李治陽 華佳

(1.無錫環(huán)境科學(xué)與工程研究中心 江蘇無錫214153; 2.無錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇無錫 214153)

0 引言

基于對太湖水質(zhì)的長期監(jiān)測與治理，設(shè)立省太湖水污染防治辦公室，統(tǒng)一部署江蘇太湖水污染治理任務(wù)，提出2020年實現(xiàn)太湖無錫水域水質(zhì)總體達到Ⅲ類水平。引起太湖水體富營養(yǎng)化的因素很多，畜禽養(yǎng)殖廢水也是城市近郊氮、磷污染物主要來源之一，畜禽養(yǎng)殖廢水含有機物、氮和磷，且成分復(fù)雜[1-3]，因此，開展湖區(qū)養(yǎng)殖廢水脫氮除磷技術(shù)研究具有實踐價值。

近年，已有學(xué)者針對養(yǎng)殖廢水的特點，進行了處理技術(shù)的研究報道，多是對廢水有機質(zhì)和氮的去除研究，而對磷的去除效果不佳。王剛等[4-5]使用UASB- SBBR組合工藝對畜禽養(yǎng)殖廢水COD和 TN有較好的去除效果，但對于正磷酸鹽、有機磷因缺乏足夠碳源而難以實現(xiàn)高效去除。何志明等[6]對改良型SBR工藝技術(shù)處理畜禽養(yǎng)殖廢水的可行性進行討論研究，有一定的去除效果。王歡等[7]應(yīng)用短程硝化反硝化和厭氧氨氧化聯(lián)合工藝處理低有機質(zhì)豬場廢水，廢水有機質(zhì)和氮有較好的去除效果。Yamamoto等[8]應(yīng)用短程硝化—厭氧氨氧化聯(lián)合工藝處理自配低有機質(zhì)屠宰廢水，其氮的去除率達0.22 kg/(m3·d)?？祼郾虻萚9]應(yīng)用不同工藝技術(shù)進行了養(yǎng)殖廢水污染物的去除研究，對有機質(zhì)和氮有較高的去除效果。前期的研究過程中存在傳統(tǒng)硝化反硝化需外加碳源、化學(xué)處理產(chǎn)生二次污染及工藝對氮、磷去除率低的問題。本文創(chuàng)新提出應(yīng)用MSBR-UASB組合工藝對養(yǎng)殖廢水有機質(zhì)、氮、磷進行處理并評價其去除效果。MSBR工藝屬于A2O工藝與SBR工藝的結(jié)合，可實現(xiàn)不同功能菌群的分區(qū)富集，使各功能菌保持最佳生長條件，實現(xiàn)對廢水各污染物同時去除。UASB工藝能夠承受高負荷氮、有較長的污泥停留時間，且厭氧氨氧化工藝屬于高效、節(jié)能型自養(yǎng)生物脫氮工藝。因此，MSBR-UASB組合工藝具有良好的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 廢水特點

廢水為太湖流域某養(yǎng)殖企業(yè)養(yǎng)殖場廢水，包括沖洗廢水和畜禽尿液，成分指標見表1，工藝處理過程中其進水分別為1∶1廢水、1∶2廢水和原廢水，研究不同進水濃度條件下工藝系統(tǒng)對廢水氮、磷及有機質(zhì)的處理效果。

表1 養(yǎng)殖廢水成分指標 mg/L(pH值除外)

1.2 裝置與方法

聯(lián)合工藝示意圖如圖1所示，MSBR，UASB反應(yīng)器有效容積各為8 L左右，處理量約為15 L/d。組合工藝運行前，分別完成了MSBR和UASB反應(yīng)器的啟動。組合工藝運行過程中，依據(jù)MSBR工藝前期的試驗運行效果，選擇控制MSBR曝氣池DO為1.5 mg/L左右，控制曝氣池和SBR池硝化過程FA為10～20 mg/L，最大程度實現(xiàn)短程硝化反硝化，MSBR運行過程中SBR池沉淀出水前曝氣反應(yīng)2 h，為后續(xù)UASB反應(yīng)器提供合適NO2-/NH4+比，通過添加Na2CO3溶液調(diào)節(jié)系統(tǒng)pH值為8.0，反應(yīng)溫度為室內(nèi)溫度，約為20～35 ℃，厭氧氨氧化反應(yīng)器用布包裹避光，避免光照對微生物活性的影響。運行過程中根據(jù)厭氧氨氧化反應(yīng)器出水水質(zhì)，確定耦合工藝是否需要回流處理，并確定合理的回流比，使系統(tǒng)有高的去除效果。

