本书针对我国养猪场废水处理技术存在的主要问题，尤其是生物脱氮的难题，以规模化生猪养殖场干清粪废水处理技术的创新研发历程为主线，系统总结了笔者课题组十余年的研究成果。在对国内外相关研究及工程实践进行充分调研的基础上，以养猪场废水碳氮磷同步高效去除为目标，分析了生物滴滤池、微氧活性污泥法和生物膜法、A/O与Anammox耦合工艺等技术的优势及将其用于干清粪养猪场废水处理的可行性，明确了拟解决的关键技术问题。在此基础上，重点介绍了土壤-木片生物滤池、枯木填料床和PVC填料床A/O系统、升流式微氧活性污泥和生物膜系统、好氧-微氧两级SBR系统等技术的研发成果，并提供了养猪场废水处理工程技术方案案例。 本书兼具理论性、技术性和实用性，可供资源与环境、环境科学与工程、市政工程、生态农业等领域的科技工作者、管理者以及研究生等参考。

第1章绪论
　　生猪养殖的规模化发展，造成了养猪场废水的大量集中排放，给环境生态安全和人体健康带来了不容忽视的潜在威胁，如何经济有效地对其进行处理，以满足日益严格的排放标准，成为养猪业可持续发展的迫切需求。目前，我国养猪场常用的猪舍清粪方式包括发酵床（不直接产生废水）、水冲粪、水泡粪及干清粪等，由其产生的废水在水质水量上相差很大。尽管厌氧生物处理技术、好氧生物处理技术及其组合工艺在养猪场废水处理中都有应用，但因缺乏针对性设计，大多设施的运行效果欠佳，且存在管理复杂、运行成本高等不足，给企业带来沉重经济负担的同时，也加大了环境污染风险。无论是干清粪废水，还是经固液分离后的水泡粪或水冲粪养猪场废水，均具有高氨氮、低碳氮比的特征，采用传统的硝化反硝化工艺很难实现有效的生物脱氮，是养猪场废水处理的重点和难点。本章主要介绍了养猪场废水处理技术研发的背景及意义、猪舍清粪方式及废水特征、养猪场废水处理技术研究进展、低碳氮比废水生物脱氮技术研究现状，以及现有技术面临的问题与解决思路等，为后续研发养猪场废水处理新技术提供指导。
　　1.1 技术研发背景及意义
　　生猪养殖业是我国农业生产的重要组成部分，对国家经济的发展和人民生活水平的提高均有不可替代的作用[1， 2]。随着猪肉市场需求的持续增加，养猪业得到迅速发展。我国在2011年的生猪产量已占到全球产量的一半以上，是世界公认的养猪大国[3]。受市场需求的刺激，散养的传统养殖方式已逐步被现代化的规模化养殖所替代[4]。20世纪80年代后期，规模化养猪业开始迅速发展，至2009年，规模化养猪场的比例已超过了60%[5]。农业部《全国生猪生产发展规划（2016—2020年）》显示，未来10年我国猪肉消费仍然占肉类消费的60%，养猪业仍会以1%～2%的年增长速率发展[6]。据国家统计局统计，2020年我国生猪出栏数虽然比2019年下降了3.2%，但仍然多达52704万头[7]。规模化养猪场的迅速发展，造成了养猪场废水的大量集中排放，成为我国许多地区的重要污染源之一。
　　2020年6月，生态环境部、国家统计局、农业农村部联合发布的《第二次全国污染源普查公报》显示，我国畜禽养殖业所排放的化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、氨氮（ammonium nitrogen，NH4+-N）、总氮（total nitrogen，TN）和总磷（total phosphorus，TP）分别达到了1000.53万吨、11.09万吨、59.63万吨和11.97万吨。其中，规模养殖场因污水排放的COD、NH4+-N、TN和TP分别为604.83万吨、7.50万吨、37.00万吨和8.04万吨。富含氮磷植物营养元素的养猪场废水，是良好的作物肥料，农田回用是理想的处理处置途径之一。然而，我国土地资源趋紧，规模化养猪场产生的大量废水，面临“无地可用”的局面，必须对“过量”的废水进行必要处理，并达到国家要求的排放标准[《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）][8]，以确保生态环境健康。
