奶牛场厌氧消化工艺效果研究

张桢 葛程畅

[摘要] 养殖废水是我国主要污染物来源之一，其中含有高浓度的有机物、悬浮物（SS）、氮磷污染物以及病原微生物。厌氧消化工艺可以有效去除养殖废水中的可降解有机污染物并将其转化为甲烷进行资源回收，因此被广泛应用于规模化养殖场废水的处理。本文研究了规模化奶牛场废水的厌氧消化工艺处理效果。结果表明，厌氧消化出水中COD浓度为1500-3500 mg/L，SS浓度为2.5-5.0 g/L，COD去除率为40%-60%，SS去除率为50%-80%。厌氧消化对废水中的大肠菌群灭活效果较好，大肠菌群数量降低了1.5-2.0 log，显著提高了奶牛场废水的生物安全性；而肠球菌灭活效果较差，仅降低0.5-1.0 log，仍需要后续消毒处理。

[关键字] 奶牛场废水；厌氧消化；病原微生物

近年来，随着我国经济社会的迅速发展,畜禽养殖逐渐走向规模化、集约化。规模化养殖行业带来巨大经济效益的同时，造成的生态环境污染问题也随之而来，畜禽养殖污染是继工业污染、生活污染之后的第三大污染源^[1]。畜禽养殖废水成分十分复杂，通常含有有高浓度的固体悬浮物（SS）、有机物污染物、氮磷污染物^[2]以及病原微生物^[3]。在过去，由于处理成本的限制以及环保观念的落后，未经处理的养殖废水会直接排入江河湖泊地表水体中或者直接用于农田灌溉，在超过环境容纳负荷后会对生态环境系统造成严重破坏，例如水体富营养化黑臭化、水生动植物死亡等。

由于养殖废水具有水量大、有机物浓度高、可生化性强等特点，利用微生物的厌氧消化作用可有效降低有机物含量，并转化为清洁能源甲烷，因此能够实现畜禽养殖废水资源化利用的厌氧消化工艺己在全国范围内的集约化畜禽养殖场大规模应用^{[4, 5]}。本文通过对实际奶牛场废水的厌氧消化工艺处理效果进行研究和分析，并根据相关结果提出评估。

1. 奶牛场厌氧消化工艺介绍

本文研究的奶牛场是位于安徽省六安市的金河生态牧业有限公司，奶牛场占地面积60亩，建筑面积6800平方米，现存奶牛500头，年产鲜奶5000吨，采用散栏饲养模式。该奶牛场的粪污处理工艺主要采用“预处理+厌氧发酵+沼液还田”的能源生态型处理工艺。具体工艺流程如下:

奶牛场废水从牛舍通过格栅后进入集污池，再通过提升泵将集污池的废水泵入固液分离机，利用离心力作用将废水中的残留粪便和草料进行固液分离，液体部分通过管道进入水解酸化池进行水解酸化和沉淀作用。经过水解酸化后的废水通过泵打入调节池，作为厌氧消化UASB反应器的进水。经过15天的厌氧消化后废水在UASB中通过三项分离器后溢流流入水封池，再溢流分别流入两个沉淀池。经过两次沉淀后的沼液通过管道泵通入氧化塘，沼液则直接用于奶牛场周边的农田灌溉、鱼塘养殖以及回用冲洗牛舍。

奶牛场厌氧消化工艺的主要构筑物的具体运行参数如表1所示

表1 奶牛场厌氧消化工艺主要构筑物运行参数

反应池	尺寸（m）	总体积(m3)	有效容积(m3)	每日进水量(m3)	水力停留时间(d)
集污池	LWH=7.85.24	162	120	40-60	2-3
水解酸化池	H =5.24	85	70	40-50	1-2
调节池	LWH=5.25.24	108	90	40-50	1-2
UASB	H =11.49	900	750	50	15
水封池	LWH=1.81.82	6.5	5	50	/
沉淀池Ⅰ	LWH=9.43.82	71.4	60	50	1
沉淀池Ⅱ	LWH=6.55.62	72.8	60	50	1

2. 厌氧消化工艺效果分析

2.1 COD和SS变化

如图1（A）所示，厌氧消化进水的SS最小值为6.4 g/L，最大值为15.6 g/L，而且存在周期性的增大现象。在第15天和第48天附近，进水SS明显降低，随后浓度又逐步提升至15 g/L左右，这可能与奶牛场对水解酸化池和调节池人工清粪有关，这也表明奶牛场的固液分离以及沉淀效果并不好。而厌氧消化出水的SS为2.5-5.0 g/L，去除率在50%-80%之间波动。厌氧消化过程中SS的去除可能主要是因为UASB中的沉淀和微生物吸附效果，废水中的悬浮物可能只是截留在UASB反应器内，被溶解和水解的只是其中的小部分。出水中2.5-5.0 g/L的SS浓度依然超过国家规定的畜禽养殖业污染排放标准（0.2 g/L）的数十倍。

