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生物处理技术在畜禽粪水达标排放中的应用_聚合硫酸铁生产厂家

发布时间:2018-06-08 19:51:11    

近年来,我国规模化畜禽养殖业快速发展,成为农村经济最具活力的增长点,有力推动了现代畜牧业转型升级和提质增效。

但畜禽养殖业规划布局不合理、养殖污染处理设施设备滞后、种养脱节、部分地区养殖总量超过环境容量等问题逐渐凸显。

畜禽养殖污染已成为农业面源污染的重要来源,这其中畜禽养殖场粪水是需要严格治理并达到国家排放标准的重要污染源之一,如何解决畜禽养殖粪水处理利用问题,成为行业的焦点。

1.畜禽养殖粪水来源及特点 畜禽养殖粪水主要来源于畜禽尿液、栏舍和设施冲洗水、滴漏的饮水、降温用水以及生产过程中产生的其他废水和生活污水等。

畜禽种类、饲养方式以及清粪工艺等对粪水总量及污染物浓度影晌较大,同时又与天气条件、饲料、栏舍设计等其他诸多因素密切相关。

粪水中除水分外主要有粗蛋白、粗脂肪、粗纤维和无氮浸出物等有机成分,以及无机盐类和重金属。

尿液中的成分要来源于血液,少数物质由肾脏合成,水分占 95-97%,固体物占3-5%。

固体物包括了有机物和无机物,无机物主要有钾、钠、钙、镁和多种铵盐。

正常情况下尿中的氮物质全部为非蛋白质含氮物,主要有尿素、尿酸,尿囊素等。

尿素是尿中的主要含氮物,尿中的含量为1.5-2.5%,约占尿中固体物质总量的50%。

在饲料中添加或临床上应用抗生素等物质时,粪便和尿液中也会少量存在。

有别于普通工业废水或城市生活污水,因饲料配方、养殖方式、清粪工艺的不同,相同规模的同类畜禽养殖场其排出粪水的成分、浓度、出水量差异极大,对应的粪水处理模式、技术、工艺也不尽相同。

2. 畜禽养殖粪水危害 规模化养殖场每天排放的畜禽养殖粪水量大、集中,含有大量污染物,如BOD、COD、氨氮、重金属、残留的兽药以及大量的病原体等,如不经过处理直接排放,将会造成严重污染和危害。

一是对水体的危害,养殖粪水含有大量病原体和高浓度有机物,有机物分解消耗水中大量溶解氧的同时释放氮、磷营养元素,加剧水体富营养化,大量悬浮物使水体浑浊,影响水中植物的光合作用,导致水体中溶解氧进一步降低,引发水生生物大量死亡。

二是对大气环境的危

害,畜禽养殖粪水不进行有效处理会产生大量的甲烷(CH4)、氨气(NH3)、硫化氢 (H2S) 等气体,影响及危害饲养人员及周围居民的身体健康。

三是对农田及作物的危害,畜禽养殖业粪水中含有较多的氮、磷、钾等养分,如果未经任何处理就直接施用,会给土壤和农作物的生长造成不良影响,甚至使农作物死亡,降低产量等;大量矿物质元素也会引起土壤板结,有毒重金属、抗生素等会导致农产品安全质量达不到要求,甚至危害到人们的身体健康。

四是带有病原微生物的粪水可能成为传染源,容易引起动物疫病的传染与流行,严重影响动物疫病的有效防控。

3.生物处理技术在畜禽粪水中的应用 粪水处理按照其作用原理通常分为物理技术、化学技术、生物处理技术和自然处理技术等。

本文重点围绕养殖粪水达标排放的生物处理技术进行介绍。

养殖粪水的生物处理主要是利用微生物的生物化学作用分解有机物、转化无机物,使之稳定化、无害化。

粪水生物处理需要采取人工强化措施,创造有利于微生物生长、繁殖的环境,使微生物大量增殖,以提高其分解、转化污染物的效率。

生物处理技术具有效率高、成本低、投资省、操作简单等优点。

3.1好氧生物处理技术 3.1.1 好氧生物处理技术特点好氧生物处理是在有氧气存在的条件下,利用好氧微生物降解有机物,使其稳定、无害化的处理方法。

微生物利用粪水存在的有机污染物为底物进行好氧代谢,经过一系列的生化反应,逐级释放能量,最终以低能位的无机物稳定下来,达到无害化的要求,以便返回自然环境或进一步处理。

