浅析集约化养猪场废水处理工艺及存在的问题

摘要：通过对不同集约化生猪养殖场废水沼气池净化工艺的调查和研究，分析生猪养殖废水各污染物产生浓度、沼气池对各污染物的处理效率、沼气产生量与养殖废水中污染物浓度的关系，并论述处理后的沼液用于灌溉的合理性。

关键词：养猪场；废水处理；沼气池；污染物

中图分类号：TE992.2 文献标识码：A 文章编号：

近年来，随着社会经济的发展，人们对畜禽产品的需求量日益增加，促进了畜禽养殖业的发展。养殖业发展的同时也带来了许多环境问题。

养殖废水属于高浓度有机废水。本文就沼气化处理工艺对养殖废水的处理效果、产沼气量及影响因素等进行探讨，并结合攀枝花地区地理环境的特征，分析沼气化处理模式在该地区运用的合理性。

1、养殖废水水质

攀枝花地区集约化养猪场大多采用干清粪工艺，较水冲粪工艺污水量小，且废水中有机物浓度低。养殖废水水质主要与养殖种类、清粪方式、用水量等有关。不同统计资料提供的数值不尽相同，一般情况下可参考表1[1]。

表1 集约化养殖场单位用水系数和产污系数及各污染物浓度

2、养殖废水沼气化处理工艺及原理

沼气化处理工艺即沼气发酵工艺，又叫厌氧消化，是指利用人畜粪便、秸杆、污水等各种有机物在密封的沼气池内，在厌氧条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。在沼气发酵过程中，有发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌等五大类微生物参加沼气发酵。发酵过程可分为如下三个阶段：

第一阶段：液化

发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解，也就是把大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪等小分子化合物。

第二阶段：产酸

这个阶段是发酵性细菌、产氢乙酸菌及耗氧产乙酸菌群三种细菌群体的联合作用，三者联合将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，将其分解、转化为甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳等。

液化阶段和产酸阶段统称不产甲烷阶段。两个阶段主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。

第三阶段：产甲烷

此阶段，产甲烷细菌群可以分为食氢产甲烷菌和依乙酸产甲烷菌两大类群。它们利用产酸阶段所分解转化的乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷，从而实现有机污染物的降解。

3、沼气池对养殖废水各污染物的去除效率

类比10家不同的集约化养猪场的养殖废水监测数据，得出单位重量猪只的污染排放系数。即，每50kg重量的猪只，每天产生的污染物的量为：SS163.68g、COD116.86g、NH3-N6.60g、TP1.07g[2]。

根据有关调查研究，废水在沼气池的水力停留时间在30d以上，温度在25~35℃时，对养殖废水中COD和BOD具有较高的去除效率，一般可以达到60%~75%；对SS的去除效率可达80%以上；对NH3-N、TP不具备去除能力[2]。

另根据后勤部军事医学研究所对20个沼气池的调查分析，沼气池对粪液中寄生虫卵的去除效率约98.28%，蛔虫卵的死亡率约69.23%[3]。考虑攀枝花地区集约化养猪场采取的是干清粪工艺，废水中粪便量较粪液中更少，即废水中有机物质较粪液更少。在厌氧发酵后，废水中寄生虫卵等，会因生长所需的有机物质的减少而出现死亡率增加的情况。因此，理论上讲，在相同发酵条件下，干清粪工艺沼气池对养殖废水中寄生虫卵等的去除率较湿清粪工艺高。为确保养殖废水寄生虫卵及大肠菌群等的去除效率，宜在出水口外设置紫外消毒，对有害微生物进一步灭活。

4、沼气池产气量与养殖废水中污染物等的关系

沼气池产生沼气必须具备两个条件，一是进入沼气池的干物质量占沼气池总量的1.2%以上；二是废水在沼气池的水力停留时间不宜小于5d，两个条件缺一不可。沼气是一种可燃性气体混合物，主要成分为CH4，其次是CO2，此外还含有少量的NOX、H2、O2、NH3、CO和H2S等气体。

沼气池产气量与废水中污染物浓度（主要是COD）、干物质量（相对于有机物）、温度等有关。根据有关资料研究表明，厌氧、消化去除1kgCOD有机物理论上可产生CH4约0.35m3，但考虑CH4在水中具有一定的溶解度（在20℃， 101.325kPa下，溶解度约0.0331L/L），废水中COD浓度越大，CH4溶解度导致的影响越小，实际产生的CH4量就越接近理论值[4]。

由于攀枝花地区采用干清粪工艺，约80%的粪便在圈舍内直接收集，经发酵后用作肥料；而剩余的20%猪粪与猪尿、冲洗水一起进入沼气池。根据农业部农村经济研究中心对3家采用干清粪工艺的养猪场的实测结果，其养殖废水COD浓度分别为989mg/L、1476mg/L、1255mg/L[5]。参照上述实测结果，并结合攀枝花地区具体的干清粪工艺特点，集约化养猪场干清粪工艺废水进入沼气池的COD浓度约为1000mg/L。考虑CH4在废水中的溶解度为0.0331L/L时，沼气池去除1kg养殖废水中COD实际产CH4量为0.3169m3。这是考虑废水中COD全部去除时的结果，但在实际过程中，COD是达不到全部去除的效果。据有关资料显示，当废水中COD浓度为1000mg/L时，沼气池对COD的去除效率约为80%，在不考虑溶解度影响的情况下，集约化养猪场废水沼气化处理产生的理论CH4量为0.28m3/kgCOD[4]。

