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小型畜牧养殖场废水处理工程实例 ＊ 王毓丹 1 李 杰 2 钟成华 3,4 邓春光 1 孟晓星 1 1.重庆市环境科学研究院, 重庆 400020; 2.重庆市南岸区环境保护局, 重庆 400060; 3.重庆工商大学环境与生物工程学院, 重庆 400067; 4.废油资源化技术与装备教育部工程研究中心, 重庆 400067 摘要 采用以人工湿地为主体的工艺处理小型养殖场产生的废水, 先经稀释、混合调节对高浓度废水进行预处理, 之后 依次进入简易厌氧池、四级人工湿地和生物塘工序。 实际运行结果表明 该工艺处理效果好, 运行稳定, 耐冲击负荷能 力强, 费用低廉, SS、COD、NH 4-N 、TP 去除率分别达到 91、89、62和 88, 出水可达再生水回用于农业用水选择性 标准。 关键词 人工湿地; 养殖废水; 工程实例 CASE STUDY ON TREATMENT OF SMALL SCALE ANIMAL FARM WASTEWATER Wang Yudan1 Li Jie2 Zhong Chenghua3 ,4 Deng Chunguang1 Meng Xiaoxing1 1.Chongqing Environmental Science Institute, Chongqing 400020, China; 2.Environmental Protection Bureau of Nan  an District in Chongqing, Chongqing 400060, China; 3.College of Environment and Biological Engineering , Chongqing University of Industry and Business, Chongqing 400067, China; 4.Engineering Research Center for Waste Oil Recovery Technology and Equipment, Ministry of Education Chongqing 400067, China Abstract The wastewater from small scale animal farm was first diluted and mixed, then followed by simple anaerobic tank, four stages constructed wetland and biological pond. Results show that the process not only is effective and stable operation, but also has a strong impact resistant capacity and a low cost. The average removal rates of SS, COD, NH 4-N and TP are 91, 89, 62 and 88 respectively . The effluent quality can meet the requirements of standards of reclaimedwater quality for agricultural use. Keywordsconstructedwetland;animal farm wastewater; case study ＊重庆市科委重大攻关项目 CSCT2006AC7024 。 1 工程概况 畜牧养殖业的快速发展带来了严重的环境污染。 畜禽养殖污染已经成为重庆市农村的主要污染源 ,这 不仅危及畜禽本身及人体健康 ,而且严重影响到农村 经济特别是畜牧业经济的健康发展 ,治理养殖业环境 污染已成为当前非常迫切的任务。