韓志剛

(福州共創(chuàng)環(huán)保技術(shù)有限公司， 福建 福州 350000)

隨著規(guī)模豬場快速發(fā)展，大量豬場廢水在局部地區(qū)集中產(chǎn)生。由于豬場廢水成分復(fù)雜，含有高濃度的有機物、氮等營養(yǎng)物質(zhì)，以及重金屬、抗生素等有害物質(zhì)[1]，未經(jīng)處理直接排放或者處理不徹底排放，對周邊環(huán)境造成了極大壓力。且非洲豬瘟疫情發(fā)生后，生豬飼養(yǎng)呈現(xiàn)新態(tài)勢，集約化程度進(jìn)一步提高，一批存欄5萬、10萬頭甚至上100頭豬場大量出現(xiàn)。另外，節(jié)水型飼養(yǎng)工藝大面積推廣，沖洗水量大幅度減少，導(dǎo)致豬場廢水濃度大幅度增加，COD高達(dá)20000 mg·L-1，氨氮達(dá)到2000 mg·L-1。另外，隨著中央環(huán)保督查工作的推進(jìn)，對大型豬場環(huán)保要求日益提高。目前，對于大型豬場，普遍要求達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)中最嚴(yán)值。這些因素都給豬場廢水處理帶來極大挑戰(zhàn)。

目前豬場廢水處理多采用固液分離+厭氧處理+好氧處理+深度處理的組合工藝。其中常用的厭氧處理工藝有：上流式厭氧污泥床(UASB)、靜態(tài)顆粒床反應(yīng)器(SGBR)、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)、升流式固體厭氧反應(yīng)器(USR)以及黑膜沼氣池等[2-6]。厭氧單元能除去豬場廢水中60%～80%的COD。好氧處理工藝的主要采用A/O及SBR工藝[7-9]，豬場廢水厭氧消化，產(chǎn)生的厭氧消化液(沼液)，C/N低，處理效果不理想，往往還需要外加碳源和堿度[10-11]。深度處理主要采用混凝沉淀和高級氧化工藝。混凝沉淀運行費用比較低，但是COD去除率不高，只有30%～50%[12]。高級氧化主要采用Fenton工藝，能達(dá)到較好的處理效果，COD去除率能達(dá)到 40%～80%，但是運行費用高[12]。Fenton工藝需要使用雙氧水，雙氧水屬于危險化學(xué)品，存在安全隱患，運輸、儲存和使用都受到嚴(yán)格管制，手續(xù)繁瑣，運輸、儲存和使用受到很大限制。另一種高級氧化技術(shù)是臭氧氧化，能現(xiàn)場制取，使用比較方便，實驗室研究比較多，在豬場廢水處理中的應(yīng)用比較少，并且缺乏實際應(yīng)用的數(shù)據(jù)支撐。

故本文以福建某大型豬場廢水處理改造工程為例，介紹了改造思路，收集了3個多月的調(diào)試運行數(shù)據(jù)，探討了固液分離-SBR-A/O-臭氧組合工藝處理豬場廢水效果，并進(jìn)行了運行成本分析，以期為規(guī)?；i場廢水處理工藝優(yōu)化選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 改造前豬場廢水處理工程基本情況

該養(yǎng)殖場規(guī)劃最大存欄基礎(chǔ)母豬4000頭、哺乳仔豬約10000頭、保育豬約10000頭、育肥豬約25000頭；豬舍采用干清糞+水泡糞清糞模式，豬場實行雨污分流。原工程設(shè)計豬場廢水處理量500 m3·d-1。最終處理出水達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)中“旱作”主要水質(zhì)排放指標(biāo)和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)中NH3-N和TP指標(biāo)，即出水COD≤200 mg·L-1，BOD5≤100 mg·L-1，氨氮≤80 mg·L-1，TP≤8 mg·L-1，pH值 5.5～8.5。

由于該養(yǎng)殖場日排放污水的污染物總量達(dá)到700 m3·d-1，遠(yuǎn)超過了原處理系統(tǒng)的處理能力，運行效果差，出水COD在600 mg·L-1以上，氨氮在500 mg·L-1以上，難以達(dá)到要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。故該養(yǎng)殖場希望在原工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，以達(dá)到當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 改造前豬場廢水處理工程主要工藝單元

