生豬養(yǎng)殖廢水沼液脫氮技術(shù)

生豬養(yǎng)殖廢水中含有高濃度懸浮物和有機(jī)污染物，主要來源于豬尿、豬糞和沖欄水。生豬養(yǎng)殖廢水中有高濃度氨氮和總磷，未經(jīng)妥善處理，會嚴(yán)重污染環(huán)境。養(yǎng)殖廢水可生化性高，厭氧生化能有效削減廢水中有機(jī)污染物，是高效、低廉且適用性強(qiáng)的技術(shù)，常用于養(yǎng)殖廢水。沼液還田是歐美國家的普遍做法，但是常年使用沼液持續(xù)澆灌農(nóng)場，農(nóng)場周邊地表水均受到不同程度的污染。基于中國的國情，沒有足夠的土地消納規(guī)模化生豬養(yǎng)殖沼液，因此沼液必須做深度處理。而且厭氧生化僅能削減廢水中的COD，對于N和P的去除效果弱。有機(jī)污染物中的有機(jī)氮和有機(jī)磷在厭氧微生物的作用下會轉(zhuǎn)換成氨氮和磷酸鹽，直接導(dǎo)致出水氨氮濃度升高。經(jīng)過厭氧處理后，廢水中氨氮達(dá)900mg/L，甚至3200mg/L左右。過高的氨氮會抑制甲烷菌的生長，同樣也會影響好氧微生物的生長，進(jìn)而導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化，不能達(dá)標(biāo)排放。因此，如何有效降低廢水中的氨氮，是保障廢水達(dá)標(biāo)處理的關(guān)鍵。

氮，是保障廢水達(dá)標(biāo)處理的關(guān)鍵。目前廢水脫氮的工藝主要有分為物化法和生物法。物化法主要有氨吹脫、折點(diǎn)氯化工藝和磷酸銨鎂沉淀工藝，生物法主要有厭氧氨氧化、硝化一反硝化和人工濕地植物吸收。作者在本文中將從處理效果、運(yùn)行成本等角度出發(fā)，對脫氮工藝進(jìn)行綜述，以總結(jié)各工藝之優(yōu)缺點(diǎn)，為沼液脫氮實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1、物化法

1.1 氨吹脫工藝

氨吹脫本質(zhì)上是不同形態(tài)的氨在企業(yè)向之間的傳質(zhì)過程。在堿性條件下，水中NH?會轉(zhuǎn)換成游離氨(NH3)逸散出來，從而達(dá)到去除廢水中氨氮的目的。該方法操作簡單，占地面積小，常用于處理高濃度氨氮廢水。李武東等用氣提法處理氨氮濃度為10000mg/L的冶金廢水，去除率達(dá)10％～18％。張樂紅等運(yùn)用吹脫塔處理氨氮濃度為20000mg/L的鈹冶煉廢水，pH=12.29、溫度20℃條件下，7h氨氮去除率可達(dá)95％。氨氮吹脫效率與pH值、溫度和曝氣量緊密相關(guān)。單純曝氣吹脫最優(yōu)pH一般為11左右，游離氨在氨氮中占比達(dá)90％。在20-50℃溫度區(qū)間，氨氮吹脫率與溫度呈正比，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高，吹脫率增長有限。因此，如何控制pH、溫度和氣液比同樣也是養(yǎng)殖廢水氨吹脫的關(guān)鍵。隋倩雯等通過試驗(yàn)處理氨氮濃度為900mg/L的沼液，在pH為10.5，氣液比為2000，30℃的條件下吹脫率達(dá)81.84％。張秀之通過升溫吹脫，在溫度75℃，氣量800L/h時氨氮去除率最高達(dá)91.2％。金要勇等控制pH為11，氣液比3000，30℃下對沼液進(jìn)行吹脫，氨氮去除率達(dá)85.5％。

