氣浮+UASB+Bardenpho工藝處理屠宰廠廢水

王彥雋，閆永利，楊海燕，岳志芳，賈辛慧，韓 珍

(內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109)

中國是世界上肉類生產和消費的第一大國，2018年我國肉類總產量達8 517萬t，產生廢水約8.2億t[1]。屠宰廢水是一種有機物、總氮和總磷含量都很高的廢水，可生化性能好[2]。氮、磷是導致水體富營養化的重要營養物質[3]，其中亞硝酸鹽具有強致癌作用,可能會導致人或動物體內發生畸形、突變， 產生較大的健康風險[4]。屠宰及肉食加工行業

目前具備脫氮除磷能力的污水處理工藝有A2/O工藝[6]、氧化溝工藝[7-8]、SBR工藝和Bardenpho工藝[3]等。A2/O工藝因硝化菌和除磷菌所需污泥齡的矛盾，造成釋磷和反硝化過程對基質的競爭，難以保證對廢水同時達到高效脫氮除磷的效果；氧化溝工藝與A2/O工藝類似；SBR工藝在去除有機物方面有較好的效果，但實際運行中去除氮、磷的效果并不理想[9]；Bardenpho工藝理論上可在去除有機物的同時，達到高效同步脫氮除磷的目的，相關研究[10-11]表明，Bardenpho工藝在處理養豬廢水和垃圾滲濾液的過程中取得了良好的脫氮除磷效果。

本文針對屠宰廢水的特征，在前期詳細調研和試驗的基礎上，確定采用具有較好脫氮除磷能力的Bardenpho工藝作為主體工藝對屠宰廢水進行處理，并增加氣浮[12]和UASB工藝，分別用來去除廢水中的油脂和高濃度有機物。通過采用氣浮+UASB+Bandepho工藝對某屠宰廠生產廢水進行處理，運行結果表明：該組合工藝在屠宰廢水處理過程中具有很好的脫氮除磷能力，且工藝運行可靠、穩定。

1 工程概況

1. 1 廢水水量

內蒙古某屠宰廠是一家主要以屠宰羊及羊的副產品加工為主的企業，日宰殺量為4 000頭左右，每天屠宰廢水排水量為800～1 200 t，年運行時間為11個月。每天在進行羊的宰殺、解體、內臟處理、整理和洗凈等工段都會產生大量的屠宰廢水，廢水排放時間主要集中在每日上午8時至下午2時，該時段廢水排放量占日排放量的80%。工藝設計廢水處理能力為1 000 t/d，24 h運行。

1. 2 進、出水水質

屠宰廢水中含有動物未消化的飼料、糞便、血液、內臟、碎肉組織、骨渣等，富含蛋白質、脂肪、纖維和碳水化合物，顏色呈紅褐色，懸浮物多，氣味腥臭。通過測定屠宰廢水中COD、BOD5、SS、氨氮、總氮和總磷等水質指標，發現其含量均較高[13]，動植物油和細菌學指標等都不同程度地超過了國家規定的排放標準[3]。屠宰廢水中氮的主要存在形式是有機物或銨鹽，而磷主要以磷酸鹽的形式存在[14]，且屠宰廢水中BOD5/COD>0.5，可生化性能好，但其中高濃度有機質的處理難度較大。屠宰廢水出水水質參考《肉類加工工業水污染物排放標準》(GB 13457—1992)的一級標準和《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準》征求意見稿的要求，系統設計的進、出水水質見表1。各水質指標均采用國標法測定[15]。

表1 系統設計的進、出水水質(單位：mg/L)

2 處理工藝選擇與設計

2. 1 處理工藝選擇

目前國際上有多種屠宰廢水處理工藝，比如電凝、膜分離、高級氧化、物理化學過程、生物處理等工藝[16-20]。國內以厭氧和好氧生物處理及其組合工藝為主，如UASB 工藝[21]、AO工藝[22]、SBR工藝[23-24]、UASB+CASS工藝[25]、生物接觸氧化工藝[26]、AO+好氧接觸氧化法工藝[27]等。厭氧生物處理及其組合工藝有Chávez等[28]的上流式厭氧污泥床(UASB)，其在處理家禽屠宰廢水且在有機負荷高達31 kg BOD5/(m3·d)的情況下，家禽屠宰廢水中BOD5的去除率達到95%；蔣彬等[29]采用UASB+A/O組合工藝對屠宰廢水進行處理，其出水水質達到GB 13457—1992的一級排放標準；程永偉等[30]采用UASB+生物接觸氧化法處理山東某屠宰廠廢水，其出水水質達到《南水北調沿線水污染物綜合排放標準》(DB 37/599—2006) 的一級排放標準。好氧生物處理及其組合工藝國內應用最多的是SBR工藝[31]，田葳等[32]采用2段SBR為主體工藝處理生豬屠宰廢水，其出水水質達到 《遼寧省污水綜合排放標準》(DB 21/1627—2008)的要求；周明俊等[33]研究了UASB與SBR耦合工藝處理屠宰廢水，其出水水質較好。但是，SBR工藝對屠宰廢水中氮、磷的去除效果并不理想[9]。

