養殖廢水處理與高效再利用系統的設計
將養殖廢水的凈化處理與農業節水灌溉緊密結合，實現養殖廢水的高效利用或達標排放，對于緩解農業用水緊缺，實現區域生態環境保護，改善人居環境具有重要意義。
四川省水利科學研究院以簡陽市五友玉成二元種豬場為試點，將豬場養殖廢水處理與高效利用相結合，探索了解決南方丘陵灌區季節性干旱缺水問題及養殖廢水污染問題的有效途徑，實現了區域養殖廢水的“內循環、零排放”。
1 工程概況
簡陽市五友玉成二元種豬場位于玉成鄉街鄰村，地處四川盆地淺丘區。
1．1 豬場現狀
豬場現有種豬90頭，在欄豬仔數量約為332頭。原有一套簡易沼氣系統，主要由進料池(4 m×2 m×3 m)、沼氣池(90 m3)和沼液二沉池(4 m×2m×3 m)組成。該豬場實行固液分離，豬的糞便直接清出，在儲糞池中自然干化后，免費讓周邊農民運基金項目：國家科技支撐計劃走作為有機肥料肥田；豬的尿液及沖洗豬圈的廢水經過簡單的沼氣池沉淀、發酵后在沼液二沉池進行固液分離。以前沼液經泵房提灌直接排人豬場外的養魚池，對魚塘的污染嚴重；現在則通過潛水泵將沼液直接排人溝渠，流人周邊水系，對區域水環境構成威脅。
1．2 養殖廢水水質
該豬場實行雨污分流，雨水直接排人魚塘。豬場夏季高溫季節廢水產生量最高，約為8～10 m3／d，冬季低溫季節廢水產生量最低，約為4～5 m3／d。
該豬場養殖廢水在經過原有沼氣發酵系統處理后仍然氣味刺鼻，且顏色黑、渾，經初步監測，COD、NHf—N、TP等含量較高(見表1)。工程設計要求出水達到國家《畜禽養殖業污染物排放標準》。
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1．3 豬場污廢物處理
根據相關測算，一頭成豬每天所產生的廢水中養分可以滿足一畝(666．7 m2)農田的養分需要，而3～5頭豬所產生的廢水量可滿足一畝(666．7 m2)農田的用水需求。豬場現有90頭種豬，332頭豬仔存欄，按照1頭種豬的廢水產生量約為4頭豬仔的廢水產生量折算，約有173頭(折算后)成豬存欄，可以滿足約2．3～3．8 hm2農田的用水需求。該豬場周邊方便利用豬場沼液的農田約2．7 km2，因而在理論上養殖廢水完全可以通過周邊的農田灌溉來消化。但由于灌溉用水量在很大程度上取決于區域內的氣象條件、種植作物類型以及作物的灌溉制度等，因此養殖廢水量在實際利用過程中也會出現時段性差異，部分時段水量不足，部分時段廢水存余。同時，完全采用廢水灌溉，將會對農業生態環境產生負面影響，不利于農業可持續發展，并危及周邊群眾的身體健康。因而需要考慮對多余養殖廢水進行深度處理，達標排放。
2 工藝流程
2．1 設計目標
①充分利用該豬場現有沼氣發酵設施及周邊的廢棄地，借助于地形地勢，建設無動力自流養殖廢水凈化系統，降低廢水處理成本；
②系統應有較強的適應性和較大的靈活性，能夠應對該豬場水質、水量的變化；
③對該豬場所產生的養殖廢水進行處理，使之達到農業灌溉要求，并將廢水處理與農業節水灌溉相結合，增強區域農業抗旱能力，提高水資源利用效益；
④對多余的養殖廢水進行深度處理，達到《畜禽養殖業污染物排放標準》后，排入魚塘或臨近河流，降低豬場的排污費用，減少污水排放所造成的環境污染。
2．2 工藝流程
該豬場原有養殖廢水處理工藝流程如圖1所示。
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原有養殖廢水處理系統各構筑物均采用地埋式合建，豬場養殖廢物經干濕分離，產生的廢水流入上述處理設施，中問不設置污水提升設備，設施構造緊湊，運行成本低。但系統僅通過沼氣處理設施處理養殖廢水，其凈化效果較差，對周邊環境及群眾健康的威脅較大。
