SBR工藝同步去除屠宰廢水高濃度氮磷

賈艷萍，王 瑩，張?zhí)m河，李 軍

（1東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

應(yīng)用技術(shù)

SBR工藝同步去除屠宰廢水高濃度氮磷

賈艷萍1，2，王 瑩1，張?zhí)m河1，李 軍1

（1東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

研究了采用序列間歇式活性污泥法（SBR工藝）同步去除屠宰廢水中高濃度氮、磷和COD。結(jié)果表明，SBR工藝采用分步進(jìn)水，避免了硝化階段NO3-N和NO2-N的積累，能夠提供生物除磷所需的厭氧環(huán)境。在溫度為35 ℃、污泥齡為14天的條件下，采用兩種成分廢水作為原水（預(yù)發(fā)酵廢水和屠宰廢水混合），經(jīng)過3個(gè)月的啟動(dòng)，當(dāng)原水中TP、TN和COD濃度分別為36.5 mg/L、226 mg/L和2615 mg/L時(shí)，TP、TN和COD的去除率分別高于96%、95%和95.5%，出水中TP、TN和COD濃度分別低于1.4 mg/L、10.8 mg/L和95 mg/L。

預(yù)發(fā)酵；序列間歇式活性污泥法；屠宰廢水；分步進(jìn)水

屠宰場排放的廢水中含有大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，且COD較高。在過去的20年里，屠宰廢水中的生物脫氮和COD的去除一直備受人們的關(guān)注，而磷的去除則尚未引起人們的重視。有關(guān)生物脫氮和COD的同步去除工藝已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并且已成功的應(yīng)用在屠宰廢水的處理上[1-4]。國內(nèi)外的一些學(xué)者已經(jīng)將序列間歇式活性污泥法（SBR法）成功地應(yīng)用到了屠宰廢水的處理上[5-10]。但是，有關(guān)磷的去除仍然只停留在化學(xué)法沉淀處理上，屠宰廢水中生物除磷主要存在以下兩個(gè)難題[11-12]：①廢水中常含有大量的氨和有機(jī)氮，這些氮通過完全的硝化作用產(chǎn)生大量的硝酸鹽，磷的去除需要不同的厭氧和需氧/無氧環(huán)境，而大量硝酸鹽的存在破壞了水體中的厭氧環(huán)境，使得系統(tǒng)很難保持厭氧環(huán)境，這樣對(duì)開發(fā)一種穩(wěn)定和可靠的生物除磷工藝是一個(gè)障礙；②屠宰廢水中富含大量的脂肪、油及油脂，當(dāng)將其直接添加到活性污泥系統(tǒng)中時(shí)會(huì)使污泥的可沉降性變差，因此應(yīng)在生物脫氮之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。

本研究主要利用序列間歇式活性污泥法（SBR工藝）同時(shí)去除屠宰廢水中高濃度氮、磷和 COD，通過調(diào)整曝氣量和進(jìn)水時(shí)間控制好氧、缺氧、厭氧條件，及時(shí)去除影響生物除磷效果的硝酸鹽，避免硝酸鹽的積累。同時(shí)在本實(shí)驗(yàn)中配備一個(gè)預(yù)發(fā)酵反應(yīng)器[13-16]，當(dāng)屠宰廢水不能滿足碳源需求時(shí)，用它提供額外的揮發(fā)性脂肪酸（VFA）進(jìn)行生物脫氮除磷。

1 材料和方法

1.1 廢水特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)用水取自吉林省某屠宰場廢水，廢水進(jìn)入SBR之前進(jìn)行4天預(yù)發(fā)酵處理。預(yù)發(fā)酵過程中不接種微生物，而是利用原屠宰廢水中微生物進(jìn)行發(fā)酵，將溫度保持在 35 ℃。預(yù)發(fā)酵過程可降低脂肪、油脂和COD的濃度，同時(shí)產(chǎn)生可生物降解的COD，尤其是VFA（VFA的含量是生物除磷的關(guān)鍵）。預(yù)發(fā)酵的廢水與屠宰廢水性質(zhì)的比較見表1。SBR運(yùn)行期間進(jìn)水指標(biāo)的變化如表2所示。

