污水進行處理的構筑物。在穩定塘處理污水的過程中,溶解氧在有機污染物的分解中起著決定性的作用。  大氣復氧以及藻類光合作用產生的氧是穩定塘系統  中氧的主要來源。在穩定塘中,有機廢水停留的


時間較長,其污染物可通過水中微生物的代謝活動

而被降解2。多數情況下,穩定塘只是作為人工濕

地的預處理單元,廢水經穩定塘處理后,有機污染物

濃度降低,溶解氧含量增加。

穩定塘經常用于畜禽糞污沼氣池厭氧處理系統出水的

后處理。在工藝設計合理、運行穩定的情況下,穩定

塘可實現沼氣池厭氧消化液達標處理排放。如廣東某規?;B豬場采用“沼氣池(或沼氣池厭氧池)+兼性塘+氧化塘(或魚塘)”工藝處理豬場廢水,最終出水COD

BOD3,S,TP,NH3-N的去除率均達到90%以上,出水水質為:COD103mg·L-,BOD32mgL,Ss54mgL,TP9.26mgL-,NH3N36.6mgL;除總  磷以外,其余指標均達到《畜禽養殖業污染物排放標準》(CB185962001)的要求5。  實踐中,對于未經過嚴格沼氣池厭氧處理的畜禽養殖  廢水,通常將穩定塘自然處理工藝中的一級處理工  藝設置為沼氣池厭氧或兼性穩定塘,以代替傳統沼氣池厭氧消化  罐,從而將大部分有機物通過沼氣池厭氧消化過程進行去  除,然后再進入下一級處理。 Costa°等研究了兩級  沼氣池厭氧塘+兼性氧化塘+水生植物塘(水葫蘆氧化  塘)工藝處理進水BOD3濃度為8000mg·L1,COD  為15000mgL,固體濃度為10000mng·L1,總氮  為1800mg·L1,總磷為400mg·L的豬場廢水,整  個工藝對各污染物的處理效率分別為:BOD3和  COD為97%,T為87%,Vs為91%,TN為90%,  TP為93%;其中,有機物經35天的處理后在一級厭  氧塘中的去除率達到了78%6。潘涌璋等采用  高級兼性塘、高負荷塘、藻類沉降塘、生態塘聯合處  理豬場廢水,結果表明,在進水COD15899mg·L-,  BOD310840mg·L-,NH-N1283mgL-1,Ss3024  mg·L1的條件下,出水水質分別為:COD71.5  mgL1,BOD323mg·L-1,NHN66.5mg·L-1,ss  m1實現了污染物的達標排放。


穩定塘的組合工藝也有廣泛的研究報道,而對  于如何組合可以獲得好的污水處理效果則需要更多  的考慮。 Espinosa8等在評估了388個穩定塘工程  的運行效果后得出,兼性塘以及兼性塘+熟化塘組  合工藝普遍表現出最低的污染物去除效率,而好氧  塘+兼性塘/熟化塘、沼氣池厭氧反應器+兼性塘、沼氣池厭氧反  應器+熟化塘工藝則表現出相對較高的污染物去除  率,并且指出在今后的研究中應該更多的關注穩定  塘工藝的設計、運行以及環境影響因素。  目前,對于穩定塘的廢水處理機理研究已有大  量的研究報道,也建立了諸多的機理模型。穩定塘


中廢水處理機理也在各種氣候及當地環境條件下得到了驗證,但是穩定塘作為一種污水的自然處理技術,也很容易受到環境和生態氣候條件等諸多因素的影響。 Ochoa等在利用全局敏感度分析穩定塘系統動力學動態模型時,發現模型多達72個狀態變量,其中包含有20個不確定參數,最后經過分析得出:溫度系數是穩定塘系統的最主要影響參數,其次是異養細菌的生產系數,以及兼性塘不同層間的物質轉移系數。Ho0等指出,隨著穩定塘用于廢水處理規模的增大以及日益嚴格的環保要求,在工程應用中,以往的工程設計經驗法因其較低水平的設計要求以及運行效果的較大波動和不確定性已不再適用。因此,建議在今后的穩定塘設計中,將不確定性的輸入和參數納入考慮,通過概率量化模型的不確定性輸出,可以得到更加科學可靠的設計。同樣地,Keh等通過對比6種不同的穩定塘工藝設計方法后,也建議在穩定塘的設計過程中應考慮非確定性的隨機模擬方法,尤其是穩定塘復合/組合工藝的設計中。