　　养猪场废水的成分复杂，污染物浓度高，不经有效处理而排放，不仅会对大气、水体和土壤等自然环境造成污染，还可能导致疫情发生[9-12]。目前，我国的养猪场废水处理，一般采用以厌氧消化和好氧生物处理为核心的联合工艺[13， 14]。这些废水处理技术，均可做到COD的达标排放，但对NH4+-N、TN和TP的去除效能并不理想[15]。由于养猪场废水都具有高氨氮、低碳氮比（carbon-nitrogen ratio，C/N）的特征，通过传统的全程硝化反硝化或短程硝化反硝化工艺对其进行生物脱氮处理非常困难，而且工程占地多，处理费用高，严重制约了规模化养猪业的持续健康发展[16]。以先进科学思想为指导，通过多学科交叉研究，创新研发更加经济高效的养猪场废水处理技术，对于环境保护和养猪业的可持续发展具有重要意义。
　　1.2 规模化养猪场的清粪方式及废水特征
　　目前，规模化养猪场采用的猪舍清粪方式主要有以下四种工艺：发酵床工艺、水冲粪工艺、水泡粪工艺和干清粪工艺[17， 18]。规模化养猪场废水的水质特征，因清粪工艺不同而差异显著[19]。
　　1.2.1 发酵床工艺
　　发酵床工艺*初由日本鹿儿岛大学研发，其技术思想是：利用自然农业理论和微生物处理技术实现猪舍粪尿的“自动”清除和发酵，以控制粪便排放量和养猪场废水的过度排放[20]。该技术是在普通猪舍内铺设有机垫料（主要为谷壳、米糠、锯末和秸秆粉等），猪的粪便和尿液等被有机垫料吸收混合，并由其中的微生物迅速分解和消化，养殖过程中无废水排放[21]。发酵床养猪工艺因无须人力清粪和猪舍冲洗，养殖成本大幅降低，也无须配套废水处理设施，经济效益显著。但是，这一生猪养殖模式存在的问题也比较显著，如：生猪饲养密度较低，要求更多的用地和猪舍建设成本；发酵床的温度和湿度易受季节变化的影响，有机污染物的矿化水平很难控制；为保证发酵床内微生物的代谢活性，猪舍不能使用消毒剂和抗菌药，极大增加了牲畜疫情隐患；垫料需要定期更新，且需求量和工程量都比较大，从另一个方面增加了猪舍管理成本[21， 22]。正是由于发酵床技术存在如上突出问题，其在规模化养猪场的应用受到了很大限制。
　　1.2.2 水冲粪工艺
　　水冲粪这一猪舍清粪方式，是用水冲洗猪舍，使混有粪便、尿液和饲料残渣等污染物的粪污流入猪舍内的粪沟，粪沟由冲水器每天定时多次冲洗，将粪水混合物冲入排污主干沟，*终储存于储粪池内[17， 18]。这种清粪方式能够及时有效地清除猪舍内的粪便、尿液以及饲料残渣等污染物，以保证猪舍的环境卫生，有利于人畜健康；而且不需要人工清粪，劳动强度小，效率高，人工成本低，更适用于劳动力缺乏的地区。但是，该清粪方式也存在耗水量大，易造成水资源严重浪费等不足。而且，这种猪舍管理模式形成的水冲粪废水，其有机物和悬浮固体浓度高，处理难度大。据统计，水冲粪养猪场废水中的COD、五日生化需氧量（biochemical oxygen demand within 5 days，BOD5）、NH4+-N、TN和TP含量分别为6500～15000 mg/L、3300～10000 mg/L、600～1200 mg/L、800～1500 mg/L和204～600 mg/L，属于典型的高有机物高氨氮废水[18]。
　　1.2.3 水泡粪工艺