好氧生物处理主要用来去除粪水中溶解和呈胶体的有机物。

在好氧处理过程中,粪水中的微生物通过自身的生命活动—氧化、还原、合成和分解等过程,将吸收的一部分有机物氧化分解为简单的无机物,并释放大量的能量,另一部分有机物代谢合成新的细胞物质,从而微生物不断生长、繁殖,产生更多的微生物。

3.1.2. 影响好氧生物处理的主要因素(1)溶解氧(DO): 供氧多少一般用混合液溶解氧的浓度控制。

供氧不足会出现厌氧状态,妨碍好氧微生物正常的代谢过程。

一般来说,溶解氧浓度以2毫克/升左右为宜。

(2)水温: 温度是影响微生物活性的重要因素之一,一般认为水温在20-30℃时效果最好,35℃以上和 10℃以下净化效果即降低。

(3)营养物质: 微生物细胞组成中,C、H、O、N占90-97%,其余3-10%为无机元素,主要的是P,对氮、磷的需要量可按BOD5:N:P=100:5:1进行估计。

(4)pH 值:对于好氧生物处理,pH 值一般以6.5-9.0为宜。

pH 值低于6.5,处理效果开始下降,pH值低到4.5时,将严重影响处理效果;pH值超9.0时,代谢速度将受到阻碍。

(5)有毒物质:对于生物处理有毒害作用的物质很多,其中包括重金属、硫化氢等无机物质,酚、甲醛等有机物质。

毒物的毒害作用与pH值、水温及微生物数量和是否驯化等有很大关系。

(6)氧化还原电位:好氧细菌: +300-400毫伏,至少要求大于+100 毫伏。

3.1.3. 活性污泥法向一个装有畜禽粪水的池中,连续或间歇鼓入空气,维持水中有足够的溶解氧,为微生物生长创造良好的条件,经过一定时间后,就会产生渴色絮花状的泥粒。

在显微镜下可以发现,泥粒充满着各种各样的微生物:细菌、霉菌、原生动物和后生动物,这种充满微生物的絮状泥粒就叫作活性污泥。

在活性污泥中,除了微生物外,还含有一些无机物和分解中的有机物。

微生物和有机物构成活性污泥的挥发性部分,它约占全部活性污泥的70-80%。

活性污泥的含水率一般在98-99%。

活性污泥具有很强的吸附和氧化分解有机物的能力,其净化粪水主要通过两个阶段来完成。

在第一阶段,也称吸附阶段,粪水通过活性污泥的吸附作用得到净化。

吸附作用进行十分迅速,在很短时间内便可完成,粪水生化需氧量去除率可达85-90%。

在这一阶段,除吸附外,还进行了吸收和氧化的作用。

第二阶段,也称氧化阶段,主要是继续分解氧化前阶段被吸附和吸收的有机物,同时也继续吸附前阶段未及时吸附和吸收的残余物质,这个阶段比第一阶段所需的时间长得多。

吸附达到饱和后,污泥就失去活性,不再具有吸附的能力,但通过氧化阶段,除去了所吸附和吸收的大量有机物后,污泥又将重新呈现活性,恢复它的吸附和氧化的能力。

为了增大活性污泥与粪水的接触面积,提高处理效果,活性污泥应有颗粒松散,易于吸附氧化有机物的能力。

但是经过曝气后,在澄清时,又希望活性污泥与水能迅速分离,因此,也要求活性污泥具有良好的凝聚、沉降性能[4]。

活性污泥法的形式有多种,但都有其共同的特征,其基本流程如图1所示。

图1. 活性污泥法基本流程活性污泥法的主要构筑物是初沉池、曝气池和二沉池。

初沉池的主要作用是降低进水中悬浮物和有机物浓度,从而降低处理成本。

在运行开始时,应先在曝气池内注满粪水,进行曝气,培养出活性污泥。

经过适当预处理,满足生物处理水质要求的粪水不断引进曝气池,经过曝气池中活性污泥处理后的混合液不断排出,流至二次沉淀池进行泥水分离,部分沉淀下来的活性污泥回流入曝气池,继续分解氧化粪水中的有机物,在正常生产条件下,由于合成作用的结果,活性污泥不断增长。

