奶牛养殖废水处理技术研究进展

摘要:奶牛养殖废水具有高COD、高SS、高氨氮的特点，大多数集约化奶牛养殖场所暴露出的废水未经处理任意排放的问题，已严重威胁到周边的生态环境。文中叙述了奶牛养殖废水的来源及特征，讨论了物化处理技术、自然处理技术、生物处理技术在处理奶牛养殖废水时的优缺点，指出今后在奶牛养殖废水处理方面仍需解决的重要问题。
在农村经济产业中，奶牛养殖业逐渐成为不可或缺的一部分。近年来，集约化、标准化的奶牛养殖模式已经主流。然而，在集约化养殖过程中会产生大量粪尿及冲洗水，且在这些废水中含有COD、SS及氮磷等高浓度的污染物［1］。据2015年的《全国环境统计公报》相关数据显示，农业源COD和氨氮排放量分别为1068.6万t和72.6万t，占全国总排放量的48%和32%，而畜禽养殖业污染物排放量在农业源排放总量中的比例高达95%［2］。畜禽养殖废水无疑已成为引起农村面源污染的罪魁祸首，同时也严重阻碍了国家推进畜禽养殖业标准化、规范化的进程。目前奶牛养殖废水的排量越来越大，全国范围内并没有对其危害引起足够的重视，奶牛养殖废水处理效率很低。
1、奶牛养殖废水的来源及特征
在集约化的奶牛养殖场中，养殖废水主要包括了牛尿、部分牛粪及牛舍冲洗水。调研可知，鲜牛粪中含有8.44%～10.62%的有机物，主要是未消化的蛋白质和纤维素等，其中水溶性蛋白质含量在1.17%～1.23%之间，pH为7.5［3］。
总体来讲，奶牛养殖废水具有以下几个基本特征:(1)水质变化大:牛舍冲洗水是影响奶牛养殖废水水质变化的主要因素，而不同场所不同时间段产生的冲洗水的水质会有很大差异，导致养殖废水整体水质变化很大。(2)污染指标高:奶牛养殖废水中含有大量的COD、BOD、氨氮、总磷等污染物质，其中高浓度的悬浮物也使其处理起来具有一定的难度［4］。(3)含有致病菌:奶牛养殖废水中含有大量的致病菌和寄生虫，未经处理直接排放会导致水体恶化［5］。(4)可生化性好:奶牛养殖废水为例，经过检测，废水中的B/C比值均超过了0.45，废水的可生性好。
2、奶牛养殖废水处理技术
目前奶牛养殖废水处理技术应用较多的主要有以下几类:物化法、自然生态法、生物法等。下面针对这几类处理技术进行综合分析。
2.1物化处理技术
未经处理的奶牛养殖废水中含有较多的粪便以及少量的饲料，固体悬浮物浓度很高，单单的生物降解，反应器会因大量固体悬浮物无法去除而发生堵塞，影响了工作效率，且污泥活性也会降低［6］。因此，需要先采用物化法对废水进行预处理，这样大量的固体悬浮物会被去除，分离出来的粪渣也可进行二次利用［7］。目前，混凝沉淀、酸碱中和、电化学、高级氧化、离子交换等物化处理技术被应用于各行各业的废水治理中［8］。
(1)混凝沉淀法
通过混凝剂的作用使废水中的胶体颗粒和小悬浮物聚集形成大的絮凝体，絮凝体自然沉降到废水底部，从而实现污染物的去除。目前常用的混凝剂主要有聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、聚丙烯酰胺(PAM)等混凝剂。该法操作简单、成本低廉，迄今为止仍被广泛使用。周亚红［9］等研究不同混凝剂对畜禽养殖废水的处理效果时发现，混凝沉淀法对养牛废水的预处理效果明显，铝盐和铁盐混凝剂可以有效地降低废水中的有机物含量，COD去除率为82%以上，混凝产生的沉淀物质量增长到之前的2.7倍左右，更容易实现固液分离。
(2)吹脱法
吹脱法主要用于氨氮的去除，其原理是在碱性条件下进行空气吹脱，改变气液相中的氨比例，利用氨在废水中处于游离状态的特性，使其透过气液界面，达到去除废水中氨氮的目的［10］。刘丽［11］通过超声吹脱法对养猪场废水氨氮吹脱的处理过程中，发现在初始浓度为667.8mg/L，pH=12，曝气量为0.3m3/h，吹脱时间为8h的条件下，较终使出水浓度达到78.4mg/L，达到了《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596－2001)要求的相关排放标准。
(3)吸附法
利用吸附材料孔隙密集的特点，可以有效地将废水中的污染物吸附到吸附剂的表面，将污染物与水体进行了分离处理。HaimingHuang［12］等在处理养猪场废水的研究中发现，使用镁盐对沸石进行改性，在改性后的沸石浓度为110g/L、反应时间为40min的条件下，可以去除废水中82%的氨氮和98%的磷酸盐。吸附法相对来说运行成本较高，技术要求也较严格，同时吸附完成后吸附剂表面会附着大量污染物，应及时进行脱附防止引起以防发生二次污染。
2.2自然处理技术
自然处理技术是利用河流湖泊等自然水体及土壤中的微生物、植物，利用其生命活动实现对污染物的转移、转化及降解，以此达到净化废水的目的，多用于废水的深度处理。稳定塘和人工湿地是两种常用自然处理技术。
