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養(yǎng)殖廢水處理理論與實踐進展
來源：科柏盛環(huán)保 發(fā)布時間：2021-12-16
摘 要：養(yǎng)殖廢水主要由動物尿液、糞便和養(yǎng)殖管理用水組成，含有高濃度的有機物、氮、磷和懸浮物，還包括構成鹽分的部分元素。為了比較清楚地了解迄今為止我國養(yǎng)殖廢水技術關鍵突破口以及實際應用中遇到的問題，本文在本領域組稿主題之外額外歸納總結了養(yǎng)殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的糾結、當前備受關注的污染物內容，以及部分技術領域的進展。*后對養(yǎng)殖廢水處理技術的研發(fā)和應用提出了建議。
畜牧業(yè)是我國農業(yè)經濟的重要組成部分，然而隨著畜牧業(yè)機械化、規(guī)�；难杆侔l(fā)展，產生了嚴峻的環(huán)保問題，其中養(yǎng)殖廢水是主要的污染源之一。養(yǎng)殖廢水是高濃度的有機廢水，含有有機物、氮、磷和懸浮物，以及重金屬、抗生素、抗生素抗性基因和病原微生物等，如果得不到合適處理，會導致周邊環(huán)境生態(tài)的改變，威脅動物和人類健康[1-2]。目前，養(yǎng)殖廢水的處理模式主要有兩種：一種是廢水深度處理（達標排放）模式，主要應用于土地配套較少的南方養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖廢水經過固液分離、厭氧/好氧處理和深度處理后，達標排放或者回收利用；另一種是資源化利用（肥料化、能源化）處理模式，主要應用于土地配套較多的北方養(yǎng)殖場，廢水經過沉淀、厭氧發(fā)酵等無害化處理后，沼氣進行能源化利用，沼液進行農田資源化利用。本文對我國規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)落實推進廢水處理的現狀、待突破的技術難題等進行了簡要的歸納，以供從事生產、科研、管理工作的人員參考。
1 養(yǎng)殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的徘徊
養(yǎng)殖業(yè)廢水處理仍然是近十年養(yǎng)殖行業(yè)環(huán)保*受關注、投入*大的領域。規(guī)�；B(yǎng)殖企業(yè)在處置養(yǎng)殖廢棄物時必須在資源化利用和深度處理之中二選一。雖然近幾年一直倡導和鼓勵種養(yǎng)結合、廢棄物資源化利用，但由于種種原因，養(yǎng)殖廢水深度處理、達標排放或零排放仍然是許多養(yǎng)殖企業(yè)求生存所必需的。
環(huán)保問題的解決與資源化利用是不完全等同的概念，對于企業(yè)來說，解決環(huán)保問題至少*先要獲得環(huán)評許可，然后按照環(huán)評要求采取措施處置廢棄物并達到要求；而合法合規(guī)、經濟有效的資源化利用，不是口頭上“變廢為寶”那么簡單，*先需要在經濟有效的半徑范圍內擁有足夠的土地資源配套（符合就地就近利用原則），更重要的是要“變寶”，即通過收獲物實現產業(yè)鏈后端的價值增加，如果收獲物只是理論上的產量，而沒有實現自身的利用或沒有轉變?yōu)槭袌鰞r值，那資源化的可研報告會失真；資源化利用還要站在環(huán)保角度防止二次污染（包括對水、土、氣）。當前我國養(yǎng)殖業(yè)廢棄物資源化利用推進難，還與以下因素有關：一是養(yǎng)殖業(yè)環(huán)評導則缺失，相關標準眾多，環(huán)評報告通常套用多個條文規(guī)章，各地執(zhí)行資源化利用的標準不一，如多數地方要求養(yǎng)殖廢水資源化利用前先要滿足《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）等；二是由于歷史原因，許多規(guī)�；B(yǎng)殖場周邊已不再擁有足夠的配套土地資源。
