养殖废水处理与高效再利用系统的设计
将养殖废水的净化处理与农业节水灌溉紧密结合，实现养殖废水的高效利用或达标排放，对于缓解农业用水紧缺，实现区域生态环境保护，改善人居环境具有重要意义。
四川省水利科学研究院以简阳市五友玉成二元种猪场为试点，将猪场养殖废水处理与高效利用相结合，探索了解决南方丘陵灌区季节性干旱缺水问题及养殖废水污染问题的有效途径，实现了区域养殖废水的“内循环、零排放”。
1 工程概况
简阳市五友玉成二元种猪场位于玉成乡街邻村，地处四川盆地浅丘区。
1．1 猪场现状
猪场现有种猪90头，在栏猪仔数量约为332头。原有一套简易沼气系统，主要由进料池(4 m×2 m×3 m)、沼气池(90 m3)和沼液二沉池(4 m×2m×3 m)组成。该猪场实行固液分离，猪的粪便直接清出，在储粪池中自然干化后，免费让周边农民运基金项目：国家科技支撑计划走作为有机肥料肥田；猪的尿液及冲洗猪圈的废水经过简单的沼气池沉淀、发酵后在沼液二沉池进行固液分离。以前沼液经泵房提灌直接排人猪场外的养鱼池，对鱼塘的污染严重；现在则通过潜水泵将沼液直接排人沟渠，流人周边水系，对区域水环境构成威胁。
1．2 养殖废水水质
该猪场实行雨污分流，雨水直接排人鱼塘。猪场夏季高温季节废水产生量最高，约为8～10 m3／d，冬季低温季节废水产生量最低，约为4～5 m3／d。
该猪场养殖废水在经过原有沼气发酵系统处理后仍然气味刺鼻，且颜色黑、浑，经初步监测，COD、NHf—N、TP等含量较高(见表1)。工程设计要求出水达到国家《畜禽养殖业污染物排放标准》。
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1．3 猪场污废物处理
根据相关测算，一头成猪每天所产生的废水中养分可以满足一亩(666．7 m2)农田的养分需要，而3～5头猪所产生的废水量可满足一亩(666．7 m2)农田的用水需求。猪场现有90头种猪，332头猪仔存栏，按照1头种猪的废水产生量约为4头猪仔的废水产生量折算，约有173头(折算后)成猪存栏，可以满足约2．3～3．8 hm2农田的用水需求。该猪场周边方便利用猪场沼液的农田约2．7 km2，因而在理论上养殖废水完全可以通过周边的农田灌溉来消化。但由于灌溉用水量在很大程度上取决于区域内的气象条件、种植作物类型以及作物的灌溉制度等，因此养殖废水量在实际利用过程中也会出现时段性差异，部分时段水量不足，部分时段废水存余。同时，完全采用废水灌溉，将会对农业生态环境产生负面影响，不利于农业可持续发展，并危及周边群众的身体健康。因而需要考虑对多余养殖废水进行深度处理，达标排放。
2 工艺流程
2．1 设计目标
①充分利用该猪场现有沼气发酵设施及周边的废弃地，借助于地形地势，建设无动力自流养殖废水净化系统，降低废水处理成本；
②系统应有较强的适应性和较大的灵活性，能够应对该猪场水质、水量的变化；
③对该猪场所产生的养殖废水进行处理，使之达到农业灌溉要求，并将废水处理与农业节水灌溉相结合，增强区域农业抗旱能力，提高水资源利用效益；
④对多余的养殖废水进行深度处理，达到《畜禽养殖业污染物排放标准》后，排入鱼塘或临近河流，降低猪场的排污费用，减少污水排放所造成的环境污染。
2．2 工艺流程
该猪场原有养殖废水处理工艺流程如图1所示。
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原有养殖废水处理系统各构筑物均采用地埋式合建，猪场养殖废物经干湿分离，产生的废水流入上述处理设施，中问不设置污水提升设备，设施构造紧凑，运行成本低。但系统仅通过沼气处理设施处理养殖废水，其净化效果较差，对周边环境及群众健康的威胁较大。