廢水處理工藝具體流程見圖1，圖中虛線部分為改造新增單元。豬場原水先經(jīng)過預(yù)處理工藝，主要目的是攔截原水中注射器、胎衣、塑料袋及糞渣等大顆粒懸浮物；預(yù)處理出水進(jìn)入?yún)捬跆幚硐到y(tǒng)，除去原水中大部分的有機物，并產(chǎn)生可再生能源沼氣收集待利用；厭氧處理出水沼液進(jìn)入好氧處理系統(tǒng)，進(jìn)一步去除有機物和氨氮，但由于沼液中堿度不足，所以處理工藝固定向好氧段投加純堿補充堿度消耗；好氧出水再經(jīng)深度處理產(chǎn)生的污泥均經(jīng)脫水后進(jìn)行綜合利用或外運處置。

圖1 處理工藝流程圖(虛線部分為新增單元)

1.2.1 預(yù)處理

預(yù)處理單元原有構(gòu)筑物包括：格柵渠2座，單座規(guī)格：3.5 m×0.6 m×0.6 m；集污調(diào)節(jié)池1座，規(guī)格：13.0 m×18.5 m×4.0 m；初沉池2座，單座規(guī)格：5.3 m×5.3 m×6.0 m；調(diào)配池1座，規(guī)格：5.3 m×1.7 m×6.0 m。

1.2.2 厭氧處理

厭氧處理單元原有構(gòu)筑物包括：黑膜厭氧發(fā)酵塘1座，有效容積約21000 m3；沼氣收集調(diào)節(jié)池1座，規(guī)格：10.6 m×4.5 m×4.7 m，有效容積200 m3；污水中轉(zhuǎn)池1座，規(guī)格：2.2 m×2.2 m×5.5 m，有效容積24 m3；UASB厭氧池2座，單座規(guī)格15.5 m×5.0 m×8.5 m，有效容積約1240 m3。

1.2.3 好氧處理

好氧處理單元原有構(gòu)筑物包括：中間池1座，規(guī)格：13.0 m×5.2 m×3.8 m，有效容積約200 m3；SBR好氧池6座并聯(lián)，單座規(guī)格：30.0 m×7.0 m×5.5 m，有效容積約1050 m3；中間池2，規(guī)格：10.85 m×5.0 m×4.0 m，有效容積約190 m3。

1.2.4 深度處理

深度處理單元原有構(gòu)筑物包括：混凝池2座，單座規(guī)格1.2 m×1.2 m×2.5 m，單座有效容積3.0 m3；沉淀池2座，單座規(guī)格：5.3 m×5.3 m×5.5 m，單座有效容積60 m3；催化氧化組合池2座，單座規(guī)格：4.2 m×3.9 m×5.5 m，單座有效容積70 m3；回用水池1座，規(guī)格：2.5 m×1.5 m×5.5 m，最大有效容積約18 m3；接觸消毒池共1座，規(guī)格：2.5 m×4.5 m×5.5 m，最大有效容積51 m3。

1.3 優(yōu)化改造方案

1.3.1 預(yù)處理

在預(yù)處理單元增加2套一體化絮凝裝置，可根據(jù)運行情況在此投加絮凝劑，提高初沉池中懸浮物去除效果。

1.3.2 厭氧處理

由于厭氧出水中含有大量懸浮污染物，若不加以去除，易導(dǎo)致后處理單元水泵及管道堵塞，同時會加大后續(xù)生化處理負(fù)荷且影響生化處理效果，采用氣浮工藝可大量去除污水中懸浮污染物，降低后續(xù)處理設(shè)施的處理負(fù)荷。因此增加1套一體化組合氣浮設(shè)備(GF-60T)，最大處理量60 m3·h-1。