　　水泡粪这一清粪方式是对水冲粪工艺的改进，其工艺设计特点是猪舍地面通常采用漏缝结构，漏缝板下设置蓄粪池，蓄粪池内始终保持一定的水深，猪的粪便、尿液、饲料残渣以及猪舍冲洗水均通过漏缝流入蓄粪池内进行储存和发酵后，定期排放并进一步处理处置[23]。漏缝板地面使猪舍更加通风、清洁和干爽，有利于猪群的健康生长，而且运行维护费用较低。与水冲粪相比，该清粪方式能够减少饲养及冲洗用水量，粪便中的可溶性有机物在蓄粪池内经长时间的浸泡后，更易于被微生物转化，便于后续处理[23， 24]。然而，猪粪及尿液等废物长时间储存于漏缝板下的蓄粪池内，容易发生厌氧发酵，产生硫化氢（H2S）、氨（NH3）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等有害气体，进而对饲养人员以及猪群的健康造成威胁。蓄粪池中的废水较水冲粪废水的污染物含量略高，其COD、BOD5、NH4+-N、TN和TP含量分别为5340～20000 mg/L、3312～12000 mg/L、516～1500 mg/L、805～1800 mg/L和59～130 mg/L，也是典型的高有机物高氨氮废水[18]。
　　1.2.4 干清粪工艺
　　干清粪这一猪舍管理模式，是指先由机械或人工收集并清除猪舍中的粪便后，再冲洗猪舍，尿液和冲洗水从下水道流出，因而大幅减少了冲洗用水量。干清粪过程收集的猪粪便，具有较高的肥料价值，可以用于农田施肥和土壤改良[17]。而猪舍冲洗形成的干清粪废水主要由尿液和冲洗水组成，有机物浓度较水冲粪废水和水泡粪废水均有大幅降低，利于后续处理。干清粪工艺更适用于规模化养猪场，调查显示，养猪场规模越大，采用干清粪猪舍管理模式的比例越高[18]。但是干清粪工艺所需劳动强度较大，人工成本较高，在劳动力资源匮乏的地区，其推广受到一定限制[17]。由于干清粪的清理程度不同，导致干清粪养猪场废水中的污染物浓度波动较大。一般而言，干清粪管理模式下所产生的废水，其COD、BOD5、TP、NH4+-N和TN分别为1000～7600 mg/L、700～4100 mg/L、43～220 mg/L、434～610 mg/L和481～730 mg/L[18]。相对于水冲粪和水泡粪废水，干清粪废水的C/N值更低，进一步增加了生物脱氮处理的难度。
　　尽管近些年国家大力提倡环保型养猪技术，发酵床工艺受到重视和推广，但干清粪工艺在规模化养猪场仍然被广泛采用。鉴于其高氨氮低C/N的特征，开发更为经济高效的生物处理技术，尤其是生物脱氮技术和设备的研发，可为我国生猪养殖业的健康发展提供技术保障。
　　1.3 规模化养猪场废水处理技术研究现状
　　鉴于养猪场废水的环境和健康危害，其处理技术在国内外都得到了广泛研究和应用。就现有技术来看，尽管工艺形式多变，但基本方法可概括为还田模式、自然处理模式和工程化处理模式等三种[25]。
　　1.3.1 还田处理模式
　　还田模式是将从猪舍清理出的粪污，直接施用于农田，通过土壤和作物生态系统的作用，将污染物转化并得到稳定，起到肥沃土壤、促进作物生长的作用[10]。限于土壤生态系统的环境容量，这种处理模式需要足够的土地来消纳粪便污水，因此仅适用于远离城市、土地资源充足的地区。该处理方法不需要复杂的设备，基建投资少，耗能低，不但可以减少化肥用量，还能维持并提高土地肥力，提高作物产量和品质。但其不足也是显著的，如[26]：①对于规模化养猪场，其粪水排放量大，需要大量土地用于消纳（万头猪场粪水消纳所需的耕地面积至少为1000亩），使其适用范围受到很大局限；②养猪场废水直接还田，增加了疾病传播风险；③污染物降解过程产生的H2S等有害气体，直接进入大气，形成二次污染并很难控制；④连续过量的施用，很可能导致重金属、硝酸盐以及一些持久性有机污染物在土壤中累积，不仅对作物品质和食品安全造成威胁，还可能污染地表水和地下水；⑤在雨季以及非用肥季节，还需另外考虑养猪场废水的处理处置。
