金樹(shù)威

（遼寧北方環(huán)境保護(hù)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110031）

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)人民生活水平的提高，對(duì)畜禽產(chǎn)品的需求不斷增加。在各級(jí)政府高度重視下，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖業(yè)在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展。大批規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖場(chǎng)相繼建成，科學(xué)技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，畜牧業(yè)機(jī)械化養(yǎng)殖和專業(yè)化管理的水平不斷提高。目前，我國(guó)已成為世界上最大的生豬繁育和豬肉生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)［1-2］。

畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)帶來(lái)了糞污排放量大、污染防治難度大等嚴(yán)峻問(wèn)題。畜禽糞便排放COD 總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)工業(yè)廢水和生活污水排放量的總和，規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖造成的污染已成為我國(guó)不容忽視的新環(huán)境問(wèn)題，如何整治是實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染主要來(lái)自畜禽養(yǎng)殖廢水，其由夾雜糞便的沖洗水、飼料殘?jiān)?、尿液等組成。水中含有大量的有機(jī)物（COD）、氮、磷、懸浮物等，成分復(fù)雜、污染負(fù)荷高，同時(shí)伴有惡臭氣味，是一種高濃度的有機(jī)廢水，具有一次性排放量大、排放時(shí)間較為集中等特點(diǎn)。畜禽養(yǎng)殖廢水排入周圍水體后將大量消耗水中氧氣，導(dǎo)致水生生物死亡，使水體發(fā)臭；廢水中含有的氮和磷還會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化；廢水如果未經(jīng)任何處理直接排入農(nóng)田，將會(huì)造成土壤內(nèi)部空氣堵塞，使土壤透氣和透水性下降，嚴(yán)重時(shí)可以造成土壤的板結(jié)和鹽化，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)；廢水中的糞尿產(chǎn)生氨、硫化氫、三甲基胺等有害氣體，對(duì)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)周邊的大氣環(huán)境也會(huì)造成嚴(yán)重的污染。

2 技術(shù)集成與優(yōu)化概述

由于畜禽養(yǎng)殖廢水中污染物成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)往往并不單一，針對(duì)污染物的治理、能源的綜合利用等通常需要多種環(huán)保技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用［3］。

廢水治理技術(shù)集成是環(huán)保項(xiàng)目模塊化治理集成的重要發(fā)展方向。技術(shù)集成是指根據(jù)需要將各種功能性的技術(shù)（工藝單元）進(jìn)行組合應(yīng)用，充分發(fā)揮技術(shù)（工藝單元）的功能優(yōu)勢(shì)，最終達(dá)到完成污水治理的目的。集成以實(shí)現(xiàn)環(huán)保處理任務(wù)為目的，同時(shí)是一個(gè)系統(tǒng)工程。它需要考慮整體布局、空間配置及流程的合理性等，從不同的技術(shù)處理對(duì)象、功能上進(jìn)行分析，針對(duì)污水不同的特點(diǎn)采用有針對(duì)性的技術(shù)進(jìn)行集成與應(yīng)用［4］。

技術(shù)優(yōu)化，即對(duì)不同的技術(shù)集成進(jìn)行比較，選出最優(yōu)集成方案或路線。在投資、運(yùn)行費(fèi)用、占地面積、停留時(shí)間最小化的約束條件下，完成污染物的去除任務(wù)，即達(dá)到環(huán)保部門(mén)要求的排放指標(biāo)［4］。

可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為，集成是組合的應(yīng)用，是解決目的性的手段；而優(yōu)化是組合的篩選，是解決經(jīng)濟(jì)性的手段。集成即創(chuàng)新，合理地使用技術(shù)集成和優(yōu)化可以提高各個(gè)裝置的處理效率和延長(zhǎng)裝置的使用壽命，節(jié)省整體建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用。

技術(shù)集成與優(yōu)化是為后期模塊化治理建設(shè)做鋪墊。所謂的模塊化治理是指針對(duì)相同養(yǎng)殖品種、飼養(yǎng)方式、清糞方式的養(yǎng)殖企業(yè)，根據(jù)技術(shù)集成與優(yōu)化的結(jié)論，采用相同的處理工藝和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)。模塊化治理可以促進(jìn)畜禽養(yǎng)殖行業(yè)污染治理更加規(guī)范化，減少項(xiàng)目建設(shè)設(shè)計(jì)周期，加快項(xiàng)目建設(shè)步伐。

經(jīng)過(guò)技術(shù)集成與優(yōu)化后的模塊化治理方式是解決我國(guó)環(huán)保工程占地面積大、能耗高、投資多、難以長(zhǎng)期持續(xù)良好地運(yùn)行等問(wèn)題的良方，對(duì)我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用和意義。

