A/O與SBR工藝處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液對(duì)比研究

蔡英英，韓志剛，鄧良偉*，王文國(guó)

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.福州共創(chuàng)環(huán)保技術(shù)有限公司，福州 350000）

隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?、集約化發(fā)展，局部地區(qū)產(chǎn)生了大量豬場(chǎng)廢水，這些廢水含有高濃度有機(jī)物、氮、磷和致病性微生物等。豬場(chǎng)廢水如果未經(jīng)有效處理直接排入水體，會(huì)對(duì)周邊水環(huán)境和人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于厭氧消化技術(shù)既能去除廢水中大部分有機(jī)物，又能產(chǎn)生可再生能源——沼氣，被廣泛應(yīng)用于豬場(chǎng)廢水處理。但是厭氧消化后產(chǎn)生的厭氧消化液（俗稱沼液）仍含有高濃度的有機(jī)物、氮和磷，需要進(jìn)一步處理或利用。目前厭氧消化液的處理利用主要有兩種模式：還田利用和達(dá)標(biāo)處理。最理想的處置方式是還田利用，但由于大型、特大型養(yǎng)殖場(chǎng)周邊可用于還田的土地有限，利用不完的厭氧消化液必須進(jìn)行達(dá)標(biāo)處理，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)或削減氮磷負(fù)荷后用作農(nóng)灌水。

基于此，本研究采用實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的A/O與SBR工藝處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液，在4個(gè)TN負(fù)荷下（0.02、0.04、0.06、0.08 kg·kg·d，以每千克MLSS每日承納的TN計(jì)，下同），對(duì)比研究了兩種工藝對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液中有機(jī)物、氮、磷等物質(zhì)的去除性能，并進(jìn)一步分析了兩種工藝中功能微生物活性，以及有機(jī)物和氮去除動(dòng)力學(xué)特性，以明確兩種工藝所能承受最大的氮負(fù)荷及其性能差異的內(nèi)在機(jī)制，以期為豬場(chǎng)廢水厭氧消化液好氧處理工藝選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)廢水與接種污泥

反應(yīng)器接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行良好的處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的SBR好氧污泥。每個(gè)反應(yīng)器接種的污泥量為有效體積的30%（約3 L污泥），接種后兩種工藝的混合液懸浮固體濃度（MLSS）為4.44 g·L，混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）為3.33 g·L。

1.2 試驗(yàn)裝置及操作條件

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的反應(yīng)系統(tǒng)均由有機(jī)玻璃制成，A/O的總有效體積為10 L，其中缺氧池的長(zhǎng)×寬×高為100 mm×100 mm×430 mm，有效體積為3.3 L，好氧池的長(zhǎng)×寬×高為190 mm×100 mm×430 mm，有效體積為6.2 L，沉淀池的長(zhǎng)×寬×高為60 mm×5 mm×300 mm，有效體積為0.5 L。SBR的總體積為12 L，有效體積為10 L，直徑200 mm，高430 mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 兩種試驗(yàn)工藝流程示意圖Figure 1 Schematic diagramof lab-scale anxoic-oxic process（A/O）and sequencing batch reactors（SBR）

A/O每日進(jìn)水時(shí)間為20 h，進(jìn)水量在0.7～3.3 L·d，HRT在3.03～14.30 d，混合液回流比為300%，污泥回流比為100%。SBR的運(yùn)行周期為12 h，每日2個(gè)周期，其中進(jìn)水0.5 h，缺氧攪拌4 h，曝氣6 h，沉淀1 h，出水0.5 h，進(jìn)水量在0.7～3.3 L·d，HRT在3.03～14.30 d。

試驗(yàn)運(yùn)行溫度控制在25～30℃，采用電熱夾層保溫。A/O和SBR的進(jìn)出水、攪拌和曝氣都由定時(shí)開關(guān)控制。利用蠕動(dòng)泵進(jìn)出水。連接空壓機(jī)（ACO-002）至SBR及O池底部進(jìn)行曝氣。控制O池的溶解氧（DO）在2 mg·L，由于SBR的曝氣時(shí)間是A/O的一半，所以調(diào)節(jié)SBR的曝氣流量是O池的兩倍，以保證兩種工藝的日曝氣量相同。試驗(yàn)過(guò)程中A/O及SBR的曝氣量為288～432 L·d。

