台湾规模猪场废水处理模式 7页

台湾规模猪场废水处理模式1台湾养猪业环境治理总体情况1.1养猪产业对于农业整体的重要性台湾畜牧业中以养猪业为最大宗，2006年养猪业的产值占农产品生产总值的14.72%，占畜产业总产值的47.0%，因此养猪废水处理成为畜牧业的重要工作。1997年口蹄疫事件后，猪肉外销中断使猪价一度大幅下滑，加上美国的猪腹胁肉与杂碎头期肉类于1998年下半年陆续进口的威胁，毛猪在养头数明显减少。猪价并未因为猪肉无法外销而大跌，因为在养头数由1997年的1000多万头减少至1999年7月份的600多万头，故自1998年3月起猪价逐步回升，1998年猪肉每百千克平均交易价格为4520元，较发生口蹄疫的1997年每百千克3581元上涨26%，毛猪全年供应量为980万头，较1997年产量减少14%。猪肉生产量由1997年的1248300t减少到1998年的1080940t，共减少13.41%。由于猪只的持续减产，市场的需求量一如往常，因此1999年7月底的猪肉价格又攀升至每百千克7000元左右。2002年猪肉每百千克平均交易价格为4383元(猪肉生产量935354t)，到2004年每百千克平均交易价格已经攀升到5364元(猪肉生产量898208t)，的后一直下滑到2006年，猪肉每百千克平均交易价格为4955元(猪肉生产量930609t)。目前本省的养猪业者也由以往的副业养猪转变为专业或是企业化养猪。因此，养猪户数逐年由94791(1984年)减至17072(1998年12月)户，再逐年递减到12508(2006年12月)户。在养头数曾由797万头(1997年)递减至678万头(2003年)，再递增到717万多头(2005年)。2006年12月底，在养头数又降低到707万头左右，屠宰头数962万多头(农业统计年报，2006)。养猪废水的问题一直都受到重视。农政单位为了同时顾及养猪产业与环境保护，早已于1991年订定《养猪政策调整方案》积极辅导养猪农民从事废水处理及其他污染防治工作。在放流水标准方面，1998年1月1日至1999年12月31日的标准为BOD(80mg/kg)、COD(400mg/kg)及SS(150mg/kg)，1999年12月31日至2003年12月31日的标准为BOD(80mg/kg)、COD(250mg/kg)及SS(150mg/kg)。环保署因为考虑三段式废水处理设施渐趋老旧及处理效能降低的问题，将标准修正为BOD(80mg/kg)、COD(600mg/kg)及SS(150mg/kg)(2004年1月1日起)。1.2养猪废水处理技术的发展过程1)第二次世界大战期间——利用猪粪尿废水产生沼气予以利用。2)1956年农复会洪维怀先生与台糖研所宋秉南先生设计分批式发酵槽。3)1962年农委会钟博博士改良水封式发酵槽并推广于农家。4)1965年－1970年——水封式发酵槽共推广4135座。5)1971年——养猪专业区成立，并配合建造600座厌气发酵槽。6)1972年——台湾省畜产试验所建造复式发酵槽(上覆橡皮盖)。n↓上覆玻璃纤维储气盖↓袋式橡皮发酵袋(联合工业研究所开发)7)1973年——发展成袋式发酵槽模式，但是经过1年后即发生腐烂而废弃。8)1974年——利用联工所开发的红泥胶皮(RedMudPlastic)材料，再建造橡皮发酵槽，效果良好。9)1976年——开始推广于农家。10)1980年起——积极从事厌气槽的改良。11)1976－1982年——2000户使用红泥胶皮厌气发酵槽。12)1982年——开发出覆皮式厌气发酵槽(上覆红泥胶皮)。