UASB-兩級A／O-混凝工藝處理生豬養(yǎng)殖污水工程實例

趙明杰， 栗勇田，3

（1.河北省河道水質凈化及生態(tài)修復重點實驗室， 秦皇島天大環(huán)保研究院有限公司， 河北 秦皇島 066000；2.河道水處理和生態(tài)修復河北省工程研究中心， 河北 秦皇島 066000；3.天津大學 環(huán)境科學與工程學院， 天津 300072）

畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展使得養(yǎng)殖污水排放量逐年增加［1］， 隨著國家對生態(tài)文明建設的力度加大， 對畜禽養(yǎng)殖污水的排放要求也日趨嚴格。 生豬養(yǎng)殖污水具有污染物種類多、 濃度高、 易腐化等特點， 若不經(jīng)處理或處理不當， 會對周邊水環(huán)境造成嚴重污染， 甚至引發(fā)傳染病流行， 威脅人居環(huán)境和身體健康［2－4］。

目前國內處理生豬養(yǎng)殖污水一般采用厭氧法、生物接觸氧化法以及活性污泥法等進行生化處理［5－7］，但設計出水水質大多僅滿足GB 18596—2001《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》， 無法直接排放至河湖水體或用于農(nóng)田灌溉， 不利于水資源的有效利用。 近年來， 大量研究成果顯示在傳統(tǒng)生化處理方法基礎上， 優(yōu)化預處理及增加深度處理形成適宜的組合工藝， 能夠進一步提高生豬養(yǎng)殖污水處理效果［8－10］。本文介紹了某規(guī)模養(yǎng)豬場污水處理工程設計， 并對實際運行效果進行考察與分析， 為類似畜禽養(yǎng)殖污水處理工程的設計提供參考。

1 工程概況

河北省某規(guī)模化生豬養(yǎng)殖場是一家集種豬繁殖、 銷售， 豬飼養(yǎng)銷售為一體的綜合性農(nóng)牧企業(yè)，現(xiàn)存欄量為40 000 頭， 采用干清糞工藝， 糞便作為有機肥的肥料與污水處理過程中產(chǎn)生的廢渣和污泥一起進行有機肥的生產(chǎn)， 尿液、 殘余糞便、 豬舍沖洗水以及少量生活污水需進行處理。 養(yǎng)殖場位置較為偏遠， 周邊基本為農(nóng)田， 無市政排水管線布設。 根據(jù)項目內容， 新建污水處理站1 座， 設計處理出水達到GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級標準。

2 設計水量、 水質

根據(jù)GB 18596—2001 表4 集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)干清糞工藝最高允許排水量為： 冬季1.2 m3／（百頭·d）、 夏季1.8 m3／（百頭·d）， 并結合企業(yè)實際情況， 確定本方案設計處理能力為600 m3／d。

通過建設單位提供的相關污水水質資料， 并結合現(xiàn)場取樣檢測和同類污水的水質分析， 確定本工程的進水水質。 根據(jù)當?shù)丨h(huán)保主管部門的要求， 本工程處理后的出水排入場外防滲儲水坑， 不定期用于農(nóng)灌， 出水水質指標執(zhí)行GB 8978—1996 中的一級標準。 污水處理站設計進出水水質如表1 所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Design influent and effluent water quality

3 污水處理工藝

根據(jù)該養(yǎng)殖場污水水質特點、 工程現(xiàn)場實際情況及治理需求， 設計采用預處理－UASB－兩級A／O－混凝沉淀－多介質過濾－消毒組合工藝進行處理。具體工藝流程見圖1。

圖1 生豬養(yǎng)殖污水處理工藝流程Fig.1 Process flow of pig farming sewage treatment

污水經(jīng)過格柵初步攔截后首先進入調節(jié)池， 對進水水質、 水量進行調節(jié)， 調節(jié)池出水經(jīng)提升泵均勻地提升至固液分離機， 進一步去除污水中的少量毛發(fā)、 糞便等細小顆粒狀及纖維狀雜質后， 出水進入水解酸化池。 水解酸化池利用兼性厭氧菌的水解酸化作用， 將污水中難生物降解的大分子有機物分解為易生物降解的小分子有機物， 提高污水的可生化［11］。

水解酸化池出水經(jīng)厭氧進料泵提升至換熱器預熱， 然后經(jīng)布水系統(tǒng)進入UASB 反應器， 與顆粒污泥發(fā)生反應進行厭氧消化， 通過厭氧微生物有效分解污水中的有機污染物。 UASB 出水經(jīng)厭氧沉淀后進入兩級A／O 生化反應池， 通過微生物的代謝作用強化有機物降解效率， 并進一步脫氮除磷［12］。