因此,曝气池中活性污泥的量愈积愈多。

在启动开始运行时,活性污泥累积是必要的,但是当活性污泥达到一定数量,能满足粪水处理的需要以后,多余的活性污泥必须排除,这部分排除的活性污泥常称作剩余污泥。

活性污泥法在处理过程中需提供充足的氧,供氧方式可通过鼓风机往水中鼓人空气或利用机械搅拌的作用使空气中的氧溶入水中。

良好的活性污泥和充足的氧气是活性污泥法正常运行的必要条。

3.1.4.A/O工艺A/O是英文Anoxic/Oxic首字母缩写,称为缺氧、好氧生物处理法,是将厌氧段与好氧段串联在一起,厌氧在前,好氧段在后,不仅能去除废水中的有机物污染物,而且能有效的去除废水中的含氮化物。

缺氧段(A段)的溶解氧不大于0.2 毫克/升,异养微生物将废水中的碳水合物、脂肪、蛋白质等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸,使大分子有机物分解小分子有机物,不溶性的有机物转化成可溶性有机物,提高污水的可生化性;同时,异养微生物分解蛋白质、核酸、嘌呤等含氮有机物过程中也产生氨 (NH3、NH4+)。

缺氧段另一个重要作用是异养菌的反硝化作用将 N03-、NO2-还原为分子态氮(N2),实现彻底脱氮。

好氧段(O段)溶解氧为2-4毫克/升。

一方面,异养微生物将污水中的有物分解为二氧化碳和水;另一方面,自养菌的硝化作用将NH3-N(NH4+)氧化为N03-、NO2-。

通过混合液回流,好氧段(O段)含有N03-、NO2-的硝化液返回至缺氧段,进行反硝化作用。

同时,也需要将二沉池污泥回流至缺氧段,保证处理系统微生物量的稳定(图2所示)。

由于硝化细菌繁殖较慢,只有当曝气时间较长、曝气池泥龄较长时,才会有利于硝化细菌的积累,进行硝化作用。

硝化细菌是一种自养菌,为抑制生长速率高的异养菌,使好氧段内硝化细菌占优势,要设法保证A段内有机物浓度不能过高。

此外,硝化过程中消耗水中碱度,进水废水碱度不足或呈酸性,会造成硝化效率下降。

一般硝化段的pH值应大于7,二沉池出水碱度应大于20毫克/升。

图2. A/O工艺基本流程 3.1.5. SBR工艺SBR 是序批式活性污泥法 ( Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process) 英文首字母缩写,SBR属于活性污泥法的一种,其去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同,只是运行方式不一样。

传统活性污泥法采用连续方式运行,废水连续进入处理系统并连续排出,系统中每一单元的功能不变,废水依次流过各单元,从而完成处理过程。

SBR工艺采用间歇方式运行,废水间歇进入处理系统并间歇排出。

废水进入该单元后按顺序进行不同的处理,处理单元在不同时间发挥不同作用,完成总的处理后被排出。

典型的 SBR系统分为进水、曝气、沉淀、排水与闲置5个阶段运行。

反应池 ( 处理单元 ) 在一定时间间隔内充满污水,曝气一段时间,混合液进行沉淀,借助专用的排水设备排出上清液,沉淀的活性污泥则留于池内,再次与进水混合后净化处理,依次反复运行。

SBR工艺的核心是SBR反应池,集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池,无需污泥回流系统。