13)1990年——台湾省畜产试验所以固液分离后的废水，配合覆皮式厌气发酵槽的厌气处理，再以活性污泥法(图1)为辅的方式处理养猪废水。此即为所谓的三段式废水处理流程。14)1990年至今——以三段式废水处理设施为主，在养头数200头以上猪场的设置率已高达90%。15)1996年分批式养猪废水处理系统(SBR)在新竹县养猪场现场试验成功，可以符合2004年放流水标准，系统已经推广并仍不断在改进提升中。1.3针对养猪废水所做的污染防治措施与推广固液分离后的养猪废水中含大量的有机物质(以BOD与COD为指标)，如果直接排放势必造成河川湖泊等水域的污染。BOD为生化需氧量，而COD为化学需氧量，SS为悬浮固体。以往在养头数200头以上的养猪户才需具备三段式废水处理设施或是其他废水处理设备，但是目前法令规定在养头数20头以上的养猪户即需具备废水处理设施。固液分离后的原废水即使只经过厌气发酵处理，废水中所含的有机物与悬浮固体的去除率皆高达90%左右。为了能符合环保署所定的放流水标准，必需增加使用曝气槽进行活性污泥处理(即好气处理)，以去除更多的有机物。因此，若是能正确操作三段式废水处理设施，其放流水中的BOD与SS应可符合1998年的放流水标准。目前农政单位推广的“三段式猪粪尿废水处理设备”，分为固液分离、厌气发酵及活n性污泥法。台湾省畜产试验所分别于1990年及1993年针对三段式发行《猪粪尿处理设施工程设计、施工手册》初版及修订版，并广为分发至养猪业者。在农政单位积极辅导及环保单位稽查下，养猪业者的废水处理设备设置率由1990年2月的24%，增加目前的93%以上。养猪废水问题已获得相当程度的改善，但仍须继续加强操作技术辅导。目前除了农委会畜产试验所原有的废水处理技术辅导体系外，同时邀请具备废水处理专长的研究单位专家与大专院校学者另组区域性辅导体系，随时应养猪场的需要前往现场辅导。2三段式废水处理设备简介三段式猪粪尿处理系统，主要以生物处理为主，即是利用猪粪尿废水中的微生物(又称活性污泥或厌气污泥)来分解废水中的有机物质，以达到水质净化的目的。其详细流程(图1)与设备功能简述如下：2.1粗栅猪粪尿水中除猪粪尿外，尚有一些大型固体如砂石、树枝或猪毛等，可设置粗栅予以隔除，以维护马达的正常运作。2.2沉沙池主要是分离砂石或较重的异物，以保护抽水马达及分离机网。2.3抽水井用以贮存原废水，并利用自动液面控制器，控制其水量自动抽至分离机进行固液分离。2.4固液分离机作粪尿水固液分离的用，其机型繁多，计有螺旋式、震荡式、滚筒式、真空径流式及水车式等。其中除了螺旋式分离出的固体含水率在65%～70%左右外（但是仅适用于纤维含量高的粪便使用，不适用于猪粪），其余各式的分离固体物含水率皆在85%以上，尤以水车式的成品含水率最高。2.5挤压机通常经固液分离后的固体部分其含水率尚在85%以上，而猪粪堆肥化及最佳含水率在65%～70%。再经过挤压机处理后的固体部分含水率约在65%，因此有必要在固液分离后设置挤压机，以节省人工调整水分的费用。2.6初步沉淀池目的在从经固液分离后的液体部分尽量再取出废水中的固体部分，以缩短水力停留时间(HRT)及降低废水浓度，再以污泥马达定时抽取沉淀污泥至污泥浓缩池中。n2.7覆皮式厌气发酵槽主要在将高BOD的原废水迅速降低至好氧菌适合的BOD浓度。一般而言，厌气菌对高BOD浓度的水质适应性较强，惟需较长的水力停留时间(HRT=10d)，可以去除BOD达90%以上。2.8调整池配合畜舍的废水量来设定容积，通常其HRT为1.3d～2d，主要功能为将每天产生的废水加以贮存，在24h中平均分配至活性污泥池，使活性污泥得以获得连续且稳定的BOD浓度废水，以进行好气处理，进而确保放流水的水质稳定。