改進(jìn)UASB-SBR-人工濕地處理養(yǎng)豬廢水的研究

薛同站，李衛(wèi)華，張 勇，王 坤，王 健

1.安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601

隨著公眾環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，農(nóng)村水環(huán)境污染問(wèn)題日益受到國(guó)家及水處理行業(yè)的關(guān)注，養(yǎng)殖行業(yè)對(duì)農(nóng)村生態(tài)水環(huán)境的污染尤為突出。規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)產(chǎn)生的污水有機(jī)物濃度高［1］，化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）高 達(dá)3 000～20 000 mg/L，氨氮含量大，氨氮濃度高達(dá)500～1 800 mg/L，固體懸浮物濃度達(dá)400 mg/L 以上，色度深，并含有大量細(xì)菌。養(yǎng)豬場(chǎng)大量糞尿與廢水現(xiàn)已成為許多城市郊區(qū)和農(nóng)村的重要污染源，大多未經(jīng)過(guò)妥善處理、處置及回收利用就直接排放，對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，尤其對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生了極其不良的影響。國(guó)內(nèi)外有不少對(duì)養(yǎng)殖廢水的處理工藝，但鮮有沼氣自攪拌上流式厭氧污泥床（up-flow anaerobic sludge bed，UASB）、水解酸化原水補(bǔ)充序批式反應(yīng)器（sequencing batch reactor，SBR）反硝化碳源，利用給水污泥回收鋁鐵鹽作為人工濕地基質(zhì)聯(lián)合處理養(yǎng)豬廢水的報(bào)道。

養(yǎng)豬行業(yè)為低收益行業(yè)，污水處理經(jīng)濟(jì)成本制約著各地養(yǎng)殖廢水處理，安徽省肥西縣某養(yǎng)殖場(chǎng)出水不能達(dá)標(biāo)，擬進(jìn)行廢水處理設(shè)施改造，為尋求投資低、運(yùn)行費(fèi)用少、管理方便的處理技術(shù)，依托安徽建筑大學(xué)水污染控制與廢水資源化安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)養(yǎng)豬廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，該養(yǎng)殖場(chǎng)采用干清糞+沼氣池+厭氧塘處理豬場(chǎng)沖洗廢水，試驗(yàn)廢水取至該廠經(jīng)沼氣池處理后的出水，沼氣池進(jìn)出水水樣各項(xiàng)指標(biāo)如表1 所示。

表1 沼氣池進(jìn)出水指標(biāo)Tab.1 Water influent and effluent indexes of biogas digester

水樣水質(zhì)各主要指標(biāo)的測(cè)定方法分別為：硝酸鹽氮采用紫外分光光度法；亞硝酸鹽氮采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；氨氮采用納氏試劑光度法；COD采用快速消解分光光度法；總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)養(yǎng)殖廢水高濁、高濃度的特點(diǎn)，采用厭氧-好氧聯(lián)合法處理養(yǎng)殖廢水較為常見(jiàn)，高效經(jīng)濟(jì)的處理污染物是制約養(yǎng)殖廢水處理的難點(diǎn)［2］，結(jié)合高效、低成本的處理要求，設(shè)計(jì)了改進(jìn)工藝試驗(yàn)方案，具體處理工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 養(yǎng)殖廢水處理工藝流程圖Fig.1 Process chart of swine wastewater treatment

根據(jù)圖1 設(shè)計(jì)的改進(jìn)工藝試驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖2 所示的試驗(yàn)裝置圖。

1.2 固液分離預(yù)處理

圖2 改進(jìn)工藝試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Picture of improvement process test device

