高濃度養殖廢水處理新工藝展望
改革開放以來，人民生活水平不斷提高，我國畜禽業得到快速發展，主要畜產品產量連續20年以10%的速度遞增。據資料統計，2005年，我國豬、牛、羊、家禽、兔存欄分別達到50334.8萬頭、14157.5萬頭、37265.9萬頭、53.3萬只、21764.1萬只，畜牧業總產值達到13311億元，占農業總產值的33.7%，畜牧業已成為我國農業和農村經濟中的支柱產業。隨著大中城市“菜籃子工程”的實施以及市場對畜禽質量的不斷追求，規模化畜禽養殖場將大量涌現，截至2005年，全國各類畜禽規模化養殖小區已達4萬多個。集約化、規模化養殖業迅速崛起的同時，也使畜禽養殖污染成為了不容忽視的問題。規模化養殖場排放的大量糞尿與廢水現已成為許多城市和農村的新興污染源，他們大多未經過妥善回收利用、處理及處置就直接排放，對環境造成嚴重污染，尤其對水體富營養化產生了極其不良的影響。在許多地區，畜禽養殖業產生的廢水超過環境的容納量，已經或正在成為比工業廢水、生活污水更大的污染源。據資料統計表明，1999年我國畜禽糞便產生量約為19億噸，是固體廢棄物產生量的2.4倍。其中規模化養殖產生的糞便相當于工業固體廢棄物的30%，CODcr排放量已達7118萬噸，遠遠超過我國工業廢水和生活廢水的排放量之和;2002年，我國畜禽糞便產生量達27.5億噸。據專家統計，到2010年，我國每年畜禽糞便產生量將達到45億噸。隨著我國畜禽業的迅猛發展，養殖廢水污染將不斷加劇，其污染防治迫在眉睫。
養殖廢水具有典型的“三高”特征，CODcr高達3000~12000mg/l，氨氮高達800~2200mg/l，SS超標數十倍。限于養殖業是薄利行業，目前的處理工藝僅能針對CODcr的大幅削減，而對氨氮達標排放尚存在很大的技術經濟難度。規模化畜禽養殖廢水處理目前已引起養殖場業主及有關部門的高度重視，采取一系列防治措施及選用經濟、高效的處理技術已刻不容緩。隨著國家污水排放標準日益更新，高濃度養殖廢水達標排放問題更加突出。
畜禽養殖業環境污染問題是發達國家和發展中國家共同關心的問題。如荷蘭每年產畜禽糞便9500萬噸，過剩1500萬噸，比利時每年產畜禽糞便4100萬噸，過剩800萬噸，法國布列塔省集中了全國40%的養殖業，已造成了該地區飲用水水質超標，日本1980年養殖業造成5392起公害事件。但上世紀80年代后，發達國家普遍采用立法管理的辦法來處理畜禽養殖業環境污染問題。芬蘭是最早開展畜禽糞便污染防治立法的國家，立法最多的是日本(有7部法律)，此外美國、加拿大等皆在充分研究的基礎上建立了完善的法律和法規體系。英國是公認基本實現無畜禽糞便污染的國家。
發達國家成功經驗歸納如下:(1)依靠科技，開展充分的調查研究，提供充分的技術保障;(2)形成完整的法律、法規和技術規范體系;(3)規范畜禽養殖場建設管理;(4)實施種養區域平衡一體化，并控制畜禽糞便施用量，防治土地和地下水污染;(5)治理達標(多數經預處理后排入市政污水處理廠)。
我國關于畜禽養殖污染防治的研究開展較晚，2001年國家環保總局才正式發布了《畜禽養殖污染防治管理辦法》、《畜禽養殖業污染物排放標準》、《畜禽養殖業污染防治技術規范》，1995年后才有少數高效、科研單位開展了這方面的研究，但這些研究比較零星，缺乏系統可操作性。我國養殖業現狀是數量多、規模小、生產方式落后、經濟條件較差、環境污染防治設施配套不全。國內對養殖廢水的處理目前大致有二種，即還田利用自然處理及工業化處理模式。還田利用指通過簡單的厭氧沉淀后，將殘渣、殘液用作農家肥或魚餌等，這種處理方法目前在國內大部分地區和養殖場采用，但需要大量的接納土地。工業化處理排放指通過生物、化學、物理等綜合作用后，使廢水能達標排放，這種處理方法因其投資較大，集中分布在上海、浙江等經濟發達地區，實際上即使在這些地方，污水仍不能完全滿足達標排放，尤其是TN的排放情況尤為突出。
近年來規模化養殖已經成了主要的發展方向，生豬規模化養殖已占27%，規模化養雞已占56%。河南、浙江兩省規模化養殖業已占83%。因此采用原有的還田利用處理方法因污染量大、周邊接納土地有限、環境二次污染以及運輸費用等問題日益不能滿足排放要求，工業化處理模式已成為目前主流需要。