3 技術(shù)集成與優(yōu)化的困境

在畜禽養(yǎng)殖行業(yè)中，各個(gè)企業(yè)有各自的養(yǎng)殖方式，即使是同一品種的養(yǎng)殖，由于飼養(yǎng)和清糞的方式不同，排放水質(zhì)也不相同，很難從養(yǎng)殖規(guī)模推算排水總量和排放濃度。目前國(guó)家已經(jīng)出臺(tái)了相應(yīng)的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，其內(nèi)容涵蓋面相對(duì)較廣，對(duì)整個(gè)行業(yè)的技術(shù)集成進(jìn)行了概括性規(guī)范化管理，一些詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)仍需要畜禽養(yǎng)殖企業(yè)不斷摸索、總結(jié)。

之所以對(duì)于同一養(yǎng)殖品種的廢水治理難于規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，分析主要有以下兩個(gè)原因。

（1）飼料成分、營(yíng)養(yǎng)元素添加不同，造成排放的污染物不同。

以生豬養(yǎng)殖企業(yè)為例，其排放廢水中含有大量糞便和尿液，是其污染物的主要成分，污染物主要來(lái)自未消化的食物（飼料）殘?jiān)筒糠窒x產(chǎn)物。飼料的成分、畜禽對(duì)飼料的吸收程度、飼料喂養(yǎng)配比、喂養(yǎng)頻次等因素決定了畜禽糞污的排放量和排放物組成成分。不同養(yǎng)殖企業(yè)的飼料成分、配方不一，造成了生豬養(yǎng)殖廢水排放污染物多元化，組成比例各不相同，很難用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行推算排污量。

（2）糞污沖洗方式不同造成排水量、排放濃度的不同。

目前，我國(guó)規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)采用的清糞工藝主要有水沖糞、水泡糞和干清糞工藝3 種方式。水沖糞工藝耗水量大，水中污染物濃度高；水泡糞工藝較水沖糞工藝節(jié)省用水，但污染物較水沖糞濃度高；干清糞工藝產(chǎn)生的污水量少，污染物含量低，易于凈化處理［2］。

對(duì)于同一養(yǎng)殖品種企業(yè)，采用不同的清糞工藝，其排水水量和污染物濃度不同。即使是相同清糞工藝，也會(huì)因?yàn)楣に嚇?biāo)準(zhǔn)不同而使排放濃度不同，例如水泡糞工藝，隨著浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，水中溶解性污染物濃度越高，不同企業(yè)采用不同的浸泡時(shí)間會(huì)造成污染物濃度不同。

歸結(jié)以上因素，主要在于生產(chǎn)前端未形成標(biāo)準(zhǔn)的模塊化養(yǎng)殖，使得后端很難形成相應(yīng)的模塊化治理。前端來(lái)水情況不同，后端的集成技術(shù)和優(yōu)化參數(shù)也各不相同，項(xiàng)目之間相互借鑒意義不大。因此，造成模塊化治理難于推進(jìn)，技術(shù)集成與優(yōu)化缺少實(shí)際的推廣意義。

4 技術(shù)集成與優(yōu)化的推廣與應(yīng)用

針對(duì)目前畜禽養(yǎng)殖業(yè)的狀況，本文以某企業(yè)為實(shí)例進(jìn)行了深入研究。該企業(yè)主要以生產(chǎn)飼料為主，現(xiàn)正開(kāi)展多元化經(jīng)營(yíng)，投資建設(shè)多個(gè)生豬規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)。由于在生豬養(yǎng)殖過(guò)程中采用飼料源頭統(tǒng)一化、養(yǎng)殖管理規(guī)范化的管理方式，使得各個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)的排水狀況相對(duì)接近，因此將其中一個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)排放的污水作為畜禽養(yǎng)殖廢水治理技術(shù)集成與優(yōu)化的研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)污水處理項(xiàng)目的建設(shè)、裝置調(diào)試運(yùn)行以及運(yùn)行參數(shù)等優(yōu)化，最終形成針對(duì)該企業(yè)污水治理的定制式治理方案。為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)化養(yǎng)殖提供更合理的指導(dǎo)方向，便于企業(yè)未來(lái)污水治理項(xiàng)目的模塊化建設(shè)。

4.1 項(xiàng)目概述

本文研究對(duì)象為遼寧某養(yǎng)殖場(chǎng)污水處理項(xiàng)目，該養(yǎng)殖場(chǎng)豬存欄量為6 000 頭，日產(chǎn)污水240 t。

排放的糞水主要來(lái)自豬場(chǎng)日常清理豬舍后產(chǎn)生的污水。豬場(chǎng)采用水泡糞的清糞工藝，水泡糞存儲(chǔ)時(shí)間約為1.5 個(gè)月，每個(gè)豬舍定期排放水一次性排出。污水收集池停留時(shí)間設(shè)計(jì)為3.5 d。

