规模化奶牛场废水处理技术研究进展

摘 要：近年来我国奶牛养殖集约化、规模化水平大幅提高，但随之增多的奶牛场废水量却给环境带来了压力。本文针对奶牛场废水的特征，对国内外废水处理现状进行了分析，简述了还田利用、自然处理和工业化处理方式等处理工艺，为奶牛场废水的处理和资源化利用提供参考。
关键词：奶牛场废水；水质特点；处理工艺
随着生活水平日益提高，居民对奶制品的需求也大大增加，奶牛规模化养殖得到迅速发展[1]。规模化养殖在带来巨大社会效益的同时，产生的废水也给环境带来了危害。现阶段奶牛业属于微利行业，因此必须寻求一种高效、低成本的废水处理方法来保证奶牛场取得利润。
奶牛场废水成分及水质特征
奶牛场废水主要由尿液、冲洗水（包括圈舍冲粪水、饮槽冲洗水、地面清洁用水、设备和设施清洁用水等）以及少量工人生活生产中产生的废水组成[2]。奶牛场废水具有有机物、氮磷、悬浮物（SS）浓度较高，及水量大、温度低、固液混杂等特征。且不同的清粪方式对废水水质特征影响较大，其中干清粪相比水冲粪和水泡粪产生的废水量更少，生物需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）含量也相对较低，但目前我国奶牛场的清粪方式依然以后两种为主。由于奶牛场废水独特的水质特征，也增加了处理难度。
国内外奶牛场废水处理研究现状
国外处理研究现状
欧美、日本等发达国家的规模化养殖起步较早，所以对养殖废水的处理方法研究也较早，现已形成了完善的管理措施和治理模式。例如，美国养殖业工厂化、专业化、规模化都很高，大部分农场采用农牧结合方式，产生的废水直接用于农场灌溉。又如，从1984年开始荷兰就限制养殖户扩大经营模式，大中型农场分散在13.7万个家庭中，产生的废物废水均由农场处理消化。因此，国外的养殖废水大多进行资源化利用，实现农牧相互促进、相互协调。另外，国外对奶牛场废水的生物处理方法也进行了深入研究，在好氧、厌氧方法的微生物机理以及动力学模型等方面均取得了较好的成果。
国内处理研究现状
我国畜牧业污染防治起步较晚，2001年国家环保局才发布了《畜禽养殖污染防治管理办法》[3]。目前国内废水处理现状较为混乱，还没有规范化的处理方法。处理方法主要包括物理方法和生物方法。其中物理方法是指污水经池存放沉淀后排放，42.86%的养殖场采用此方法。生物方法主要包括沼气池发酵、氧化塘无害化处理以及工业化处理[4]。由于人们环保意识的增强和国家重视程度的提高，我国更多的科研工作者积极研究科学有效的畜牧业废水处理方法以及资源利用方法。
奶牛场废水处理方法
养殖废水的处理方法有很多，主要包括还田利用、自然处理和工业化处理方式。
还田利用
还田利用是一种将粪便污水处理后还田作为填料的污水处置方式，没有禽畜粪尿排至外界环境，可以达到污染物的零排放，是一种传统而经济的污水处理方法。奶牛场废水浓度较高，含有丰富的微量元素和营养物质，还田利用可以使废水资源化，使营养物质在植物-土壤系统里循环利用[5]。但还田利用也有一定的缺点：第一，在雨季和植物不需要营养时不能进行回田利用，这时就要利用其他的废水处理方法；第二，如果废水浓度过高，超过了植物的营养限值，就会对植物根系造成破坏，从而影响作物的质量和产量；第三，此方法需要大量的土壤，因此只适合小规模且周边土地较多的养殖场；第四，不合理或连续过量使用养殖废水会导致硝酸盐、磷及重金属沉积，污染地表水和地下水。因此，在还田前应进行简单的生物处理以降低环境污染风险。
自然处理
