推广应用畜禽养殖污水处理专利技术
促进养殖业可持续发展
武汉益生泉生物科技开发有限责任公司
武汉市高新大道666号，光谷生物城C6-301，430075
2018. 6. 6
提 要
我国是养殖大国，养猪数量占全球的一半。畜禽养殖所产生的废弃物年产生量高达38亿吨，是主要的污染源之一。现有的常规技术处理养猪污水多不能达到排放标准,或者成本太高，难以推广应用。解决畜禽养殖污水带来的环境问题已迫在眉睫。
应用以人造生物膜专利技术为核心集成的养猪污水处理新工艺，其特点是以生物技术处理为主，结合相关的配套措施，除磷、脱氮，使养猪污水处理后达标排放或回用，并能从污水中回收资源，实现污水、污泥零排放。该处理系统结构比较简约，便于操作管理，节省能耗和基建投资；也可用于改造现有污水处理设施，提高净化效率，节省投资。在广东省惠州市建立的养猪污水处理的示范工程通过惠州市环保局组织的验收。迄今已运行7年来，实现了污水达标回用、无污泥排放。此新工艺在继后的更大规模养猪场中推广应用，也取得到了验证。
此项新工艺是由武汉益生泉生物科技开发有限责任公司自主研发的，包括有人造生物膜、高磷、高氨氮污水处理及资源回收方法等项国内、外专利技术。核心技术产品获得自主创新产品证书和环境友好型产品证书，纳入政府优先采购产品目录。2015年入选科技部、环保部、住建部、水利部四部联合分布的《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》，现正在各地推广应用中。
关键词：人造生物膜 畜禽养殖污水处理 污水处理新技术 环保专利产品
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畜禽养殖污水处理新技术的来源及特点
1.核心技术来源及背景
武汉益生泉生物科技开发有限责任公司（以下简称武汉益生泉）系由中国科学院资深研究员和海外留学生组建的以科技开发为主的高新技术企业。
畜禽养殖污水处理新技术是以武汉益生泉自主研发的《人造生物膜》、《高磷、高氨氮污水处理及资源回收方法》及《人造生物膜漂浮悬挂式装置》等项专利为核心技术，集成相关配套措施的污水处理技术方案。
人造生物膜专利技术与产品应用于高浓度有机污水处理、富营养化水体、制药污水、养殖污水处理等都取得了良好效果，中央电视台科技之光栏目曾有《清污高手-人造生物膜》的专题报道；先后获得武汉市科技进步奖、国际发明展会奖、华创杯及光电之星创新创业大赛奖；是科技部创新基金项目、《3551》人才计划引进项目，人造生物膜产品获自主创新产品证书环境友好型技术产品证书，列入政府优先采购目录；《人造生物膜-强化污水处理及污泥减量新技术》入选科技部科技惠民先进科技成果，2015年12月入选科技部、环保部、住建部、水利部四部联合发布的《节水治污水生态修复先进适用技术指导目录》，当前正在大面积推广应用。
2.核心技术特点、优势
人造生物膜是微生物与生物强化技术相结合的专利技术。其特点是产品具有不流失、安全、高效、长效、可重复使用、不为其它生物所吞噬等特点，在水环境治理和净化中独具优势。应用人造生物膜处理高浓度有机废水可提高污水净化效率，削减剩余污泥。人造生物膜抗逆性强，对有生物毒性物质有较强的耐受性，可用于制药、制革等难度大的废水治理。
人造生物膜现有膜片型、颗粒型和微囊型等三种基本剂型。可用于流动水体和底质治理，也可与不同类型的水处理设备、组装配套使用；还可针对不同治理对象的特点，组装不同的应用菌株，适应范围广泛；省能源、无噪音污染，应用成本低。
人造生物膜为核心的集成技术系统在惠州市汝湖养猪场处理养猪污水的实例，证明了以人造生物膜为核心的成套技术的应用效果，能达到排放标准，并实现污水污泥零排放；也可对原有污水处理设施进行改造，提高其净化效率，详情介绍于后。
养猪污水处理新技术的应用实例
- 万头养猪场污水处理-创新基金示范工程项目
汝湖农场养猪场是惠州市龙头企业源茵畜牧科技有限公司的下属单位之一，养猪场污水处理采用了武汉益生泉公司《人造生物膜》等项专利为核心技术、集成配套措施的治理方案，是科技部创新基金项目的示范工程之一。
