规模猪场污水多级处理系统中重金属总量及其形态变化特征郭瑞华

第34卷第6期农业工程学报Vol.34No.62102018年3月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMar.2018规模猪场污水多级处理系统中重金属总量及其形态变化特征郭瑞华1,2，靳红梅※1,2，吴华山1,2，黄红英1,2，叶小梅1,2，徐跃定1,2，郑孟杰3（1.江苏省农业科学院循环农业研究中心，南京210014；2.农业部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站，南京210014；3.河海大学环境学院，南京210098）摘要：为探明畜禽养殖场污水处理过程中重金属总量及其形态变化特征，以苏南地区一规模猪场的污水处理工程为研究对象，系统分析了夏、冬两季各处理环节（厌氧消化、多级沉淀、水生植物处理）出水中Cu，Zn，As，Pb，Cr浓度变化。结果表明：夏季污水中Cu，Zn，As，Pb，Cr总体积浓度分别为4024.9，6656.0，22.9，193.8，319.6μg/L，冬季分别为6490.3，11687.9，89.3，152.0，351.7μg/L。除夏季总As外，其他均高于国家农田灌溉水质标准。经多级沉淀和水生植物处理后，出水中各重金属总量显著降低（P0.05），均符合国家农田灌溉水质标准。夏季Cu，Zn，As，Pb，Cr的去除率分别达99.5%，99.2%，62.2%，88.7%，91.6%，冬季分别达99.8%，99.0%，91.0%，90.1%，87.9%。溶解态重金属含量变化复杂，总体上看，多级沉淀联合水生植物处理对污水中溶解态重金属有降低的作用，但夏季效果低于冬季。除夏季总As外，污水中其他重金属总量及其溶解态含量变化与pH值呈负相关，所有重金属总量与溶解态含量均与EC呈正相关。采用厌氧消化-多级沉淀-水生植物联合处理技术可有效降低猪场污水中重金属总量及其溶解态含量，提高养殖污水农田利用的安全性。关键词：污水；重金属；废水处理；规模猪场；多级处理；化学形态doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.027中图分类号：X713文献标志码：A文章编号：1002-6819(2018)-06-0210-07郭瑞华，靳红梅，吴华山，黄红英，叶小梅，徐跃定，郑孟杰.规模猪场污水多级处理系统中重金属总量及其形态变化特征[J].农业工程学报，2018，34(6)：210－216.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.027[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2018,34(6):210－216.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.06.027引言中国是生猪养殖大国，截至2016年生猪存栏43504万头[1]。随着猪场养殖规模的不断扩大，其排放的粪尿相对集中，所带来的环境污染问题日渐引起各国政府的高度关注[2-3]。2017年，国务院办公厅印发《关于加快推进畜禽养殖废弃物资源化利用的意见》，凸显了现阶段中国政府对畜牧业环境污染防治的重视与决心，其中规模猪场粪污治理是重中之重。厌氧消化产沼气技术是规模猪场粪污（特别是污水）处理的有效途径，在中国猪场运用广泛，被认为是发展种养结合循环农业的重要纽带[4]。厌氧消化后的沼液含有丰富的营养物，如氮、磷、钾[5]，可作为肥料进行农田利用，也是沼液消纳最有效的方式[6]。然而，由于养殖过程中大量添加（如Cu，Zn等）、微量添加（如As）或饲料中带有的重金属（如Pb，Cr等），大部分未被利用而随收稿日期：2017-11-02修订日期：2018-02-28基金项目：国家自然科学基金面上基金项目（21577052）；江苏省重点研发计划面上项目（BE2017363）；江苏省农业科技自主创新资金项目（CX(16)1003-1，CX(17)1005-4）作者简介：郭瑞华，研究方向为农业废弃物资源化。Email：[e-mail]※通信作者：靳红梅，副研究员，博士，研究方向为农业废弃物无害化与资源化。Email：[e-mail]着猪粪尿直接进入环境[7]。以江苏省规模猪场为例，粪便中Cu，Zn质量浓度分别为35.7～1726.3和113.6～1505.6mg/kg，As为4～78μg/kg，Pb和Cd分别为4.22～82.91和23.21～64.67mg/kg[8]；猪粪经厌氧消化后，其中的重金属浓度会出现“相对浓缩效应”，最终富集到沼液和沼渣中[9]。值得关注的是，猪粪厌氧消化后其中的重金属形态会发生深刻的变化[9-11]，可能增加还田后的环境安全风险。同时，厌氧反应过程理化性质（如pH值和电导率等）也是影响沼液重金属形态分布的主要因素[9-10]。沼液还田利用是其最有效的消纳方式。有些猪场厌氧消化环节每天产生沼液，而产生时间与作物需肥时间并不同步，同时为了进一步降低沼液中的有害物质（主要关注病原菌、氨等），畜禽养殖场产生的沼液通常会在沉淀塘或贮液罐放置数月。近年来，在养殖场周边农田紧张的南方水网地区，沼液经多级沉淀（或氧化）后，利用水生植物进一步生物处理，能有效去除其中的污染物，且投入少、能耗低、运行维护简便，成为很多猪场污水处理的重要环节[12]。目前，对于养殖污水中的污染物的去除主要关注化学需氧量、总氮、总磷、氨氮的变化特征，而对规模养殖场污水处理系统中重金属的总量及形态变化特征鲜有报道。