A／O 生化反應池的出水進入混凝沉淀池， 與除磷藥劑充分反應沉淀， 上清液經(jīng)中間水池提升至多介質過濾器， 進一步去除污水中的有機污染物及細小的懸浮物， 出水進入消毒池， 通過NaClO 消毒脫色后達標排放。

UASB 反應器產(chǎn)生的沼氣經(jīng)水封器、 氣水分離器和干式脫硫塔凈化處理后集中儲存， 以便進一步綜合利用。 固液分離機分離出的固體雜質、 UASB反應器產(chǎn)生的厭氧污泥、 A／O 生化反應池產(chǎn)生的剩余污泥以及混凝沉淀池產(chǎn)生的污泥排入污泥濃縮池， 濃縮后的污泥經(jīng)污泥脫水機脫水后， 與糞便一起用于生產(chǎn)有機肥料。

4 主要構筑物設計、 運行參數(shù)

（1） 調節(jié)池。 地下式鋼砼結構， 尺寸為11.0 m×6.0 m×7.0 m， 有效容積為360 m3， 水力停留時間為12 h。 配備提升泵1 臺， 流量為25 m3／h，揚程為10 m， 功率為1.5 kW。 調節(jié)池出水處設置固液分離機， 型號為WXFJ－600 旋轉式， 尺寸為φ0.6 m × 1.4 m， 篩網(wǎng)間隙為0.2 mm， 轉速為2.5 r／min， 功率為0.75 kW。

（2） 水解酸化池。 地下式鋼砼結構， 尺寸為15.0 m×6.0 m×6.0 m， 有效容積為360 m3， 水力停留時間為12 h。 配備潛水攪拌器1 臺， 攪拌機功率為0.85 kW， 葉輪直徑為260 mm， 轉速為740 r／min； 厭氧進料泵1 臺， 流量為25 m3／h， 揚程為28 m， 功率為5.5 kW。

（3） UASB 反應器。 半地下式防腐碳鋼結構，尺寸為φ5.5 m×16.0 m， 有效容積為353 m3， 容積負荷為10 kg［COD］／（m3·d）， 水力負荷為0.7 m3／（m2·h）， 水力停留時間為14.12 h。 控制進水溫度為（35±1） ℃， 進水pH 值為6.5 ～7.5， 由反應器底部進行環(huán)形布水， 每個布水孔服務面積為1.38 m2， 沉淀區(qū)水力表面負荷為1.05 m3／（m2·h）， 傾斜壁底角為50°。 設置配套三相分離器、 水封器、 汽水分離器及沼氣凈化儲存系統(tǒng)各1 套。

（4） 厭氧沉淀池。 半地下式鋼砼結構， 尺寸為7.0 m×2.0 m×6.0 m， 有效容積為77 m3， 水力負荷為2.14 m3／（m2·h）， 水力停留時間為2.56 h。斜管填料采用熱壓六邊形蜂窩管， 內徑為80 mm，管長1 m， 安裝傾角為60°。 設置厭氧污泥泵1 臺，流量為25 m3／h， 揚程為10 m， 功率為1.5 kW。

（5） A／O 生化反應池。 一級和二級A／O 生化反應池各1 座， 串聯(lián)運行， 地下式鋼砼結構， 單座尺寸為23.0 m×5.0 m×6.0 m， 單座缺氧池有效容積為86.55 m3， 水力停留時間為2.3 h， 運行pH 值為6.5 ～7.5， 溶解氧質量濃度為0.2 ～0.5 mg／L。 單座好氧池有效容積為357 m3， 水力停留時間為9.5 h， 運行pH 值為7.0 ～8.0， 溶解氧質量濃度為2 ～4 mg／L， 污泥負荷為0.18 kg［BOD5］／（kg·［MLSS］·d）， 污泥齡為5 d， 污泥回流比為50%， 混合液懸浮固體濃度為3 000 mg／L， 混合液回流比為200%，鼓風機曝氣供氣量為6 500 m3／d。 設置生物組合填料， 尺寸為φ0.15 m×3.00 m， 組合填料支架2 套；潛水攪拌機2 臺， 單臺功率為0.85 kW； FSR150－1110 三葉羅茨鼓風機2 臺， 單臺風量為15.7 m3／min， 壓力為58.8 kPa， 電機功率為30 kW； 微孔曝氣器1 500 套， 直徑為150 mm； 混合液回流泵2臺， 單臺流量為25 m3／h， 揚程為10 m， 功率為1.5 kW。