兩種工藝平行運(yùn)行了119 d，共分為2個(gè)階段。第1階段（1～25 d）在負(fù)荷0.04 kg·kg·d下運(yùn)行，對(duì)比了兩種工藝的酸化及對(duì)有機(jī)物、氮和磷的去除情況。第2階段（26～119 d）通過(guò)外加NaHCO補(bǔ)充硝化過(guò)程消耗的堿度，使得SBR及A/O的O池混合液的pH值維持在7以上，共運(yùn)行4個(gè)污泥負(fù)荷，分別是0.02、0.04、0.06、0.08 kg·kg·d。具體操作參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 A/O和SBR工藝操作參數(shù)Table 1 Operating parameters of A/Oand SBRprocesses

1.3 活性試驗(yàn)

1.4 動(dòng)力學(xué)模型

采用修正的Stover-Kincannon模型模擬兩種工藝對(duì)主要污染物的降解情況。在穩(wěn)態(tài)條件下，如果該模型成立，則可以用公式（1）來(lái)描述基質(zhì)降解情況：

式中：為基質(zhì)的最大去除速率，g·L·d；為半飽和常數(shù)，g·L·d；為進(jìn)水量，L·d；為反應(yīng)器體積，L；為進(jìn)水濃度，mg·L；為出水濃度，mg·L。

1.5 采樣分析與數(shù)據(jù)處理方法

2 結(jié)果與討論

2.1 出水pH值變化

圖2 兩種工藝的pH值變化情況Figure 2 The pH value variation in the two processes

2.2 兩種工藝對(duì)污染物的去除性能

2.2.1 有機(jī)物去除

如圖3所示，第1階段的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.15～0.24 kg·m·d（以每立方米反應(yīng)器每日承納的COD計(jì)，下同），A/O及SBR出水COD濃度先上升再逐漸下降，可能是因?yàn)槲勰噙€未適應(yīng)進(jìn)水而出現(xiàn)的短暫波動(dòng)。第1階段運(yùn)行結(jié)束時(shí)，A/O及SBR出水COD濃度分別為243 mg·L和266 mg·L，平均COD去除率分別為63.6%和64.4%。本研究的出水效果明顯優(yōu)于鄭效旭等采用SBR直接處理豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的結(jié)果，其出水COD濃度為（453±15）mg·L，去除率僅為16%±1%。第2階段，外加NaHCO補(bǔ)充堿度，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為0.06～0.26 kg·m·d，隨著負(fù)荷提高，兩種工藝出水COD濃度先上升后逐漸下降，其中工況3波動(dòng)較為明顯是保溫裝置故障所導(dǎo)致。在運(yùn)行穩(wěn)定階段，A/O與SBR出水COD濃度均在300 mg·L以下，加堿對(duì)COD去除的改善不明顯。兩種工藝出水COD濃度低于《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18596—2001）中集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)日均最高排放濃度（400 mg·L），這表明在試驗(yàn)進(jìn)水條件下，A/O及SBR工藝出水均可滿足當(dāng)前的行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。若要達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步深度處理，比如采用人工濕地、化學(xué)混凝等方法進(jìn)行處理。

圖3 兩種工藝的COD去除情況Figure 3 CODremoval in the two processes

試驗(yàn)條件下，兩種工藝對(duì)COD的去除效果沒(méi)有顯著差異。由于COD的降解機(jī)制主要是通過(guò)異養(yǎng)菌好氧氧化，以及反硝化菌、聚磷菌代謝利用，而兩種工藝出水中COD多是難降解有機(jī)物，說(shuō)明A/O與SBR對(duì)COD都已經(jīng)達(dá)到最大去除能力，所以未顯現(xiàn)出差異。

2.2.2 氮去除

圖4 兩種工藝對(duì)氮的去除情況Figure 4 Nitrogen removal in the two processes

統(tǒng)計(jì)分析顯示，A/O與SBR在5個(gè)工況下對(duì)氮去除效果沒(méi)有顯著差異。但補(bǔ)充堿度后，SBR的TN去除率逐漸上升至略高于A/O。如2.1所述，未補(bǔ)充堿度前，SBR反硝化段pH值低于6.5，導(dǎo)致SBR對(duì)TN去除率略低于A/O工藝。pH值上升后，回流比（）和DO濃度不同可能是導(dǎo)致A/O與SBR的TN去除性能差異的原因。SBR屬于全回流模式，而A/O的回流比只有300%，越高意味著有更多的硝酸鹽回流至缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮，但同時(shí)高會(huì)給缺氧段帶入更多DO。CHEN等的研究表明，在低C/N條件下（C/N=3），從100%上升至600%，TN去除率從66%下降到53.3%。隨著進(jìn)水負(fù)荷的提高，SBR曝氣結(jié)束后DO降至0.5 mg·L以下的時(shí)間較低負(fù)荷工況縮短（數(shù)據(jù)未給出），這可能是高負(fù)荷條件下SBR的TN去除率高于A/O的原因。