人工濕地( Constructed Wetlands,Cws)處理技  術是20世紀70年代末發展起來的一種廢水處理技  術,人工濕地按流動方式可分為表面流濕地  ( FWSCW)、潛流濕地( SSFCW),其中潛流濕地又分  為水平潛流( HSSFCW)和垂直潛流( VSSFCW)人工  濕地。人工濕地主要通過自然生態系統中的物理  化學和生物作用來進行污水凈化,利用吸附、沉淀、  微生物作用以及植物吸收等途徑實現對污水中有機  物、氮、磷、懸浮物和重金屬等物質的去除,具有處理效果好,脫氮除磷能力強,費用低以及負荷變化適應能力強等特點12-131

人工濕地處理系統在沼氣池厭氧消化液的處理過程中表現出很大的優越性,因為該系統可以實現廢水中的氮、磷、懸浮物以及有機物的同時去除。Le14等進行了潛流人工濕地( SSFCW)處理豬場廢水沼氣池厭氧發酵出水的研究,結果表明:SS,COD,TN,TP的平均去除率分別為96%~99%,7%~84%,10%24%,47%~59%。 De Los reyes等開展了表面流(FWS)人工濕地處理豬場廢水沼氣池厭氧消化液的氮行為研究,結果表明在進水氮負荷為2.0~30.2kgTN ha d范圍時,TN的平均去除率為54.8%,最大去除率能達到71.7%。

在工程應用中,通常是將多個人工濕地聯合形成組合工藝,從而提高處理效果。 Comino06等利用兩個垂直潛流人工濕地和一個水平潛流人工濕地的


組合工藝處理牛糞沼氣池厭氧消化液結果表明,當進水負  荷為50L·d1和200L·d時,人工濕地組合工藝對  COD,TN,NHN和TP的去除率分別達到COD76%和86%,TN87%和87%,NHN8%和73%,TP98%和99%;另外,在垂直潛流人工濕地中種植  香蒲和燈心草對污染物的去除沒有明顯的區別。高  春芳等研究了表面流、水平潛流和垂直潛流人工  濕地以及地下滲濾系統組合生態工藝對豬場養殖廢  水沼氣池出水的凈化效果,結果表明,在進水濃度為  COD709.2mg·L-,TN597.1mg:L-,NH4N560.4  mg·L,TP42.5mg·L-的條件下,組合生態工藝  對COD,TN,NH4N,TP的去除率分別可以達到  87%,95%,97%和95%,其中COD的去除主要在第  級表面流人工濕地,NH4N和TN的去除主要在  水平潛流和垂直潛流人工濕地,而水平潛流和垂直  潛流人工濕地對溶解性磷酸鹽去除效果明顯;同時,  人工濕地運行效果對比表明,垂直潛流人工濕地對污染物的去除率均高于水平潛流人工濕地。