根據該豬場的實際情況，結合其現有設施及周邊狀況，通過對多種廢水凈化工藝的研究、比選，設計、建立養殖廢水處理與高效利用系統，通過快濾池、人工濕地、慢濾池使養殖廢水達標后回用，具體工藝流程如圖2所示。該系統通過將沼液二沉池中的沼液由泵抽到魚塘或排水渠替換為由泵抽到生化沉淀消毒池內(原蓄水池改造而成)，一部分經過預處理后自流到田問的消毒儲蓄池，殺毒后直接灌溉還田；另一部分經預沉、殺毒、過濾后進人設施灌溉儲水池，用作設施灌溉水源；而最后的多余部分沼液作為多余污水，進行深度處理，使之達到養殖廢水排放標準，排入魚塘<養魚)、臨近河流或儲備在田問消毒儲蓄池中。
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3 設計關鍵及解決方法
3．1 沼氣的利用問題通
過對沼氣池加以改造，完善了系統的封閉性，并對所產生的沼氣加以利用(做飯、取暖等)，為豬場提供了部分額外免費能源，降低了能源消費。同時，針對原沼氣池缺少自動排氣減壓系統的問題進行了改造，增加了排氣孔，使其在一定壓強下能夠自動排氣，降低內部壓強，有效保證沼氣池的安全。
3．2 生化消毒沉淀池
在該養殖廢水處理與高效利用系統設計及施工過程中，目標之一是盡量減少該系統處理廢水所需能耗，降低運行成本。因而，設計中充分利用該豬場圍墻外地形坡度較大，上下高差達3．5 m以上的地形條件，對上側一閑置蓄水池(D=6．0 m，H=2．2m)進行維修、改造后作為生化消毒沉淀池(主要用于沼液的儲存、沉淀、消毒及除臭)，并借助于高差，通過管道(DN50)為其下方的養殖廢水處理系統輸送沼液，實現重力自流，降低能耗。
考慮到沼液中沼渣較多，可能會堵塞管道，對生化消毒沉淀池進行了改造，中間修一隔墻，在墻上距離池底池底0．6 m高度處留溢水孔，增加沼液的沉淀時間，同時通過溢流減少入網沼渣量。將出水管口設置在1．O m高度處，管口設鋼絲過濾網，以增加過濾能力，降低管網堵塞幾率。
3．3 養殖廢水凈化系統
該系統包括快濾池、人工濕地系統及慢濾池三部分，填料級配及功效、堵塞問題及氮、磷的去除等是其共同存在的問題。
①填料選配
根據經濟性和有效性考量，選用河沙、豆石及碎石為填料，作為微生物及人工濕地植物的基質。同時充分考慮到了水力負荷、滲透速率及透氣性等對微生物生存環境的重要意義，通過資料分析及試驗比選，確定了濾料級配。
②堵塞問題
濾料堵塞的主要原因有以下幾種：
a．生物作用堵塞濾料空隙。通過減小系統的水力負荷，降低進水有機質濃度和強化濾層的通氣充氧作用等手段，可以防止填料中各種腐殖質的積累。
對于上面進水、下面出水的快／慢濾池而言，表層易形成一層粘層，堵塞孔隙。采取表層翻砂措施可有效解決該問題。翻砂厚度根據實際粗砂層厚度而定，一般為10～20 cm。
b．生化反應產生的氣體對孔隙的堵塞。快／慢濾池及人工濕地系統填料中的微生物好氧一厭氧反應過程中產生CO：、CH4、S02、N：、N20等氣體，如不能及時排出，也會造成濾料孔隙堵塞。針對此問題，相關研究認為，通過干濕交替、間歇投配的操作方式，可以有效調整濾料的好氧一厭氧狀態，防止微生物新陳代謝產生的氣體對濾料問孑L隙的堵塞過程。鑒于此，在該豬場沼液二沉池處安裝一電子計時控制器，根據豬場廢水產生時間及水量，設定泵抽時間及時長。將沼液間歇性地從沼液二沉池抽至豬場外的生化沉淀消毒池，從而形成對快濾池的問斷供水，預防生化反應氣體造成濾料堵塞。
c．懸浮物堵塞孔隙。懸浮物堵塞是一個比較迅速的過程，如果造成了濾池下層堵塞，則需要重新清洗濾料和填裝，大大增加工作量，且清洗后的濾料還需要重新馴化，從而影響系統的正常運轉。