根据该猪场的实际情况，结合其现有设施及周边状况，通过对多种废水净化工艺的研究、比选，设计、建立养殖废水处理与高效利用系统，通过快滤池、人工湿地、慢滤池使养殖废水达标后回用，具体工艺流程如图2所示。该系统通过将沼液二沉池中的沼液由泵抽到鱼塘或排水渠替换为由泵抽到生化沉淀消毒池内(原蓄水池改造而成)，一部分经过预处理后自流到田问的消毒储蓄池，杀毒后直接灌溉还田；另一部分经预沉、杀毒、过滤后进人设施灌溉储水池，用作设施灌溉水源；而最后的多余部分沼液作为多余污水，进行深度处理，使之达到养殖废水排放标准，排入鱼塘<养鱼)、临近河流或储备在田问消毒储蓄池中。
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3 设计关键及解决方法
3．1 沼气的利用问题通
过对沼气池加以改造，完善了系统的封闭性，并对所产生的沼气加以利用(做饭、取暖等)，为猪场提供了部分额外免费能源，降低了能源消费。同时，针对原沼气池缺少自动排气减压系统的问题进行了改造，增加了排气孔，使其在一定压强下能够自动排气，降低内部压强，有效保证沼气池的安全。
3．2 生化消毒沉淀池
在该养殖废水处理与高效利用系统设计及施工过程中，目标之一是尽量减少该系统处理废水所需能耗，降低运行成本。因而，设计中充分利用该猪场围墙外地形坡度较大，上下高差达3．5 m以上的地形条件，对上侧一闲置蓄水池(D=6．0 m，H=2．2m)进行维修、改造后作为生化消毒沉淀池(主要用于沼液的储存、沉淀、消毒及除臭)，并借助于高差，通过管道(DN50)为其下方的养殖废水处理系统输送沼液，实现重力自流，降低能耗。
考虑到沼液中沼渣较多，可能会堵塞管道，对生化消毒沉淀池进行了改造，中间修一隔墙，在墙上距离池底池底0．6 m高度处留溢水孔，增加沼液的沉淀时间，同时通过溢流减少入网沼渣量。将出水管口设置在1．O m高度处，管口设钢丝过滤网，以增加过滤能力，降低管网堵塞几率。
3．3 养殖废水净化系统
该系统包括快滤池、人工湿地系统及慢滤池三部分，填料级配及功效、堵塞问题及氮、磷的去除等是其共同存在的问题。
①填料选配
根据经济性和有效性考量，选用河沙、豆石及碎石为填料，作为微生物及人工湿地植物的基质。同时充分考虑到了水力负荷、渗透速率及透气性等对微生物生存环境的重要意义，通过资料分析及试验比选，确定了滤料级配。
②堵塞问题
滤料堵塞的主要原因有以下几种：
a．生物作用堵塞滤料空隙。通过减小系统的水力负荷，降低进水有机质浓度和强化滤层的通气充氧作用等手段，可以防止填料中各种腐殖质的积累。
对于上面进水、下面出水的快／慢滤池而言，表层易形成一层粘层，堵塞孔隙。采取表层翻砂措施可有效解决该问题。翻砂厚度根据实际粗砂层厚度而定，一般为10～20 cm。
b．生化反应产生的气体对孔隙的堵塞。快／慢滤池及人工湿地系统填料中的微生物好氧一厌氧反应过程中产生CO：、CH4、S02、N：、N20等气体，如不能及时排出，也会造成滤料孔隙堵塞。针对此问题，相关研究认为，通过干湿交替、间歇投配的操作方式，可以有效调整滤料的好氧一厌氧状态，防止微生物新陈代谢产生的气体对滤料问孑L隙的堵塞过程。鉴于此，在该猪场沼液二沉池处安装一电子计时控制器，根据猪场废水产生时间及水量，设定泵抽时间及时长。将沼液间歇性地从沼液二沉池抽至猪场外的生化沉淀消毒池，从而形成对快滤池的问断供水，预防生化反应气体造成滤料堵塞。
c．悬浮物堵塞孔隙。悬浮物堵塞是一个比较迅速的过程，如果造成了滤池下层堵塞，则需要重新清洗滤料和填装，大大增加工作量，且清洗后的滤料还需要重新驯化，从而影响系统的正常运转。