在人工濕地處理系統中,基質是起主要作用的  載體,土壤、礫石、砂、爐渣、活性炭與沸石等都可以  用作人工濕地系統的基質(18)?;|上會生長生物  膜,在植物近根區有氧條件下合成新的微生物并將  部分有機物轉化為水和二氧化碳,凈化水質。另外,  人工濕地碎石床具有過濾去除S的效果,對于富含  懸浮物的養殖場廢水處理更加具有針對性。  Kizit2)等將生物炭添加到垂直潛流人工濕地中以達到提高沼氣池厭氧消化液中污染物去除效率的目的;對比研究兩種不同的生物炭以及普通砂礫添加對豬  場糞水沼氣池厭氧消化液的處理效果,結果表明,玉米芯和  木材生物炭添加對有機物、氨氮、總氮、總磷的去除  率分別為59%,76%,37%,71%,而砂礫對以上污染物的去除率僅為22%~49%。另外,人工濕地處  理系統在應用過程中存在的主要問題是堵塞,而引起堵塞的主要原因是懸浮物。因此,人工濕地處理系統對入水水質有一定的要求,過高的懸浮物或有機物濃度很可能會導致整個系統失效。

我國在人工濕地處理養殖廢水方面進行的一些實驗研究,主要著眼于植物篩選和處理效果的考察),而在氧化塘以及人工濕地處理養殖廢水的設  計中,一般參照氧化塘或人工濕地處理其他污水的  資料作為設計依據或者隨意設計,但針對畜禽養殖  廢水,氧化塘、人工濕地究竟需要多大面積才能使出  水達到排放標準,季節溫度變化對自然處理系統效果的影響等方面尚缺乏深入研究和規范可依。


1.1.3人工砂濾系統  人工砂濾系統是由傳統快速滲濾系統( Rapid  Infiltration,R1)發展而來的,它采用滲透性能較好  又具有一定陽離子交換容量的天然河砂作為滲濾介  質,將系統進水投配到砂濾系統的表面,使其在向下  滲透的過程中經歷不同的物理、化學和生物作用,最  終達到凈化水質的目標2)。作為土地處理系統的  種,砂濾系統水力負荷較高,占地面積減小,用于  營建的場地條件容易滿足,且出水可以通過集水管  網回收利用,其實際工程在丹麥、瑞土、法國應用較多。人工砂濾系統對污染物的去除機理目前尚不完  全清楚,但學者普遍認為它是在過濾截留、吸附和微生物降解的協同作用下實現對污染物的去除2。其中,SCOD和BOD的去除基本符合一級活塞流反應模式;氮的去除主要是吸附和硝化-反硝化聯合作用的結果;除磷主要有吸附、生化反應和微生物活動等作用,而且人工砂濾系統對磷的去除效果會依河砂的性能而定21。人工砂濾系統在運行過程中存在的最主要問題則是填料堵塞。發生堵塞的部位主要集中在砂濾系統與進水相接觸的初始地段,而隨著深度的增加,堵塞程度將會大大降低;發生塞主要是由于懸浮物的截留和吸附,同時當系統生物膜生長到一定程度時,也會嚴重影響系統的運行


Healy等采用分層砂濾池處理模擬的高濃度  奶牛場廢水,經過342d的試驗研究,在進水COD,  TSs,TKN負荷分別為14.0,3.7,2.1gm2d的條  件下,砂濾池對廢水COD,TSs,TKN的去除率為99%,100%,86%。同樣是利用砂濾原理,Zha02等用木屑和泥土代替砂礫處理豬場糞水沼氣池厭氧消化液,在進水COD容積負荷為98.6gmd時,獲得了47.7g·m3d的COD去除效果NH4N和TN


的容積負荷去除率分別為69,1,30.4gm2d-(進水NHN的容積負荷為884gm3d-)。  由于砂濾池對進水水質有一定的要求,而且處  理負荷較小,通常被用在廢水凈化回用的工藝中,而  在沼氣池厭氧消化液處理應用中的研究報道比較有限。1.2沼氣池厭氧消化液自然處理工藝對比及組合工藝