重庆市渝北区两 路镇有一家小型畜牧养殖场, 长期养有奶牛约 50 头, 每天产生大量混杂着饲料、粪便 、尿液的养殖废水。 虽然部分粪便、尿液等被当地农民用来施肥和浇灌土 地,但大部分废水任意排放,污染了大片田地 。 经过实地考察, 发现养殖场附近长期有一股水 流,为附近居民的生产、生活用水和雨水、山泉水, 水 量和水质波动较大, 可以考虑引来稀释养殖废水。稀 释水和养殖废水在混合调节池混合后, 水质如表 1 所 示,出水执行SL 368-2006再生水回用于农业用水选 择性标准 。 表 1 混合稀释后养殖废水水质mg L pH 除外 项目ρ SSρ CODρ NH 4-N ρ TPpH 废水水质 175～ 330350～ 55021～ 486 . 1～ 8. 37. 0～ 8 . 1 排放标准3080101 . 06. 5～ 9 . 0 2 废水处理工艺流程 本工程采用的处理工程如图 1所示。 养殖场养殖废水 蓄水池稀释废水 混合调节池格栅简易厌氧池第一级人工湿地 出水生物塘第四级人工湿地第三级人工湿地第二级人工湿地 图 1 废水处理工艺流程 针对养殖废水浓度高的特点和出水排放标准的 要求, 该工程养殖废水首先在混合调节池中稀释、混 合、 沉降,并通过格栅截流较大的悬浮固体和漂浮物。 45 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 经稀释后的养殖废水浓度仍较高, 直接进入人工湿地 可能会造成堵塞 ,因此在人工湿地之前采用简易厌氧 池处理,降低废水污染负荷。 由于重庆是座山地城市, 因此该工程各构筑物都 修建在山地上, 这样不需任何的机械和动力 ,废水就 能依次在各构筑物间流动 ,而且可以利用构筑物间的 地势落差进行跌水曝气复氧。 3 主要构造物 1 蓄水池。位于整个系统最上方一山崖下,尺寸 为2. 4 m 1. 8 m 1. 6 m 长 宽高 。稀释水自流 通过直径为50 mm PVC 管流到混合调节池。稀释水 水量通过阀门控制在约6 m 3 d ,但受来水水量、降雨、 干旱等影响, 本工程进水量最大为9. 5 m 3 d , 最小为 2. 6 m 3 d。 2 混合调节池 。尺寸为2. 0 m 2. 0 m 1. 5 m 长宽高 , 内部设置有两道间距分别为10 ,5 mm 格栅 。 3 简易厌氧池 。尺寸为2 m 2 m 3 m 长 宽高 ,内部填充立体弹性材料, 填料占有空间为 4 m 3 。为使废水在池内曲折流过 ,增加废水与填料的 接触 ,池内设置有隔板。水力停留时间为2 d。 4 人工湿地 。共有4 级人工湿地, 每级湿地尺寸 长为6 m , 宽1. 6 m, 面积为7. 2 m 2 。水力停留时间 1. 5 d,日平均水力负荷21 cm。其中第 1 级人工湿地 填充基质为石灰石, 填充深度0. 6 m ,种植风车草。第 2 级人工湿地填充基质为石灰石、粉煤灰, 填充深度 0. 4 m ,种植风车草 。第 3 级人工湿地填充基质为石 灰石、粉煤灰, 填充深度0. 8 m , 种植美人蕉 。第 4 级 人工湿地填充基质为石灰石、粉煤灰和土壤 ,填充深 度0. 6 m,种植美人蕉 。在每级人工湿地的两端各有 一尺寸为1. 2 m 0. 6 m的集水槽和布水槽, 废水在进 入人工湿地之前和之后都能接受太阳光照辐射,起到 一定的复氧和杀菌作用。 人工湿地采用的并不是传统的表面流或潜流人 工湿地,而是一种经过改进的波式流人工湿地 。通过 在湿地内部有规律的设置导流板, 使水流呈波浪式流 动。同时出水孔高度高于基质表面约 5 cm, 这样污 水反复经过下行流、上行流和水平流状态流经湿地不 同部位 ,不但增加污染物与基质 微生物 的接触, 而 且可以改善湿地内部溶解氧状况, 强化去污效果。 5 生物塘。体积为6 m 2 0. 45 m, 主要种植狐尾 藻,水力停留时间0. 45 d。 4 调试和实际运行情况 4. 1 工艺的调试 由于进水为养殖废水, 水质较差 , 湿地植物采用 自然栽植方式 。在 2 月初利用美人蕉的根块和风车 草的新苗进行种植。