養(yǎng)殖廢水懸浮物濃度較高，預(yù)處理是處理工藝中較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，如不能及時(shí)有效的清理固體懸浮物，就會(huì)給后續(xù)處理帶來(lái)困難，增加處理負(fù)荷，影響處理效果［3］。通過(guò)預(yù)處理，不僅可以降低COD、BOD5（biochemical oxygen demand of 5 days，5日生化需氧量或生化耗氧量）濃度，減輕后續(xù)工藝的處理負(fù)荷，還能防止固體物質(zhì)對(duì)設(shè)備造成堵塞，縮減厭氧反應(yīng)器的尺寸和所需的停留時(shí)間，降低設(shè)施投資并提高COD 去除效率，采用JIDI-17R 離心機(jī)進(jìn)行固液分離，能夠有效降低污水固體懸浮物的含量，取上清液用于后續(xù)的處理。

1.3 改進(jìn)UASB-SBR 處理工藝

UASB 實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)徑120 mm，高1 200 mm，反應(yīng)器有效容積為5.5 L，有機(jī)玻璃材質(zhì)，恒溫水浴箱裝置加熱，保持反應(yīng)器溫度為32 ℃，UASB 實(shí)驗(yàn)裝置接種污泥取自合肥經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠厭氧池，接種后反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度為7.5 g/L，經(jīng)過(guò)45 d的馴化培養(yǎng)，裝置基本達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。為增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)勻質(zhì)效果提高產(chǎn)氣效率，利用厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)FCY5015 空氣加壓泵加壓，通過(guò)分布于厭氧發(fā)酵罐內(nèi)底部的沼氣布?xì)夤艿老蚍磻?yīng)器內(nèi)進(jìn)行布?xì)?，進(jìn)行氣體攪拌。

SBR 實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)徑250 mm，高600 mm，有機(jī)玻璃材質(zhì)，SBR 反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)取自合肥經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)污水處理廠氧化溝內(nèi)污泥進(jìn)行培養(yǎng)馴化，SBR反應(yīng)器正常運(yùn)行后，在反應(yīng)器的缺氧階段加入水解酸化的原水并不斷攪拌［4］，反應(yīng)器各階段用ORP進(jìn)行分析確定［5］。

1.4 鋁鐵鹽基質(zhì)人工濕地強(qiáng)化處理

采用人工濕地處理養(yǎng)殖廢水屬于自然處理法的范疇［6］，利用回收給水污泥中鋁鐵鹽經(jīng)提純處理后作為人工濕地的吸附基質(zhì)［7］，人工濕地反應(yīng)器內(nèi)采用陶粒作為骨架填料，利用回收的鋁鐵鹽為人工濕地除磷的基質(zhì)，回收的鋁鐵鹽和陶粒的體積比2∶8，人工濕地裝置的具體尺寸為1 000 mm×300 mm×600 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，濕地中過(guò)水流速控制在0.05 m/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 UASB 裝置出水及產(chǎn)氣量分析

從表 沼氣池出水測(cè)得的各指標(biāo)得知，該養(yǎng)殖場(chǎng)廢水中總氮含量較高，其中大多以有機(jī)氮的形式存在，氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)只占25%左右，養(yǎng)殖廢水中的COD 含量亦有6 500 mg/L 甚至更高。

UASB 反應(yīng)器主要降低廢水中的高濃度COD，對(duì)有機(jī)污染物有較高去除率，適用于高濃度有機(jī)廢水處理，能適應(yīng)較大幅度溫度、pH 變化及負(fù)荷沖擊，運(yùn)行效果穩(wěn)定［8-9］。UASB 反應(yīng)器內(nèi)污泥床和懸浮污泥區(qū)容積比約為3∶7，廢水由反應(yīng)器的底部進(jìn)入后，以0.2 m/h 流速自下而上流動(dòng)，產(chǎn)生的沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過(guò)程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，UASB 裝置在經(jīng)過(guò)45 d 培養(yǎng)運(yùn)行后出現(xiàn)大量氣泡，在污泥床上部由于沼氣的攪動(dòng)形成一個(gè)穩(wěn)定的污泥懸浮層，測(cè)定UASB 出水COD 質(zhì)量濃度約為1 000～1 200 mg/L，COD 降解率達(dá)到60%～70%，甲烷的產(chǎn)氣量約60 L/d，純度為50%～60%。裝置穩(wěn)定運(yùn)行75 d 后，把產(chǎn)生的沼氣用儲(chǔ)氣罐收集，利用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行加壓到0.1 MPa，采取自動(dòng)控制方式間斷性的通過(guò)UASB 裝置底部向下開孔的環(huán)管向反應(yīng)器內(nèi)均勻布?xì)?，在氣流的擾動(dòng)下，廢水與懸浮污泥中微生物充分混合，增強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)效果，產(chǎn)氣效率提高到75 L/d，測(cè)定UASB 裝置出水COD 濃度約為920～1 100 mg/L，COD 的降解率基本穩(wěn)定在70%～75%。