屠宰廢水處理工藝的選擇要考慮國家和地方對廢水排放的要求以及廢水的再生回用，同時為了應對新的污染物排放標準對廢水排放中總氮和總磷指標提出的新要求，需要選用一種同時具備脫氮除磷能力的處理工藝。Bardenpho工藝是1975年由James Barnard在南非首次提出，是一種用于強化脫氮的污水處理工藝，其運行過程中發現具有很好的除磷效果[34],該工藝已被廣泛應用于南非、加拿大和美國等國家[35]，但在我國因其管理單元多、水力停留時間長[36]、運行管理難度較大、運行費用較高等原因而在實際工程中應用不多，相關的研究成果也較少。近年來，在我國節能減排的大背景下Bardenpho工藝已得到了更多的關注。經過分析論證，本研究擬采用UASB+Bardenpho工藝[10]對某屠宰廢水進行處理。

2. 2 處理工藝流程

處理系統既要能穩定、可靠地降低廢水中各項指標的含量，尤其是要將廢水中各項指標的含量降至國家允許的排放標準，又要做到操作管理方便、運行費用盡可能低。因此，針對屠宰廢水固體懸浮物、油脂含量高的特點，綜合考慮各種現實因素，確定屠宰廢水處理工藝流程見圖1。該處理系統由PLC主機控制自動運行。

圖1 屠宰廢水處理工藝流程圖 Fig.1 Flow chart of slaughter wastewater treatment process

2. 3 主要設備和構筑物

該屠宰廢水處理系統的主要設備和構筑物如下：

(1) 格柵：設置中、細格柵各一道，柵條間距分別為8 mm和3 mm，中、細格柵均采用鏈條回轉式格柵，電機功率均為1.5 kW。格柵可攔截廢水中產生的體積較大的雜物，主要是動物內臟、肉皮和部分毛發等。

關鍵詞是論文的核心是作者對文章主題進行精煉之后得到的結果，有著很強的代表性[3]。研究領域的熱點，通常可以用頻次高的關鍵詞來確定并且中心性超過0.1的關鍵詞，則被認為具有較強的影響力，通過該點展開的研究較多[4]。由于不同的人對同一內容有不同的理解方式，導致命名的關鍵詞不一致[5]。因此，本研究將含義相同、相近或存在包含與被包含關系的關鍵詞進行合并最后重新運行軟件，得到圖2。高中心性關鍵詞(＞=0.1)有大鼠、腫瘤、護理、糖尿病、教育、教學、慢性肝病、帕金森病、凋亡、治療、糖尿病、腎病、小鼠十二個高中心度詞。

(2) 隔油沉淀池：隔油沉淀池用于隔除部分漂浮的油脂，去除比例約為40%～50%，可去除羊糞便、未消化的飼料，并清洗場地的泥沙等，表面負荷為0.83 m3/(m2·h)。

(3) 調節池：調節池用于調節屠宰廠在不同時間排放不均勻的水量和水質，體積為600 m3，分兩格，鋼混結構，池底設穿孔管進行預曝氣，防止懸浮物沉淀，同時使池內廢水混勻。提升泵流量Q為60 m3/h，揚程H為16 m，電機功率N為5.5 kW，共兩臺，一用一備。由PLC控制主機收集電磁流量計和超聲波液位計數據，自動控制水泵啟停。

(4) 氣浮池：氣浮池的主要作用是去除大部分油脂和懸浮物，如不預先降低其濃度將不利于后續生物處理。油脂中含有高濃度的長鏈脂肪酸(LCFA)，可能會吸附在細胞膜表面，阻斷有機物進入細胞內的通道，阻止氨氮與氨氧化菌群的接觸[37]，從而降低生物處理效率。油脂在厭氧消化過程中會形成大量的LCFA、揮發性脂肪酸(VFA)和乙酸，對厭氧發酵定向產酸有抑制作用[38]。同時，LCFA對產甲烷菌也有很強的毒性[39]，不利于產甲烷菌的生長。因此，在進入UASB工藝之前須采用氣浮工藝去除大部分油脂。氣浮池配氣浮空壓機1臺，排氣量Q為0.52 Nm3/min，排氣壓力P為1.6 MPa，電機功率N為7.5 kW；配氣浮循環泵1臺，流量Q為6.3 m3/h，揚程H為50 m，電機功率N為4.0 kW；配加藥裝置2套,裝機功率為1.5 kW。運行中氣浮溶氣水回流比控制為20%～30%。

(5) UASB(升流式厭氧污泥床)工藝：UASB工藝由兩個Q235B鋼板焊接制成的罐體組成，內部采用環氧煤瀝青漆防腐。UASB工藝的作用一方面是通過厭氧產甲烷作用去除部分易生物降解的有機物[40]，降低后續單元的有機負荷；另一方面厭氧微生物可將大分子有機物降解為小分子有機物[41]，大量動物蛋白被水解為短肽和氨基酸等[42]，提高廢水的BOD5/COD值，從而提高廢水的可生化性[43]。UASB反應器內還可通過厭氧氨氧化作用進行脫氮[44-45]，其對總氮和血色均有很好的去除作用[46]。