每格湿地 4 个角和中心分别种 植1 株,4 级湿地共种有风车草和美人蕉各 120株 ,种 植密度约为8. 3 株 m 2 。注意美人蕉根茎埋植不能太 深,否则不容易成活, 以基质刚好埋没根块为宜。植 物种植之后 ,先不要通入废水, 待生长一段时间后开 始通入废水并逐步加大废水流入量 ,使植物逐渐适宜 废水 。 4. 2 稳定运行情况 至5 月初 ,工程运行逐渐趋于稳定, 植物长势良 好,风车草和美人蕉植株平均高度分别达到0. 8, 0. 5 m ,出水水质较好。79 月 , 植物长势最好, 风车 草和美人蕉植株高度和生物量都增加很快,出水水质 非常好 。之后植物生长逐渐减缓 ,11 月开始植物茎 叶开始枯萎 ,但出水水质仍然较稳定 。至 12月份 ,尽 管风车草仍枝繁叶茂, 但美人蕉大部分已枯萎, 这时 应对植物进行收割, 防止植物的枯枝败叶重新释放出 污染物并堵塞床体, 同时也有利于植物次年生长。因 此12 月至次年 2 月, 由于植物生长活性较差, 出水水 质波动较大 。 5 湿地堵塞问题 在处理高浓度有机废水时 ,人工湿地很容易造成 床体堵塞。在本工程中, 虽然在调试阶段观察到了由 于生物膜形成导致基质空隙率逐渐变小的现象,但在 稳定运行期间未出现堵塞的情况。这是由于该工程 采用了以下 2 个措施, 有效地防治了堵塞问题 。 一是强化预处理 ,通过稀释、 混合和厌氧处理 ,降 低污染负荷 。虽然进水为高难度处理的养殖废水 ,并 含有大量的纤维成分 ,但由于经过了在混合调节池的 稀释、混合和在厌氧池中的厌氧降解, 出水污染负荷 明显降低如表 2 所示 , 水体颜色变浅, 臭味变轻。除 了氨氮由于有机氮的氨化而浓度增大之外,其它几种 污染物在厌氧池中都得到一定的去除, 其中 SS 在厌 氧池中的去除率约为 30～ 40, 平均去除负荷为 44 g m 3d ,COD去除率约为 25～ 40,平均去除 负荷为70 g m 3d 。 二是合理搭配基质。由于 SS 在人工湿地中主要 通过截留、沉降等途径去除 ,其中的有机成分附着在 填料上形成生物膜表面, 并通过微生物的异化作用而 46 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 表 2 简易厌氧池出水水质mg L ρ SSρ CODρ NH 4-N ρ TP 100～ 210260～ 33035～ 815. 8～ 8 . 0 降解 ,无机成分结合成床体组成部分。所以湿地床体 堵塞主要发生在进水前段 。因此 , 在该工程中 ,四级 人工湿地第1 级床体填充的是粒径大 、 疏水性好的石 灰石单一基质, 后面床体填充的是粒径小 、 磷吸附能 力强的粉煤灰和石灰石的混合基质 ,且越是后面床体 粉煤灰的比例越高, 故 4级床体空隙率从前至后是逐 渐减小的 。运行结果表明 , 4 级人工湿地去除的 SS 有大约60是在第1 级床体中去除 ,但由于第 1 级床 体空隙率较大, 因此未发生堵塞。而磷主要在后面几 级填充有粉煤灰的床体中去除 。 尽管短期未发生床体堵塞 ,但从长期运行角度来 看,人工湿地床体的疏水性可能会越来越差 ,而且基 质的磷吸附能力会趋于饱和, 因此基质最好每 5年更 换1 次 。另外,由于厌氧微生物的生长、 死亡, 在厌氧 池中会产生一定量的污泥 ,部分污泥随水流冲刷进入 湿地 ,其余部分则在厌氧池中沉积下来 。实际运行情 况表明,每年沉积的污泥量很少,平时一般不需处置, 只需每隔几年对厌氧池污泥进行冲刷、打捞并更换厌 氧池填料 。 6 人工湿地床体内部 DO 状况 该工程是一种经过改进后的波式流人工湿地。 当污水在基质内部流动时相当于潜流人工湿地,而当 污水在基质表层流动时相当于表面流人工湿地。因 此波式流人工湿地应当兼具潜流和表面流人工湿地 的优点 ,不但可以进行植物根系复氧, 也能进行表面 大气复氧 。为此 ,在第 1,2,3 级人工湿地第 1, 3,5 格 的底部 、 中部和表层设置了采样点, 以了解床体内部 溶解氧状况。