现已有猪场的废水处理设施，改为将固液分离后的废水，以24h连续进流到厌气槽，以取代厌气槽后的调整池。即是将调整池移至厌气发酵槽前端。2.9活性污泥槽系利用好氧微生物，分解利用废水中的有机物质(如BOD及SS等)，以使水质更净化，达到放流水标准，一般设计容积HRT为1.5d。2.10最终沉淀池终沉池具有澄清与浓缩的双重功用。一方面将混合液沉淀以产生清澈放流水，另方面将沉淀的污泥浓缩，以便污泥的回流或排泥，一般设计容积HRT为4h。3三段式废水处理设备的操作要点目前所普遍使用的三段式猪粪尿废水处理设施，为早期农委会畜产试验所研发推广的典型畜牧场废水处理设施。此处理设施包括厌气发酵槽、调节槽、曝气槽及终沉池等设施，所以占地广。前段的厌气发酵操作简便又有沼气可利用，在猪粪尿废水处理中扮演着非常重要的角色。在正常操作下，固液分离后的废水经厌气发酵处理，可去除90%左右的有机物质。厌气处理的操作仅须定期废弃污泥，就可以发挥预期的效果。厌气发酵后所残余的COD和BOD，仍需要利用曝气槽内活性污泥处理废水加以去除以符合放流水标准。好气处理的效果视活性污泥槽(曝气槽)中溶氧与污泥量而定，溶氧应保持在1mg/kg以上。如果溶氧低于0.5mg/kg时，废水中微生物的生长将受到限制。除此的外，为了能维持适当的食微比(食物/微生物；BOD/MLSS)，除了控制厌气发酵后的BOD值(即控制适当的厌气处理水力停留时间)外，仍需要依据每日所监测的活性污泥量SV30(%)，以适时调节污泥回流量或是废弃过剩污泥。根据多年的现场操作经验，为维持最适当的SV30(%)(应介于15%～30%的间)，目前建议畜牧场新建的厌气处理槽的HRT调整为4～6d，以提供足够的BOD维持曝气槽适量的SV30。最后一步处理是让废水流入终沉池内，活性污泥即沉淀于终沉池底部，只有上清液流出。如果由活性污泥槽流出的水是淡棕色而且没有粪臭味，则表示活性污泥有作用。当曝n气槽内的SV30(%)小于15%，则必须增加终沉池的污泥回流到曝气槽内。曝气槽与终沉池的过剩污泥也要适时加以废弃，污泥可抽至污泥浓缩槽再使用污泥脱水机协助污泥的处理。挤压成型的污泥饼及固液分离后的固形物可制作成有机肥。一般废水的操作管理只重视硬件的操作与槽体大小的调整，厌气处理槽加大或是增加鼓风机马力数等。三段式养猪废水处理设施的原理是利用废水生物处理技术的一种废水处理方式，所以必须将微生物学观念与自动控制技术导入废水的操作管理中，才能将废水妥善处理并达到环保单位的放流水标准。4台湾养猪废水处理技术的另一种选择三段式废水处理设备虽然占地较大，但却能有效减少养猪污染，对于环境保护仍有贡献。固液分离段和厌气段操作容易，又能去除绝大部分的污染，是三段式中最有利用价值的部份，而第三段的标准活性污泥法(维持曝气槽的活性污泥量及终沉池的污泥回流量)的操作不易，故仍有改善的空间。而分批式废水处理反应槽(图2)的设备简单且占地面积较小，仅需一个曝气槽兼具反应和沉淀功能。它的操作简单仅需定期废弃污泥，不需回流污泥。如果将分批式废水处理反应槽接在厌气发酵的后，将可获得有沼气可利用与得到自动化处理的便利。分批式反应槽为一个兼具反应和沉淀的功能的单元废水处理槽，不需要额外的终沉池设施，且由标准活性污泥法改装容易。其操作简单，仅需定期废弃污泥，本身即具备自动化能力。SBR系统已被利用于养猪废水处理的研究，但是仅有少数研究真正应用于现场的猪粪尿废水处理。反应槽基本上为一进料/排水交替式的活性污泥处理系统，所要处理的废水依时间设定进入反应槽内，再进行批次式的处理模式。