此示范工程建成运行至今已逾7年。对此净化系统运行过程中各净化单元对污水的净化效果，多次现场取样进行了较详细的观测，并由惠州市环保监测站先后在氧化塘和人工湿地取样检测，结果均证明水质指标达到或优于珠三角的排放标准。实现了污水、污物无害化、资源化，促进循环经济的发展，为养猪污水处理开辟了新的有效途径。
1.1 污水处理工艺流程
应用新技术处理养猪污水工艺简约，在沼气发酵后的沼液通过固液分离和调质池时结合去磷措施，然后进入1-3级人造生物膜反应池进一步去磷、脱氮，再进入氧化塘即可达到排放标准，实现中水回用,人工湿地可根据当地现场情况而定。
图1. 污水处理工艺流程示意图
自污水净化系统开始运行后，对系统中各个单元的净化功能进行了较长时间的现场观测。主要检测水质指标及结果列入表1。
表1.汝湖农场养猪场净化系统各部分水质检测结果 (mg/L)
|
项 目 |
COD平均值 |
TP平均值 |
氨氮平均值 |
|
调节池（进水） |
743 |
56.2 |
558.7 |
|
调节池（出水） |
624 |
34.6 |
539.7 |
|
人造生物膜一级池 |
564 |
29.0 |
442.0 |
|
人造生物膜二级池 |
210 |
21.4 |
322.4 |
|
人造生物膜三级池 |
182.5 |
12.1 |
166.3 |
|
氧化塘 |
149 |
3.75 |
53.7 |
|
去除率% |
80 |
93.3 |
90.4 |
|
备 注 |
13次检测数据 |
11次检测数据 |
11次检测数据 |
1.2人造生物膜COD去除效果分析
先后13批次采样检测各单元水样COD数据表明，系统进水COD值在493-1023 mg/L之间，平均值为743mg/L，出水COD值为149mg/L,去除率达80%。远低于国家和珠三角地区的380mg/L和400mg/L畜禽污水排放标准。1-3级人造生物膜合计去除COD总量达60%。可见人造生物膜在去除污水中的COD发挥了很好的作用。图2.
1.3 处理系统去除总磷的效果分析
在污水处理过程中，磷的去除是比较困难的。在此净化系统中采用人造生物膜与化学除磷相结合的方法，取得了良好效果。见图3.
沼液中的总磷含量在46-70 mg/L之间，平均值为56.2 mg/L，经处理后降低至3.75 mg/L，去除率达93.3%，比法定标准7mg/L低得多。
比较各净化单元去磷的效率：在经过调节池后的出水，总磷的平均含量由56.2mg/L下降至34.6mg/L,去除率为38.4%；在1-3级人造生物膜处理池中，磷的含量由34.6下降至12.1mg/L,去除率达到40.0%；在氧化塘中进一步去除了残余部分磷，最终出水中的磷平均含量仅3.75mg/L，去除率达93.3%。
1.4 养猪场污水资源化—氮、磷回收
磷是紧缺资源，又是水体富营养化的主要因素。猪场废水中氨氮，正磷酸盐和可溶性镁的含量都高，在适合条件下，它们可反应生成磷酸镁铵沉淀而分离回收，也可以直接将沉淀浓液作为肥料使用。
1.4.1 通过磷酸鎂銨结晶工艺从养猪污水中回收磷、氮，生成磷酸镁铵肥料
利用污水中的磷、氨氮和镁离子形成含有氮、磷、镁三种营养元素的缓释优质肥料--磷酸鎂銨。据报道，法国有人施用这种肥料后马铃薯增产一倍，小麦增产50%，三叶草和蔬菜增产40%。此外，磷酸鎂銨也可作为家禽饲料添加剂使用。
1.4.2应用人造生物膜聚磷菌生成多聚磷酸盐结晶
这种物质移出系统外，不仅除磷，它还具有在能源、医药、可降解材料等多方面的用途和更高的应用价值。
1.5 净化系统去除氨氮效果分析
汝湖农场养猪场沼液中氨氮含量在490-768 mg/L之间，平均值为558.7 mg/L，经处理后下降至53.7 mg/L，去除率达90.4 %。优于国家和珠三角地区的排放标准。