1.2 主要分析項(xiàng)目和檢測方法

COD采用重鉻酸鉀法；NH4-N采用納氏試劑光度法；NO2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3-N采用紫外分光光度法；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；MLSS采用烘干恒重法；溶解氧濃度（DO）采用JYD-1A型溶解氧測定儀測定；pH值采用pHs-2C型pH計(jì)測定；磷酸鹽采用氯化亞錫還原光度法；揮發(fā)性脂肪酸采用碳酸氫鹽堿度和揮發(fā)性脂肪酸分析的聯(lián)合滴定法。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

SBR反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，反應(yīng)器內(nèi)徑為10 cm，有效容積為3.5 L，通過時(shí)間繼電器控制每一周期的反應(yīng)時(shí)間，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣泵的進(jìn)氣流量。實(shí)驗(yàn)開始階段，并未接種去除磷的活性污泥。在第60天時(shí)，在反應(yīng)器中接種0.5 L（MLSS 4000 mg/L）含有大量聚磷菌的活性污泥，以提高磷的去除率（接種的聚磷菌污泥來自于實(shí)驗(yàn)室取得良好除磷效果的 A/O除磷工藝）。該裝置采用溫控儀控制溫度35 ℃，以7 h（進(jìn)水→曝氣5 h→沉降1 h→靜置1 h→排水）作為一個(gè)操作循環(huán)周期來處理屠宰廢水。曝氣階段的溶解氧控制在1.5～2 mg/L。經(jīng)過沉淀階段后，反應(yīng)器中0.5 L上層清液被排掉，水力停留時(shí)間為38 h，污泥齡控制在14天，pH值7.5～8.3。該工藝?yán)肙RP（氧化還原電位）控制反應(yīng)器中缺氧期的硝酸鹽濃度，除沉淀、排水和第1次進(jìn)水外，采用反應(yīng)器進(jìn)行攪拌。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

本研究采用兩種進(jìn)水方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。一種分步進(jìn)水，每個(gè)循環(huán)中分3次進(jìn)水，0.5 L原水分別以0.25 L、0.15 L和0.1 L 3次注入到反應(yīng)器中（分別在操作周期的0 h、3 h、5 h進(jìn)水）。另一種一步進(jìn)水，沉淀后SBR循環(huán)周期由一個(gè)非曝氣期和一個(gè)曝氣期構(gòu)成，在非曝氣期開始時(shí)向SBR系統(tǒng)中加入體積為0.5 L原水。一步進(jìn)水的曝氣期和非曝氣期與分步進(jìn)水的運(yùn)行時(shí)間相等，其它操作過程相同。

表1 不同類型的廢水特點(diǎn)

表2 SBR運(yùn)行過程中進(jìn)水指標(biāo)的變化

圖1 SBR實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR系統(tǒng)氮磷的去除

圖2表明在分步進(jìn)水的情況下，SBR工藝6個(gè)月的運(yùn)行過程中進(jìn)水與出水COD、氮、磷濃度的變化情況。經(jīng)過2周的培養(yǎng)，COD的去除率高于90%，60天后COD的去除率高于95.5%，如圖2（a）所示。從SBR系統(tǒng)出水中NH4-N濃度的減少可以看出，在不到1周的時(shí)間已經(jīng)將硝化過程進(jìn)行完全，而反硝化過程進(jìn)行并不完全。在系統(tǒng)運(yùn)行前30天，反應(yīng)器中出水的 NOx-N（NO3-N+NO2-N）達(dá)到 50 mg/L。為了促進(jìn)反硝化作用，在第30天時(shí)，在進(jìn)水中添加VFA（即150 mg/L乙酸和60 mg/L丙酸），出水中NOx-N濃度下降為10 mg/L，如圖2（b）所示。圖2（c）表明，由于循環(huán)中硝酸鹽的存在和系統(tǒng)中缺乏嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，在前 60天中磷并未去除，且聚磷菌（PAO）的代謝受到抑制；在第 60天時(shí)將富含聚磷菌的0.5 L污泥接種到SBR反應(yīng)器中，磷的去除率大大提高，并且去除率一直保持穩(wěn)定。同時(shí)，圖2表明當(dāng)磷的去除效果不斷提高時(shí)，系統(tǒng)中NOx-N重新開始積累（60～80天）。當(dāng)PAOs與反硝化細(xì)菌開始競爭碳源時(shí)，反應(yīng)器中缺少可生物降解COD，將導(dǎo)致NOx-N的積累，大量的NOx-N將破壞 PAOs所需的厭氧環(huán)境，從而最終將 PAOs沖刷出系統(tǒng)。在PAOs添加之前，反硝化菌在非曝氣階段將進(jìn)水中易生物降解的COD全部消耗，導(dǎo)致在這個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)NOx-N的濃度較低。為了進(jìn)一步增加有利于去除氮和磷所需VFA的量，在第80天時(shí)將預(yù)發(fā)酵的廢水量從40%增加到55%，VFA濃度有很大的增加；反硝化作用大大加快，100天后出水中的TN濃度已低于12 mg/L。