Liu2)等比較了人工濕地和氧化塘處理某規模  化養豬場沼氣池厭氧消化液的效果(見表1)。其中,人工  濕地對沼氣池厭氧消化液中COD,TP,NHN的去除率分  別為17%54%,32%-45%,27%-8%,而氧化塘對COD,TP,NHN的去除率分別為25%  5%,31%-56%,56%-98%;同時,人工濕地對COD,TP,NH;-N的去除負荷分別為0.25-4.33,0.01-0.110.34-2.54g·m-2d,而氧化塘對COD,TP,NH+N的去除負荷分別為0.25-4.45,0.02-0.13,0.72~2.87gm2d。從處理效果考察,氧化塘去除NHN和TP的效果要明顯好于人工濕地;對于去除COD,氧化塘比人工濕地效果稍好一些,但沒有明顯差別。另外,從經濟適用性考察,氧化塘的運行成本為0.1-0.2元m2,建設成本為200-500元m3,而人工濕地的操作成本為0.22-0.66元·m2,建設成本700-1000元·m-3因此氧化塘比人工濕地節省投資。  綜上,不同的自然處理系統針對同一廢水都各  有優勢,而且在水力負荷、有機負荷、投資費用上也  有很大的區別。為了應對不同畜禽養殖廢水的差異  化和當地氣候環境以及其他條件的差異化,工程應  用中通常將不同類型的自然處理工藝進行組合優  化。實踐應用中,常在人工濕地系統中設置好氧穩  定塘來增加廢水中氧的濃度,從而提高人工濕地的  硝化效率,主要原因是穩定塘的復氧效果要比人工濕地好。


Forbes2等對比研究了人工濕地氧化塘-人工濕地組合工藝以及兩級人工濕地處理類豬場糞污沼氣池厭氧消化液的效果,發現兩種工藝對總氮,TS和COD


的去除并沒有明顯的差異,但是在高氮負荷率和低氮負荷率條件下,兩種工藝在氮的去除率上表現出明顯的差異??傮w來說,較低的進水負荷會取得較


好的運行效果?;诎钡摵傻慕洕б娣治霭l  現,在進水氮負荷相同的情況下,不論什么運行模式  下的人工濕地系統,其運行效果都很相近。

1、3我國沼氣池厭氧消化液自然處理工程應用運行效果  表2列出了采用沼氣(沼氣池厭氧)-自然處理模式處  理規?;B殖場糞污的處理效果以及與執行的《畜  禽養殖業污染物排放標準》(GB18596-2001)的對比結果。此次調研考察的97個規?;B殖場糞污處


沼氣工程,遍布遼寧、河北、甘肅、河南、安徽、湖  北、山東、江西、淅江、上海、四川、重慶、廣東、廣西、  福建等15個省(市)。根據調研結果,共有22個沼  氣工程在沼氣池厭氧消化后采用自然處理模式處理沼氣池厭氧消  化液,自然處理模式的使用率為22.7%。而在采用  自然處理模式處理沼氣池厭氧消化液的這22個工程項目  中均建設有氧化塘,建設有人工濕地的為9處,建設有人工砂濾系統的僅1處。


在這22個自然處理工程中,有12個工程對處理后的污染物指標進行了測試分析,處理效果見表2。在測試的12個工程中,處理后的沼氣池厭氧消化液污染物指標全部達到《畜禽養殖業污染物排放標準》(GB18596-2001)的有8處,達標率為66.7%。在剩余4處沼氣池厭氧消化液處理未達標的工程中,有2處是COD,NH2N均不達標,1處是COD達標而NH3-N未達標,1處是NH2N達標而COD未達標,其中NH3-N超標較多。12個工程的出水SS和BOD5均達到了排放標準。


2結論

沼氣池厭氧消化液自然處理工藝的處理效果受到諸多因素的影響各個處理工藝又包含了復雜的物理化  學和生物反應,因此,針對不同特性的沼氣池厭氧消化液,  其處理工藝系統也不盡相同。在研究和應用相關工  藝時,需要考慮更多的非確定因素,針對特定或主要  污染物的去除并結合不同工藝的特點,對不同工藝類型進行組合應用。



摘自《中國沼氣》2018第5期 鄭丹 王芳 符婧 伍高輝 劉刈 王蘭 張云紅 鄧良偉


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