分析各个处理单元中的氨氮去除量可见，在调节池中氨氮的去除率约为3.4%；而在1-3级人造生物膜处理池中，氨氮由539.7mg/L下降至166.3mg/L，去除量和去除率分别达373.4mg/L和66.8%。再通过氧化塘氨氮下降至53.7mg/L，去除率达90.4%。
1.6 处理系统各单元净化效果的分析
检测数据表明，COD、TP和氨氮几项主要水质指标在人造生物膜1-3级处理阶段下降幅度都是最大的（图5）。表明人造生物膜在这一净化系统中的核心、主导作用。
1.7 污水处理系统的协同净化效果
以人造生物膜为核心技术的处理系统中，还包括有机械构件和植物等配套单元，各净化单元具有的功能相互补充，发挥协同作用，达到更好的净化效果。如在人造生物膜降解大分子有机物后的产物，可在氧化塘被植物吸收利用，去除残余的氮、磷等。
由以上检测、分析数据证明，本系统具有很好的净化高浓度有机废水的效果，特别是脱氮、去磷效率高。水质检测指标均显著优于珠三角和国家的畜禽养殖污水排放标准。
惠州市环境监测站先后在氧化塘和人工湿地所取水样的监测结果再次认定了人造生物膜为核心技术的净化系统的应用效果；中国环保产业协会和深圳市环保产业协会的领导和专家一行和多个养猪企业老总考察了示范点，并当场取样送深圳市南山环境监测站检测了COD、总磷两项水质指标，也印证了污水净化效果（表2）。
表2. 惠州市及深圳南山区环境监测站检测报告(mg/L) 2011.6.14-2012.11.21
|
检测项目 |
采样点 |
CODcr |
BOD5 |
氨氮 |
SS |
TP |
pH (无量纲) |
|
|
国家标准值 |
- |
400 |
150 |
80 |
200 |
8 |
6-9 |
|
|
珠三角标准值 |
- |
380 |
140 |
70 |
160 |
7 |
6-9 |
|
|
惠州检测
日期/ 检测值
|
6.14 |
氧化塘 |
178 |
52 |
28.3 |
49 |
- |
8.74 |
|
9.20 |
氧化塘 |
145 |
- |
3.93 |
52 |
4.73 |
7.45 |
|
|
9.20 |
人工湿地 |
97 |
- |
092 |
42 |
0.88 |
7.09 |
|
|
深圳检测 日期/检测值 |
11.6 |
人工湿地 |
94 |
40 |
6.02 |
18 |
2.4 |
7.07 |
|
11.21 |
氧化塘 |
74 |
|
|
|
6.64 |
|
|
总之，以人造生物膜为主，配合相应的处理措施，可以有效地去除COD，并脱氮、除磷，使难处理、难降解的养猪污水得到净化，并且从中回收部分有用资源。
2. 十万头养猪场污水处理新建工程
10万头养猪场污水处理是一新建工程项目。日处理养猪污水350吨，经黑膜沼气发酵后的沼液采用人造生物膜为核心技术的新工艺，实现了达标排放标准。
图6.10万头新建养猪场污水处理工程现场
图7.10万头养猪场污水处理效果
3. 养猪污水处理改造工程项目-龙南养猪场
龙南养猪场规模较大，年出栏12万头，日处理污水量也由此增大至450-500吨，原有设施不能满足污水处理要求。采用人造生物膜为核心技术对其进行改造，达到与新建污水处理系统相似的效果。其主要优点为：
3.1利用原有的构筑物为基础，不另增加构造物，节省基建投资
以人造生物膜为核心技术的净化系统，以生物技术为主，集成了必要的物化措施，除磷脱氮，削减COD等。在调质池之后，经人造生物膜1、2、3级处理、氧化塘即可达标排放或回用。
图8.12万头头养猪场污水处理COD动态曲线
图9.12万头头养猪场污水处理氨氮动态曲线
图10.12万头头养猪场污水处理总磷动态曲线
3.2 在低碳条件下也能达标，净化效果好
特别是在业主改用黑膜沼气发酵后，出现了COD/NH4-N比值很低、在不加C源的条件下，人造生物膜加氧化塘组合，可使氨氮去除率达95.5%，使出水COD低于100mg/l、 NH4-N达20mg/l。
3.3 超负荷运行、减少化学制剂投入