水泡糞污水的主要特征是：有機(jī)物和NH3－N 濃度高、懸浮物多、色度深，并含有大量的細(xì)菌。污水中的污染物主要以固態(tài)、溶解態(tài)形式存在，污染物可生物降解性好。由于糞便長(zhǎng)時(shí)間停留，在厭氧發(fā)酵菌的作用下，將一些不溶的大顆粒物質(zhì)分解成可溶性污染物，使糞水中的可溶性污染物濃度更高。

4.2 項(xiàng)目治理模式

本項(xiàng)目采用《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染治理工程技術(shù)規(guī)范》中的模式Ⅲ的處理方式，即排放的糞水首先經(jīng)過(guò)固液分離，分離出的糞渣用于好氧發(fā)酵堆肥；分離出的污水經(jīng)過(guò)處理后達(dá)到《農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5084—2005）中的旱作物要求，同時(shí)NH3-N 排放濃度要求≤40 mg/L。

4.3 項(xiàng)目廢水治理技術(shù)集成與優(yōu)化

本項(xiàng)目針對(duì)水泡糞水的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從整套裝置的功能性大體可分為：預(yù)處理單元；厭氧生化處理單元；多級(jí)好氧生化脫碳、脫氮系統(tǒng)單元；沼氣利用與節(jié)能單元。

4.3.1 預(yù)處理單元

排放水中含有大量的豬糞，水中懸浮物較高，對(duì)后期污水處理負(fù)荷較大，預(yù)處理采用“兩級(jí)固液分離＋沉淀除渣”的處理工藝。沉淀分離出的懸浮物經(jīng)污泥脫水系統(tǒng)處理后，與糞渣一并進(jìn)入堆肥發(fā)酵系統(tǒng)。

固液分離系統(tǒng)分別采用格柵寬度為0.8～1.0 mm的水力篩和100～150 目的過(guò)濾篩進(jìn)行二次分離，分離后的濾液再經(jīng)過(guò)沉淀分離后進(jìn)入?yún)捬跎到y(tǒng)。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，污水有機(jī)物含量可降低30%～50%。

4.3.2 厭氧生化處理單元

厭氧生化系統(tǒng)采用改進(jìn)升流式厭氧顆粒污泥反應(yīng)器。內(nèi)部可分為進(jìn)水配水系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、三相分離區(qū)和出水區(qū)系統(tǒng)。改進(jìn)升流式厭氧顆粒污泥反應(yīng)器配水系統(tǒng)和運(yùn)行方式，能夠提高厭氧反應(yīng)器處理效率；集成優(yōu)化高效旋流配水系統(tǒng)，改進(jìn)厭氧處理設(shè)備水力條件，提高設(shè)備操作彈性，提升厭氧廢水處理效率，降低污水處理成本。反應(yīng)器為圓柱體狀碳鋼結(jié)構(gòu)，高度可達(dá)16 m，反應(yīng)器設(shè)有專門(mén)的出水回流系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)使得裝置具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力。

4.3.3 多級(jí)好氧生化脫碳、脫氮系統(tǒng)單元

由于豬糞水中NH3－N 含量較高，廢水經(jīng)過(guò)多次厭氧生化反應(yīng)，水中COD 值大大降低，水中C/N 嚴(yán)重失衡。若采用常規(guī)的A/O 處理工藝，出水NH3－N很難達(dá)到排放要求，為了達(dá)到脫氮的目的，需要額外補(bǔ)充碳源，這樣會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行成本大大增加。因此，如何能在低運(yùn)行成本下控制脫碳、脫氮的效果，是考驗(yàn)該技術(shù)集成效果的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)比，最終選擇了多級(jí)短程硝化-反硝化的處理工藝。

傳統(tǒng)生物脫氮途徑見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)生物脫氮途徑

短程硝化-反硝化生物脫氮途徑見(jiàn)圖2。

圖2 短程硝化-反硝化生物脫氮途徑

生物脫氮主要包括硝化和反硝化兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程。

硝化是在有氧環(huán)境中，亞硝化菌先將NH4＋－N 氧化為NO2－－N，然后硝化菌將NO2－－N 進(jìn)一步氧化為NO3－－N。

反硝化是在缺氧環(huán)境下，反硝化細(xì)菌將NO3－－N經(jīng)由NO2－－N 轉(zhuǎn)化為N2排入大氣中。

可見(jiàn)，NO2－－N 是硝化和反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物。傳統(tǒng)的生物脫氮A/O 工藝是通過(guò)將末端生成的NO3－回流至前端缺氧段，將NO3－轉(zhuǎn)化為N2，其好氧硝化時(shí)間較長(zhǎng)，好氧硝化過(guò)程中大量消耗碳源，需要較高的C/N，往往在處理過(guò)程中額外補(bǔ)加碳源（例如甲醇）。

