生物倍增工藝在生豬養(yǎng)殖廢水處理工程中的應(yīng)用

陸人春，倪燕霞，胡文堅(jiān)，吳碩濤，劉興利，王長智，梅榮武

(1.中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311200；2. 浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007)

0 引 言

在浙江省，生豬養(yǎng)殖業(yè)作為農(nóng)村居民收入的重要來源和城鎮(zhèn)居民菜籃子工程的重要組成部分，一直保持著快速發(fā)展的勢頭，生豬養(yǎng)殖污染問題也日趨突出。

生豬養(yǎng)殖廢水具有有機(jī)質(zhì)、氨氮濃度高，水力沖擊負(fù)荷大等特點(diǎn)。目前浙江省多采用厭氧-好氧處理模式和自然處理模式相結(jié)合的方法處理生豬養(yǎng)殖廢水后外排周邊水體[1]。

生豬養(yǎng)殖廢水厭氧處理單元(如黑膜沼氣池、UASB反應(yīng)器、IC反應(yīng)器等)可有效去除廢水中的可溶性有機(jī)質(zhì)，COD去除率可達(dá)到85%左右[2]，但厭氧處理對廢水中氨氮的去除效率不佳[3]，甚至由于含氮污染物氨化分解，會釋放出更多氨氮[4]，導(dǎo)致厭氧處理后的廢水碳氮比較低，可生化性差[2]，增加了后續(xù)處理難度。以一個萬頭豬場為例，其日排糞尿污水高達(dá)100～150 t，廢水凈化技術(shù)難度可想而知。

近年來，我國引進(jìn)了一種新的生化處理技術(shù)-生物倍增技術(shù)。該技術(shù)目前主要用于市政污水處理[1]、ABS廢水處理[5]，也有運(yùn)用于石化工業(yè)污水處理[6]，該技術(shù)運(yùn)用后，可以有效減少廢水處理占地面積、處理成本，提高處理效率[7]。

1 生物倍增技術(shù)

生物倍增工藝由德國Engelbart公司最先提出[7]，是一種新型活性污泥法工藝，具備氧化溝循環(huán)流的特征，采取一體化結(jié)構(gòu)布局，流程緊湊，占地節(jié)省。它最大的特點(diǎn)是池內(nèi)高污泥濃度和曝氣區(qū)低溶解氧的運(yùn)行方式。該工藝以傳統(tǒng)活性污泥法為基礎(chǔ)，在生化池進(jìn)水端將來水以內(nèi)循環(huán)方式高倍稀釋，污水的CODCr濃度越高，自動控制的稀釋倍數(shù)越高，從而形成了平緩的降解梯度，使得活性污泥系統(tǒng)的馴化環(huán)境相對穩(wěn)定，因而在特殊的控制條件下(低溶解氧、高污泥濃度)，保證了生物處理池中所馴化培養(yǎng)的微生物數(shù)量最大化、菌群特殊化、降解高效化，從而有效降解水中的有機(jī)污染物。

生物脫氮的基本原理是在有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的基礎(chǔ)上，先利用好氧段的硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮，再利用厭氧段的反硝化菌通過反硝化作用將硝氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。傳統(tǒng)生物處理池中溶解氧濃度(DO)較高，異養(yǎng)菌增殖快，污泥絮體大，形成隔離水膜，生長緩慢的硝化菌只能被“包埋”在污泥絮體內(nèi)。為了使硝化反應(yīng)得以有效地進(jìn)行，必須保持廢水中較高的DO值。與之相比，生物倍增生物處理池中的活性污泥顆粒小，污泥活性相對較低，異養(yǎng)菌生長緩慢；活性污泥外表不易形成隔離膜，活性污泥可與氧及可溶性有機(jī)物直接接觸，實(shí)現(xiàn)氨氮的短程硝化；在曝氣池進(jìn)口區(qū)，大量可溶性有機(jī)物將很快實(shí)現(xiàn)氧化降解；曝氣區(qū)內(nèi)的溶解氧也同時被迅速消耗降低趨于零，有利于后續(xù)的反硝化反應(yīng)徹底進(jìn)行。

因此，生物倍增工藝在有效去除水中有機(jī)污染物的同時，又創(chuàng)造了同步短程硝化反硝化脫氮條件，在曝氣區(qū)中實(shí)現(xiàn)了脫氮過程。

2 試驗(yàn)組概況

試驗(yàn)選擇了浙江省杭州市同一地方的2家規(guī)模生豬養(yǎng)殖場，均采用干清糞工藝，其中一家污水處理采用了生物倍增工藝，另一家污水處理采用現(xiàn)有傳統(tǒng)A/O污水處理工藝作為對照組，本次試驗(yàn)就2家污水處理工藝的主要單元(生物倍增單元和A/O單元)進(jìn)行比較。