(1)稳定塘工艺
稳定塘又称氧化塘，是一种利用天然或将人工修整的池塘进行废水处理的构筑物。通过藻类光合作用、好氧菌好氧分解、厌氧菌厌氧分解的共同作用，将池塘内污染物进行降解。具有操作简单、投资运行费用少、出水效果较好的优点［13］。但稳定塘容易受自然因素的影响，例如要依靠现有池塘进行构建、季节温度的变化可能会导致净化效果不稳定，因此多数情况下作为人工湿地的预处理单元。
(2)人工湿地工艺
与土壤处理类似，人工湿地也具备了低廉的投资和运行成本、处理效果好等优点，此外，该技术可针对不同的污染物，通过种植合适的植物来实现净化水体的目的，具有很强的针对性和多样性。但其也存在着占地面积大、受外界条件影响大等缺点。XuYang［14］等在研究潜流人工湿地处理奶牛养殖废水时发现，在进水流量为3m3/d的条件下，较终可以去除66.98%的COD，57.49%的TP，57.16%的TN和55.09%的NH3－N。
2.3生物处理技术
生物处理技术是一种利用微生物自身的代谢来降解转化水中污染物的方法。具有去除效果好，不产生二次污染等优点。生物处理技术主要包括厌氧处理技术、好氧处理技术和厌氧－好氧联合处理技术等。
(1)厌氧处理技术
厌氧处理技术是指在厌氧状态下，厌氧菌与兼性菌把废水中的有机物利用自身的代谢活动中，将其作为自身生长的营养物质所利用，并较终使有机物分解为CH4、CO2和H2O等小分子有机物和无机物的一种废水处理方法。该技术经历了近百年时间的发展，目前常用的有上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧滤池(AF)、厌氧流化床(AFB)等二代厌氧反应器，三代厌氧反应器则是以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环式反应器(IC)、上流式厌氧污泥床过滤器(UBF)和厌氧折流板反应器(ABＲ)等技术为主［15］，厌氧处理技术能够去除大量污染物，提高废水的可生化性，适用于处理高浓度的有机废水，并且在养殖废水的处理上已有很多工程实例［16］。
聂丽君［17］等研究ABＲ－MAP－MBＲ组合工艺对高浓度养殖废水处理效果时发现，当进水COD浓度为2000～3000mg/L时，经ABＲ反应器处理后COD去除率稳定在70%，较终COD去除率为96.6%，处理效果好。杨阳［18］采用UASB处理技术，反应器共运行207d，较终COD去除率为80%。
(2)好氧处理技术
好氧处理技术是指在好氧微生物的作用下将废水中污染物降解去除的方法，一般通过曝气等方式来提高好氧微生物的代谢活动，从而增强其降解污染物的能力。好氧法可以有效去除废水中的氮磷及臭味，目前常用的好氧处理工艺有序批式活性污泥法(SBＲ)、氧化沟、A2O工艺、生物滤池、膜生物反应器(MBＲ)等［17］。
杨朝晖［18］等在养牛场废水处理过程中运用了水解酸化－SBＲ好氧工艺，不论是对COD还是NH3－N，都达到了90%以上的去除效果，尤其是NH3－N的去除率高达99%，满足相关排放规定。LijiaoＲen［19］等对养殖废水进行了稀释，再利用A/O法进行处理，实验结果表明，反应器运行72d时，COD去除率为79%～94%，TN去除率为37%～50%，去除效果较好。
(3)厌氧－好氧联合处理技术
在处理养殖废水的实际应用中发现，仅通过单一的厌氧或好氧处理技术并不能满足废水的排放要求。厌氧处理技术虽能去除大部分的COD，但对高浓度的氨氮基本没有去除能力;而好氧处理技术虽然能够有效处理废水的氨氮，出水水质较好，但是一般好氧反应器容积负荷较低，高浓度的养殖废水会对其产生冲击力。因此采用厌氧和好氧技术相结合，甚至生物处理与物化处理相结合的工艺处理养殖废水成为当前的研究热点，并且取得了较好的效果。赵玉祥［20］采用UASB－生物接触氧化池组合工艺处理养牛废水的试验结果表明，当进水CODcr浓度为3000～4000mg/L，NH3－N浓度为30～50mg/L时，较终有98%的COD和80%的NH3－N被去除，组合工艺出水经进一步的化学处理后水质可以满足排放标准。
3、结语
针对目前中国奶牛养殖废水污染问题，政府部门应加强监管力度，完善防治措施，对于污染源头要严加监管，对于不符合排放标准的要责令整改。
虽然目前国内外对于奶牛养殖废水的处理技术问题越来越重视，但是在实际运用方面还有待加强和改善，需根据奶牛养殖废水的水质条件、地理位置等因素选择合适的处理技术。对于广大研究学者而言，探讨出一种处理效果优良、投资成本低、适于推广的奶牛养殖废水处理技术，对于奶牛养殖行业规模化发展具有重要意义。