短程硝化-反硝化是通過(guò)縮短硝化段的氧化時(shí)間，使得硝化產(chǎn)生NO2－，未等其轉(zhuǎn)化為NO3－即回流至前端，與NH4+進(jìn)行反應(yīng)，這樣大大縮短了硝化的時(shí)間，減少了硝化過(guò)程中對(duì)碳源的消耗。

比較以上2 種途徑，短程硝化-反硝化具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可降低供氧動(dòng)力費(fèi)用約25%，節(jié)省了NO2－氧化為NO3－的好氧量。

（2）可減少原材料消耗，反硝化階段可以節(jié)省碳源40%，在C/N 一定的情況下提高了TN 的去除率，并可以節(jié)省投堿量。

（3）有利于節(jié)省基建投資，一般情況下可以使反應(yīng)器的容積減少30%～40%。

（4）可減少產(chǎn)泥量，降低污泥處理費(fèi)用。在硝化過(guò)程中可以減少產(chǎn)泥25%～34%，在反硝化過(guò)程中可以減少產(chǎn)泥約50%。

4.3.4 沼氣利用與節(jié)能單元

為了合理利用能源、降低運(yùn)行成本，將厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行脫硫處理，脫硫處理后的沼氣作為燃料的一部分用于厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的自身加熱，一部分作為燃?xì)夤┙o食堂生活炊飯使用。

同時(shí)本項(xiàng)目作為初期模塊化的建設(shè)，在設(shè)計(jì)中也進(jìn)行了部分功能預(yù)留，項(xiàng)目二期建設(shè)可以增設(shè)水源熱泵對(duì)排水進(jìn)行余熱利用，以保證冬季熱源的自給自足。

4.4 示范項(xiàng)目的推廣與應(yīng)用

本項(xiàng)目集成各種較為先進(jìn)的廢水治理技術(shù)，在項(xiàng)目后期調(diào)試過(guò)程中，可以通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)（溫度、停留時(shí)間、去除負(fù)荷等）、調(diào)整各個(gè)工藝間的銜接等方法，摸索出該套集成技術(shù)的最佳經(jīng)濟(jì)平衡點(diǎn)。企業(yè)在未來(lái)其他項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，可以以本項(xiàng)目?jī)?yōu)化參數(shù)作為設(shè)計(jì)藍(lán)本，進(jìn)行整體模塊化建設(shè)。

5 結(jié)論及建議

本文結(jié)合畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染的現(xiàn)狀，初步探討了對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水治理技術(shù)的集成與優(yōu)化，同時(shí)列舉了一個(gè)模塊化管理的范例，針對(duì)該企業(yè)的污水治理進(jìn)行技術(shù)集成與優(yōu)化，為該企業(yè)未來(lái)模塊化建設(shè)提供指導(dǎo)方向。

畜禽養(yǎng)殖廢水治理技術(shù)集成與系統(tǒng)優(yōu)化是畜禽養(yǎng)殖污染治理的一個(gè)重要研究方向，對(duì)于畜禽養(yǎng)殖企業(yè)提高處理能力、節(jié)約成本、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、提高系統(tǒng)效率等方面都起著重要的作用，對(duì)畜禽養(yǎng)殖污染治理的發(fā)展有著重要的作用和意義。

對(duì)于推進(jìn)環(huán)保技術(shù)的集成與系統(tǒng)優(yōu)化建議從2個(gè)方面入手。一方面，畜禽養(yǎng)殖企業(yè)應(yīng)建立生產(chǎn)統(tǒng)一化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化管理機(jī)制，模塊化建設(shè)；建立信息平臺(tái)，增加畜禽養(yǎng)殖企業(yè)、環(huán)保技術(shù)企業(yè)之間的合作交流，對(duì)技術(shù)運(yùn)行效果及運(yùn)行成本進(jìn)行總結(jié)、把控，使得技術(shù)集成能發(fā)揮更合理的作用，最終使得企業(yè)受益。另一方面，環(huán)保技術(shù)企業(yè)應(yīng)不斷提高自身的科研力量，加快科研、建設(shè)和優(yōu)化三者之間的融合，加強(qiáng)與養(yǎng)殖企業(yè)間的緊密結(jié)合，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的應(yīng)用及時(shí)進(jìn)行總結(jié)、修正、優(yōu)化，最終形成合理經(jīng)濟(jì)的路線。加速企業(yè)模塊化治理，為企業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖、模塊化建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持。