　　1.3.2 自然处理模式
　　自然处理模式是利用自然生态系统或半人工生态系统对养猪场废水进行处理，主要包括稳定塘和人工湿地等技术，在气候温和、闲置土地资源相对充裕的地区，其应用较为广泛，常用于中等养殖规模（年出栏在5万头以下）养猪场的废水处理[10， 26]。在经济相对发达、土地资源丰富的北美国家，还田和自然处理得到了更为广泛的应用。对美国四个人工湿地处理养猪场废水的效果比较研究表明，在氮负荷不大于16 kg N/（hm2 d）的情况下，人工湿地对养猪场废水中氮的去除比较理想，去除率能够达到51%左右，在温度较高的季节（平均水温25℃），湿地对氮的去除率能达到70%左右，同时也能去除30%～45%的磷[27]。对墨西哥湾68处共135个中试和生产规模的湿地系统的调查结果表明，湿地对畜禽养殖废水的BOD5、NH4+-N、TN、TP和悬浮固体（suspended solid，SS）的去除率分别在65%、48%、42%、42%和53%左右[28]。总体而言，自然处理方法具有投资少、运行管理方便、对周围环境影响小等优点[29]。然而，这种处理模式的土地占用面积大，对地下水具有较大威胁，处理效果容易受季节温度影响而不稳定，因此，即便是在闲置土地资源较为充足的我国北方地区，其应用也受到了很大限制。
　　1.3.3 工程化处理模式
　　工程化处理模式是指采用人工控制的物理、化学和生物过程对养猪场废水进行处理的方法，具有占地面积少、受环境因素影响小、适

目录
自序
前言
第1章　绪论　1
1.1　技术研发背景及意义　1
1.2　规模化养猪场的清粪方式及废水特征　2
1.2.1　发酵床工艺　2
1.2.2　水冲粪工艺　3
1.2.3　水泡粪工艺　3
1.2.4　干清粪工艺　4
1.3　规模化养猪场废水处理技术研究现状　4
1.3.1　还田处理模式　4
1.3.2　自然处理模式　5
1.3.3　工程化处理模式　5
1.4　低碳氮比废水生物脱氮技术研究现状　7
1.4.1　全程硝化反硝化生物脱氮理论与工艺　7
1.4.2　短程硝化反硝化理论与工艺　8
1.4.3　同步硝化反硝化技术　9
1.4.4　厌氧氨氧化理论与工艺　10
1.5　现有技术面临的问题与解决思路　13
1.5.1　存在问题分析　13
1.5.2　生物滤池处理养猪场废水的应用潜力　16
1.5.3　养猪场废水微氧生物处理的可行性　17
1.5.4　A/O与Anammox耦合工艺的技术可行性　21
参考文献　23
第2章　土壤-木片生物滤池处理养猪场废水的效能与机制　31
2.1　填料与生物滤池的比选　31
2.1.1　填料　32
2.1.2　生物滤池的构建与运行控制　32
2.1.3　生物滤池的污染物去除特征　34
2.1.4　生物膜的观察与功能菌群解析　40
2.1.5　生物滤池处理效果的对比分析　42
2.2　土壤-木片生物滤池的处理效能　44
2.2.1　实验装置及运行控制　45
2.2.2　SWBF的启动与连续运行　46
2.2.3　SWBF处理效果的综合分析　54
2.3　土壤-木片生物滤池在纵深方向上的污染物去除规律　56
2.3.1　水质沿滤床深度的变化规律　56
2.3.2　SWBF出水氨氮浓度与滤床深度的函数关系　63
2.4　土壤-木片生物滤池的细菌群落分布特征　69
2.4.1　细菌群落的总体特征　69
2.4.2　细菌群落的分布特征　72
2.5　土壤-木片生物滤池的污染物去除机制　76