1.3.3 好氧處理

由于經(jīng)過SBR處理以后，出水COD濃度仍然比較高，大部分是難降解有機物。因此在A/O系統(tǒng)前增設(shè)臭氧接觸池1座，規(guī)格：6.0 m×2.5 m×5.6 m，有效容積70 m3。臭氧具有極強的氧化能力，使得廢水中難生物降解的有機物斷裂成為更小的中間分子產(chǎn)物，從而容易被微生物降解，提高后續(xù)生化處理能力[13-14]。另外還增加A/O系統(tǒng)，A池有效容積135 m3，O池有效容積967 m3；新增二沉池1座，規(guī)格：14.5 m×4.0 m×5.6 m，有效容積115 m3。

1.3.4 深度處理

新增中間水池3，規(guī)格4.0 m×2.5 m×5.6 m，有效容積47 m3；利用原有催化氧化組合池改造成臭氧反應(yīng)池2座，單座規(guī)格：4.2 m×3.9 m×5.5 m，單座有效容積70 m3；利用原有催化氧化組合池改造成混凝池4座；利用原有回用水池和接觸消毒池改造成臭氧脫色池2座。第1座規(guī)格：2.5 m×2.5 m×5.5 m，第2座規(guī)格：5.0 m×2.5 m×5.5 m。

1.4 監(jiān)測項目及方法

2021年3月至5月，每天從該工藝各個處理單元取樣監(jiān)測其pH值，COD，NH3-N變化情況；每天從SBR好氧池和A/O系統(tǒng)取樣檢測污泥SV30變化情況。NH3-N的測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法；COD的測定采用儀器法(中國連華科技有限公司)；pH值測定采用玻璃電極法；SV30采用沉降法。

2 結(jié)果與討論

2.1 處理工程運行性能

2.1.1 各單元出水pH值變化情況

處理工藝各處理單元出水pH值變化情況見圖2。預(yù)處理單元和厭氧出水單元的pH值在7.5～9之間，好氧處理單元出水pH值在5.5～7之間，深度處理單元出水pH值在5.5～6之間。由于固定向好氧池投加純堿以補充好氧階段硝化消耗堿度，出水pH值都能達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)中“旱作”的限值5.5～8.5。

圖2 各個處理單元出水pH值變化情況

2.1.2 SV30變化情況

好氧系統(tǒng)污泥SV30變化情況如圖3所示。SBR好氧池的污泥SV30最高達(dá)到90%，基本維持在58.5%±6.57%，A/O處理系統(tǒng)的SV30最高達(dá)到50%，基本維持在32.0%±10.5%。好氧系統(tǒng)污泥的沉降性能較好，未發(fā)生明顯污泥膨脹現(xiàn)象。這也說明改造工藝污泥沉降性能良好，可保持穩(wěn)定的出水效果。

圖3 好氧系統(tǒng)SV30變化情況

2.1.3 出水COD濃度變化

各單元出水COD濃度變化情況如圖4所示。預(yù)處理單元，厭氧處理單元，好氧處理單元以及深度處理單元的平均COD去除率分別為28.7%±31.2%，56.3%±30.9%，12.0%±6.3%和2.0%±1.1%，改造工藝的總COD去除率99.1%±0.4%，出水平均COD濃度150±38.6 mg·L-1，出水低于《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)中“旱作”主要水質(zhì)排放指標(biāo)(COD<200 mg·L-1)(見表2)。改造工藝出水COD濃度與汪文強[15]等，采用常規(guī)生化/物化工藝處理豬場廢水，其處理出水COD濃度在124.3～169 mg·L-1，以及徐曉云[11]等采用厭氧-加原水-間歇曝氣工藝，出水COD濃度107 mg·L-1的處理效果相當(dāng)。

圖4 各處理單元出水COD濃度變化情況

2.1.4 出水氨氮濃度變化

各單元出水氨氮濃度變化情況如圖5所示。預(yù)處理單元，厭氧處理單元，好氧處理單元以及深度處理單元的平均氨氮去除率分別為5.10%±17.8%，-0.753%±22.9%，91.4%±25.7%和12.0%±6.3%。好氧單元去除了豬場廢水中90%左右的氨氮，整個工藝的總氨氮去除率98.1%±10.9%，平均出水氨氮濃度13.3±15.6 mg·L-1，出水濃度遠(yuǎn)低于《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2021)中NH3-N指標(biāo)(80 mg·L-1)(見表2)。處理出水效果要優(yōu)于汪文強[15]等人，采用常規(guī)生化/物化工藝處理豬場廢水，其處理出水NH3-N濃度在124.3～169 mg·L-1。