2 熱點污染物的研究
養(yǎng)殖廢水處理，除了針對現行環(huán)保要求的指標[如化學需氧量（COD）、氨氮、總磷（TP）等]之外，近幾年研究和實踐表明，有必要進一步關注以下污染物：耐藥菌和耐藥基因（ARGs）、鹽分（鹽度）、總氮（TN），以及廢水處理過程中所產生的污泥。污泥是水處理過程中的正常產物，由于清糞模式的改變以及后端出水標準要求的提升，污泥產量普遍增多；污泥的處理難點在于其含水率高。許多研究表明，現行的水處理工藝，其末端出水盡管化學指標達標，但仍然存在耐藥菌和耐藥基因的環(huán)境風險。鹽分的積累會對土壤、農作物產生危害，因此更要在資源化利用過程中加以防范。一些地方對養(yǎng)殖廢水總氮的排放進行限制，現有技術水平下會大幅增加水處理的成本，顯著加重企業(yè)的負擔。
3 重要技術領域的發(fā)展與突破
目前使用較普遍的養(yǎng)殖廢水處理工藝包括厭氧生物處理、好氧生物處理、自然處理和深度處理技術，研發(fā)中的微藻、膜分離等處理技術，以及與后端水處理相關的養(yǎng)殖場清糞工藝等，已在本�？钠渌恼轮袑ｎ}闡述。本文僅針對厭氧氨氧化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化作扼要說明。
3.1 厭氧氨氧化技術
厭氧氨氧化技術是一種新型的厭氧生物處理技術，是在厭氧環(huán)境下厭氧氨氧化菌直接將氨氮和亞硝酸鹽轉化成氮氣的過程。厭氧氨氧化技術的關鍵菌是厭氧氨氧化菌，其可以在厭氧條件下，通過生物化學反應，將養(yǎng)殖廢水中的氨氮轉化為氮氣，實現對氨氮的去除。因此，厭氧氨氧化技術是一種厭氧生物處理技術，也屬于同步硝化反硝化技術類型。由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，影響因素較多，因此，在生產中常使用固定床、活性污泥床和膜生物反應器等，增加厭氧氨氧化菌的截留量，并與其他處理技術結合，提高廢水處理效率和穩(wěn)定性。厭氧氨氧化技術具有高效、經濟等優(yōu)點，在養(yǎng)殖廢水脫氮方向具有較大的應用前景，但存在啟動時間長、干擾因素多等問題，需要進一步解決。在野外工作條件下，厭氧氨氧化技術條件的摸索和調控能力還需要進一步突破。
3.2 短程硝化反硝化技術
缺氧好氧工藝（Anoxi/oxic，A/O）主要通過設置缺氧池和好氧池分別實現反硝化（NH+4→NO2→NO3）和硝化反應（NO3→NO2→N2），實現對廢水氨氮的去除。但研究表明傳統(tǒng)硝化反硝化過程中會產生亞硝態(tài)氮的累積現象[3]。為此，提出了短程硝化反硝化的理論，通過促進氨氧化菌（亞硝酸菌）生長，抑制亞硝酸氧化菌（硝酸菌）的生長，從而實現短程硝化反硝化的進程（NH+4→NO2→N2）。氨氧化菌的生長周期短于亞硝酸氧化菌，其中泥齡、溫度、pH 和溶解氧等是影響氨氧化菌和亞硝酸氧化菌的主要因素。溫度大于28 ℃時利于氨氧化細菌生長，抑制亞硝酸氧化菌的生長；pH 在 8.0 附近也利于氨氧化菌積累；氨氧化細菌對低濃度溶解氧的親和力大于亞硝酸氧化菌[4-6]。理論上短程硝化反硝化縮短了反應時間，節(jié)約了氧氣和碳源供應量，同時降低了污泥產量[7]。但在水處理設施運行過程中由于需要增加污泥排出，以降低泥齡，因而每日會產生大量的污泥。此外，由于影響因素較多，其穩(wěn)定性也需要進一步的改進。
3.3 同步硝化反硝化技術