采用间歇曝气,反应池处于好氧、缺氧、厌氧交替状态,具有除氮除磷功能。

3.1.6.膜生物反应器 (MBR)MBR是一种由膜分离单元与生物处理单元相结合的新型废水处理技术,以膜组件取代二沉池,使生物反应器中保持高浓度活性污泥,减少生物好氧处理池的体积,进而减少污水处理设施占地。

微生物拦截在池内,污泥停留时间长,在微生物自解下污泥量减少1/2以上,剩余污泥量大大低于传统活性污泥法。

在膜过滤下,分离效果远优于传统沉淀池及砂滤等处理单元,出水水质良好稳定,悬浮物和浊度低。

膜生物反应器的材料分为有机膜和无机膜两种。

目前普遍采用有机膜,常用的膜材料为聚乙烯、聚丙烯等。

分离式膜生物反应器通常采用超滤膜组件,截留分子量一般2-30万。

膜生物反应器按照膜组件的放置方式可分为:分体式和一体式膜生物反应器。

分体式膜生物反应器将生物反应器与膜组件分开放置,膜生物反应器的混合液经增压后进入膜组件,在压力作用下混合液中的液体透过膜得到系统出水,活性污泥则被截留并随浓缩液回流到生物反应器内。

一体式系统则直接将膜组件置于反应器内。

通过抽吸得到过滤液,膜表面清洗所需的错流由空气搅动产生,设置在膜的正下方,混合液随气流向上流动,在膜表面产生剪切力,以减少膜的污染。

一体式膜生物反应器工艺是污水生物处理技术与膜分离技术的有结合。

3.2.厌氧生物处理技术废水厌氧生物处理,也称厌氧消化或沼气发酵,是在无分子氧的条件下,通过兼性厌氧微生物、厌氧微生物的作用,将废水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程,其生化过程如图3所示。

畜禽粪水有机物浓度高,并且碳、氮的比例适中,厌氧处理产气性能比较稳定。

通常将畜禽粪便污染治理与可再生能源开发结合起来,因此,畜禽粪便厌氧处理工程常常是沼气工程。

图3. 废水厌氧生物处理过程物质变化概要 3.2.1.厌氧生物处理的影响因素(1) 温度。

温度对厌氧微生物的影响尤为显著。

厌氧微生物可分为嗜热菌 (或高菌)、嗜温菌(中温菌);相应地,厌氧消化分为:高温消化(55℃左右)和中温消化(35℃左右);高温消化的反成速率约为中温消化的1.5-1.9倍,产气率也较高,但气体中甲烷含量较低。

当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水时,高温消化可取得较好的卫生效果,消化后污泥的脱水性能也较好。

(2) pH值。

pH值是厌氧消化过程中重要的影响因素。

产甲烷菌对pH值的变化非常敏感,一般认为,其最适pH值范围为6.8-7.2,在<6.5或>8.2时,产甲烷菌受到严重抑制,导致整个厌氧消化过程的恶化。

(3)氧化还原电位。

严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件。

非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100--100毫伏的环境正常生长和活动。

而产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150--400毫伏,在培养产甲烷菌的初期,氧化还原电位不能高于-330毫伏。

(4) 营养要求。

厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物,要求COD:N:P=200:5:1。

多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能,必要时需要投加 Ni、Co、Mo、Fe 等微量元素。

(5) F/M 比。

厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高,一般可达5-10千克COD/ (立方米·天),甚至可达 50-80 千克 COD/ (立方米·天)。

无传氧的限制,可以积聚更高的生物量,但是产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段。

因此,必须十分谨慎地选择有机负荷。

( 6 ) 有毒物质。

常见的有毒物质有硫化物、氨氮、重金属、氰化物等有机物。

3.2.2. 厌氧生物处理技术类型废水厌氧生物处理(沼气发酵)工艺按微生物的凝聚形态可分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法。

厌氧活性污泥法包括水压式沼气池、完全混合式厌氧反器(CSTR)、厌氧接触工艺(AC)、厌氧挡板反应器(ABR)、升流式厌氧污泥床(UASB)等; 厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池(AF)、厌氧流化床(AFBR)和厌氧生物转盘等。