圖1 聯(lián)合工藝示意

1.3 分析方法

NH4+-N：納氏試劑比色法；NO3--N：紫外分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)乙二胺比色法；TN：過硫酸鉀法紫外分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法；COD：HACH替代試劑比色法、重鉻酸鉀法；MLSS和MLVSS：標準重量法；DO：溶氧儀法；pH值：玻璃電極法。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD去除效果分析

廢水聯(lián)合處理運行40 d，運行過程中，前10 d處理廢水為稀釋2倍廢水，第11～20 d處理廢水為稀釋1倍廢水，第21～30 d處理廢水為原廢水，因其去除效果有所降低，故第31～40 d，處理原廢水條件下增加系統(tǒng)回流，控制系統(tǒng)回流率為100%，可更好的提高系統(tǒng)的去除效果。

圖2是系統(tǒng)對COD的去除效果。由圖可知，進水COD約從800 mg/L逐漸升高到3 000 mg/L，出水COD主要在30～80 mgL之間，當進水濃度提高后，出水濃度增加，COD約為200 mg/L，故后期運行過程中，設(shè)置100%的回流比，出水COD濃度逐漸降低，基本在80 mg/L以下，工藝對COD去除率在96%以上，有機質(zhì)去除效果好。根據(jù)工藝運行特點分析，系統(tǒng)對COD的去除途徑有厭氧池的產(chǎn)甲烷反應(yīng)、缺氧池的反硝化脫氮反應(yīng)、曝氣池好氧降解等，因此工藝中COD的去除主要在MSBR工藝中實現(xiàn)。UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)主要進行的是自養(yǎng)脫氮，無需有機質(zhì)參與，反應(yīng)器內(nèi)有少量有機質(zhì)的消耗，其原因是反應(yīng)器內(nèi)存在少量異養(yǎng)反硝化脫氮過程。

圖2 聯(lián)合工藝COD去除效果

2.2 氮去除效果分析

圖3～圖4分別是是耦合工藝對廢水氨氮和總氮的去除效果分析，其進水氨氮質(zhì)量濃度由開始的100 mg/L，逐漸提高至400 mg/L，進水總氮質(zhì)量濃度由160 mg/L逐漸提高至600 mg/L，在回流比為100%的條件下，出水氨氮質(zhì)量濃度在15 mg/L左右，出水TN在20 ～30 mg/L之間，聯(lián)合工藝對氨氮和總氮的去除率分別為95%以上和90%以上，工藝對氮有良好的去除效果。氨氮主要通過曝氣池好氧硝化和UASB反應(yīng)器中的厭氧氨氧化實現(xiàn)去除；總氮主要通過缺氧池的反硝化過程和UASB反應(yīng)器中的厭氧氨氧化實現(xiàn)去除，由此可知，系統(tǒng)中各反應(yīng)池實現(xiàn)了不同類型微生物的分區(qū)富集，且表現(xiàn)了良好的菌群活性，從而使整個工藝系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

圖3 氨氮去除效果分析

圖4 聯(lián)合工藝TN去除效果

2.3 磷去除效果分析

圖5反映組合工藝對廢水TP的去除效果，其進水TP濃度從10 mg/L逐漸提高到45 mg/L，在回流比為100%條件下，其出水TP濃度在4 mg/L以下，第20～30 d出水總磷質(zhì)量濃度偏高，其原因是此階段未對出水進行回流處理。系統(tǒng)對磷的去除主要由MSBR工藝實現(xiàn)，包括厭氧池釋磷過程、好氧池和缺氧池吸磷過程，最后并通過系統(tǒng)排泥實現(xiàn)磷的去除。

圖5 總磷去除效果分析

2.4 系統(tǒng)對氮磷去除貢獻分析

通過對運行階段各反應(yīng)器進出水TN，TP濃度及污水處理量，計算分析各反應(yīng)器對廢水氮和磷的去除貢獻。以下分析的貢獻率指MSBR工藝和UASB工藝對各污染物的去除量與系統(tǒng)總?cè)コ康谋戎怠?/p>