試驗(yàn)中定時(shí)測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸濃度，使其控制在500 mg/L 以內(nèi)，防止反應(yīng)器酸化［10］，COD 去除率一直穩(wěn)定在75%左右。利用產(chǎn)生的沼氣增強(qiáng)傳質(zhì)前后的COD 降解情況、氨氮變化及產(chǎn)甲烷的效果見(jiàn)圖3 所示。

圖3 UASB 反應(yīng)器運(yùn)行效果圖Fig.3 Operation effect diagram of UASB reactor

從圖3 可以看出，經(jīng)過(guò)UASB 反應(yīng)器處理后廢水COD 降解基本上在75%左右，由于COD 濃度較高，限制了硝化和反硝化的作用，致使氨氮和總氮濃度變化較小，反應(yīng)器中氨氮濃度甚至有局部升高現(xiàn)象，應(yīng)該是廢水中有機(jī)氮部分氨化貢獻(xiàn)的。

2.2 投加水解的原水脫氮

UASB 裝置出水經(jīng)過(guò)SBR 反應(yīng)器處理后試驗(yàn)測(cè)定廢水碳氧質(zhì)量比約為1.21，不能滿足反硝化脫氮的需要，養(yǎng)殖廢水原水有較高的COD 含量，經(jīng)水解酸化后可生化性提高約15%，水解酸化后的COD 濃度為3 000～3 400 mg/L。為提高脫氮效率，在SBR 反應(yīng)器缺氧階段補(bǔ)充加入部分經(jīng)水解酸化的原水，并進(jìn)行充分的攪拌，將SBR 反應(yīng)器內(nèi)的廢水碳氧質(zhì)量比提高到6 左右，有效滿足了反硝化脫氮所需碳源，促進(jìn)了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。利用實(shí)時(shí)控制工藝，通過(guò)ORP 及pH 值實(shí)時(shí)控制SBR反應(yīng)器缺氧段、好氧段［11］，采取在缺氧階段補(bǔ)充水解后廢水作為外加碳源的方式處理豬場(chǎng)廢水，SBR 反應(yīng)器出水COD 濃度為280 mg/L 左右，出水總氮（total nitrogen，TN）濃度約為85 mg/L，能夠有效除去COD 和TN。經(jīng)加入水解酸化的廢水前后反應(yīng)器出水各項(xiàng)指標(biāo)如圖4 所示。

在SBR 反應(yīng)器內(nèi)COD 降解率為60%～65%左右，通過(guò)改進(jìn)的UASB 裝置和補(bǔ)充水解原水的SBR裝置處理后，COD 累計(jì)降解率在86%～91%左右，在反硝化階段不能滿足脫氮的碳源需求，造成缺氧階段碳氧質(zhì)量比較低，硝態(tài)氮不能還原成氮?dú)?，總氮出水含量較高，經(jīng)加入水解酸化的廢水后，利用原水中碳源提供的電子進(jìn)行反硝化脫氮，從圖4可以看出SBR 對(duì)TN 的去除率可以提高到85%左右，氨氮的去除率約在92%左右，處理出水雖然氨氮濃度有所上升，但總氮和氨氮濃度均能達(dá)到畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求。利用水解后的原水代替乙酸鈉補(bǔ)充反硝化碳源，有效節(jié)省處理成本約10%左右。

圖4 SBR 反應(yīng)器添加水解酸化原水前后除氮效果圖Fig.4 Nitrogen removal efficiency diagram before and after adding hydrolytic acidified raw water in SBR reactor