简言的，典型的分批式反应槽的操作，每一个循环可区分为五个操作阶段即：1)进水期(fill)；2)反应期(react)(曝气与搅拌动作)；3)沉淀期(settle)；4)排水期(draw)；5)滞留期(idle)。其中可设定反应期内的曝气与停止曝气时间交替操作的循环次数，以达到预期的处理效果。处理后的废水再经过一定时间的沉淀后，仅将上清液排出反应槽。利用滞留期可将过剩的污泥抽出槽外。台湾动物科技研究所改良原有的分批式废水处理系统，并实际应用于台湾养猪场的废水处理工作，同时导入微生物学的原理与观念，因此每个操作循环的阶段改良为：1)进水期；2)反应期(曝气与搅拌动作)；3)沉淀期；4)排泥及排水期；5)滞留期。每天每批次排水前先进行排泥动作，以避免活性污泥的老化，而影响废水处理效率。整个操作程序由原先的定时器系统逐渐改为计算机程序化控制系统(PLC)，不但使操作时间更准确，同时改进操作接口，使养猪农民更容易操作，提升养猪业者的使用意愿。4.1分批式反应槽的优缺点1)优点：若把SBR接在三段式废水处理设施的厌气处理槽后方，将可同时获得沼气的利与自动化操作的便。2)缺点：若是单不使用SBR系统，则无沼气可供仔猪保温及沼气发电的用。4.2分批式废水处理系统操作实例n分批式废水处理设施早已于1994年于现场做初次测试，将固液分离后的原废水直接送入分批式处理系统中处理，试验结果良好其放流水符合1993年放流水标准，故于1995年再于新竹县另选一猪场作进一步测试。示范猪场位于新竹县，其饲养头数约500多头，每日废水量约为15～18m3。其猪场的基本数据如下：1)猪粪尿处理方式：三段式猪粪尿废水处理设施。2)固液分离：使用固液分离机。3)厌气处理：使用卧置式厌气槽并覆盖红泥塑料布。4)好气处理：使用活性污泥法来处理。实场操作的废水处理设施是以原有的三段式废水处理设施后段加以修改，即仅将其曝气槽与终沉池修改为分批式废水处理系统。现场的操作结果显示此系统可有效去除废水中的BOD、COD及SS，并可达到当年(1998年)及目前2004年的放流水标准。现场的能源消耗情形因分批式采用间歇曝气方式，故较三段式为省电，约可节省1/3的电费。由于分批式废水处理设施的高处理效率、节省人力与电力资源、占地面积小及简易的操作管理等优点，因此在2000年后也陆续有养猪业者主动要求将废水处理设施修改为分批式废水处理系统，台湾动物科技研究所都会提供废水处理设施设计图，及协助畜牧业者新建废水处理设施，同时指导畜牧业者操作管理的要领与技术。台湾动物科技研究所以提供海外畜牧场废水处理技术顾问咨询及废水处理厂的设计图服务。5三段式猪粪尿废水处理设施与分批式废水处理反应槽的比较5.1系统比较5.1.1三段式废水处理设施目前所普遍使用的三段式猪粪尿废水处理设施因为包括厌气发酵槽、调节槽、曝气槽及终沉池等设施，所以占地广。前段的厌气发酵操作简便又有沼气可利用，所以养猪户多有厌气槽越大越好的想法，而兴建较大的厌气槽。但是为了去除厌气发酵后的COD，必需要供给活性污泥足够的BOD，因此维持适当的曝气槽内食微比是非常重要的。为了能维持适当的食微比，除了控制厌气发酵后的BOD值(即控制适当的厌气处理水力停留时间)外，仍需要依据每日所监测的SV30(第30min时的活性污泥量)，以适时调节污泥回流量或是废弃过剩污泥。终沉池的污泥也要适时加以废弃，以免因污泥在终沉池内停留过久，造成污泥上浮而影响放流水水质。因此，第三段活性污泥法的操作管理对于畜牧业者而言是最困难的一段。