針對該問題，整個系統在各個環節都采取了相應的處理措施，盡量降低水體中的懸浮物含量，尤其是較大尺寸懸浮物的含量。在清欄階段施行固液分離，有效減少沼液中的固體殘渣，降低懸浮物含量；在進料池、沼氣發酵池及沼液二沉池增加沉淀及降解時間，并通過格柵有效攔截較大的懸浮物；對生化沉淀消毒池進行改造，使其具多種功能，進水口與出水口之間的漫流構筑物能有效強化沉淀功效，出水口前的濾網設置也為清除部分雜質提供了保障。在快濾池中，填料級配自上而下由細到粗，保證沼液中的懸浮物在表層被截留或能夠完全通過該系統。
③氮的去除
在該養殖廢水凈化系統中，養殖廢水中的有機氮被微生物初步分解成無機氮，因而主要需去除無機氮。該系統綜合利用快／慢濾池，進行間歇供水，創造濾床的好氧一厭氧交替環境，為進行硝化一反硝化作用創造條件。同時，在濕地系統中，通過表層種植的蘆葦、水竹及水葫蘆吸附部分無機氮合成自身物質，同時通過植物輸氧、布氧區域不同，在根基區以根系為中心，形成好氧、兼氧、厭氧圈層，為根基微生物提供硝化、反硝化環境，有效降解廢水中的氮。
④磷的去除
在該養殖廢水凈化系統中，對磷的去除主要通過三方面進行。一是通過快濾池、人工濕地系統及慢濾池中的粗砂、碎石等填料對磷的吸附作用及填料與磷酸根離子的化學反應去除；二是通過快／慢濾池及人工濕地系統中的微生物對磷的正常同化吸收，以及對填料的定期清洗或更換從系統中去除；三是通過人工濕地系統中蘆葦、水竹、水葫蘆等植物吸收、同化養殖廢水中的無機磷，并通過植物的定期收割將磷去除。
4 系統運行成本及處理效果
4．1 運行成本本
系統僅在由沼氣池向生化消毒沉淀池抽取沼液時需要動力，其余各部分皆完全實現自流。按照現有潛水泵(1．1 kW)動力需求，平均每天啟動l h即可滿足需求，最多需要2 h，用電量最高為2．2 kW·h／d。鄉村養殖企業電費按照1．0形(kW·h)計算[當前該鄉生活用電電價≤0．50形(kW·h)]，則該系統的運行成本僅2．2形d。另外，該系統將處理后的養殖廢水用于周邊的農田灌溉，減少了灌溉用水量，節約了農業灌溉的電費和水費支出。
4．2 處理效果
系統試運行階段的處理效果見表3。
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系統對養殖廢水中的COD、TP、NH4+—N去除效果明顯，去除率分別為70％、82％和62％，而NO3-一N和NO2--N含量僅在濕地系統中有所下降，在粗濾池和慢濾池中含量升高趨勢明顯。究其原因，快、慢濾池在過濾時以厭氧狀態為主，硝化作用強于反硝化作用，其中的NH4+一N經硝化轉變為NO3-一N和NO2--N后，沒能夠在反硝化作用下完全轉變為N2和N20從系統中去除，從而導致NNO3-一N和NO2--N含量在快／慢濾池中不降反升。鑒于厭氧硝化作用較強，需要完善濕地植物栽植，強化濕地系統的根系吸附利用能力，平衡厭氧、好氧及兼氧交替發生區域，強化系統對氮、磷的去除能力。
此外，系統沒能夠有效降低養殖廢水的pH值，且使廢水的pH值增加了0．21，這主要是由于系統中的填料在試運行期尚未完全熟化，仍呈弱堿性所致。
5 結論
簡陽五友玉成二元種豬場的快濾池／人工濕地／慢濾池養殖廢水處理與再利用系統對COD、TP、NH4+一N去除效果明顯，去除率分別達70％、82％和62％，對NO3-一N和NO2--N的處理效果還有待改進，系統pH值的升高主要是由于系統試運行期內填料尚未完全熟化，仍呈弱堿性所致。
該工程為解決南方丘陵灌區季節性干旱缺水及養殖廢水污染問題提供了有效途徑，值得借鑒。
參考文獻：
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