圖3 表明，系統(tǒng)運(yùn)行0～120天污泥濃度逐漸降低，在 120天左右 SBR系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定。VSS/MLSS介于0.86～0.90，MISS介于3880～3950 mg/L。由圖3中數(shù)據(jù)也可看出，污泥容積指數(shù)（SVI）相對(duì)較高，在160～230 mL/gMLSS之間。原因是由于在預(yù)發(fā)酵廢水中仍含有大量的脂肪、油和油脂。表3表明，第120～180天SBR系統(tǒng)中進(jìn)水與出水指標(biāo)的變化。SBR系統(tǒng)中COD、TN 和TP的去除率分別達(dá)到95.5%、95%和96%。廢水中剩余的COD生物可降解性差且僅為進(jìn)水中初始COD的5%。在每個(gè)好氧期結(jié)束，NH4-N被完全氧化，少量的NOx-N進(jìn)入到下一個(gè)循環(huán)并迅速地在第一個(gè)厭氧階段發(fā)生反硝化作用。由于SBR系統(tǒng)中NOx-N的缺失，在第一個(gè)非曝氣期PAOs將大部分磷釋放，而PO4-P在隨后的好氧期被逐漸吸收。

圖2 進(jìn)水與出水COD、NH4-N、NO3-N、PO4-P、TP的變化

圖3 MLSS與SVI的變化規(guī)律

2.2 分步進(jìn)水實(shí)驗(yàn)

圖4表明兩種不同進(jìn)水方式下出水的PO4-P與NOx-N濃度。在分步進(jìn)水中氮和磷的去除率分別達(dá)到了95%和96%（圖2）。這是因?yàn)槲⑸镌诮到庥袡C(jī)物過程中消耗溶解氧（DO），通過分步投加碳源可以使系統(tǒng)保持低溶解氧狀態(tài)。同時(shí)，DO濃度降低可以使污泥絮體產(chǎn)生溶解氧梯度，有利于提高反硝化的效率。二者共同作用促進(jìn)反硝化的進(jìn)行，進(jìn)而降低出水硝酸鹽濃度，提高TN去除效果。與之相比，在一步進(jìn)水條件下（圖4），出水中PO4-P濃度保持在8 mg/L左右，出水中NOx-N濃度高于20 mg/L（分步進(jìn)水時(shí)為2.2 mg/L）。較高的NOx-N去除率不適合PAOs的生長條件，因?yàn)?PAOs需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，必須控制水中硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累。屠宰廢水中NH4-N濃度較高，氧化后會(huì)生成NOx-N，這將影響生物除磷的效果。Kishida等[17]采用SBR工藝同時(shí)去除屠宰廢水中氮、磷和COD，但是由于大量NOx-N進(jìn)入?yún)捬醵危瑥亩绊懥肆椎娜コ１緦?shí)驗(yàn)采用分步進(jìn)水可以限制NOx-N進(jìn)入?yún)捬醵蔚牧俊Ｈ绻徊捎梅植竭M(jìn)水方法，在SBR循環(huán)結(jié)束時(shí)就積累了大量的 NOx-N并隨之進(jìn)入到厭氧期從而阻止磷的去除。圖4進(jìn)一步證實(shí)由于一次進(jìn)水導(dǎo)致SBR系統(tǒng)中積累了大量的NOx-N，而使磷的去除變得不完全，而分步進(jìn)水則可促進(jìn)生物磷的去除，盡管廢水中NH4-N和TN的濃度很高（高于220 mg/L），但是整個(gè)循環(huán)NOx-N的濃度卻低于3 mg/L。因此，分步進(jìn)水更有利于N和P的去除。

表3 120～180天進(jìn)出水指標(biāo)

圖4 不同進(jìn)水方式下進(jìn)水、出水PO4-P與NO3-N濃度變化

2.3 預(yù)發(fā)酵實(shí)驗(yàn)