高濃度有機廢水采用厭氧-好氧聯合處理工藝是目前公認的最經濟高效方法。采用厭氧-好氧工藝系統的處理實際養殖場廢水目前尚少見報道，且已有的厭氧-好氧工藝處理養殖場廢水報道，其處理效果均不佳，主要是好氧處理后對厭氧消化液污染物去除效果較差，尤其氨氮與總氮去除率都不高，遠未達到排放標準。Ng W.G.采用序批式反應器工藝(SBR)處理豬場廢水厭氧消化液，其NH+4-N去除率僅68.7%。徐潔泉等采用接觸氧化法處理豬場廢水厭氧消化液，其出水CODcr大于500mg/L，NH+4-N大于200mg/L。Jung Jeng Su等采用SBR工藝處理豬場廢水厭氧消化液得出同樣結果，總凱氏N去除率僅42.4%~71.1%，CODcr去除率僅10%~40%。楊虹等試驗發現間歇曝氣處理豬場廢水厭氧消化液其NH+4-N去除率小于60%，出水中NH+4-N濃度為600mg/L左右。Liao C.M.等采用間歇曝氣處理豬場廢水厭氧消化液其總氮去除率達30%，NH+4-N去除率為40%。隨著排放的嚴格監管，廢水的達標排放尤其氨達標排放已成為制約養殖產業發展的瓶頸。
養殖廢水成份復雜、水質水量波動大、CODcr濃度較高且存在部分有機氮，此類物質的有效降解和轉化是開展后續脫氮工藝的前提和關鍵。目前最常用的污水脫氮技術為傳統生物脫氮，即通過硝化-反硝化過程使氨氮轉化為氮氣。硝化和反硝化是兩個相互對立的過程，硝化反應借助硝化細菌的作用，要在有氧環境下進行;反硝化反應則需借助于反硝化菌的作用，只有在無氧條件下，該反應才能順利進行;而且該工藝還需要大量的有機碳源作為電子供體，如果C/N<2.5，沒有外加有機碳源，反硝化就無法有效的進行，而如果C/N<4，反硝化容器體積要提高1.5~1.7倍;因此在處理養殖廢水這類超低C/N比高濃度含氮廢水時，該工藝表現出極大的局限性。
20世紀90年代末，生物脫氮技術的新發展突破了傳統理論的認識。1994年Kuenen等發現某些細菌在硝化反硝化反應中能利用硝酸鹽作電子受體將氨氮氧化成氮氣和氣態氮化物;1995年，Mulder和Vande Graaf等用流化床反應器研究生物反硝化時，發現了氨氮的厭氧生物氧化現象。建立在短程硝化反硝化(Shortcut nitrification-denitrification)基礎上的亞硝酸型硝化(SHARON， Single Reactor High Activity Aammonia Removal Over Nitrite)和厭氧氨氧化工藝(ANAMMOX，Anaerobic Ammonium Oxidation)的聯合，彌補了傳統工藝的缺陷，被認為是一個突破性的創新。該工藝對養殖廢水這類低C/N比高濃度含氮廢水具有高效脫氮作用，最為突出的優點是不需要外加有機碳源，并且相對于傳統硝化-反硝化工藝節省了25%需氧量，從而降低了投資和運行費用，具有重要的理論和實踐意義。
雖然，目前國內外分別對UASB、SHRON、ANAMMOX均有一定研究，但對其組合工藝處理高濃度廢水鮮見報道。對于UASB工藝產甲烷的影響因素分析及厭氧氨化作用還存在巨大缺陷，制約了高濃度有機污水處理資源化的進一步發展;國內外對短程硝化反硝化的研究比較多，但對匹配厭氧氨氧化的亞硝化的相關研究較少，關于其系統穩定運行的影響因素、周期內各指標的轉化規模等還不能最終確定，有待進一步試驗研究;對于ANAMMOX工藝，國內外研究取得了一定成果，但基本上全部采用的是實驗室配水來進行研究，同時對如何使這項技術走出試驗室成功地應用于實際污水處理領域，還需要進行大量的研究，同時對于厭氧氨氧化的啟動及優化、除氨氮的作用機理、微生物學特性研究還很不完善，各生物系統內的主導控制參數及最佳運行參數尚未開展，組合工藝下各生物系統內的動力學模型均還沒有完全建立。
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