2.3 加入鋁鐵鹽的人工濕地脫氮除磷

養(yǎng)豬廢水經(jīng)改進(jìn)的厭氧UASB 和SBR 工藝處理后，出水COD、TN、氨氮基本滿足了畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB18596-2001 要求，但總磷濃度依然偏高，經(jīng)調(diào)查多數(shù)養(yǎng)殖廢水處理設(shè)施用地條件較充裕，利用加載人工濕地進(jìn)一步去除出水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較為經(jīng)濟(jì)合理［12］，在人工濕地中充填回收給水污泥中鋁鐵鹽，利用鋁鐵鹽對(duì)廢水PO43-有較強(qiáng)化學(xué)和物理吸附作用［13-14］，強(qiáng)化處理改進(jìn)UASB-SBR 反應(yīng)器的出水中的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素，進(jìn)一步降低出水的氮磷濃度。運(yùn)行效果如圖5所示。

圖5 鋁鐵鹽基質(zhì)人工濕地處理效果圖Fig.5 Treatment effect diagram of constructed wetlands with aluminium-iron salt matrix

從圖5 可以看出，人工濕地中聚磷菌在Fe2+作用下強(qiáng)化吸收污水中的磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，回收給水污泥含有的Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+等金屬鹽與PO43-形成鳥糞石（MAP，MgNH4PO4·6H2O）、磷酸鋁（AlPO4）、甚至藍(lán)鐵礦（F e（3PO4）2·8H2O）等沉淀物［15］。濕地中的生態(tài)植被也同步吸收去除污水中部分N、P 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行的人工濕地處理后，出水COD濃度約為170 mg/L，出水氨氮濃度降至20 mg·L-1以下，采用回收給水污泥中的鋁鐵鹽作為基質(zhì)處理SBR 出水，污水中的COD、氨氮濃度進(jìn)一步降低，通過(guò)強(qiáng)化的人工濕地處理氨氮去除率約在35%～40%，氨氮的累計(jì)去除率達(dá)到94%左右。污水中的磷酸根離子和濕地基質(zhì)中的鋁鐵鹽進(jìn)一步結(jié)合，生成磷酸鋁、藍(lán)鐵礦而沉淀下來(lái)，出水TP 的濃度約為6～8 mg·L-1。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）沼氣攪拌管道分布于厭氧反應(yīng)器內(nèi)底部，利用產(chǎn)生的沼氣再次加壓，進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)的沼氣攪拌系統(tǒng)采用自動(dòng)控制，既保證反應(yīng)器內(nèi)有良好的反應(yīng)條件同時(shí)避免厭氧微生物的流失，COD 降解效率達(dá)到70%～75%，可提高產(chǎn)氣率15%左右。

2）SBR 反應(yīng)器經(jīng)好氧處理后碳氧質(zhì)量比比較低，不能滿足反硝化所需的碳源，達(dá)不到很好的處理效果，為節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，采用部分水解酸化廢水補(bǔ)充SBR 反應(yīng)器內(nèi)的碳源，使反應(yīng)器內(nèi)碳氧質(zhì)量比提高到6 左右，滿足了反硝化所需的條件，可達(dá)到較好降低總氮濃度的效果。

3）通過(guò)采用回收給水污泥中的鋁鐵鹽強(qiáng)化人工濕地處理，污水中的COD、氨氮濃度進(jìn)一步降低，污水中的磷酸根離子和濕地基質(zhì)中的鋁鐵鹽進(jìn)一步通過(guò)化學(xué)和物理吸附，生成磷酸鋁、水合Fe3（PO4）2 而沉淀下來(lái)，最終出水TP 濃度低于8 mg·L-1。

4）采用改進(jìn)的UASB-SBR-強(qiáng)化人工濕地處理工藝處理養(yǎng)豬廢水，實(shí)驗(yàn)證明此聯(lián)合工藝是一種高效、低成本的廢水生化處理法，處理后出水達(dá)到畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。