自然处理方法包括氧化塘（厌氧塘、兼氧塘、好氧塘、曝气塘）处理、土壤处理（慢速渗滤、快递渗滤、地表漫流）和人工湿地处理。自然处理方法优点主要有：投资能耗少、运行管理费用低；对难降解有机物、氮磷等营养物质以及细菌的去除率通常优于常规的二级处理，但基建费用和处理成本却低于二级处理；可实现污水资源化利用。但自然处理方法也具有占地面积大、净化效率低、处理效果易受季节温度影响等缺点。因此，此方法主要适用于距城市较远、气温较高且土地宽广的地方，如滩涂、荒地、林地、低洼地等，多用于规模中等的养殖场[6]。Duan等[7]利用土地渗透作用处理奶牛场废水，固体悬浮物（SS）、氨氮（NH4+ -N）、总 氮（TN）、总磷（TP）、COD及总有机碳（TOC）的 去除效率分别达到86.1％、78.0％、78.2％、94.6％、76.8％和74.6％。对自然处理的研究很多，其中人工湿地处理法在工程应用方面取得了稳定的处理效果。颜明娟等[8]利用间歇性人工湿地对奶牛场废水进行处理，结果表明，象草和黑麦草可有效地吸收废水中养分，氮磷的去除率均超过80%，且运行效果稳定。方志坚等[9]研究发现人工湿地中黑麦草对奶牛场废水中的氨氮具有较好的去除效果。Adhikari等[10]在利用人工湿地对养殖废水进行处理的同时通过回收植物生物质来回收营养物质，实现了资源化利用。
工业化处理
近年来城市对乳与乳制品的需求量越来越大，为了节约运输成本和保证奶制品的品质，大城市周围和城市近郊兴建了更多的大型奶牛场。因此，由于奶牛场养殖规模和养殖地域的转变，还田利用和自然处理方法不再适用，工业化处理模式成为主流方法。工业化模式主要包括：厌氧处理、好氧处理、厌氧-好氧组合工艺以及综合处理技术。
厌氧处理技术。厌氧生物处理（厌氧消化）是指在无氧条件下，借助厌氧微生物的新陈代谢作用分解废水中的有机物，并使之转变为小分子无机物质的处理过程。废水厌氧生物技术发展至今已有120多年的历史。适用于奶牛场废水处理的主要有厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床（UASB）、内循环厌氧反应器（IC）、升流式厌氧固体反应器（USR）等[11]，其中UASB应用较广泛[12]。
厌氧处理具有以下优点：占地少，造价低，处理过程不受传氧能力的限制，有机负荷高，对难降解有机物有较好的去除效果，同时可以产生沼气。基于以上优点，厌氧处理已经成为处理养殖废水的较主要方法。但经厌氧处理后废水中有机物浓度仍较高，无法达到国家排放标准；并且氨氮去除率较低，因此想要达标处理，后续还需对消化液进行其他方法的处理[13]。
好氧处理技术。好氧生物处理是指利用微生物在氧气充足的条件下分解废水中有机物的方法具有处理效果好，对pH、 温度要求不高等优点。
好氧工艺主要包括活性污泥法、生物滤池法、生物接触氧化法、序批式活性污泥法（SBR）、缺氧-好氧工艺（A/O）和氧化沟法等。用这些方法处理的养殖废水可以得到很好的出水水质，但占地面积大；相比之下，SBR占地面积小，且自动化程度高，由于间歇曝气有良好的脱氮效果，是禽畜养殖业常用的废水处理工艺[14]。Mohammad等[15]利用SBR处理养殖废水，经处理后，TN、NH4+ -N和NO3- -N去除率分别为61.0％、31.2％和54.5％，另外TS、TVS、TSS和TVSS的去除效率分别为61.4％、62.8％、77.6％和73.2％。SBR已经发展出很多变形工艺，如ICEAS工艺、CAST工艺，均广泛应用于奶牛场废水处理中。此外，A/O工艺技术成熟，缺 氧、好氧交替提高了氨氮去除率，且工艺简单，也广泛 应用于奶牛场废水处理中。
