一種治理沼液的兼氧膜生物反應(yīng)器工藝

廖志民，胡姣姣，黃萬撫，周榮忠，李新冬

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西金達萊環(huán)保股份有限公司，南昌330100）

一種治理沼液的兼氧膜生物反應(yīng)器工藝

廖志民1,2，胡姣姣1，黃萬撫1，周榮忠2，李新冬1

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西贛州341000；2.江西金達萊環(huán)保股份有限公司，南昌330100）

兼氧膜生物反應(yīng)器具有高效、低耗等特點，適宜處理高濃度有機廢水.文中介紹了一種兼氧膜生物反應(yīng)器工藝用于治理某養(yǎng)殖場沼液.結(jié)果表明，該工藝能有效去除CODCr、NH3-N、總磷和SS等污染物，處理后出水CODCr、NH3-N、總磷及SS濃度分別至50 mg/L、10 mg/L、7.5 mg/L和10 mg/L，去除率分別達98%、95%、50%和99%，滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596-2001）并可回用于養(yǎng)殖場道路清掃及周邊農(nóng)田灌溉.該工藝不僅出水水質(zhì)好，不排放有機剩余污泥，還實現(xiàn)了無人值守，而且噸水占地僅0.3 m2/m3，單位處理成本1.05元/m3，經(jīng)濟實用.

兼氧膜生物反應(yīng)器；養(yǎng)殖場沼液；高效低耗

畜禽養(yǎng)殖廢水是一個重大的污染源，養(yǎng)殖場沼液中含有相當(dāng)數(shù)量的有機污染物，同時沼液中氨氮含量較高，屬于難處理的高濃度有機廢水[1].常規(guī)處理技術(shù)對養(yǎng)殖廢水中高濃度、成分復(fù)雜的污染物的去除較為困難，所需工藝繁瑣，構(gòu)筑物多，運行成本較高，處理出水難以穩(wěn)定達標[2-8].兼氧膜生物反應(yīng)器通過創(chuàng)造兼氧特色，具有占地小、效率高、能耗低和基本不排有機剩余污泥的特點，對多領(lǐng)域高濃度有機廢水具有較好的處理效果[9].文中針對某規(guī)?；i養(yǎng)殖場沼液，研究采用兼氧膜生物反應(yīng)器進行處理，效果很好.

1　養(yǎng)殖場沼液水質(zhì)及兼氧膜生物反應(yīng)器工藝

1.1沼液水質(zhì)及排放標準

某規(guī)?；i養(yǎng)殖場采用干清糞后水沖方式清掃豬舍，日排放污水量100 t，豬場建有地下填埋式厭氧沼氣池，沼液經(jīng)蓄水池簡單沉淀后直接排放，沼液中未經(jīng)處理的污染物直接進入水體，給當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來了嚴重危害.經(jīng)蓄水池沉淀后的沼液水質(zhì)及《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596-2001）排放要求見表1.

表1　沼液水質(zhì)及排放標準

1.2兼氧膜生物反應(yīng)器工藝原理

兼氧膜生物反應(yīng)器工藝是新型MBR工藝，該工藝將膜組件與生物反應(yīng)池集成一體化設(shè)備，通過微生物及膜的共同作用將污染物有效去除，其反應(yīng)器示意圖如圖1.通過優(yōu)化曝氣方式，控制曝氣量，使反應(yīng)器膜組件區(qū)域溶解氧濃度為1～2 mg/L，其余區(qū)域溶解氧濃度小于1 mg/L，整體系統(tǒng)形成兼氧環(huán)境[10]，并形成以兼性菌為主[11]的特性菌群及復(fù)合菌群動態(tài)平衡生態(tài)系統(tǒng)，該菌群系統(tǒng)具有類似于自然界食物鏈的循環(huán)平衡，微生物通過降解污水中的有機物進行增殖和代謝，增殖和衰亡的菌體本身亦可作為其他細菌的營養(yǎng)源而被代謝分解為CO2、H2O等無機物，最終形成一種動態(tài)平衡，在達到平衡點后系統(tǒng)內(nèi)有機剩余污泥并不會富集增長，實現(xiàn)了有機剩余污泥的近零排放.