傳統(tǒng)氨吹脫工藝調(diào)堿和加溫分別消耗大量藥劑和能耗，導(dǎo)致成本居高不下。因此，采用材料或裝置組合進(jìn)行吹脫的工藝也應(yīng)用而生。填料可以增大氣液接觸面積，提高氨氮吹脫效率。鄒夢圓等分別采用空心多面球、鮑爾球和流化床填料作為填料來研究氨吹脫效率，結(jié)果表明，在pH值10.5，氣液比2000，溫度30℃的條件下，空心多面球填料的沼液氨吹脫效率最高，達(dá)80.7％。超聲波和負(fù)壓蒸發(fā)結(jié)合吹脫也能取得很好的效果。

1.2 折點(diǎn)氯化工藝

折點(diǎn)氯化即在酸性條件下，向水中通入氯氣，最后生成次氯酸根，次氯酸跟與氨離子反應(yīng)生成氮?dú)獾姆绞饺コ钡?。該工藝不受水溫影響，反?yīng)迅速。宋衛(wèi)鋒等在工程實(shí)踐中得知，pH為中性條件下，10mg左右氯氣能去除1mg氨氮?？梢娬埸c(diǎn)氯化法對氯氣的消耗量是比較大的，而且，在不控制pH的情況下，水中容易殘留有毒的含氯副產(chǎn)物。此外，由于氯氣以及氯氣溶于水后生成的次氯酸根具有強(qiáng)氧化性，其在氧化氨氮的同時也會氧化水中的有機(jī)物。沼液中往往含有較高的水溶性有機(jī)物和懸浮物，會大量消耗氯氣及次氯酸根，往往不能達(dá)到理想的去除氨氮的效果。因此，折點(diǎn)氯化工藝常用于污水處理末端氨氮的深度處理，同時具有殺菌的效果，且其處理成本高昂，對于大水量的污水處理是不可接受的。

1.3 磷酸銨鎂沉淀工藝

磷酸銨鎂沉淀又稱鳥糞石，即Mg2+、NH4+-N和PO43+按摩爾比1：1：1生成難溶于水的磷酸銨鎂，通過往廢水中添加鎂鹽，能同時去除磷和氨氮。盡管添加鎂鹽成本高，且會提高廢水中鹽濃度可能會影響微生物生長，但是磷酸銨鎂化學(xué)沉淀工藝操作簡單，反應(yīng)速度快，磷酸銨鎂可用作阻燃劑和緩釋肥，具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，從廢水中回收的磷酸銨鎂可以間接降低廢水處理的運(yùn)行費(fèi)用。因此，針對氨氮和磷濃度高的養(yǎng)殖廢水，磷酸銨鎂沉淀工藝具有很高的應(yīng)用空間。

用鎂鹽回收廢水中磷的效率與鎂鹽和磷的比例、pH值有很大關(guān)聯(lián)。畜禽廢水中往往存在諸多能與Mg2+生成難溶解無的陰離子，如OH-和CO32-，這會導(dǎo)致Mg2+的額外消耗。在實(shí)際畜禽廢水中，當(dāng)n(Mg)：n(P)為1.1~6：1時，廢水中磷的去除效果最好，Mg2+與PO43+的反應(yīng)對pH值比較敏感，pH為8.0～9.5比較適宜磷酸銨鎂結(jié)晶的生成。當(dāng)pH高于10，Mg3(PO4)2為主要產(chǎn)物，pH高于11則會生成Mg(OH)2，雖然這會提高P的去除，但是對于氨氮的去除則毫無意義，同時也會消耗過多的堿，增加運(yùn)行成本。沼液中的陰離子懸浮物會消耗鎂鹽，可以采用合適的方法將之去除，比如陽離子PAM，可以有效去除廢水中帶負(fù)電荷的懸浮物，在削減SS的同時能夠降低廢水負(fù)荷，減少對磷酸銨鎂結(jié)晶的影響。郭會真等采用PAC和PAM作為絮凝對沼液進(jìn)行預(yù)處理，n(Mg)：n(P)為1.1：1，經(jīng)過磷酸銨鎂沉淀工序處理后廢水中氨氮平均為126.4mg/L，去除率達(dá)84.5％。黃彬等通過往沼液中添加MgCl2?6H2O和Na2HPO4?12H2O，在pH值為9.5，n(Mg)：n(P)：nfN)=1.2：1.2：1條件下，氨氮和磷在半小時內(nèi)去除率分別達(dá)92.3％和97.1％，費(fèi)用為28.5元/噸。陶智偉等用磷酸銨鎂法處理養(yǎng)豬沼液，比n(Mg2+)：n(NH4+)：n(PO43+)=1.1：1.0：0.85，氨氮去除率達(dá)74.3％，P去除率達(dá)99％，費(fèi)用為14.57元/噸。磷酸銨鎂沉淀工藝能夠有效去除廢水中的氨氮和磷，但其運(yùn)行費(fèi)用高昂是其使用受到限制的主要原因。