(1)試驗(yàn)組生豬養(yǎng)殖場基本情況

運(yùn)用生物倍增工藝的生豬養(yǎng)殖場基本信息見表1。主要廢水處理工藝如圖1所示。

表1 試驗(yàn)組基本信息

圖1 試驗(yàn)組廢水處理工藝圖Fig.1 Wastewater treatment process diagram of the test group

廢水通過管道收集、機(jī)械格柵進(jìn)行固液分離后，進(jìn)入集水池均質(zhì)，再進(jìn)入沼氣池中進(jìn)行厭氧發(fā)酵處理，經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后的沼液泵入預(yù)曝池后，再進(jìn)入澄清池進(jìn)行絮凝沉淀、固液分離，然后進(jìn)入生物倍增反應(yīng)池(BDP)，去除CODCr、氨氮等污染物，出水進(jìn)入二沉池，沉池上清液經(jīng)加藥混合后流入化學(xué)除磷池除去廢水中殘留的磷，出水最終進(jìn)入氧化塘。

試驗(yàn)組提標(biāo)改造后的污水處理系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表2。

(2)對照組生豬養(yǎng)殖場基本情況

采用傳統(tǒng)A2/O污水處理工藝的生豬養(yǎng)殖場基本情況見表3。

表2 試驗(yàn)組廢水處理系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

表3 對照組基本信息

該生豬養(yǎng)殖場廢水處理方案如圖2所示。

圖2 對照組廢水處理工藝圖Fig.2 Wastewater treatment process diagram of the control group

污水通過管道收集進(jìn)入集水池，再通過水力篩網(wǎng)進(jìn)行固液分離后進(jìn)入水解酸化池，酸化好的污水再泵入?yún)捬醴磻?yīng)器中經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理。經(jīng)厭氧發(fā)酵處理后的沼液自流入沉淀池進(jìn)行沉淀，進(jìn)一步處理后進(jìn)入調(diào)節(jié)配水池，配水池配好的水，經(jīng)氣浮后泵入三級A/O處理系統(tǒng)，其出水進(jìn)入終沉池處理，沉淀后污泥部分回流至三級A/O池。終沉池上清液經(jīng)加藥混合后流入化學(xué)除磷池除去廢水中殘留的磷，然后排入氧化塘。

對照組污水處理系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)見表4。

表4 對照組廢水處理系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

3 試驗(yàn)主要內(nèi)容及研究目標(biāo)

4 處理工藝試驗(yàn)研究

4.1 溶解氧

根據(jù)生物倍增技術(shù)的特點(diǎn)，溶解氧濃度一般控制在0.3～0.5 mg/L，在該溶解氧狀態(tài)下，可以使生物池同時實(shí)現(xiàn)水解酸化和短程同步硝化反硝化功能[8]。使得微生物對難降解有機(jī)物適應(yīng)性更強(qiáng)，在曝氣池就可以進(jìn)行脫氮。因此，本次試驗(yàn)生物倍增工藝溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L。

4.2 污泥濃度

一般污泥濃度越高，有機(jī)物的去除效率越好，但污泥濃度過高，需氧量就會增大，對溶解氧濃度的控制具有一定的難度，反應(yīng)環(huán)境可能存在缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致整體生化過程對有機(jī)物去除率下降。本次試驗(yàn)將溶解氧濃度控制在0.3～0.5 mg/L，保持低溶解氧環(huán)境下，進(jìn)行污泥濃度對沼氣池出水的氨氮、CODCr去除效率的影響，如圖3所示。

圖3 污泥濃度對氨氮和CODCr去除效率的影響Fig.3 Effect of sludge concentration on the removalefficiencies of ammonia nitrogen and CODCr

在試驗(yàn)條件下，污泥濃度達(dá)到4 g/L后氨氮去除率快速提升，但到8 g/L后，去除率提升緩慢；CODCr去除率也隨著污泥濃度的提高保持提升趨勢，污泥濃度8 g/L時CODCr去除率達(dá)到最高。綜合考慮氨氮和CODCr的去除效率，本次試驗(yàn)在低溶解氧(0.3～0.5 mg/L)環(huán)境下，確定污泥濃度6～8 g/L較為合理。

4.3 回流比

在上述參數(shù)基礎(chǔ)上，本次試驗(yàn)?zāi)M了試驗(yàn)組廢水污染物濃度最大的情景，采用了4種回流比(20∶1、30∶1、50∶1、75∶1)進(jìn)行循環(huán)稀釋試驗(yàn)。每次試驗(yàn)在保證溶解氧濃度和污泥濃度的前提下進(jìn)行，每次持續(xù)試驗(yàn)時間為2周。根據(jù)檢測結(jié)果，生物倍增工藝出水CODCr、氨氮濃度見表5。

表5 不同回流比生物倍增工藝污染物出水濃度

經(jīng)過一段時間的調(diào)整試驗(yàn)，回流比越大，處理效果越好，但考慮經(jīng)濟(jì)情況，在回流比50∶1的時候，既可以滿足達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，也可以使經(jīng)濟(jì)相對實(shí)惠。

4.4 工藝參數(shù)確定

經(jīng)過試驗(yàn)，最終確定生物倍增工藝參數(shù)見表6。

表6 試驗(yàn)組生物倍增池主要運(yùn)行參數(shù)

5 工程運(yùn)行效果與分析

5.1 運(yùn)行記錄統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)組2021年10月23日—2021年11月21日運(yùn)行統(tǒng)計(jì)廢水污染物濃度情況見表7。