圖1　兼氧膜生物反應(yīng)器示意圖

由于膜的截留作用，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度可高達15 000～20 000 mg/L，污泥負荷低.并且特性菌群中微生物種類繁多，膜的截留也利于培養(yǎng)出一些具有特殊降解能力的專屬微生物，包括除磷菌群和世代時間較長的硝化、亞硝化菌群等.反應(yīng)器中常規(guī)除磷菌可吸收污水中的磷，但還有特殊除磷菌可在反應(yīng)器厭氧、避光的條件下將沼液中的磷轉(zhuǎn)化為磷化氫而將其除去[12].反應(yīng)器內(nèi)部分區(qū)域形成的嚴格厭氧空間，也有利于厭氧氨氧化微生物將作為電子供體，或作為電子受體，經(jīng)生物作用而轉(zhuǎn)化成無害的N2[13].微生物的氣化除磷和厭氧氨氧化作用，可減少供氧，大幅降低曝氣能耗，從而實現(xiàn)了反應(yīng)器的高效低耗.

1.3兼氧膜生物反應(yīng)器處理工藝流程及主要構(gòu)筑物為有效控制污染，養(yǎng)殖場采用兼氧膜生物反應(yīng)器工藝技術(shù)處理沼液，工藝流程如圖2，其主要構(gòu)筑物為原有蓄水池及兼氧膜生物反應(yīng)器.

圖2　工藝流程

（1）原有蓄水池：豬場原建設(shè)有蓄水池，現(xiàn)作為集水調(diào)節(jié)池，沼液在調(diào)節(jié)池中可沉淀部分懸浮物并均衡水質(zhì)水量.

（2）兼氧膜生物反應(yīng)器：采用2套型號為JDLMBR-Q50的兼氧膜生物反應(yīng)器.單臺設(shè)備尺寸Ф2800 mm×7800 mm，有效體積36 m3，有效水力停留時間17.4 h，額定功率2.7 kW.

經(jīng)調(diào)節(jié)后的沼液被打入膜生物反應(yīng)器內(nèi)部，經(jīng)過特性菌群的生物作用，污染物被降解為無害物質(zhì)，最終通過膜的高效截留過濾作用，使出水達標排放.

2　工藝情況及處理效果分析

2.1工藝情況

該工程自2012年1月開始啟動，采取連續(xù)進水，逐步提高負荷的方法馴化菌種.經(jīng)過一段時間的啟動調(diào)試，最終在單臺設(shè)備進水流量為2.08 m3/h，反應(yīng)器內(nèi)膜組件區(qū)域溶解氧為1～2 mg/L，其他區(qū)域溶解氧為0.4～0.6 mg/L，污泥濃度維持在15 000 mg/L左右的條件下，系統(tǒng)穩(wěn)定運行且出水各指標均穩(wěn)定達標.在2012年5月，經(jīng)當(dāng)?shù)氐目h環(huán)境監(jiān)測站連續(xù)一周檢測兼氧膜生物反應(yīng)器工藝進出水水質(zhì)，處理出水各指標穩(wěn)定達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596-2001）排放標準，并可達到《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920-2002)道路清掃、消防用水水質(zhì)標準和《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》（GB 5084-2005），檢測結(jié)果見表2.

考慮到養(yǎng)殖場沼氣發(fā)電量足以供場內(nèi)生產(chǎn)生活所需，該工程兼氧膜生物反應(yīng)器能耗低，直接采用沼氣所發(fā)電能運轉(zhuǎn).工程運行至今，運行狀況及出水水質(zhì)穩(wěn)定.由于規(guī)?；i場豬舍條件較好，沖洗過程中泥沙量很少且經(jīng)過厭氧沼氣池及蓄水池的沉淀作用，進入兼氧膜生物反應(yīng)器內(nèi)的無機泥沙較少，而兼氧膜生物反應(yīng)器不產(chǎn)生有機剩余污泥，故運行至今未排放污泥，無需處置污泥.且兼氧膜生物反應(yīng)器自動運行，操作管理簡便，在運行過程中實現(xiàn)了無人值守.為綜合利用資源，出水被就地回用于養(yǎng)殖場道路清掃及周邊農(nóng)田灌溉.