在污水量由450t/d增至600t/d左右时，仍然使出水总磷浓度降至8mg/l左右，且减少了化学除磷剂的投入。
3.3 基本无污泥排放
人造生物膜不同于活性污泥法，处理过程中无需加入絮凝剂等化学物质，节省药物费用和药物的负面影响，基本没有剩余污泥排放和后续处理费用，大幅削减了畜禽养殖对环境的负荷。
3.4 节省能耗
净化系统在运行中不需持续曝气，节省能耗。
3.5 削减异味
应用人造生物膜为核心的养猪污水处理示范工程的结果显示，猪场污水处理区内基本无臭气，显著改善了周边人居环境。
3.6 操作方便、节省人力、节省运行成本
人造生物膜为核心技术的治理方案的优势，可以节省运行费用：能耗、药剂、污泥处置费用和人工管理费用。吨水处理成本远低于其他沼液处理工艺。
4. 家禽批发及屠宰废水处理改造工程
深圳一家禽批发市场有鸡、鸭、鹅等暂养和屠宰加工废水，包括有家禽的粪便、屠宰的血水及内脏残留物等，是高浓度的有机废水。原有污水处理设施仅可处理150T/d,但后来日处理量已扩展到450吨-500吨。采用人造生物膜技术和产品，充分利用了原有污水处理设施，仅增加了总量60吨的人造生物膜移动床，成功的提高了净化效率，扩增了日处理量，达到预期治理目标（图.11-12）。
图11-12.家禽暂养及屠宰废水处理扩增改造工程效果
这一事例再次说明应用人造生物膜能有效提高净化效率，可以在改造老、旧设施中发挥作用，扩展原有设施的处理能力，节省用地和土建投资、省时、省事，对于寸土寸金区域，解决了周边无可扩展之地的困难。
社会、经济效益分析
畜禽养殖业是我国的一大产业，直接关系人民生活需要和养殖业的健康发展，是改善生态环境、节能减排的重大课题，其社会意义及可能产生的经济效益不言而喻。特别是近期国务院发布的《水污染防治行动计划》（水十条）、《土壤污染防治行动计划》（土十条）提出了具体要求和目标，迫切需要改善养猪污水处理现状。
1.社会效益
本项目实施的目标在于应用人造生物膜及其配套措施，提高养猪、家禽暂养、屠宰污水净化效率，推广应用高效、低成本、适合国情的养猪污水处理新工艺，支持养猪业的可持续发展。
应用人造生物膜处理养猪污水的新工艺和操作规程，突破了常规治理技术难关，达到排放标准。推广应用此项新技术、新工艺，必将降低养殖业对我国环境污染的巨大压力，为建设资源节约、环境友好两型社会作贡献。以万头猪场为例，每年可以减少的排放量列入表3：
表3. 万头猪场100/d沼液处理减排量的估算
|
项 目 |
进水浓度mg/l |
达标浓度mg/l |
减排量kg/年 |
|
COD |
1000 |
400 |
21900 |
|
TP |
60 |
8 |
1898 |
|
NH3-N |
700 |
80 |
22630 |
2.节省基建投入
养猪污水处理新技术的工艺简约，没有特别复杂的构筑物，节省基建投资；对已有污水处理设施但未能达标的养猪场，也可以在原有基础上加入人造生物膜提高污水处理净化效率，进行升级改造，可节约资金。
3.节能、运行费用低
人造生物膜为核心的治理技术充分利用养猪场现有条件，促进污水的资源化和重复利用。此外，应用新工艺，不需连续通气，可节省能耗约30%。管理方便，吨水综合运行费用较一般处理方法低30-50%。
4.资源回收利用
4.1利用猪粪发酵沼气作为能源，提供猪场能源，沼渣作为肥料回收利用；
4.2由污水中回收N和P可做复合肥料，用于果树、蔬菜、花卉。按本方案实施，磷的回收率高，进一步加工为生物肥料，还有升值空间。至于多聚磷酸盐的回收具有更高的应用价值。
4.3污水回用养鱼、灌溉，减少用水量，还能节省水费开支。
4.4氧化塘和人工湿地可种植水生植物，除了吸收残余的氮磷外，还可生产青饲料，创造价值，冲销环保成本。
为了改善养殖环境，大力推广应用污水处理新技术，在不同地区建立新的示范点，公司竭诚欢迎相关各方携手合作，为实现节能减排、净化环境、改善民生，支持养殖业可持续发展共同努力！
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