郭江鵬，周化斌，姜小偉，王 俊，付 瑤，齊志國(guó)，路永強(qiáng)*

(1. 北京市畜牧總站，北京100101；2. 溫州大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 溫州325035；3. 北京魔力素環(huán)境治理技術(shù)有限公司，北京 102200)

奶牛養(yǎng)殖業(yè)是畜牧業(yè)的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)2016年全國(guó)奶牛存欄量達(dá)1 425.3萬(wàn)頭[1]。隨著政府引導(dǎo)、市場(chǎng)選擇、資本推動(dòng)等因素的影響，中國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)走向規(guī)?；?、集約化，2018年中國(guó)奶牛規(guī)模化養(yǎng)殖比重達(dá)到62%[2]。在奶牛養(yǎng)殖中，每頭成年奶牛日排糞量約25 kg、排尿量約30 kg，規(guī)?；B(yǎng)殖在帶來(lái)生產(chǎn)效率提高、經(jīng)濟(jì)效益改善等益處的同時(shí)，也導(dǎo)致了養(yǎng)殖廢棄物的大量集中排放、養(yǎng)殖場(chǎng)周邊生態(tài)環(huán)保問(wèn)題突出等不良影響[3-4]。

目前，牛糞和沼渣等固體廢棄物無(wú)害化處理技術(shù)較為成熟，用于還田、做有機(jī)肥、做牛床墊料等。但養(yǎng)殖廢水的無(wú)害化處理技術(shù)尚不成熟。奶牛養(yǎng)殖廢水主要包括糞尿和沖洗廢水，懸浮物含量、氨氮濃度及化學(xué)需氧量(COD)濃度高，廢水氨氮濃度為550～800 mg/L，COD高達(dá)5 000～20 000 mg/L，還含有病原微生物、寄生蟲(chóng)卵等潛在危險(xiǎn)因子，如得不到及時(shí)合理處理，將會(huì)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)及其周邊環(huán)境造成極大的危害[5-6]。

養(yǎng)殖廢水處理工藝類(lèi)型較多，包括還田處理、生態(tài)化處理以及生物反應(yīng)器處理等模式，但是由于地區(qū)差異、投入、奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水有機(jī)物濃度高等因素的影響，能夠常年持續(xù)運(yùn)行的較少。同時(shí)，由于糞污堆積，致使臭氣熏天、蚊蠅滋擾成為了困擾養(yǎng)殖場(chǎng)的老大難問(wèn)題，隨著環(huán)保要求的提高，養(yǎng)殖廢水治理已成為奶牛養(yǎng)殖行業(yè)命運(yùn)攸關(guān)共性難題，亟待徹底解決。本研究針對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水COD、總氮(TN)、氨氮濃度高的特點(diǎn)，采用連續(xù)回分式活性污泥處理工藝，結(jié)合環(huán)保酵素進(jìn)行相關(guān)設(shè)施、設(shè)備及技術(shù)改造，旨在為徹底解決困擾奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的廢水治理難題提供解決方案。

1 基本情況

項(xiàng)目實(shí)施奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)位于北京市郊區(qū)，成年奶牛存欄1 200 頭。廢水主要來(lái)源于奶牛尿液、奶廳沖洗水、夏季噴淋水以及養(yǎng)殖場(chǎng)日常其他用水等，主要包括干清糞中分離出的廢水、水沖糞的糞便污水等，每天污水量為40～50 m3。根據(jù)目標(biāo)奶牛場(chǎng)廢水水質(zhì)檢測(cè)情況，確定廢水處理工藝基本參數(shù)如下：CODCr>15 000 mg/L，總氮>1 000 mg/L，氨氮>550 mg/L，總磷>120 mg/L。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2005)[7]中的水質(zhì)限值、《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596-2001)[8]中規(guī)定的排放限值，處理后終水水質(zhì)指標(biāo)為：CODCr<150 mg/L，氨氮<80 mg/L，總磷<8 mg/L。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)

處理對(duì)象為奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)經(jīng)干清糞預(yù)處理工藝處理后的液體部分，根據(jù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)的預(yù)測(cè)屬于可生物降解的范疇，即認(rèn)為污水有足夠的碳源供給生物脫氮除磷反應(yīng)。因此，本工程污水采用生化處理工藝可行。

以畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)高濃度有機(jī)廢水處理的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，遵循運(yùn)行可靠、管理方便、投資及運(yùn)行費(fèi)用低的原則，設(shè)計(jì)集成了“連續(xù)回分式活性污泥處理工藝”，工藝流程見(jiàn)圖1，同時(shí)添加環(huán)保用酵素，加速有機(jī)物的降解，使養(yǎng)殖廢水的處理達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