台湾动物科技研究所导入微生物学及自动控制观念指导业者使用定时器与手动阀，以自动控制每日的污泥回流量及污泥废弃量，使曝气槽内的活性污泥不会老化。5.1.2自动化分批式反应槽(SBR)为单槽设计可独立操作的废水处理设施，仅需再配合一个能储存原废水的储水槽即可，所以占地面积较小(表2)。此反应槽兼具曝气槽与终沉池的功用，对于小型养猪场可单独使用直接处理原废水，而对于在养头数1000头以上者，则建议配合厌气发酵槽使用，以减少曝气所需的能源消耗。其全部流程皆使用自动控制电箱配合液位控制器来操作所有设施，所以操作简便，仅需依据SV30的变化适时排泥即可。2种废水处理系统的比较详见表1与3。n5.2成本比较5.2.1三段式废水处理设施根据1994年省畜试所的统计数据显示三段式废水处理设施的处理成本，以在养头数5000～9999头的养猪场最低仅137元/头。而以在养头数1000头以下的养猪场最高为352元/头。在养头数2500～4999头间各规模的处理成本相当，并无太大差距。至于三段式废水处理设备的投资成本，以年在养平均头数而言，仍是以1000头以下的养猪场最高为1696元/头。而以平均在养头数29776头的企业化养猪场最低仅318元/头。以上数字仅供参考，实际成本应各场环境条件的差异而有所不同。5.2.2分批式反应槽系统因为分批式反应槽系统可以旧有的三段式处理系统的曝气槽与调节槽稍加修改。以1996年新竹县示范户为例，改装成分批式废水处理设施包括新设置的污泥晒干床1座、烤漆板屋顶2座及水电部分，其设施的修改成本约为1085元/头。如果养猪业者场内已设有污泥晒干床或是污泥脱水机，则可降低修改成本。另外，以2005年苗栗县海口地区在养900头的养猪场其新建分批式废水处理系统(含固液分离、厌气发酵槽及SBR处理槽等)，包括槽体建筑、固液分离机及水电设备安装等仅需750000元，即设施投资成本约为833元/头，相较于三段式废水处理设施的投资成本1696元/头(1000头以下猪场)，SBR的设置成本较低。故不同的养猪场可能有不同的状况，所需的修改成本亦不同。例如，如果原有曝气槽的容积足以使用分批式模式来处理废水，则所需的成本将降低。反的，如果原有曝气槽的容积太小，则必需另外建造新的处理槽，所需的成本将相对提高。如果原有的三段式废水处理设施中的曝气槽太小，则可参考表2的SBR参考槽体容积以兴建新的反应槽。土木工程的建造成本(由土木承包商提供)与每头猪的平均成本详见表5。每头猪所需的土木工程成本与规模大小成反比，亦即在养头数越多，则其每头猪的平均成本越低。至于水电部分则视各场的情况而异，故在此不作评估。由使用的电力能源来比较(表4)，因为三段式采连续性进料，故为确保放流水水质，其第三段活性污泥法必需实行24h连续曝气方式。然而，分批式反应槽为分批进料处理模式，即处理完成一批废水后再进行另一批废水处理，并采间歇性曝气，故分批式反应槽所消耗的电费较三段式为低。6结论三段式废水处理是目前台湾最常使用的畜牧废水处理方式，尤其是处理养猪废水。在政府与农民为养猪废水的污染防治工作共同努力多年下，养猪废水已有妥善的处理，因此养猪废水不再是严重的污染问题。大多数的养猪农民也注意到养猪污染对环境的影响，并知道该珍惜自己的生活环境。学者专家也正努力的研究改善猪只饲料效率的方法，以避免猪粪尿废水中过量的氮磷污染到河川湖泊，造成优养化。在台湾大约93%以上的养猪户已具备废水处理设备，这项数字显示养猪废水污染已被有效控制，以及其推广的效果。为了让台湾的养猪业能永续经营，养猪户与专家学者将更努力以使处理后的废水能符合放流水标准。分批式废水处理反应系统可自动化操作，已经成为养猪农民较佳的废水处理方式选择。