對照組2021年10月23日—2021年11月21日運(yùn)行統(tǒng)計(jì)廢水污染物濃度情況見表8。

5.2 數(shù)據(jù)對照分析

在厭氧處理出水濃度相對接近的情況下，生物倍增池和A/O池出水中化學(xué)需氧量和氨氮的濃度對比、化學(xué)需氧量和氨氮的處理效率對比分析如圖4、圖5所示。

表7 試驗(yàn)組廢水污染物監(jiān)測結(jié)果

表8 對照組廢水污染物監(jiān)測結(jié)果

圖4 生物倍增工藝和A/O工藝出水COD和氨氮濃度對比Fig.4 Comparison of COD and ammonia nitrogen concentrationsbetween bio-doubling process and A/O process

圖5 生物倍增工藝和A/O工藝COD和氨氮處理效率對比Fig.5 Comparison of COD and ammonia nitrogen removal efficiencies between bio-doubling process and A/O process

根據(jù)比較，在預(yù)處理出水濃度相近的情況下，試驗(yàn)組的生物倍增池出水污染物濃度比三級A/O池低，出水CODCr濃度可穩(wěn)定控制在100 mg/L以下，氨氮濃度可穩(wěn)定控制在15 mg/L以下。

5.3 生物倍增工藝與A/O工藝綜合比較

(1)廢水處理池占地面積

對照組A/O池占地面積約1 600 m2，以萬頭豬出欄量換算，每萬頭豬廢水處理設(shè)施占地面積533 m2；試驗(yàn)組生物倍增池占地面積約400 m2，以萬頭豬出欄量換算，每萬頭豬廢水處理設(shè)施占地面積160 m2，相比A/O工藝占地面積更小。

(2)用電情況

A/O池主要用電設(shè)施為提升泵、回流泵和鼓風(fēng)機(jī)，最大電機(jī)功率約135 kW，平均每噸用電量約13 kW·h，電費(fèi)約8.1元/t水；生物倍增池主要用電設(shè)施為提升泵和鼓風(fēng)機(jī)，最大電機(jī)功率約45 kW，平均每噸水用電量約4.3 kW·h，電費(fèi)約2.7元/t水，相比之下生物倍增池處理噸水的用電量不足A/O池的50%。

(3)人工管理、維護(hù)情況

A/O池占地面積較大，所需設(shè)備和管理人員較多，設(shè)備、曝氣管等的更換、維護(hù)力度大；生物倍增池占地面積較小，所需設(shè)備及管理人員較少，曝氣裝置采用軟管布置，可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)更換，相比A/O工藝，生物倍增工藝人工費(fèi)用較少，設(shè)備及部件更換、維護(hù)力度較小。

(4)藥劑投加情況

試驗(yàn)組和對照組的藥劑投加主要體現(xiàn)在化學(xué)除磷上，兩者廢水量相似，廢水污染物總磷濃度相仿，投加藥劑量相差不大，藥劑費(fèi)用差距不大。

(5)溶解氧濃度

A/O池缺氧段DO濃度不大于0.2 mg/L，好氧段DO濃度 3～5 mg/L；生物倍增池DO濃度0.3～0.5 mg/L，相比A/O工藝，生物倍增工藝所需溶解氧濃度更小，鼓風(fēng)機(jī)能耗可以降低約25%～40%。

(6)水力停留時間

對照組A/O工藝水力停留時間約593 h；試驗(yàn)組生物倍增工藝水力停留時間約150 h，比A/O工藝短。

(7)出水CODCr、氨氮濃度

相比A/O工藝，在進(jìn)水水質(zhì)類似的情況下，生物倍增工藝處理效率更高。

綜上，運(yùn)用生物倍增工藝主要呈現(xiàn)以下3個優(yōu)勢：

① 處理效率高，水力停留時間短

相比A/O工藝，生物倍增工藝節(jié)省了生化反應(yīng)時間，水力停留時間更短，在類似的進(jìn)水指標(biāo)條件下，生物倍增工藝處理效率更高，尤其是氨氮處理效率。

② 占地面積小

相比A/O工藝，生物倍增工藝節(jié)約了約30%的占地面積。

③ 直接運(yùn)行成本更低

相比A/O工藝，生物倍增工藝溶解氧濃度僅需0.3～0.5 mg/L，大大減少了鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備能耗，維護(hù)簡便，電費(fèi)、人工費(fèi)等直接運(yùn)行成本較少。

6 結(jié) 論

根據(jù)廢水處理規(guī)模相近、廢水預(yù)處理工藝相似的兩家養(yǎng)殖場對比試驗(yàn)結(jié)果，相比傳統(tǒng)A/O工藝，采用生物倍增工藝處理生豬養(yǎng)殖廢水，在保持“回流比50∶1，HRT 150 h，DO濃度0.3～0.5 mg/L，MLSS 6～8 g/L”的參數(shù)條件下，出水可以穩(wěn)定達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)要求；同時，生物倍增工藝可以節(jié)省生化反應(yīng)時間，縮短水力停留時間，節(jié)約占地面積和直接運(yùn)行成本。