表2　監(jiān)測站檢測結(jié)果

2.2工藝運行效果分析

在啟動及運行階段，對工藝進出水水質(zhì)進行了連續(xù)監(jiān)測，并分析如下.

1）對CODCr的處理效果

檢測數(shù)據(jù)顯示，盡管進水CODCr有所波動，出水CODCr穩(wěn)定達排放標準，且隨著工藝的持續(xù)運行，最終出水CODCr穩(wěn)定在50 mg/L以下，去除率高達98%（如圖3所示），由此表明兼氧膜生物反應(yīng)器工藝對沼液中的CODCr具有很好的去除效果.

2）對NH3-N的去除效果

監(jiān)測結(jié)果表明，進水NH3-N受雨水稀釋及環(huán)境溫度回升后蓄水池內(nèi)部分生物作用的影響，波動范圍較大，出水因啟動期間系統(tǒng)微生物被成功馴化而使處理效率有線性增長的過程，在后期系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段，出水NH3-N穩(wěn)定在10 mg/L以下，去除率基本穩(wěn)定在95%以上（見圖4），說明系統(tǒng)對NH3-N具有很好的去除效果.

圖3　對CODCr的處理效果

圖4　對NH3-N的處理效果

3）對總磷的去除效果

由圖5可知，反應(yīng)器對總磷有較好的去除效果，雖然在微生物馴化過程中出水總磷濃度有所波動，但后期運行階段因進水沼液總磷濃度較低，出水總磷維持在7.5 mg/L左右，滿足排放要求.

圖5　對總磷的處理效果

4）對SS的去除效果

如圖6所示，進水SS在838～1 197 mg/L之間波動，但因蓄水池的調(diào)節(jié)作用，降雨對SS的影響相對較小.反應(yīng)器出水SS穩(wěn)定低于10 mg/L，去除率穩(wěn)定在99%以上，由此表明兼氧膜生物反應(yīng)器工藝對SS的處理效果顯著.

圖6　對SS的處理效果

5）反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度

因啟動投加菌種使反應(yīng)器內(nèi)起始污泥濃度為2 000 mg/L，由圖7可知，在啟動前期微生物未能有效馴化，污泥濃度變化不大，成功馴化微生物后污泥濃度在短時間內(nèi)快速增長，后期反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度穩(wěn)定在15 000 mg/L左右，并未持續(xù)增長，無有機剩余污泥產(chǎn)生.

圖7　反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度變化情況

3　技術(shù)經(jīng)濟分析

兼氧膜生物反應(yīng)器一體化設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，占地小.在對沼液處理的應(yīng)用過程中因需氧量少、能耗低，可利用養(yǎng)殖場內(nèi)沼氣所發(fā)電能運行，節(jié)約經(jīng)濟成本.同時因反應(yīng)器具有自動控制系統(tǒng)，又因在運行過程中無有機剩余污泥產(chǎn)生，不需排泥，可節(jié)省對污泥處理處置的人工操作過程，從而真正意義上實現(xiàn)了無人值守，對于受規(guī)模條件及人員限制的養(yǎng)殖場具有很強的適應(yīng)性.

本項目的主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表3（其中單位處理成本計算依據(jù)見表4）.從表中可看出，采用兼氧膜生物反應(yīng)器工藝處理沼液具有占地面積小、運行成本低、可回收利用資源等優(yōu)點.

表3　主要技術(shù)經(jīng)濟指標

表4　單位處理成本計算依據(jù)

4　結(jié)語

兼氧膜生物反應(yīng)器工藝能有效去除沼液中的污染物，運行出水水質(zhì)穩(wěn)定達標并可回用，整體工藝具有占地面積小，處理效果好、運行成本低，操作管理方便等優(yōu)點，是經(jīng)濟實用的沼液處理工藝.