2、生物法

與物化法相比，生化法處理養(yǎng)殖廢水成本低廉，最大的運(yùn)行費(fèi)用即為維持微生物某些生存條件所產(chǎn)生的電費(fèi)。因此，生物脫氮工藝廣為應(yīng)用，也一直是科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

2.1 厭氧脫氮工藝

厭氧氨氧化即在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化微生物將氧化NH4+-N為氮?dú)獾倪^程。厭氧氨氧化是近年來發(fā)展的一種新的生物脫氮工藝，有無需外加碳源、能耗低、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點(diǎn)。厭氧氨氧化以亞硝化.厭氧氨氧化工藝(Sharon-Anammox)和完全自養(yǎng)脫氮工藝(CANON)應(yīng)用最為廣泛。Sharon-mnammox分為兩個階段，首先在無氧條件下，部分氨氮被氧化成亞硝態(tài)氮，剩余氨氮與亞硝態(tài)氮在厭氧氨氧化菌的作用下生產(chǎn)氮?dú)?，從而達(dá)到脫氮目的。王歡等采用厭氧氨氧化處理豬場沼液，氨氮去除率達(dá)91.8％。Anammox菌是主要的厭氧氨氧化菌，然而大量研究表明，過高的有機(jī)負(fù)荷會抑制Anammox菌的活性。因此，Sharon-Anammox普遍運(yùn)用于低負(fù)荷的市政污水處理，或者厭氧反應(yīng)較為徹底的沼液處理。

CANON是一種低氧的厭氧氨氧化工藝，在缺氧條件下，氨氮先被氧化成亞硝態(tài)氮，然后被氧化成硝態(tài)氮，最后生成氮?dú)猓诉^程硝化反硝化菌接替參與完成工作。在CANON工藝中，亞硝化菌和氨氧化菌均自養(yǎng)，無需外加碳源，但是該過程對溶解氧濃度非常敏感，因此要嚴(yán)格控制溶解氧低于0.2mg/L。SBR是最具代表性的CANON工藝，研究表明，SBR在一個反應(yīng)周期中能夠?qū)?/span>85％左右的氨氮轉(zhuǎn)換成氮?dú)馊コ?，氨氮最大?fù)荷最大達(dá)達(dá)0.45g?L-1?d-1(以N質(zhì)量計)。以上兩種厭氧氨氧化工藝均能有效降低運(yùn)行成本，但是其受有機(jī)負(fù)荷和溶解氧的影響明顯，而這兩點(diǎn)因素最終歸結(jié)于氨氧化菌種的敏感性。