(6) Bardenpho工藝：Bardenpho工藝是一種A2/O工藝的改進工藝，主要用于強化脫氮除磷效果[47]。UASB工藝出水進入Bardenpho工藝缺氧段時BOD5/TN=6.5>5,說明系統碳源充足，無需外加碳源。Bardenpho工藝包括兩段缺氧好氧，缺氧池1的主要功能是反硝化脫氮和吸收磷，使異養型兼性厭氧的反硝化菌進行厭氧呼吸，硝酸氮和亞硝酸氮轉化為氣態氮而脫氮；沉淀池回流的污泥中的聚磷菌PAO釋放磷的同時反硝化聚磷菌(DPB)過量吸收磷[48]。好氧池1的主要作用是降解有機物、硝化脫氮和聚磷菌吸收磷，由于BOD5較高，自養型硝化菌的生長受到抑制，硝化反應效果不好。缺氧池2的主要作用是脫氮，同時釋放磷。好氧池2的主要作用是使聚磷菌吸收磷更徹底，同時進一步去除BOD5，硝化脫氮。硝化液回流比設置為300%，污泥回流比設置為75%，剩余污泥含磷量約為5%?；旌弦夯亓鞅貌捎秒x心泵，流量Q為160 m3/h，揚程H為10 m，電機功率N為15 kW，共兩臺，一用一備。污泥回流泵采用螺桿泵，流量Q為5 m3/h，揚程H為60 m，電機功率N為2.2 kW，共兩臺，一用一備。 好氧池底安裝平板式微孔曝氣頭，氣源由3臺HDSR150型羅茨鼓風機供給，兩用一備，風量Q為10.26 m3/min，電機功率N為18.5 kW，變頻控制。好氧池溶解氧(DO)控制為3～5 mg/L，缺氧池溶解氧控制為0.2～0.5 mg/L。因過長的水力停留時間(HRT)會降低除磷效率[49-50],故二沉池污泥HRT設置為3.0 h。

(7) 消毒池:消毒池埋地下，采用二氧化氯(ClO2)發生器產生的ClO2作為消毒劑，具有很強的氧化和殺菌能力，用以保證出水的細菌學指標合格。

2. 4 主要構筑物規模

屠宰廢水處理系統主要構筑物的規格尺寸、有效容積和水力停留時間(HRT)見表2。

表2 屠宰廢水處理系統主要構筑物與設計參數

3 工藝運行情況與處理效果分析

經過近一年的調試與運行，該處理系統中各單元均可穩定運行，總氮和總磷指標穩定達標，達到工藝設計預期的效果，工藝技術對各污染指標的去除能力較強。

3. 1 階段性運行指標分析

在 2018 年6月22日至7月31日共40 d運行期間，該處理系統實際進水量在700～800 t/d之間，略低于設計水量。Bardenpho工藝段出水COD和TN濃度及其去除率，見圖2。

圖2 Bardenpho工藝段水COD和TN濃度及其去除率Fig.2 COD and TN removal rate of influent and effluent in Bardenpho stage

由圖2可見，Bardenpho工藝段出水COD和TN的濃度分別在402.00～597.00 mg/L和25.19～58.39之間，對應的COD去除率在87.08%～94.75%之間，TN去除率在76.15%～87.03%之間[51]。

通過對Bardenpho工藝段COD和TN去除率與氣溫的相關性進行分析，得到氣溫對Bardenpho工藝段COD和TN去除率的影響，見圖3。

圖3 氣溫對Bardenpho工藝段COD和TN去除率的 影響Fig.3 Influence of temperature on COD and TN removal rate in Bardenpho stage

由圖3可見，日平均氣溫在14.6℃～25.8℃范圍內變化時，Bardenpho工藝段出水COD和TN去除率均隨氣溫升高而上升，與氣溫呈現較為明顯的正相關性。

3. 2 工藝最佳運行效果分析

2018年6月28日該處理系統處理效果最好，各項指標見表3。此時COD去除率高，可能與氣溫較高、水力停留時間長有關。

表3 處理系統主要單元處理效果

4 工藝運行成本分析

該處理系統運行成本主要包括電費、藥劑費用和人工費用，見表4。

表4 處理系統運行成本估算

由表4可見，該屠宰廠廢水處理量為1 000 m3/d，日均費用為1 595元，則單位處理費用為1.60元/m3。

5 結 語

某屠宰廠生產廢水處理工程實踐表明：采用氣浮+UASB+Bardenpho工藝具有很好的處理效果，出水各項指標均優于《肉類加工工業水污染物排放標準》(GB 13457—1992)的一級標準，且總氮、總磷和油脂排放指標可達到《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準》征求意見稿的相關要求。該組合工藝對屠宰廢水中污染物的去除能力強，出水水質穩定，由于采用全自動運行，管理難度小，處理每噸污水的耗電量為1.80 kW·h，單位處理費用僅為1.60元/m3，比目前主流處理工藝略高，但相信在實踐中經過多年完善后，預計能耗和運行費用均會下降，具有一定的市場前景。