本研究以苏南地区某粪污处理设施较为完备的规模第6期郭瑞华等：规模猪场污水多级处理系统中重金属总量及其形态变化特征211生猪养殖场为对象，探讨了冬季和夏季猪场污水处理各环节中主要重金属（Cu，Zn，As，Pb和Cr）的总浓度及其溶解态浓度变化特征，以期为养殖污水中重金属的有效消减提供理论支撑，为规模猪场粪污农田安全施用和环境风险评价提供科学依据。1材料与方法1.1养殖场基本情况选择江苏省苏南地区一个规模生猪养殖场，位于苏南典型农区，常年生猪存栏量10000头以上，占地面积约34hm2[13]。猪场污水处理过程示意详见图1。猪舍采取干清粪工艺清粪方式，清粪率≥40%，清理出的粪便转移至有机肥厂做堆肥原料，剩下的粪污进入进料池，后被泵入一级厌氧发酵罐（容积1500m3），排出的发酵液再进入二级发酵罐（容积1200m3），最终排出的污水（通常称为沼液）进入储存池。猪场夏冬两季污水总产生量分别约为13556和8116m3，沼气工程的水力停留时间（hydraulicretentiontime，HRT）约为9～12和15～18d。该猪场自粪便收集到污水输送均采用雨污分离；储存池中的沼液通过管道依次进入一级（池容15000m3）、二级（池容10000m3）和三级（池容5000m3）沉淀塘，经处理后的污水进入水生植物塘（面积约600m2），沉淀塘和生物塘均为开放系统，未能做到雨污分离，水生植物为凤眼莲（Eichhorniacrassipes）和空心莲子草（AlternantheraPhiloxeroides），经水生植物的深度净化后，最终出水和堆肥产品还田利用。本研究工作开始于2014年秋季，后续每年在春、夏、秋、冬分别进行连续取样分析。本研究仅选取了2016年夏季和冬季的数据进行分析，当年该猪场商品猪出栏数22535头，各阶段养殖情况详见表1。表12016年猪场各养殖阶段基本情况表Table1Basicstatisticsofeachbreedingstageinmonitoringfarmin2016饲料主要成分指标Maincomponentoffeed养殖阶段Breedingstage存栏量Breedingstock饲养周期Feedingperiod/d体质量Weightrange/kg饲料采食量Feedconsump-tion/(kg·d–1)粗蛋白Crudeprotein/%P/%Cu/(mg·kg–1)Zn/(mg·kg–1)繁殖母畜Pregnantsow1135365200~3594.014.50.655~1040保育Weaner4563603~251~1.517.00.703080育成育肥Fishier53229025~1101.5~3.513.50.5510601.2样品采集与分析1.2.1采样方法样品采集时间为2016年夏季（8月23―25日）和冬季（12月26―28日）。由于后续各级沉淀塘均未加盖处理，因此雨水的汇入会造成开放系统中重金属浓度的降低。为减少雨水对开放系统重金属浓度的影响，在取样时间选择上尽量避免在暴雨后取样。2016年8月和12月取样区平均降水量分别为95.7和49.5mm，取样前一天和取样期间未有降雨。8月23，24，25日温度范围分别为26.9～33.2，24.6～33.6，25.1～35.1℃，12月26，27，28日温度范围分别为6.3～9.8，1.7～6.3，–1.6～6.7℃。注：T0-T5分别为污水收集池、厌氧发酵出料口、一级沉淀塘出水口、二级沉淀塘出水口、三级沉淀塘出水口和水生植物塘出水口。Note：T0,T1,T2,T3,T4andT5indicatefeedingpool,outletofprimarysedimentationpond,secondarysedimentationpond,tertiarysedimentationpond,andaquaticplantpond,respectively.图1猪场污水处理过程及各处理单元取样示意图Fig.1Flowchartofwastewatertreatmentinswinefarmandsketchofsamplingsitesineachtreatmentstep粪便采集：在粪便堆肥处（图1）分上、中、下3个层次分别采集猪粪500g，装入取样桶（20L）中混匀，混匀后采集一部分测含水率，另一部分进行加酸（4.5mol/LH2SO4，添加比例为5∶1（质量体积比），便于保存）预处理，用于测定其他指标或留样备用。养殖污水取样点设置在不同处理环节的出水口（图1中T0，T1，T2，T3，T4，T5）。采用自制取水器，将取样器浸入液面下有效水深的一半处采集样品，每个出水口设置3个采样点，每个采样点连续采集数次，将所采样品倒入取样桶中混合均匀后分装。一部分用于测定pH值、EC，溶解态重金属含量，另一部分加酸预处理（用稀H2SO4调节pH值2，便于保存）测定其中的重金属总量。样品保存方法参照文献[14]执行。1.2.2分析方法1）常规指标测定猪粪含水率：称取适量猪粪，放入105℃烘箱中烘干至恒质量，采用差值法计算；猪粪挥发性固体（volatilesolid，VS）：称取适量烘干的猪粪，放入马弗炉（SRJX-4-13，天津市泰斯特仪器有限公司）中550℃高温灼烧6h，冷却后称质量计算；猪粪有机质、总磷和总氮：依据有机肥行业标准[15]测定，其中总磷以P2O5计；污水pH值：采用精密pH计（PHS-2F，上海精科-上海雷磁）测定；污水电导率（electricalconductivity，EC）：采用电导率仪（DDS-307，上海精科-上海雷磁）测定。2）重金属含量测定猪粪重金属含量：将猪粪样品放于烘箱（DHG-9076A，上海精宏实验设备有限公司）中60℃烘至