Mt=(Cin-Cout)×Q/1 000

(1)

式中，Mt為各污染物去除總量，g/d；Cin為各污染物系統(tǒng)進水質(zhì)量濃度，mg/L；Cout為各污染物系統(tǒng)出水質(zhì)量濃度，mg/L；Q為廢水流量，L/d。

圖6反映組合工藝各反應(yīng)器對COD的去除貢獻，由圖可知，MSBR去除貢獻率在93%以上，UASB對其去除的貢獻率在3%～7%之間。分析原因是MSBR反應(yīng)器有厭氧池、曝氣池、缺氧池，可進行厭氧消化、好氧降解及缺氧反硝化反應(yīng)，均會對有機質(zhì)進行降解消耗。而UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)主要進行的是自養(yǎng)脫氮，無需有機質(zhì)參與，反應(yīng)器內(nèi)有少量有機質(zhì)的消耗，其原因是反應(yīng)器內(nèi)存在少量異養(yǎng)反硝化脫氮過程。

圖7反映各反應(yīng)器對TN的去除貢獻率，由圖可知，MSBR對廢水TN的去除貢獻率主要在75%～85%，UASB對廢水TN去除貢獻率在15%～30%之間。MSBR運行期間，連續(xù)監(jiān)測曝氣池出水亞硝氮積累率在60%以上，反應(yīng)器TN主要通過全程硝化反硝化和短程硝化反硝化途徑脫氮，UASB主要通過厭氧氨氧化途徑及少量的反硝化途徑實現(xiàn)氮的去除。第21 d后UASB反應(yīng)器對氨氮的去除貢獻率有所提高，主要原因是進水TN濃度升高，MSBR出水TN濃度隨之增加，從而有更多總氮需要到UASB反應(yīng)器中通過厭氧氨氧化途徑去除。

圖6 各反應(yīng)器 COD 去除貢獻率

圖7 各反應(yīng)器 TN 去除貢獻率

圖8反映各反應(yīng)器對廢水氨氮的去除貢獻率，由圖可知，MSBR對廢水氨氮的去除貢獻率主要在70%～80%之間，廢水中的氨氮主要通過好氧全程硝化和短程硝化途徑實現(xiàn)氨氮的去除，UASB對廢水氨氮的去除貢獻率主要在15%～30%之間，其主要通過厭氧氨氧化途徑實現(xiàn)氨氮的去除。后期UASB對廢水氨氮去除貢獻率升高，其原因是MSBR出水氨氮質(zhì)量濃度會升高，會有更多的氨氮在UASB反應(yīng)器內(nèi)被去除，其去除貢獻率會提高。

圖8 各反應(yīng)器 NH4+ 去除貢獻率

圖9反映組合工藝各反應(yīng)器對廢水磷的去除貢獻率，由圖可知，MSBR對磷的去除貢獻率主要為70%～85%，磷的去除主要通過MSBR工藝中的厭氧池釋磷過程、好氧池及缺氧池吸磷過程實現(xiàn)。UASB對廢水有10%～20%去除效果，推測反應(yīng)器內(nèi)細菌生長繁殖過程需要消耗一定的磷營養(yǎng)成分，并通過排泥的過程實現(xiàn)磷的去除，其次廢水中磷的濃度比較低，較少的去除量也會占較高的去除貢獻率。

圖9 各反應(yīng)器TP去除貢獻率

3 結(jié)論

(1)創(chuàng)新提出應(yīng)用MSBR-UASB工藝實現(xiàn)養(yǎng)殖廢水各污染物的去除。

(2)通過調(diào)節(jié)控制曝氣池pH值約為8.0，溶解氧在1.5 mg/L、游離氨10～20 mg/L，可實現(xiàn)亞硝氮積累率在60%以上。

(3)組合工藝對養(yǎng)殖廢水COD，NH4+-N，TN的去除率分別達到96%，95%，90%，出水TP在4 mg/L以下。

(4)污染物主要在MSBR反應(yīng)器內(nèi)去除，UASB為輔助去除，MSBR對系統(tǒng)COD，TN，TP去除貢獻率分別為93%，75%～85%，70%～85，UASB對系統(tǒng)COD，TN，TP去除貢獻率分別為3%～7%，15%～30%，10%～20%。