[1]陳素華,孫鐵珩,耿春女.我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)引致的環(huán)境問題及主要對策[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(5):5-8.

[2]李淑蘭.豬場廢水厭氧消化及后處理技術(shù)研究[D].長沙:中南林學(xué)院,2003.

[3]Prado N,Ochoa J,Amrane A.Zero Nuisance Piggeries:Long-term performanceofMBR(membranebioreactor)fordiluteswine wastewater treatment using submerged membrane bioreactor in semi-industrial scale[J].Water research，2009,43(6):1549-1558.

[4]Be′line F,Boursier H,Daumer M L,et al.Modelling of biological processes during aerobic treatment of piggery wastewater aiming at process optimization[J].Bioresource Technology，2007,98(17):3298-3308.

[5]王翠霞,賈仁安.生豬場廢水厭氧消化液的污染治理工程研究[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,29(3):437-442.

[6]Magri′A,Flotats X.Modelling of biological nitrogen removal from the liquid fraction of pig slurry in a sequencing batch reactor[J]. Biosystems Engineering，2008,101(2):239-259.

[7]趙春娟,李麗,栗蘭波,等.CSTR+UASB技術(shù)在養(yǎng)殖場沼氣工程的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2011,36(6):71-73.

[8]何占飛,荀方飛,付永勝.混合工藝處理豬場養(yǎng)殖廢水研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,38（9）:171-172.

[9]廖志民.高效低耗4S-MBR污水處理新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用[J].中國給水排水,2010,26(10):35-38.

[10]江西金達萊環(huán)保股份有限公司.一種兼氧膜生物反應(yīng)器工藝:中國,ZL200910115352.0[P].2012-06-20.

[11]廖志民.兼氧型MBR工藝對污泥自消化效果的研究[J].環(huán)境工程,2010,28(3):118-120.

[12]廖志民.兼氧型MBR工藝“氣化除磷”效果研究[J].中國給水排水,2010,26(11):51-53.

[13]荀方飛,何占飛,葛亞軍，等.厭氧氨氧化處理豬場養(yǎng)殖廢水最佳運行工藝研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010,37（7）:174-176.

A new process of aerobic membrane bioreactor for treatment of biogas slurry

LIAO Zhi-min1,2,HU Jiao-jiao1,HUANG Wan-fu1,ZHOU Rong-zhong2,LI Xin-dong1
(1.Shcool of Resource and Environmental Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China; 2.Jiangxi JDL Environmental Protection Co.Ltd.,Nanchang 330100,China)

Facultative aerobic membrane bioreactor can be applied to high concentration organic wastewater treatment with high efficiency and low energy consumption.A farm biogas slurry treatment process using facultative aerobic membrane bioreactor is introduced in this article.It is shown that pollutants can be effectively removed,with the effluent concentration of CODCr,NH3-N,TP and SS being 50 mg/L,10 mg/L,7.5 mg/L and 10 mg/L and the removal rate being 98%,95%,50%and 99%respectively.The final effluent quality can perfectly meet the"Discharge standard of pollutants for livestock and poultry breeding"（GB 18596-2001）.The final effluent can also be used for farms road cleaning and the surrounding farmland irrigation.Furthermore,it is learned that the process not only has good treatment effect,but also has the advantages of automation and near-zero emission of the organic excess sludge.Thus,this process is economical and practical with tons of water covering an area of 0.3 m2/m3and the unit processing cost being 1.05 yuan/m3.

facultative aerobic membrane bioreactor;farm biogas slurry;high efficiency and low consumption

X703

A

2095-3046（2013）03-0001-05

2013-03-25

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2010ZX07105-007）；江西省自然科學(xué)基金資助項目（2010GQC0068）作者簡介：廖志民（1963-），男，高級工程師，主要從事水體污染防治等方面的研究，E-mail:liaozhimin@jdlhb.com.