同步硝化反硝化技術通過控制生物池中溶解氧、pH 和溫度等參數，從而實現硝化反應和反硝化反應同時進行，提高工藝對廢水的處理效率[8]。同步硝化反硝化機理包括宏觀環(huán)境理論、微觀環(huán)境理論和微生物學理論[9]。宏觀環(huán)境理論指控制反應器溶解氧的濃度和均勻度，創(chuàng)造硝化菌和反硝化菌都適宜生長的環(huán)境，使硝化和反硝化進程同步進行[10]。微觀環(huán)境理論指控制溶解氧濃度、活性污泥顆粒大小和生物膜厚度等參數，在活性污泥顆粒和生物膜表面和內層形成溶解氧梯度，表面好氧發(fā)生硝化反應，內層缺氧發(fā)生反硝化反應。微生物學理論指能同時進行硝化和反硝化的微生物的利用。研究表明環(huán)境中存在好氧反硝化菌和厭氧硝化菌，如厭氧氨氧化菌可直接把氨氮轉化成氮氣[11]。
除上述技術之外，廢水處理過程高效微生物的研發(fā)與應用、厭氧過程產物抑制的控制、發(fā)酵過程條件的優(yōu)化與自動化調控、破解磷結晶造成廢水處理系統(tǒng)管道堵塞、防控廢水處理過程臭氣滋生、擴散以及防滲等技術的突破將有助于風險控制和降本增效。
4 小結與展望
養(yǎng)殖場廢水處理技術包括好氧生物處理、厭氧生物處理、深度處理和自然處理等類型，其中A/O、上流式 厭 氧污泥床（UASB）、升流式固體厭氧反應器（USR）、沼氣池、氧化塘、化學氧化和混凝等工藝技術均比較成熟，并得到廣泛應用。每種處理方法都有其自身的優(yōu)勢和限制，可以根據養(yǎng)殖場廢水特征以及當地政策等情況，選擇不同的技術組合，如廢水排放標準較高的養(yǎng)殖場可以選擇厭氧+好氧+深度處理的技術組合，配套足夠土地的養(yǎng)殖場可以優(yōu)先選擇厭氧處理技術對廢水進行無害化處理。此外，短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、微藻處理及膜分離等一些新型的處理技術具有較高的應用前景，但其處理參數及穩(wěn)定參數需要進一步的研究優(yōu)化或戶外工程應用。
隨著環(huán)保力度的加大，人們對養(yǎng)殖廢水處理技術的研究和應用提出了更高的要求。研發(fā)新型廢水處理技術仍是未來的研究重點，特別是對高效穩(wěn)定、成本低廉的廢水處理技術有強烈的市場需求；對現有廢水處理技術的改進也是未來一段時間內的研究重點，如好氧或厭氧生物處理技術中功能微生物的開發(fā)、膜分離技術中高效、耐用膜的研發(fā)；同時，養(yǎng)殖廢水資源化和能源化是重要的研究方向，如養(yǎng)殖廢水資源化過程中的安全性評估、沼氣生物能和生物柴油等能源化利用技術研發(fā)，這對于養(yǎng)殖廢水的安全處理及利用有重要參考意義。
畜牧業(yè)是我國農業(yè)經濟的重要組成部分，然而隨著畜牧業(yè)機械化、規(guī)�；难杆侔l(fā)展，產生了嚴峻的環(huán)保問題，其中養(yǎng)殖廢水是主要的污染源之一。養(yǎng)殖廢水是高濃度的有機廢水，含有有機物、氮、磷和懸浮物，以及重金屬、抗生素、抗生素抗性基因和病原微生物等，如果得不到合適處理，會導致周邊環(huán)境生態(tài)的改變，威脅動物和人類健康[1-2]。目前，養(yǎng)殖廢水的處理模式主要有兩種：一種是廢水深度處理（達標排放）模式，主要應用于土地配套較少的南方養(yǎng)殖場，養(yǎng)殖廢水經過固液分離、厭氧/好氧處理和深度處理后，達標排放或者回收利用；另一種是資源化利用（肥料化、能源化）處理模式，主要應用于土地配套較多的北方養(yǎng)殖場，廢水經過沉淀、厭氧發(fā)酵等無害化處理后，沼氣進行能源化利用，沼液進行農田資源化利用。本文對我國規(guī)模養(yǎng)殖企業(yè)落實推進廢水處理的現狀、待突破的技術難題等進行了簡要的歸納，以供從事生產、科研、管理工作的人員參考。
1 養(yǎng)殖廢棄物在資源化利用與深度處理之間的徘徊