2.2.3 TP去除

如圖5所示，第1階段，A/O及SBR出水TP濃度均高于進(jìn)水濃度，平均去除率分別為-9.05%和-10.9%，這是因?yàn)榈蚿H（＜6.5）會(huì)抑制聚磷菌（PAOs）的活性，并且體系酸化可能會(huì)使微生物細(xì)胞破裂，導(dǎo)致磷從細(xì)胞內(nèi)釋放出來(lái)。第2階段，補(bǔ)充堿度后，隨著進(jìn)水TP負(fù)荷（以每立方米反應(yīng)器每日承納的TP計(jì)）提高（0.008～0.043 kg·m·d），A/O和SBR的TP去除率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在HRT=3.03 d、進(jìn)水TP負(fù)荷在0.043 kg·m·d時(shí)，A/O和SBR的TP去除率最高，平均去除率分別達(dá)到26.7%和36.7%。這是因?yàn)橐环矫妫w系pH值上升，PAOs活性恢復(fù)；另一方面，試驗(yàn)后期進(jìn)水的BOD/P顯著提高，碳源是生物除磷的限制因素。此外，工況4和工況5的條件下，SBR的TP去除率比A/O分別高出14.4個(gè)和10.0個(gè)百分點(diǎn)，這可能是因?yàn)樵诟哓?fù)荷條件下SBR的pH值要高于A/O（圖2a），較高的pH值有利于厭氧段磷酸鹽釋放以及好氧段PAOs對(duì)磷的吸收。另外高負(fù)荷條件下A/O出水的硝酸鹽濃度也略高于SBR，相當(dāng)數(shù)量的硝酸鹽轉(zhuǎn)至厭氧階段，它會(huì)影響磷的釋放，最終降低TP的去除率，所以SBR在高負(fù)荷條件下，對(duì)于磷的吸收和釋放要優(yōu)于A/O。試驗(yàn)條件下，A/O及SBR出水TP濃度都達(dá)不到集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)（8.0 mg·L），需進(jìn)一步采用物化方法如添加聚合氯化鋁、石灰等進(jìn)行深度處理。

圖5 兩種工藝的TP去除情況Figure 5 Total phosphorus removal in the two processes

2.3 功能微生物活性

表2 兩種工藝運(yùn)行結(jié)束時(shí)功能微生物活性（mg·g-1·h-1）Table 2 Functional microbial activity of two processes at the end of experiment（mg·g-1·h-1）

A段和O段污泥的比厭氧氨氧化速率（）均低于SBR污泥，分別為4.38、6.30、7.12 mg·g·h，而SBR污泥的比反硝化速率（）顯著低于A段和O段污泥，分別為1.63、2.65、2.73 mg·g·h。LIANG等認(rèn)為，連續(xù)流模式下，持續(xù)不斷地供應(yīng)碳源，增強(qiáng)了反硝化作用。LANGONE等的研究表明，由于連續(xù)流模式存在較高濃度的電子受體和供體（氧和有機(jī)物），異養(yǎng)菌會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中勝過(guò)厭氧氨氧化菌。所以，SBR更有利于短程硝化-厭氧氨氧化的實(shí)現(xiàn)，而A/O的高比反硝化活性使得其在傳統(tǒng)生物脫氮中更具優(yōu)勢(shì)。

2.4 污染物去除動(dòng)力學(xué)

圖6 兩種工藝在不同氮負(fù)荷下對(duì)有機(jī)物和氮去除動(dòng)力學(xué)模型Figure 6 Kinetic models of organic and nitrogen removal for two processes at different loading rates

3 結(jié)論

（3）功能微生物活性試驗(yàn)和動(dòng)力學(xué)模型擬合表明，SBR更有利于實(shí)現(xiàn)短程硝化-厭氧氨氧化，而A/O的高比反硝化活性使得其在傳統(tǒng)生物脫氮中更具優(yōu)勢(shì)。