针对该问题，整个系统在各个环节都采取了相应的处理措施，尽量降低水体中的悬浮物含量，尤其是较大尺寸悬浮物的含量。在清栏阶段施行固液分离，有效减少沼液中的固体残渣，降低悬浮物含量；在进料池、沼气发酵池及沼液二沉池增加沉淀及降解时间，并通过格栅有效拦截较大的悬浮物；对生化沉淀消毒池进行改造，使其具多种功能，进水口与出水口之间的漫流构筑物能有效强化沉淀功效，出水口前的滤网设置也为清除部分杂质提供了保障。在快滤池中，填料级配自上而下由细到粗，保证沼液中的悬浮物在表层被截留或能够完全通过该系统。
③氮的去除
在该养殖废水净化系统中，养殖废水中的有机氮被微生物初步分解成无机氮，因而主要需去除无机氮。该系统综合利用快／慢滤池，进行间歇供水，创造滤床的好氧一厌氧交替环境，为进行硝化一反硝化作用创造条件。同时，在湿地系统中，通过表层种植的芦苇、水竹及水葫芦吸附部分无机氮合成自身物质，同时通过植物输氧、布氧区域不同，在根基区以根系为中心，形成好氧、兼氧、厌氧圈层，为根基微生物提供硝化、反硝化环境，有效降解废水中的氮。
④磷的去除
在该养殖废水净化系统中，对磷的去除主要通过三方面进行。一是通过快滤池、人工湿地系统及慢滤池中的粗砂、碎石等填料对磷的吸附作用及填料与磷酸根离子的化学反应去除；二是通过快／慢滤池及人工湿地系统中的微生物对磷的正常同化吸收，以及对填料的定期清洗或更换从系统中去除；三是通过人工湿地系统中芦苇、水竹、水葫芦等植物吸收、同化养殖废水中的无机磷，并通过植物的定期收割将磷去除。
4 系统运行成本及处理效果
4．1 运行成本本
系统仅在由沼气池向生化消毒沉淀池抽取沼液时需要动力，其余各部分皆完全实现自流。按照现有潜水泵(1．1 kW)动力需求，平均每天启动l h即可满足需求，最多需要2 h，用电量最高为2．2 kW·h／d。乡村养殖企业电费按照1．0形(kW·h)计算[当前该乡生活用电电价≤0．50形(kW·h)]，则该系统的运行成本仅2．2形d。另外，该系统将处理后的养殖废水用于周边的农田灌溉，减少了灌溉用水量，节约了农业灌溉的电费和水费支出。
4．2 处理效果
系统试运行阶段的处理效果见表3。
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系统对养殖废水中的COD、TP、NH4+—N去除效果明显，去除率分别为70％、82％和62％，而NO3-一N和NO2--N含量仅在湿地系统中有所下降，在粗滤池和慢滤池中含量升高趋势明显。究其原因，快、慢滤池在过滤时以厌氧状态为主，硝化作用强于反硝化作用，其中的NH4+一N经硝化转变为NO3-一N和NO2--N后，没能够在反硝化作用下完全转变为N2和N20从系统中去除，从而导致NNO3-一N和NO2--N含量在快／慢滤池中不降反升。鉴于厌氧硝化作用较强，需要完善湿地植物栽植，强化湿地系统的根系吸附利用能力，平衡厌氧、好氧及兼氧交替发生区域，强化系统对氮、磷的去除能力。
此外，系统没能够有效降低养殖废水的pH值，且使废水的pH值增加了0．21，这主要是由于系统中的填料在试运行期尚未完全熟化，仍呈弱碱性所致。
5 结论
简阳五友玉成二元种猪场的快滤池／人工湿地／慢滤池养殖废水处理与再利用系统对COD、TP、NH4+一N去除效果明显，去除率分别达70％、82％和62％，对NO3-一N和NO2--N的处理效果还有待改进，系统pH值的升高主要是由于系统试运行期内填料尚未完全熟化，仍呈弱碱性所致。
该工程为解决南方丘陵灌区季节性干旱缺水及养殖废水污染问题提供了有效途径，值得借鉴。
参考文献：
[1] 龚丽雯，龚敏红，王成云，等．微电解／接触氧化／稳定塘处理猪场废水[J]．中国给水排水，2003，19(8)：92—94．
[2] 席俊秀，谢绑忠．污水湿地处理工艺中存在的问题及对策[J]．中国给水排水，2003，19(12)：90—91．
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