養(yǎng)殖業(yè)廢水處理仍然是近十年養(yǎng)殖行業(yè)環(huán)保*受關注、投入*大的領域。規(guī)�；B(yǎng)殖企業(yè)在處置養(yǎng)殖廢棄物時必須在資源化利用和深度處理之中二選一。雖然近幾年一直倡導和鼓勵種養(yǎng)結合、廢棄物資源化利用，但由于種種原因，養(yǎng)殖廢水深度處理、達標排放或零排放仍然是許多養(yǎng)殖企業(yè)求生存所必需的。
環(huán)保問題的解決與資源化利用是不完全等同的概念，對于企業(yè)來說，解決環(huán)保問題至少*先要獲得環(huán)評許可，然后按照環(huán)評要求采取措施處置廢棄物并達到要求；而合法合規(guī)、經濟有效的資源化利用，不是口頭上“變廢為寶”那么簡單，*先需要在經濟有效的半徑范圍內擁有足夠的土地資源配套（符合就地就近利用原則），更重要的是要“變寶”，即通過收獲物實現產業(yè)鏈后端的價值增加，如果收獲物只是理論上的產量，而沒有實現自身的利用或沒有轉變?yōu)槭袌鰞r值，那資源化的可研報告會失真；資源化利用還要站在環(huán)保角度防止二次污染（包括對水、土、氣）。當前我國養(yǎng)殖業(yè)廢棄物資源化利用推進難，還與以下因素有關：一是養(yǎng)殖業(yè)環(huán)評導則缺失，相關標準眾多，環(huán)評報告通常套用多個條文規(guī)章，各地執(zhí)行資源化利用的標準不一，如多數地方要求養(yǎng)殖廢水資源化利用前先要滿足《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2005）等；二是由于歷史原因，許多規(guī)�；B(yǎng)殖場周邊已不再擁有足夠的配套土地資源。
2 熱點污染物的研究
養(yǎng)殖廢水處理，除了針對現行環(huán)保要求的指標[如化學需氧量（COD）、氨氮、總磷（TP）等]之外，近幾年研究和實踐表明，有必要進一步關注以下污染物：耐藥菌和耐藥基因（ARGs）、鹽分（鹽度）、總氮（TN），以及廢水處理過程中所產生的污泥。污泥是水處理過程中的正常產物，由于清糞模式的改變以及后端出水標準要求的提升，污泥產量普遍增多；污泥的處理難點在于其含水率高。許多研究表明，現行的水處理工藝，其末端出水盡管化學指標達標，但仍然存在耐藥菌和耐藥基因的環(huán)境風險。鹽分的積累會對土壤、農作物產生危害，因此更要在資源化利用過程中加以防范。一些地方對養(yǎng)殖廢水總氮的排放進行限制，現有技術水平下會大幅增加水處理的成本，顯著加重企業(yè)的負擔。
3 重要技術領域的發(fā)展與突破
目前使用較普遍的養(yǎng)殖廢水處理工藝包括厭氧生物處理、好氧生物處理、自然處理和深度處理技術，研發(fā)中的微藻、膜分離等處理技術，以及與后端水處理相關的養(yǎng)殖場清糞工藝等，已在本�？钠渌恼轮袑ｎ}闡述。本文僅針對厭氧氨氧化、同步硝化反硝化、短程硝化反硝化作扼要說明。
3.1 厭氧氨氧化技術
厭氧氨氧化技術是一種新型的厭氧生物處理技術，是在厭氧環(huán)境下厭氧氨氧化菌直接將氨氮和亞硝酸鹽轉化成氮氣的過程。厭氧氨氧化技術的關鍵菌是厭氧氨氧化菌，其可以在厭氧條件下，通過生物化學反應，將養(yǎng)殖廢水中的氨氮轉化為氮氣，實現對氨氮的去除。因此，厭氧氨氧化技術是一種厭氧生物處理技術，也屬于同步硝化反硝化技術類型。由于厭氧氨氧化菌生長緩慢，影響因素較多，因此，在生產中常使用固定床、活性污泥床和膜生物反應器等，增加厭氧氨氧化菌的截留量，并與其他處理技術結合，提高廢水處理效率和穩(wěn)定性。厭氧氨氧化技術具有高效、經濟等優(yōu)點，在養(yǎng)殖廢水脫氮方向具有較大的應用前景，但存在啟動時間長、干擾因素多等問題，需要進一步解決。在野外工作條件下，厭氧氨氧化技術條件的摸索和調控能力還需要進一步突破。
3.2 短程硝化反硝化技術