2.2 硝化-反硝化工藝

硝化-反硝化工藝如同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等，均屬于異養(yǎng)微生物脫氮工藝。同步硝化反硝化微生物比傳統(tǒng)硝化反硝化微生物生長速率更快，意味著可以縮短脫氮工序的水力停留時間，節(jié)約建設(shè)成本。短程硝化反硝化即微生物能直接利用亞硝酸鹽進(jìn)行反硝化，脫氮速率快，HRT短，剩余污泥少。聶春芬等采用短程硝化反硝化處理畜禽廢水，通過控制溶解氧為3~4mg/L，水力停留時間為10小時，TN去除率達(dá)最高達(dá)87.32％。無論厭氧氨氧化還是硝化反硝化，特異菌種或菌群在脫氮的過程中發(fā)揮著不容忽視的作用。陳咄圳等從畜禽廢水中篩選到一株菌種CPZ24，同時具有異養(yǎng)硝化一好氧反硝化雙重功能，在異養(yǎng)硝化對總氮的去除率達(dá)98.70％，好氧反硝化對總氮的去除率達(dá)到64.27％。陳均利等從人工濕地底泥中篩選到高效硝化反硝化菌WT14，溶解氧為0.5mg/L條件下，其對TN的去除率達(dá)97.6％。

利用微生物進(jìn)行高效脫氮能夠有效降低運(yùn)行成本，是未來高氨氮廢水的發(fā)展方向。但是微生物容易受到溶解氧、pH、溫度和營養(yǎng)競爭等影響，因此，還有諸多的問題有待解決。人工篩選出來的特異性菌種仍有待實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)。

2.3 人工濕地工藝

上述工業(yè)化廢水處理工藝能夠去除廢水中大部分的氨氮和磷，但出水水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地表水最低要求，長期排放任會污染地表水和地下水。人工濕地中植物可以直接吸收利用水中氮磷作為自身生長的營養(yǎng)元素，也可通過根系分泌物間接去除水中的營養(yǎng)元素。廢水中過高的有機(jī)負(fù)荷會急劇消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致植物爛根，因此沼液不能直接進(jìn)入人工濕地，人工濕地常應(yīng)用于末端深度處理。不同的植物對于氮磷的去除效果不一，如沉水植物、挺水植物和浮水植物不僅因?yàn)樽陨韺Φ桌媚芰Σ灰粯樱€因?yàn)槠涮幱谒械娜S空間位置，對氮磷的去除效果亦有差異。黃翔峰等選用5種挺水植物處理養(yǎng)殖廢水發(fā)現(xiàn)，黃菖蒲去氮能力最強(qiáng)，4日能去除71％的TN，同時削減廢水中的抗生素。硝化反硝化微生物在低負(fù)荷環(huán)境下有很高的脫氮能力，其在人工濕地中亦發(fā)揮重要作用。采用不用流向方式的人工濕地對氮磷的去除效果差異明顯。劉佳等利用垂直流人工濕地能夠較好的去除養(yǎng)殖廢水中的氮磷，3日氨氮去除率達(dá)80％，兼顧去除廢水中的抗生素，Nitrospira屬在該人工濕地中屬于優(yōu)勢菌種。

3、生豬養(yǎng)殖廢水沼液脫氮技術(shù)的前景與展望

生豬養(yǎng)殖廢水中含有高濃度氮磷是生豬養(yǎng)殖方式所導(dǎo)致的必然結(jié)果。厭氧生化是該養(yǎng)殖廢水不可回避的處理工藝，其必然導(dǎo)致有機(jī)氮向無機(jī)氮轉(zhuǎn)換，進(jìn)而導(dǎo)致廢水氨氮濃度升高。諸多養(yǎng)殖廢水處理工藝的核心難題均在于對廢水中氮的去除。微生物脫氮成本低廉，但受溫度、pH和營養(yǎng)競爭影響明顯，是廢水氮穩(wěn)定去除的隱患。物化法成本高昂，但不受溫度和場地限制。植物法受季節(jié)性影響從而導(dǎo)致脫氮效果不穩(wěn)定也是不可回避的問題。因此，采用物化.生化.植物相結(jié)合，合理優(yōu)化各工序之間的銜接，降低運(yùn)營成本，穩(wěn)定出水水質(zhì)，是未來生豬養(yǎng)殖廢水處理新工藝發(fā)展的方向之一。（來源：湖南蒙拓環(huán)境科技有限公司）