随着养猪业的向规模化方向发展,养猪废水的集中排放量越来越大,给环境造成了严重威胁,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,常见的工程处理技术以序批式活性污泥法(SBR)、升流式厌氧污泥床(UASB)及其组合工艺为主,主要用于经固液分离预处理后的水泡粪养猪废水和干清粪养猪废水的处理,存在管理复杂、运行成本高等不足。无论是干清粪养猪废水,还是经固液分离预处理后的水泡粪养猪废水,都具有高氨氮、低C/N比的特征,如何在高效去除氨氮的同时实现有效脱氮是养猪废水处理的重点和难点。以氨氮的去除和有效脱氮为目标,融合土壤渗滤处理成本低和生物滴滤池占地面积较省的优点,提出并构建了一种土壤-木片填料生物滤池(SWBF),就其处理干清粪养猪废水的效能和机制进行了研究。以木片填料滤池(WBF)和砾石填料滤池(GBF)为对照的启动和运行试验证明,以SWBF处理干清粪养猪废水在技术上是可行的。对于COD和氨氮分别为181-509 mg/L和192.8-802.0 mg/L的干清粪养猪废水,在表面水力负荷(SHL)为0.2 m3/m2·d的条件下,SWBF在氨氮和总氮去除方面具有显著优势,去除率分别可达83.8%和41.3%。SEM观察发现,在SWBF中的木片和土壤颗粒表面,生物膜形态更加多样,且有更多氨氧化细菌(AOB)的富集,是SWBF高效去除氨氮的主要生物学机制。COD去除/TN去除分析表明,木片为反硝化脱氮提供了部分碳源。SHL对SWBF处理效能的影响研究结果表明,处理干清粪养猪废水的适宜SHL为0.2 m3/m2·d。在进水COD浓度为266 mg/L左右(氨氮浓度约为467.7 mg/L),SHL为0.08 m3/m2·d的条件下,系统的COD、氨氮和总氮去除率分别平均为60.7%、84.2%和34.8%。当SHL提高为0.2 m3/m2·d后,系统的COD和氨氮平均去除率分别降低为60.3%和68.9%,但总氮去除率显著提高,达到了43.5%左右。当SHL进一步提高到0.32 m3/m2·d后,系统仍能保持稳定运行,但对COD、氨氮和总氮去除率分别降低到了56.9%、53.3%和20.9%。由于生猪养殖的周期性,养猪场排放的废水水质也随之发生显著改变。为此,探讨了SWBF在SHL 0.2 m3/m2·d下,进水水质对系统去除效能的影响。结果表明,在进水COD浓度从152 mg/L(氨氮175.5 mg/L)分阶段提高为326 mg/L(氨氮568.7mg/L)和421 mg/L(氨氮788.7 mg/L)后,系统的COD平均去除率从52.3%提高到了61.2%,而氨氮去除率则从84.2%降低到了61.5%。系统的最佳总氮去除率43.5%则出现在进水COD 326 mg/L(氨氮568.7 mg/L)的条件,此时系统的COD和氨氮去除率分别为58.0%和68.9%。相对于水质变化,SWBF对SHL的变化更加敏感,而且脱氮作用比氨氮去除受SHL变化影响更明显。鉴于SBR是目前干清粪养猪废水处理的主要工艺之一,对比分析了其与SWBF在处理效果、技术经济性方面的差异。结果表明,在处理水量相同,SWBF的SHL为0.2 m3/m2·d、SBR曝气时间为5 h的条件下,两者COD去除率相当,平均分别为48.2%和45.6%,而SWBF的氨氮平均去除率显著高于SBR,分别为78.1%和64.0%。对于处理水量为200 m3/d的干清粪养猪废水处理工程,在出水水质均满足GB18596-2001排放要求的前提下,两者的工程投资大体相当,但SWBF较SBR的直接运行费用低63%,且在运行管理方面更加简易。在上述试验的各个稳定阶段,测量滤床10、30、50、70、90、110 cm处土壤样品中污染物的含量,结果表明废水中有机物在30 cm之上的区域基本降解完成,而50 cm深度是木片腐败物积累最多的区域。土壤中氨氮含量在50 cm或30 cm深处出现峰值,而硝态氮含量沿深度方向均表现为升高趋势,但升高速率逐渐变缓。在阐明主要污染物在滤池纵深方向的变化规律基础上,重点研究了氨氮在SWBF中的扩散和转化机制,构建出水氨氮浓度与滤床高度间的函数关系,是用于废水处理工程SWBF滤床高度设计的理想工具。SWBF的微生物群落结构分析及污染物去除的生物学机制研究表明,系统中的溶解氧随滤床深度递减,但厌氧微环境的分布是相对均匀的。SWBF沿深度存在不同的功能区,在70 cm深度细菌种类最为丰富,降解木质纤维素的微生物主要集中在0-50 cm的滤层,在90-110 cm深度区间存在大量降解萜烯类化合物的细菌类群。木质腐解成为异养反硝化菌群的一种内在碳源。10-50 cm深度区域的氮代谢以氨氮氧化、亚硝态氮氧化和异养反硝化为主,而在70-110 cm深度区域,硝态氮的异养还原和厌氧氨氧化则是脱氮的主要途径。