連續(xù)回分式活性污泥處理工藝根據(jù)濃度級(jí)差原理，采用多級(jí)生化、逐級(jí)分離的方式，實(shí)現(xiàn)菌群自然優(yōu)配，協(xié)同酵素酶解，具備耐受高濃度有機(jī)物的好氧菌馴化能力，能夠高梯度降解有機(jī)物。環(huán)保酵素由北京魔力素環(huán)境治理技術(shù)有限公司提供，由細(xì)菌、酵母菌和放線(xiàn)菌等有益微生物群體發(fā)酵產(chǎn)生，含有蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、脫氮酶、纖維素酶、氧化還原酶、脲酶、裂解酶、轉(zhuǎn)移酶等多種功能性酶類(lèi)，通過(guò)不同酶群定向作用于相關(guān)底物，協(xié)助系統(tǒng)中的主力菌群盡快增殖，從而在較短時(shí)間內(nèi)將廢水中有機(jī)物徹底分解。該工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相比，既具有活性污泥法的高效性和運(yùn)轉(zhuǎn)靈活性，又具有傳統(tǒng)生物膜法耐沖擊負(fù)荷、泥齡長(zhǎng)、剩余污泥少的特點(diǎn)，同時(shí)，還具有生物處理惡臭抑制優(yōu)勢(shì)，能抑制畜舍、凈化池、堆肥舍等地發(fā)出的臭氣，減少蚊蠅滋生。

2.3 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 集糞池(兼事故池) 本項(xiàng)目污水為干清糞工藝的沖舍水和擠奶廳廢水等，需先集中收集暫存和均質(zhì)；同時(shí)當(dāng)污水處理裝置出現(xiàn)事故時(shí)，為避免這些廢水直接進(jìn)入河流或土壤等對(duì)環(huán)境造成污染，本項(xiàng)目利用養(yǎng)殖場(chǎng)原有的糞污收集池改造為糞污收集池，兼具事故池使用。

2.3.1.1 構(gòu)筑物 地下式糞污收集池1座，單池尺寸為6.0 m×6.0 m×3.0 m ，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積100.0 m3。

2.3.1.2 主要設(shè)備 固液分離機(jī)1臺(tái)，Q=40.0 m3/h， N=5.5 kW；潛水切割泵1臺(tái)，Q=40.0 m3/h，H=7.0 m，N=7.5 kW。

2.3.2 固液分離清液儲(chǔ)池(調(diào)節(jié)池) 固液分離是畜禽糞污處理必不可少的一道工藝環(huán)節(jié)。首先，大大降低液體部分的污染物負(fù)荷量；其次，通過(guò)固液分離可防止較大的固體物進(jìn)入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，防止設(shè)備的堵塞損壞等。固液分離后的固體送堆肥場(chǎng)，分離后的清液暫存。本研究設(shè)置固液分離清液儲(chǔ)池，同時(shí)兼具調(diào)節(jié)池使用，以保證后續(xù)處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行和處理效果，對(duì)水質(zhì)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3.2.1 構(gòu)筑物 一級(jí)分離液儲(chǔ)池1座，規(guī)格為2.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為36.0 m3；二級(jí)分離液儲(chǔ)池(調(diào)節(jié)池)1座，規(guī)格為4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為72.0 m3。

2.3.2.2 主要設(shè)備 二級(jí)分離提升泵2臺(tái)，1用1備，50QW-18-15-1.5，Q=18 m3/h，H=15.0 m，N=1.5 kW；精細(xì)分離篩2臺(tái)，功率為0.75 kW，直徑1 000 mm；進(jìn)水提升泵2臺(tái)，1用1備，50QW-15-22-2.2，Q=15 m3/h，H=22.0 m，N=2.2 kW；電動(dòng)蝶閥2臺(tái)，DN50PN1.0。

2.3.3 初級(jí)沉淀池 利用絮粒與水的密度差，使絮粒進(jìn)行沉降進(jìn)而達(dá)到固、液分離的目的，以保證后續(xù)工藝的正常運(yùn)行和處理效果。

2.3.3.1 構(gòu)筑物 沉淀池2座，規(guī)格為3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為40.5 m3。

2.3.3.2 主要設(shè)備 污水提升泵2臺(tái)，50QW25-10-1.5，Q=25 m3/h，H=10.0 m，N=1.5 kW；電動(dòng)蝶閥2臺(tái)，DN50PN1.0。