如图1（B）所示，厌氧消化进水的COD波动较大，COD最低时在3000 mg/L左右，最高时高达7000-8000 mg/L。厌氧消化出水的COD浓度在1500-3500 mg/L范围内波动。COD的去除率波动也很大，最低时仅10%-20%，而去除率最高时在70%左右，低于厌氧消化80%的合理去除率。大多数时间里COD去除率在40%-60%，而且呈现逐步降低的趋势，这可能是因为现场水样测定时间为11月-1月，冬季低温（15-6℃）影响了微生物活性。此外，奶牛场固液分离和水解酸化效果较差，厌氧消化进水中10-15 g/L的高SS浓度导致在UASB内以溶解、分解悬浮物以及水解酸化大分子有机物为主，导致厌氧消化效果不佳。由于奶牛废中含有较高浓度的纤维素木质素以及腐殖酸，这些有机物很难被微生物分解和利用，导致出水COD浓度偏高，1500-3500 mg/L的出水COD远远高于畜禽养殖业污染排放标准。

图1 （A）厌氧消化前后SS变化；（B）厌氧消化前后COD变化

2.2 病原指示微生物的变化

大肠菌群和肠球菌是表征废水中的病原微生物失活的重要指标^[6]。如图2（A）所示，经过15天的厌氧消化后大肠菌群数量从进水的4.7-5.2 log降低至3.2-3.8 log，下降了1.5-2.0个数量级，废水中的大肠菌群的灭活率均在90%以上。厌氧消化工艺对于提高养殖废水生物安全性有重要意义。

如图2（B）所示,厌氧消化的进水中肠球菌群的在4.0-5.5 log，所测数据的误差和数值较大肠菌群都较大，出水的肠球菌数量为3.0-5.0 log，下降了约0.5-1.0 log左右，灭活率为50-70%，肠球菌需要进行后续处理以灭活。和大肠菌群的去除率相比效果较差，说明厌氧消化过程对肠球菌的灭活更难，这可能也与肠球菌本身性质有关。根据文献报道，大肠菌群是革兰氏阴性菌，其细胞壁由富含脂质的外膜和薄肽聚糖层组成，而肠球菌是革兰氏阳性球菌，具有更复杂的细胞壁结构，其细胞壁包含多层厚的肽聚糖^[7]。因此，肠球菌的细胞通透性低于大肠菌群，这导致在同样的处理条件下肠球菌比大肠菌群耐受能力更强更难灭活^[8]。

图2 厌氧消化对肠道指示微生物的失活效果。（A）大肠菌群；（B）肠球菌

3. 结论

（1）受到冬季低温和奶牛场固液分离和水解酸化效果不佳的影响，厌氧消化进水水质波动较大，进水SS和COD分别为10-15 g/L和3000-8000 mg/L。厌氧消化处理后，出水的SS为2.5-5.0 g/L，COD为1500-3500 mg/L，去除率分别为50%-80%和40%-60%。养殖场应该改良固液分离和排泥工艺以避免各反应池中悬浮物的积累，同时在冬季增加保温措施以降低低温对微生物活性的影响。

（2）厌氧消化对大肠菌群数量从进水的4.7-5.2 log降低至3.2-3.8 log，下降了约1.5-2.0个数量级。厌氧消化对肠球菌的灭活效果较差，仅从进水的4.0-5.5 log降低至3.0-5.0 log，下降了约0.5-1.0 log，仍需后续消毒处理。厌氧消化工艺对于提高养殖废水生物安全性有重要意义。

4. 参考文献

[1] 黄海波. 高浓度养猪废水处理工艺研究 [D]. 西北农林科技大学, 2013.

[2] Obaja D., Macé S., Costa J., Sans C., Mata-Alvarez J. Nitrification, denitrification and biological phosphorus removal in piggery wastewater using a sequencing batch reactor [J]. Bioresource Technology, 2003, 87(1): 103-111.

[3] 陈永山, 章海波, 骆永明, 胡冠九, 赵永刚, 宋静. 典型规模化养猪场废水中兽用抗生素污染特征与去除效率研究 [J]. 环境科学学报, 2010, 30(11): 2205-2212.

[4] 乔玮, 尹冬敏, 姜萌萌, 毕少杰, 鞠鑫鑫, 董仁杰. 畜禽粪便和粪水厌氧消化技术分析与展望 [J]. 生物产业技术, 2019, (02): 49-57.

[5] Massimo M., Luca M. Energy Recovery of the Biomass from Livestock Farms in Italy:The Case of Modena Province [J]. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems;ISSN 1848-9257 (Online), 2018, 6(3).

[6] Jiang Y., Dennehy C., Lawlor P.G., Hu Z., Zhan X., Gardiner G.E. Inactivation of enteric indicator bacteria and system stability during dry co-digestion of food waste and pig manure [J]. Science of the Total Environment, 2018, 612: 293-302.

[7] J B.T. Structures of gram-negative cell walls and their derived membrane vesicles [J]. Journal of bacteriology, 1999, 181(16): 4725-4733.

[8] Werner G., Coque T.M., Franz C.M.a.P., Grohmann E., Hegstad K., Jensen L., et al. Antibiotic resistant enterococci-Tales of a drug resistance gene trafficker [J]. International Journal of Medical Microbiology, 2013, 303(6-7): 360-379.