奶牛场废水具有高BOD、高COD的特征，而好氧处理工艺有机物负荷较低，因此在水处理前需将原水进行稀释[16]，或者提高水力停留时间（一般6d以上，甚至长达16d），这导致占地面积大，能耗和运行费用高[17]。因此，养殖废水通常采用厌氧-好氧联合处理或综合处理法。
厌氧-好氧组合工艺。厌氧-好氧组合工艺是目前奶牛场使用较多的工艺，既克服了厌氧处理无法达标排放的问题，又解决了好氧占地面积大、能耗高的缺点，具有能耗低、处理效果好、运行费用低等优点，特别适合大型奶牛场废水处理。
如果将奶牛场废水经过厌氧处理后直接进行好氧处理，虽然对COD、BOD去除率较高，但对总氮去除效果不佳，氨氮甚至有所提升。因此，在实际运行中通常使未处理的养殖原水与经硝化处理后的废水一起进入好氧系统，解决氨氮去除效率低的问题。李清等[18]研究了厌氧-好氧组合工艺对养殖废水的处理效果，结果发现厌氧消化时间越长的沼液，经处理后好氧效果越差， 因此对于含氮较高的养殖污水，其厌氧前处理的时间宜更短。
另外，为了解决厌氧消化液C/N较低难以脱氮这一问题，研究人员又提出了一些新的脱氮工艺，厌氧-短程亚硝化-厌氧氨氧化就是其中之一。该工艺建立在短程硝化反硝化基础上的亚硝酸型硝化（SHARON）和厌氧氨氧化（ANAMMOX）上，可以在C/N很低的情况下还保持很高的脱氮效果，并且此工艺可以节省25%的需氧量，从而节省了投资和运行费用。但是要想取得好的脱氮效果，要求运行参数能控制50%的氨氮转化为亚硝酸氮，使氨氮和亚硝酸氮以大约1:1的浓度比例进入厌氧氨氧化反应器，这样才能为后续的厌氧氨氧化提供较佳的反应条件。目前对参数的控制研究还不是很完善，虽然对此工艺的研究比较多，但是仅限于实验室中的小试和中试，工程应用还比较少。但是短程亚硝化-厌氧氨氧化在奶牛场废水处理上有着很好的前景。此外，还有专家和学者利用鸟粪石结晶法回收消化液中的营养物质。例如Song等[19]将厌氧出水流入鸟粪石堆积装置中，显示对NH4+ -N有很好的去除效果，同时85％的磷被去除或回收。
综合处理工艺
由于奶牛场废水有机物浓度高，氮磷含量高，并且有大量细菌病毒，采用单一的处理工艺不能很好地达到处理效果，更多的时候采用联合工艺，汇集不同处理方法的优点，使废水处理达到效益和效率双赢[20]。例如：厌氧-好氧-生态组合工艺，厌氧-好氧-氧化塘工艺，化学絮凝-好氧工艺等，在工程应用上均取得了稳定的处理效果。刘海霞等[21]利用折流厌氧反应+间歇式好氧(ABR-SBR)组合工艺处理奶牛场养殖废水，结果COD、NH4+ -N、TP、SS去除率分别达到95%、92%、90%和95%。杨晓莉等[22]对奶牛场污水进行固液分离-厌氧发酵-好氧曝气-絮凝沉淀处理，污水指标达排放标准。熊鸿斌等[23]采用USR+两级A/O组合工艺处理奶牛场干清粪养殖废水，结果显示出水水质稳定达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)，并优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596—2001)。
结语
随着奶牛养殖规模化进程的加快，奶牛场废水的排出量越来越多，处理工艺也层出不穷。根据养殖场及废水特点选用不同的处理工艺，不但可以达到排放或回田标准，还可以节省水处理费用。同时在废水处理过程中要转变原有处理思路，不仅要解决末端处理，更要从源头控制。例如：改变饲料质量可以降低废水处理难度，推广干清粪工艺，处理前进行固液分离等措施，均可减少废水产出量。另外，在资源匮乏的当今社会，对于奶牛场废水处理更需考虑废水资源化问题，对厌氧处理中的沼气和水处理中的中间产物应给予有效利用，以减轻对环境的压力，降低处理成本，实现奶牛业的可持续发展。