2.3.4 回分式活性污泥組合反應(yīng)器 連續(xù)回分式活性污泥處理系統(tǒng)是一種融合了酶解技術(shù)的高濃度有機(jī)廢水好氧處理工藝，具備耐受高濃度有機(jī)物的好氧菌馴化能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高梯度降解有機(jī)物，達(dá)到有效處理廢水的效果。

2.3.4.1 構(gòu)筑物 綜合生化池1座，規(guī)格為12.0 m×12.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為648.0 m3。分兩套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)包括五級(jí)生化池各1座。

一級(jí)曝氣池2座，規(guī)格為3.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為108.0 m3；二、三、四、五級(jí)曝氣池各2座，規(guī)格為3.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為54.0 m3。

2.3.4.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 進(jìn)水量50.0 m3/d；進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷：1.54 kg COD/m3·d；停留時(shí)間7～13 d；反應(yīng)溫度常溫；氧傳遞效率20～25%；污泥濃度5 g/L；污泥負(fù)荷0.15 kg BOD/kg MLSSod；控制溶氧2 mg/L。

2.3.4.3 主要設(shè)備 布水器10套，25 m3～30 m3/h；出水控制器2套，25 m3～30 m3/h；旋流曝氣器24套，6～15 m2/套，0.6～0.9 m3/min。

2.3.5 二沉池(酵素回收池) 經(jīng)生化處理后的廢水含有不同程度的絮凝顆粒。工藝設(shè)置二沉池，既可保證后續(xù)澄清廢水(液肥)的正常排放，又可作為達(dá)標(biāo)排放時(shí)酵素的回用緩沖池。

2.3.5.1 構(gòu)筑物 二沉池1座，規(guī)格為6.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為81.0 m3。

2.3.5.2 主要設(shè)備 污水提升泵2臺(tái)， 50QW-10-10-0.75，Q=10 m3/h，H=10.0 m，N=0.75 kW；酵素回收膜組件50.0 m3/d，N=0.75 kW，HC-80S(4 kW)。

2.3.6 清水池(消毒池) 生化處理后的廢水，通過(guò)在水中加入次氯酸鈣，次氯酸鈣雙水解的過(guò)程中生成次氯酸，次氯酸對(duì)水中細(xì)菌起到了殺菌的作用。同時(shí)，次氯酸鈣雙水解產(chǎn)生的副產(chǎn)品氫氧化鈣又與水中的磷酸鹽結(jié)合，對(duì)除磷起到一定的作用，經(jīng)消毒后完全達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.6.1 構(gòu)筑物 清水池(消毒池)1座，規(guī)格為3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼砼，有效容積為40.5 m3。

2.3.6.2 主要設(shè)備 污水提升泵1臺(tái)， 50QW-10-10-0.75，Q=10 m3/h，H=10.0 m，N=0.75 kW；濾片投加器1臺(tái)，50～100 m3/d，功率為0.55 kW。

2.3.7 污泥儲(chǔ)池

2.3.7.1 構(gòu)筑物 污泥儲(chǔ)池1座，規(guī)格為3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，有效容積為40.5 m3。

2.3.7.2 主要設(shè)備 污水提升泵1臺(tái)，50 QW25-10-1.5，Q=25 m3/h，H=10.0 m，N=1.5 kW。

2.3.8 鼓風(fēng)機(jī)房

2.3.8.1 構(gòu)筑物 鼓風(fēng)機(jī)房置于綜合池頂部，平面尺寸18.0 m×12.0 m×2.5 m。

2.3.8.2 主要設(shè)備 羅茨鼓風(fēng)機(jī)，3臺(tái)(2開(kāi)1備)，HC-1001S，Q=5.11 m3/min，P=0.06 MPa，N=7.5 KW

2.3.9 其他附屬建筑物 配電間，1座，3.0 m×3.0 m×2.5 m。

3 工程運(yùn)行效果

調(diào)試初期，對(duì)各種機(jī)電設(shè)備、酵素等藥劑的添加量進(jìn)行了調(diào)試，對(duì)生化處理系統(tǒng)的污泥進(jìn)行了馴化。經(jīng)過(guò)近半年的試運(yùn)行與水質(zhì)檢測(cè)(每周取樣1次，取樣時(shí)間為星期二早晨9：00，n=19)，連續(xù)回分式活性污泥處理工藝各運(yùn)行參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)值，處理出水水質(zhì)穩(wěn)定。各工藝段具體進(jìn)、出水外觀(guān)見(jiàn)圖2，水質(zhì)COD、總氮和氨氮含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。原水COD、TN、氨氮和總磷的平均濃度分別為19304.2、1358.3、691.7和174.3 mg/L，終水出水COD、TN、氨氮和總磷的平均濃度分別為76.8、64.7、3.9和4.3 mg/L，COD、TN、氨氮和總磷的平均去除率分別為99.6%、95.2%、99.4%和97.5%。