圖5 各單元出水氨氮濃度變化情況

表2 各單元的COD和NH3-N去除效果

2.2 處理成本分析

處理工程的運行成本主要分為3部分，一是投加藥劑費用，二是運行電費，三是人工成本。其中處理工藝投加藥劑及其成本見表3。由表3可知，投加藥劑主要包括投加純堿補充好氧硝化池消耗堿度，以及投加聚丙烯酰胺(PAM)和聚合硫酸鐵(PFS)改善污泥脫水性能，以提高出水水質(zhì)。每m3廢水處理藥劑費為共計4.56元，其中，加堿藥劑費2.15元·m-3，初沉池加藥費用0.40元·m-3，厭氧出水氣浮藥劑費0.25元·m-3，混凝池藥劑費0.52元·m-3，污泥脫水藥劑費1.24元·m-3。處理工程日耗電量約為6861.8 kW·h，電費按0.6元·kWh-1計算，每m3廢水處理電費為6.0元。人工成本需求3人，工資每人每月15000元，每m3廢水處理人工費為0.73元，占總處理費6.47 %?？傆嬎巹┵M用、電費和人工費，每m3處理工藝運行成本為11.29元·m-3(不含折舊和維修費)。整個工程處理成本要低于汪文強[15]等人的17.8元·m-3，他們采用Fenton高級氧化+化學(xué)混凝為物化單元處理生化出水，雖然物化處理出水COD，P，SS等指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)，但是，雙氧水投加費用高達(dá)6.73元·m-3，并且使用雙氧水存在安全隱患。

表3 投加藥劑及其成本

2.3 工藝處理性能分析及建議

由處理性能與運行成本分析可知，經(jīng)改造后，該養(yǎng)殖場排放出水能穩(wěn)定的達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)中“旱作”主要水質(zhì)排放指標(biāo)和《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)中COD和NH3-N 指標(biāo)，達(dá)到改造目的。但是改造工藝處理單元較多，處理電費較高(6元·m-3)。并且需要固定向好氧池投加大量純堿以滿足好氧硝化消耗堿度，成本較高(2.15元·m-3)，這與多數(shù)組合工藝的現(xiàn)存問題相似，因此下一步應(yīng)考慮降低運行成本。根據(jù)目前已報道研究，主要有兩種方式，一是考慮資源化處置與利用，例如陶冶[16]等人，養(yǎng)殖場采用采用干清糞工藝，干濕分離后糞污制成有機肥銷售。二是優(yōu)化SBR工藝，例如加原水[17-18]，促進(jìn)反硝化作用產(chǎn)生堿度補充硝化作用消耗堿度，減少加堿甚至不加堿。三是逐漸馴化短程硝化-厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮污泥，采用自養(yǎng)脫氮工藝，一方面可以節(jié)約曝氣消耗成本，另一方面無需外加堿度及碳源[19-20]。

3 結(jié)論與建議

通過對福建某大型養(yǎng)殖企業(yè)廢水處理工藝改造案例的分析，主要得出以下結(jié)論與改進(jìn)建議。

(1)經(jīng)改造后，COD去除率達(dá)到99.1%，平均出水COD濃度在150 35.6 mg·L-1，平均氨氮去除率達(dá)到98.1%，平均出水氨氮濃度在13.3±15.6 mg·L-1，出水達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2021)與《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18596—2001)中最嚴(yán)值。

(2)處理成本為11.29元·m-3，其中運行電費，藥劑投加費和人工成本分別占總運行成本的53.1%，40.4%和6.47%，總運行成本較高。

(3)建議SBR采用加豬場原水促進(jìn)反硝化回補堿度，并逐漸馴化短程硝化-厭氧氨氧化污泥，采用自養(yǎng)脫氮減少曝氣量，降低處理費用。