对沼气产生条件而言，只是增大废水中COD浓度来控制沼气池的产气量是不行的，因为必须要确保进入沼气池的干物质量和废水的停留时间也要达到相应的要求。

就干物质而言，也并不是干物质量越多产气量就越大，它是和温度密切相关的。

根据发酵温度，沼气池厌氧发酵工艺可分为常温发酵工艺、中温发酵工艺和高温发酵工艺。攀枝花地区集约化养猪场养殖废水均采用常温发酵工艺，即在自然温度下进行厌氧发酵，发酵温度随气温变化而变化，不受人为控制。通常夏季气温高，产气率高；冬季气温低，产气率低。

常温沼气发酵的温度一般在18~27℃，在同一沼气池内其他条件（干物质量、COD浓度等）不变时，一小时内允许发酵温度变动1.5~2.0℃。但当变化范围超过2℃时就会抑制产气率，若有5℃的急剧变化，便会突然停止产气[6]。据相关资料研究表明：在夏季沼气池发酵液的浓度以6%（有机物的含量）为最好；而到了秋冬季节，沼气池的发酵液的浓度以12%（有机物的含量）为最好[7]。也就是说，当池内温度较高时（25~27℃），发酵液浓度应稀一些；当池内温度较低时（18~23℃），发酵液浓度应浓一些，以达到提高产气率的目的。

攀枝花年平均气温较四川省其他市州高，应结合具体的地理环境和不同季节的气温，适当调整发酵液的干物质浓度，以增加产气量。

5、沼气化处理后的沼液用于灌溉的合理性分析

沼气化处理后的养殖废水中COD、BOD和SS仍无法达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）的浓度限值。若采用二级生化处理工艺来处理沼气池出水，其处理成本十分巨大，且NH3-N、TP也不能达到排放标准的要求。

攀枝花地区普遍采用种养结合的方式进行生猪养殖的污染治理，将沼气池处理后的沼液用于果园或耕地灌溉。该方式既可以消纳大量的沼液，同时可充分利用沼液中不能去除的NH3-N、TP。以种植的芒果园为例，每一亩芒果地每天可以消纳沼气池沼液约0.5m3，相当于存栏30头生猪的废水量。考虑到沼液中NH3-N、TP浓度较大，直接用于灌溉可能会发生烧苗现象，从而影响植物的正常生长。因此，沼液用于灌溉前，均需采取与水混兑降低沼液浓度后（不同植物、不同生长阶段兑水的比例不同，如用于叶面追肥时，沼液兑水比例约1:2~4），方可用于灌溉。

攀枝花地区雨季在6月~10月，约130天，其中半数为雨天，在这期间果树水量较充足，沼液灌溉的频次及用量应减少。过度浇灌的沼液会被冲刷到环境中。一般雨季每三天灌溉一次（选择晴天时灌溉），对于多余的沼液，必须建设沼液暂存池进行收集储存，待雨季过后再用于灌溉。沼液暂存池的容积必须具有至少能容纳20天沼液产生量的要求，以防止多余沼液排放污染环境。

此外，沼气池处理后的废水用于农田灌溉应参照《农田灌溉水质标准》（GB5084-1992），沼气化处理措施是否能有效地预防土壤污染，还需要在实践中总结经验、研究确定。同时土壤的容量是有限度的，长期的土地处理应每年进行定期土地监测，避免废水的长期浇灌对土壤造成影响。

参考文献：

[1] 张洪芳，黄武，刘媛.浅析集约化畜禽养殖废水处理模式[J].天津；天津市环境保护科学研究院，2009，12.

[2] 张全东，陈健，张红兵.生猪养殖污染防治技术探讨[J].龙岩市环境科学研究所，2007（6）.

[3] 张洪龄，宋锦章，张学文等.沼气池处理粪便消灭寄生虫卵和细菌的效果[J].后勤部队军医学研究所，1976（4）.

[4] 赵剑强，朱浚黄.厌氧消化中甲烷产量及沼气中甲烷含量的理论探讨[J].西安公路学院环境工程研究所，1993（11）.

[5] 方炎.大中型养殖场粪污清理工艺[R].农业部农村经济研究中心.2009，4.

[6] 吴香尧，成都地区畜禽粪便污染治理工程技术引论［M］.四川：西南财经大学出版社，2008.4.

[7] 西南师范学院生物系沼气科.沼气发酵的温度、浓度和酸碱度与产气量的关系实验结果[R].西南师范学院.1976，8.