4 運(yùn)營(yíng)成本分析

運(yùn)營(yíng)成本由動(dòng)力費(fèi)、輔助生產(chǎn)材料費(fèi)和人工費(fèi)等組成。

4.1 動(dòng)力費(fèi)

合計(jì)5.79萬(wàn)元/a。其中：年耗電量根據(jù)所配置的機(jī)電設(shè)備功率計(jì)算，為8.90 萬(wàn)(kW·h)；電費(fèi)按0.65元/(kW·h)計(jì)算。

4.2 輔助生產(chǎn)材料費(fèi)

合計(jì)11.87 萬(wàn)元/a。其中：復(fù)合酵素650 元/L，年消耗180 L；聚合氯化鋁(PAC) 1 200 元/t，年消耗1 t；次氯酸鈣：1 000 元/t，年消耗0.53 t。

4.3 人工費(fèi)

員工的工資福利費(fèi)用約為3.6 萬(wàn)元/a。

運(yùn)營(yíng)成本總計(jì)為21.26 萬(wàn)元/a。

污水處理量按50 m3/d、全年365 d計(jì)算, 則根據(jù)運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算，噸水處理費(fèi)用為11.65 元/t。

表1 各工藝段水樣COD、總氮、氨氮、總磷等指標(biāo)變化Table 1 The index variation of COD, Total Nitrogen, Ammonia Nitrogen and Total Phosphorous in samples of each section mg/L

5 討 論

國(guó)內(nèi)外奶牛養(yǎng)殖廢水處理的方法較多，包括還田處理、生態(tài)化處理、吸附處理、厭氧及好氧生化處理等。Pelissari等[9]分別構(gòu)建垂直流和水平流的長(zhǎng)苞香蒲濕地用于處理奶牛場(chǎng)廢水，總氮去除率分別為23%和59%，氨態(tài)氮去除率分別達(dá)80%和58%；de Mendonca等[10]設(shè)計(jì)了活塞流生物反應(yīng)器處理奶牛場(chǎng)廢水，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)氣(甲烷)和生物肥料雙重資源化；王艷芹等[3]設(shè)計(jì)了生物巢厭氧反應(yīng)器處理奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水，水力停留時(shí)間(HRT)為15 h，對(duì)COD、TN和總固體懸浮物(TSS)的平均去除率分別為76.7%、76.9%和89.9%。針對(duì)奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水含有高濃度有機(jī)污染物的特點(diǎn)，趙秋菊等[11]采用快速掛膜法對(duì)生物接觸氧化反應(yīng)器進(jìn)行啟動(dòng)，在HRT為48 h時(shí)，生物接觸氧化對(duì)COD、TN和磷的平均去除率分別為91.5%、77.1%和53.4%；姜棟和于宏兵[12]采用同時(shí)反硝化產(chǎn)甲烷工藝處理奶牛養(yǎng)殖廢水，COD 及TN 去除率均達(dá)到90%以上。本研究構(gòu)建的“連續(xù)回分式活性污泥處理工藝”，附加環(huán)保酵素強(qiáng)化處理方案，經(jīng)半年多的運(yùn)行和檢測(cè)，COD、總氮、氨氮、總磷的平均去除率分別為99.6%、95.2%、99.4%和97.5%，整體效果優(yōu)于以上報(bào)道，具有處理效果良好，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可作為解決困擾奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)廢水治理難題的有效解決方案。

6 結(jié) 論

本方案運(yùn)行結(jié)果表明，針對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水COD、氨氮濃度高的特點(diǎn)，選用以連續(xù)回分式活性污泥處理工藝為主，配合環(huán)保酵素進(jìn)行相關(guān)設(shè)施、設(shè)備及技術(shù)改造，具有反應(yīng)效率高、處理效果穩(wěn)定、運(yùn)行成本相對(duì)低廉等特點(diǎn)。處理后出水水質(zhì)能達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084-2005)和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596-2001)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其它養(yǎng)殖廢水處理工程的技術(shù)改造具積極且實(shí)用的參考價(jià)值。