采样点设置见图 2。 图 2 波式流人工湿地床体内部采样点设置 第1 级人工湿地底部、中部和表层分别为距底面 5,30,60 cm处, 第 2 级人工湿地底部 、中部和表层分 别为距底面 5, 20,40 cm处 ,第 3 级人工湿地底部、中 部和表层分别为距底面 5,40,80 cm处。 结果发现 , 3 级床体内部溶解氧呈现相似规律, 现仅以其中一次监测数据进行说明 ,如图3 所示。由 于采用的是底部进水的方式, 污水进入湿地之前通过 跌水曝气,第 1 格底部进水溶解氧都较高 , 到了第 1 格中部 ,溶解氧急剧降低 ,之后到了表层溶解氧则略 微有所增加 。第 3 格和第 5 格下层和中层水体的溶 解氧几乎为 0 mg L , 表层溶解氧则为1～ 2 mg L 。床 体内部溶解氧很低 ,处于极度缺氧状态 , 是因为进水 所带的氧及根系复氧被微生物吸收 、 代谢所消耗完。 而当水体流出基质表层时, 进行表面大气复氧, 溶解 氧略有上升 。总体上 ,3 级人工湿地溶解氧状态呈现 降低 、 升高 、 降低的波式状态。 1、3、5 分别表示第 1、3、5 格; D、M、S 分别表示床体底部、中部和表层。 □第一级人工湿地; ◇第二级工湿地; △第三级工湿地。 图 3 波式流人工湿地床体内部溶解氧状况 与传统的人工湿地类型相比,波式流人工湿地具 有3 个优点 ,一是兼具有植物根系复氧和表面大气复 氧,复氧途径更加多样,有利于硝化 反硝化反应的进 行; 二是由于水体呈波式流态 ,水体流程变长 ,增加了 污染物与微生物的接触, 因而增加了污染物被降解的 机会 ; 三是由于床体内部溶解氧浓度呈现波式状态, 水体流经床体时反复经历不同氧化状态, 与好氧、兼 氧、 厌氧等不同类型的微生物接触, 有利于氮的转化。 依据昆明地区的大气压与假设气温为15 ℃时, 计算得表面流湿地大气氧量为0. 362 g m 2d[ 1] 。该 工程中 ,表面复氧速率为3. 33 g m 2d , 是前者的 9 倍。原因除了地区差异之外, 最主要的是因为波式流 人工湿地中 ,流出基质表面进行大气复氧的水体都是 极度缺氧水 ,因而复氧速率比表面流人工湿地较快。 另外, 在波式流人工湿地中 ,水体每 1 次流过基质表 面都可以进行复氧、充氧 。理论上增加隔板数既可以 增加复氧次数从而增加复氧量 ,又可以增加水体流程 从而增加水体与基质、微生物的接触时间 ,提高人工 湿地的处理效果。但在实际工程中还应该综合考虑 建造成本、水体流态 、 植物生长等因素。 7 工程经济分析 工程基建总投资为 2万元, 以使用 20 年计算 ,基 建成本仅为1 000元 a, 每年的运行费用为 750 元。利 47 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期 用条件价值法对该工程进行环境容量价值、 资源价值 和社会价值评估 , 保守估计总的环境经济价值为 2 530元 a ,即除去成本价值, 每年仍有 780 元的经济 效益 [ 2] 。 8 经验 1 在调试运行期间,应及时发现美人蕉的根块未 能发芽或风车草的新苗枯萎死亡, 并立即补种 。 2 调试运行结束后,发现各级人工湿地基质都有 一定程度的下降 。其中种植植物的地方下降较少 ,无 植物地方下降较明显 , 达 5 ～ 10 cm, 造成植物根系外 露,不利于植物根系复氧及微生物生长 , 而且遇上刮 风下雨天植株容易伏倒, 应该及时补填基质 ,达到原 先设计的基质深度。 3 在夏天美人蕉容易发生病虫害,常见的病害有花 叶病、 蕉锈病、 黑斑病和梭斑病等,虫害主要有蕉苞虫和 小地老虎。病虫害发生后要及时喷施农药进行防治。 4 69月是风车草和美人蕉的生长高峰期, 之 后生物量增长减缓甚至开始枯萎, 此时应及时对植物 进行合理收割, 不但可以促进植物生长 , 而且防止植 物枝叶腐败在湿地中堵塞床体 。 5 在人工湿地运行期间还要注意对一些干扰植 物的管理。如在本工程中, 由于地处山郊野外 ,在夏 天容易受草的侵害 。