3.2.3. 厌氧生物处理技术特点厌氧生物处理与好氧生物处理工艺相比,优缺点如下:优点:(1)能耗低,而且还能产生能源-甲烷;(2)处理装置容积小、占地少;(3)采用密闭发酵,基本无臭味;(4)较长的固体滞留期和中、高温发酵对病原微生物和寄生虫卵的杀灭效果好;(5)产生的污泥量小,节省污泥处理费用。

缺点:(1)启动时间长,由于厌氧微生物增殖缓慢,达到设计处理能力的时问比较长;(2)处理后的出水中有机物浓度仍较高,不能达到排放标准,并且对氮、磷去除效果差,往往需进一步后处理;(3)对温度、pH值等环境因素更为敏感。

4. 厌氧-好氧组合处理 厌氧生物处理工艺能直接处理高浓度有机废水,有机负荷高,污泥量产量低,耗能低,运行成本低,但是该处理出水有机物浓度高,氮磷去除效果差,不能达到排放标准。

好氧生物处理工艺对污染物稳定化程度高,出水有机物浓度低,氮磷去除效果较好,有可能达到排放标准,但是处理高浓度有机废水时,曝气池容积大,投资高,能耗高、运行费用高。

从厌氧、好氧生物处理的特点看,两者正好互补,可以取长补短。

因此,将厌氧、好氧生物处理工艺组合,可以发挥各自优势,克服各自缺点。

简单地说,厌氧-好氧组合处理工艺是厌氧生物处理工艺在前,好氧生物处理工艺紧跟其后。

首先,在厌氧段,通过密封措施维持反应器厌氧条件,利用厌氧微生物、兼性厌氧微生物分解有机污染物,去除绝大部分有机物并产生沼气;然后,在好氧处理段,通过向反应器(曝气池)充氧维持好氧条件(或间歇好氧条件),利用好氧微生物进一步分解有机污染物进行硝化反硝作用脱氮,以及释磷吸磷作用除磷。

采用该组合可以充分利用厌氧、兼性厌氧、好氧微生物的代谢活动分解废水中的有机污染物,将有机物、氮和磷等作为微生物的营养被微生利用,最终分解为稳定的无机物或合成细胞物质而作为污泥由水中分离,从而使废水得到净化。

5. 应用要求及适用范围 畜禽粪水处理时,须先进行固液分离,有效减少粪水中的固形物。

特别是对于厌氧生物处理工艺,如果不进行预处理,很可能造成厌氧发酵设备堵塞,缩短厌氧发酵系统的处理效果和使用寿命。

达标排放工艺流程的选用需因地制宜,在我国寒冷的北方地区推广时,必须充分考虑温度对生物处理设施和处理效果的影响,增加相应的保温措施。

总体设计时要考虑地形地貌、地质状况等,利用地势落差,以节省能源。

应用生物处理技术要注重处理系统的科学有效管理。

养殖业的标准化程度相对较低,饲料改变、清粪变化、出栏冲洗、前处理设施设备故障等,都会明显改变废水的浓度和总量,这对粪水处理系统而言,相当于工业企业的原料投入出现巨变一样,会严重影响产品的最终质量,如粪水量和浓度大幅增加,会出现曝池、破坏微生物系统,以致处理效果发生变化,达不到出水标准。

达标排放技术模式的总投入较大,养殖企业在工艺流程、承建企业的选用过程中必须慎重,注意投资风险防范。

确定选用某种工艺设备后要按要求建设与配备,每个环节都要做到位,不能为了节省一点资金,偷工减料,缩短流程,以免影响处理效果。

总而言之,畜禽养殖废水处理应遵循如下基本原则,即“资源化、减量化、无害化、生态化、廉价化、产业化”。

总之,在探讨畜禽养殖粪便处理与综合利用技术的具体模式时要从我国经济社会发展现状、畜牧业的发展历史以及当前面临的现实问题出发,用客观科学的态度和长远发展来分析与思考。

养殖业的基本属性是经济产业,畜禽粪水处理与综合利用,选用何种工艺流程必须从当地的环境保护要求和生产实际出发,实事求是,因地制宜。