缺氧好氧工藝（Anoxi/oxic，A/O）主要通過設置缺氧池和好氧池分別實現反硝化（NH+4→NO2→NO3）和硝化反應（NO3→NO2→N2），實現對廢水氨氮的去除。但研究表明傳統(tǒng)硝化反硝化過程中會產生亞硝態(tài)氮的累積現象[3]。為此，提出了短程硝化反硝化的理論，通過促進氨氧化菌（亞硝酸菌）生長，抑制亞硝酸氧化菌（硝酸菌）的生長，從而實現短程硝化反硝化的進程（NH+4→NO2→N2）。氨氧化菌的生長周期短于亞硝酸氧化菌，其中泥齡、溫度、pH 和溶解氧等是影響氨氧化菌和亞硝酸氧化菌的主要因素。溫度大于28 ℃時利于氨氧化細菌生長，抑制亞硝酸氧化菌的生長；pH 在 8.0 附近也利于氨氧化菌積累；氨氧化細菌對低濃度溶解氧的親和力大于亞硝酸氧化菌[4-6]。理論上短程硝化反硝化縮短了反應時間，節(jié)約了氧氣和碳源供應量，同時降低了污泥產量[7]。但在水處理設施運行過程中由于需要增加污泥排出，以降低泥齡，因而每日會產生大量的污泥。此外，由于影響因素較多，其穩(wěn)定性也需要進一步的改進。
3.3 同步硝化反硝化技術
同步硝化反硝化技術通過控制生物池中溶解氧、pH 和溫度等參數，從而實現硝化反應和反硝化反應同時進行，提高工藝對廢水的處理效率[8]。同步硝化反硝化機理包括宏觀環(huán)境理論、微觀環(huán)境理論和微生物學理論[9]。宏觀環(huán)境理論指控制反應器溶解氧的濃度和均勻度，創(chuàng)造硝化菌和反硝化菌都適宜生長的環(huán)境，使硝化和反硝化進程同步進行[10]。微觀環(huán)境理論指控制溶解氧濃度、活性污泥顆粒大小和生物膜厚度等參數，在活性污泥顆粒和生物膜表面和內層形成溶解氧梯度，表面好氧發(fā)生硝化反應，內層缺氧發(fā)生反硝化反應。微生物學理論指能同時進行硝化和反硝化的微生物的利用。研究表明環(huán)境中存在好氧反硝化菌和厭氧硝化菌，如厭氧氨氧化菌可直接把氨氮轉化成氮氣[11]。
除上述技術之外，廢水處理過程高效微生物的研發(fā)與應用、厭氧過程產物抑制的控制、發(fā)酵過程條件的優(yōu)化與自動化調控、破解磷結晶造成廢水處理系統(tǒng)管道堵塞、防控廢水處理過程臭氣滋生、擴散以及防滲等技術的突破將有助于風險控制和降本增效。
4 小結與展望
養(yǎng)殖場廢水處理技術包括好氧生物處理、厭氧生物處理、深度處理和自然處理等類型，其中A/O、上流式 厭 氧污泥床（UASB）、升流式固體厭氧反應器（USR）、沼氣池、氧化塘、化學氧化和混凝等工藝技術均比較成熟，并得到廣泛應用。每種處理方法都有其自身的優(yōu)勢和限制，可以根據養(yǎng)殖場廢水特征以及當地政策等情況，選擇不同的技術組合，如廢水排放標準較高的養(yǎng)殖場可以選擇厭氧+好氧+深度處理的技術組合，配套足夠土地的養(yǎng)殖場可以優(yōu)先選擇厭氧處理技術對廢水進行無害化處理。此外，短程硝化反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、微藻處理及膜分離等一些新型的處理技術具有較高的應用前景，但其處理參數及穩(wěn)定參數需要進一步的研究優(yōu)化或戶外工程應用。
隨著環(huán)保力度的加大，人們對養(yǎng)殖廢水處理技術的研究和應用提出了更高的要求。研發(fā)新型廢水處理技術仍是未來的研究重點，特別是對高效穩(wěn)定、成本低廉的廢水處理技術有強烈的市場需求；對現有廢水處理技術的改進也是未來一段時間內的研究重點，如好氧或厭氧生物處理技術中功能微生物的開發(fā)、膜分離技術中高效、耐用膜的研發(fā)；同時，養(yǎng)殖廢水資源化和能源化是重要的研究方向，如養(yǎng)殖廢水資源化過程中的安全性評估、沼氣生物能和生物柴油等能源化利用技術研發(fā)，這對于養(yǎng)殖廢水的安全處理及利用有重要參考意義。