表 4表明預(yù)發(fā)酵 4天前后廢水水質(zhì)指標(biāo)的變化。經(jīng)過預(yù)發(fā)酵總揮發(fā)性脂肪酸的濃度增加1倍。在屠宰廢水中可揮發(fā)性脂肪酸中含量最多的是乙酸和丙酸，在經(jīng)過預(yù)發(fā)酵后，丙酸所占的比例略高于乙酸。表4也反映了預(yù)發(fā)酵對(duì)NH4-N和PO4-P濃度的影響。PO4-P的濃度基本恒定，保持在35mg/L；廢水中占TN含量75%的有機(jī)氮發(fā)生礦化作用，而使NH4-N的濃度雙倍增加。

表4 預(yù)發(fā)酵前后屠宰廢水中VFA、PO4-P和NH4-N濃度變化 單位：mg?L－1

系統(tǒng)中有機(jī)物的去除主要取決于廢水中易生物降解的碳源，尤其是VFA。為了有效地去除屠宰廢水中的氮源，必須控制VFA的含量，而高效率的預(yù)發(fā)酵則是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的控制 VFA含量的方法。表2顯示在反應(yīng)進(jìn)行到第80天時(shí)，當(dāng)SBR系統(tǒng)進(jìn)水中的預(yù)發(fā)酵廢水從 40%增加到 55%時(shí)，VFA與TP的比例從11.2%增加到14.5%，這使系統(tǒng)中硝酸鹽迅速減少，而磷的去除效果則大大提高。當(dāng)出水中 VFA含量不足時(shí)，高效率的預(yù)發(fā)酵可為SBR系統(tǒng)去除有機(jī)物與氮磷補(bǔ)充必要的VFA，因此必須進(jìn)行預(yù)發(fā)酵。

應(yīng)當(dāng)指出，原水中屠宰廢水的用量應(yīng)該盡量減少。進(jìn)水中脂肪、油、油脂含量較高，這樣提高屠宰廢水的比例會(huì)導(dǎo)致污泥的沉降性變差，并且過量的補(bǔ)充碳源也會(huì)增加SBR系統(tǒng)中曝氣的成本，使系統(tǒng)中產(chǎn)生大量剩余污泥。

3 結(jié) 論

SBR工藝可以有效地去除屠宰廢水中的氮、磷和COD，與化學(xué)法除磷相比，它更加節(jié)能環(huán)保。該實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論。

（1）在TN濃度為206～245 mg/L的屠宰廢水中加入0.5 L富含聚磷菌的活性污泥，可以進(jìn)行有效的生物除磷（＞96%）。

（2）多次分步進(jìn)水有效防止了硝酸鹽和亞硝酸鹽的的大量積累，促進(jìn)了厭氧條件的形成，SBR工藝可以同時(shí)進(jìn)行脫氮除磷。

（3）高效的預(yù)發(fā)酵對(duì)系統(tǒng)中有機(jī)物去除非常重要，同時(shí)產(chǎn)生的大量VFA，為脫氮除磷提供了充足的碳源。

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Simultanous removal of high concentration nitrogen and phosphorus from abattoir wastewater by using a sequencing batch reactor

JIA Yanping1，2，WANG Ying1，ZHANG Lanhe1，LI Jun1
（1School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2School of Food Science，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，Liaoning，China）

A sequencing batch reactor（SBR）was used to remove high concentration nitrogen，phosphorus and COD in the abattoir wastewater. The results showed that step-feed could avoid high-level build-up of nitrate and nitrite during the nitrification and create anaerobic conditions for biological phosphorus removal. Two types of abattoir wastewater were used as raw wastewater，one was the effluent from abattoir wastewater and the other was the pre-fermentor wastewater. After a 3-month start-up，removal efficiencies of total phosphorus，total nitrogen and COD were higher than 96%，95% and 95.5%，respectively，when total phosphate，total nitrogen and COD in the influent were 36.5 mg/L，226 mg/L and 2615 mg/L，respectively，under the condition of a sludge age of 14 days at 35 ℃.The concentrations of total phosphate，total nitrogen and COD in the effluent were lower than 1.4 mg/L，10.8 mg/L and 95 mg/L，respectively.

pre-fermentation；sequencing batch reactor（SBR）；abattoir wastewater；step-feed

TQ 914.3

A

1000–6613（2011）07–1627–05

2010-12-21；修改稿日期：2011-01-19。

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（應(yīng)用技術(shù)研究）（20090599）。

及聯(lián)系人：賈艷萍（1973—），女，博士，副教授，主要從事廢水生物處理理論與工藝的研究。E-mail jiayanping 1111@sina.com。