草不但会缠绕风车草和美 人蕉使植物伏倒死亡 ,而且其极强的根系还会破坏构 筑物的水泥墙体, 出现墙体破裂 、渗水等情况。因此 在日常管理中应加强对草等害草的防治,在有条件 的地方可以修建围墙 、 设置隔离带。 6 生物塘中的狐尾藻长的很快, 特别是在夏天, 一般半月左右就能长满整个生物塘 ,此时植株不但生 长停滞 ,而且植株极易发生枯叶 , 不利于改善水质。 所以每次生物塘覆盖狐尾藻达 90时 , 应对狐尾藻 进行收割, 及时腾出水体空间以利于新植株生长和水 生动物生存 。把生物塘分成左右两半交替收割,收割 的狐尾藻可以堆肥, 也可以卖到花卉市场 。 9 结论 采用人工湿地工艺处理小型养殖场废水是成功 的,基建投资与运行成本都很低廉, 环境经济效益显 著,处理效果较为稳定 , 除了在冬季出水水质偶尔较 差之外,绝大部分时间出水都符合再生水回用于农业 用水选择性标准 。 参考文献 [ 1] 王宜明. 人工湿地净化机理和影响因素探讨[ J] . 昆明冶金高等 专科学校学报, 2000 2 4 -5. [ 2] 李杰, 钟成华, 邓春光. 一块小型人工湿地的环境经济价值评估 [ J] . 环境科学与管理, 2007, 32 12 69-72. 作者通信处 王毓丹 401147 重庆市环境科学研究院 E -mail lijie-good yahoo . com. cn 2009- 09-22 收稿 上接第 38页 2 当反应温度达到550 ℃, 反应时间 150 s, 过 氧量300时 ,TNT -RDX 废水中的有机物可完全 被氧化分解为 CO2和 N2, COD 和有机物的去除率 均 99。 反应压力的变化对废水 COD 去除率的影 响不明显 。 3 超临界水氧化是一种新型高效的废水处理技 术, 采用 SCWO 技术对含有难降解硝基化合物的 TNT -RDX 炸药废水进行无毒、无害化处理, 完全可 以达到国家有关火炸药工业废水的排放标准要求 。 参考文献 [ 1] 孙荣康, 瞿美林, 陆才正. 火炸药工业的污染及其防治[ M] . 北 京 兵器工业出版社, 1990. [ 2] 吴耀国, 焦剑, 赵大卫. 炸药废水处理的高级氧化技术[ J] . 含能 材料, 2003,11 3 166 -168. [ 3] Nijs Jan Duijm, Frank Markert. Assessment of technologies fordisposing explosive waste[ J] . Journal of Hazardous Materials, 2002, 90 137 -153. [ 4] Modell M . Supercritical water oxidation[ M] Standard handbook of hazardous waste treatment and disposal.New York McGraw-Hill, 1989 86 -90. [ 5] Savage P E, Goplan S, Mizan T I, et al. Reactions at supercritical condition application and fundamentals[ J] . AIChE J, 1995, 41 7 1723 -1778. [ 6] Costanzo A L, Jennifer P C, Thomas N R, et al. Supercritical water oxidation of colored smoke , dye and pyrotechnic compositions[ R] . SAND94 -8202. 1993. 作者通信处 常双君 030051 山西太原学院路 3 号 中北大学化工 与环境学院 电话 0351 3922116 E -mail chshjnuc. edu. cn 2008- 11-03 收稿 48 环 境 工 程 2009年 6 月第27 卷第3 期