2.5.1　SWBF去除难降解有机物的微生物学机制　76
2.5.2　SWBF生物脱氮的微生物学机制　79
参考文献　83
第3章　枯木填料床A/O系统处理干清粪养猪场废水的效能与脱氮机制　91
3.1　枯木填料床A/O处理系统的构建及调控运行方法　91
3.1.1　枯木填料床A/O系统的构建与运行模式　91
3.1.2　枯木填料床A/O处理系统的启动与调控运行方法　92
3.2　枯木填料床A/O处理系统的启动运行　93
3.2.1　枯木填料床A/O处理系统的启动运行控制　93
3.2.2　枯木填料床A/O处理系统的COD去除及沿程变化规律　94
3.2.3　枯木填料床A/O处理系统的氨氮去除及沿程变化规律　96
3.2.4　枯木填料床A/O处理系统的总氮去除及脱氮途径解析　100
3.3　HRT对枯木填料床A/O系统处理效能的影响　105
3.3.1　枯木填料床A/O处理系统的HRT调控运行　105
3.3.2　HRT影响下的COD去除规律及沿程变化　105
3.3.3　HRT对氨氮去除的影响　108
3.3.4　HRT对总氮去除的影响　109
3.3.5　枯木填料床A/O系统的生物脱氮功能分析　110
3.4　改良枯木填料床A/O系统的处理效能　114
3.4.1　改良枯木填料床A/O系统的构建与调控运行　114
3.4.2　改良枯木填料床A/O系统的COD去除特征　115
3.4.3　改良枯木填料床A/O系统对氨氮的去除特征　117
3.4.4　改良系统的总氮去除及生物脱氮功能分析　119
3.4.5　填料与生物相的观察分析　123
3.5　枯木填料床A/O系统处理效能及生物脱氮机制讨论　125
3.5.1　枯木填料床A/O系统改良前后的处理效能分析　125
3.5.2　枯木填料床A/O系统生物脱氮机制讨论　127
参考文献　129
第4章　PVC填料床A/O系统处理干清粪养猪场废水的效能与机制　132
4.1　HAOBR系统的设计与构建　133
4.2　HAOBR系统的启动与调控运行　134
4.2.1　实验废水及接种污泥　134
4.2.2　HAOBR系统的启动与运行调控　135
4.3　HAOBR系统的启动运行特征及去除污染物的微生物学机理　136
4.3.1　HAOBR系统在启动运行期的污染物去除变化规律　136
4.3.2　HAOBR系统的生物脱氮途径解析　143
4.3.3　污染物去除的微生物学分析　147
4.4　HRT和出水回流比影响下的HAOBR处理效能　153
4.4.1　HRT对HAOBR处理效能的影响　153
4.4.2　出水回流比对HAOBR处理效能的影响　164
4.4.3　HAOBR系统的格室功能解析　174
4.5　HAOBR系统的碳氮同步去除机制　177
4.5.1　HRT和出水回流比影响下的微生物群落演替
及功能菌群解析　177
4.5.2　厌氧格室和好氧格室对主要污染物的去除特征　192
4.5.3　碳氮同步去除机制综合分析　197
参考文献　201
第5章　升流式微氧活性污泥系统处理干清粪养猪场废水的效能与机制　207
5.1　升流式微氧活性污泥反应器及废水处理系统　207
5.2　接种污泥对UMSR启动进程与处理效能的影响　209
5.2.1　UMSR的启动与污泥培养　209
5.2.2　UMSR的污泥驯化与废水处理效果　215
5.2.3　接种污泥对UMSR处理效能的影响　224
5.3　基于出水回流比调控的UMSR处理效能　235
5.3.1　UMSR的出水回流比调控方法　235
5.3.2　出水回流比对UMSR处理效能的影响　237
5.3.3　出水回流比阈值分析　250
5.4　废水碳氮比对UMSR处理效能的影响及控制策略　253
5.4.1　废水碳氮比对UMSR处理效果的影响　253
5.4.2　废水碳氮比阈值分析　255
5.4.3　干清粪养猪场废水碳氮比的调控策略　259
5.5　UMSR处理系统的碳氮同步去除机制　262
5.5.1　出水回流比与进水碳氮比影响下的群落演替　262
5.5.2　功能菌群变化与UMSR系统处理效能的关系　267
5.5.3　碳氮同步去除机制综合分析　272
参考文献　275
第6章　干清粪养猪场废水处理技术扩展研究　281
6.1　填料床A/O系统在常温下的启动运行特征与效能　281
6.1.1　HAOBR在常温下的启动和运行调控　282
6.1.2　HAOBR系统在常温下启动运行的常规污染物去除特征　282
6.1.3　HAOBR系统在常温下持续运行的常规污染物去除效能　286
6.1.4　HAOBR系统在常温下的抗生素去除特征　290
6.1.5　HAOBR系统厌氧区与好氧区的功能分析　292
6.2　生物膜对升流式微氧处理系统的效能强化　295
6.2.1　UMBR系统的启动与运行调控　296
6.2.2　UMBR系统的启动运行特征　297
6.2.3　UMBR系统的调控运行及效能分析　301
6.3　UMSR与UMBR系统在较低温度下的运行特征与效能　306
6.3.1　温度降低对UMSR系统运行特征及处理效能的影响　307
6.3.2　UMSR系统在20℃以下的运行特征与处理效能　312
6.3.3　UMBR系统在常温下的运行特征与处理效能　316
6.4　升流式微氧生物处理系统的改良及处理效能　321
6.4.1　IAMR系统及其启动运行方法　321
6.4.2　IAMR系统的启动运行特征与处理效能　323
6.4.3　IAMR系统生物脱氮机制解析　326
6.4.4　IAMR系统处理效能的比较分析　332
6.5　好氧-微氧两级SBR系统处理干清粪养猪场废水的效能　334
6.5.1　好氧-微氧两级SBR处理系统　335
6.5.2　好氧-微氧两级SBR系统的启动与运行调控　336
6.5.3　一级好氧SBR的启动运行特征　337
6.5.4　二级微氧SBR的启动运行特征　339
6.5.5　好氧-微氧两级SBR系统的处理效能　342
参考文献　343
第7章　养猪场废水处理工程技术方案案例　350
7.1　某养猪场水泡粪粪水处理工程技术方案　350
7.1.1　粪水处理规模及方案设计依据　350
7.1.2　粪水水质分析及设计水质　351
7.1.3　关键技术的选择　352
7.1.4　工艺设计　354
7.1.5　建筑结构与电气自控设计　359
7.1.6　工程投资估算　361
7.1.7　粪水处理设施运营费用估算　362
7.1.8　工程效益分析　364
7.2　某养猪场干清粪废水处理设施升级改造技术方案　364
7.2.1　工程概况　365
7.2.2　原废水处理工程存在的主要问题及升级改造关键技术　367
7.2.3　升级改造工程的工艺比选　370
7.2.4　工艺流程设计及处理效果预测　372
7.2.5　升级改造工程的工艺设计　374
7.2.6　暖通与电气自控设计　378
7.2.7　工程投资估算　379
7.2.8　运行费用估算与效益分析　380
7.3　某养猪场干清粪废水处理工程技术方案　382
7.3.1　设计的水量水质及范围　382
7.3.2　工艺流程设计及说明　383
7.3.3　工艺设计及效果预测　385
7.3.4　电气及自控设计　389
7.3.5　工程投资概算及处理成本估算　390
7.3.6　效益分析　392
参考文献　392
附录　缩略语（英汉对照）　394