（6） 混凝沉淀池。 地下式鋼砼結構， 池體尺寸為7.0 m×2.0 m×6.0 m， 有效容積為77 m3， 水力負荷為2.68 m3／（m2·h）， 沉降時間為2 h。 設置一體化加藥裝置2 套， 分別投加高效復合PAC 混凝劑80 g／m3， PAM 絮凝劑6 g／m3， 配套攪拌機2臺， 單臺電機功率為0.5 kW， 加藥泵2 臺， 單臺流量為50 L／h， 功率為0.37 kW； 斜管填料采用熱壓六邊形蜂窩管， 內徑為80 mm， 管長1 m， 安裝傾角為60°。

（7） 多介質過濾器。 1 臺， 碳鋼材質， 設備尺寸為φ1.8 m×3.4 m， 處理能力為25 m3／h， 濾速為10 m／h。 濾料自下向上為石英砂（粒徑為1 ～2 mm，厚度為0.5 m）、 沸石（粒徑為1 ～2 mm， 厚度為0.5 m）、 多孔火山巖（粒徑為3 ～5 mm， 厚度為0.3 m）。 采用氣水聯(lián)合反洗， 氣洗強度為10 ～15 L／（s·m2）， 水洗強度為3 ～5 L／（s·m2）， 反洗時間為10 min。

（8） 消毒池。 地埋式鋼砼結構， 池體尺寸為3.0 m×3.0 m×5.0 m， 配備RTJY－10 型次氯酸鈉加藥裝置1 套， 加藥量為20 mg／L； 反沖洗泵1 臺，流量為140 m3／h， 揚程為23 m， 功率為15 kW。

5 工程設計特點

（1） 生豬養(yǎng)殖污水懸浮物多， 有機物濃度高，預處理階段選用固液分離機與水解酸化工藝， 能夠去除污水中大量的細小顆粒、 毛發(fā)， 并通過厭氧菌水解酸化作用， 將復雜有機物分子結構解鏈斷鏈，從而提高污水的可生化性， 有利于后續(xù)生化處理穩(wěn)定高效運行。

（2） 采用成熟的UASB－兩級A／O－混凝沉淀處理工藝， 處理效率高， 出水水質穩(wěn)定， 運行成本低。 兩級A／O 生化反應池、 混凝沉淀池等主要構筑物設置于地下， 一方面便于維護管理， 節(jié)省占地面積， 地表可作為綠化或其他用地， 另一方面節(jié)省建房、 采暖設施的投資， 保證污水處理設施在冬季維持穩(wěn)定高效運行。

（3） 本工程將回收的沼氣資源綜合利用， 收集的泥餅、 糞渣作為有機肥料， 系統(tǒng)出水用于農(nóng)田灌溉， 可實現(xiàn)資源節(jié)約與高效利用， 具有較好的環(huán)境效益、 社會效益與經(jīng)濟效益。

6 運行效果分析

2020 年4 月， 該污水處理工程竣工調試后正式投入使用， 穩(wěn)定運行3 個月后， 于8 ～10 月對污水處理站進出水水質進行監(jiān)測， 采樣頻率為4 次／月， 水質監(jiān)測結果見表2， 2020 年9 月25 日主要處理單元污染物去除情況見表3。

表2 實際進出水水質Tab.2 Actual influent and effluent water quality

表3 各處理單元對不同污染物去除效果Tab.3 Efficiency of different pollutants removal in each treatment unit

由表2 可見， 進水主要污染物濃度高、 波動較大， 通過采用組合工藝進行凈化處理后， 出水水質穩(wěn)定， COD、 BOD5、 SS、 NH3－N 和TP 的平均去除率分別為98.9%、 99.1%、 97.2%、 96.2% 和97.6%。 出水各項水質指標均達到設計要求， 通過蓄存調配， 可作為農(nóng)田灌溉水使用。

由表3 可見， 污水經(jīng)過預處理可以顯著降低后續(xù)生物處理單元的負荷。 UASB 反應器進水對COD和BOD5的去除率分別為77.3% 和80.3%， 對于有機污染物具有較好的去除效果， 但出水中NH3－N 質量濃度略有增加， 這是因為在厭氧氨氧化作用下，污水中其他形態(tài)的氮會轉化為NH3－N［13］。 兩級A／O 生化反應池能夠實現(xiàn)有機物的降解， 并通過微生物的硝化反硝化作用有效去除氮污染物［14－15］， 反應池出水COD 和BOD5的質量濃度分別降至135 mg／L 和26.4 mg／L， 出水NH3－N 質量濃度低至26 mg／L。 污水中磷酸鹽主要通過投加化學藥劑， 以混凝沉淀的方式去除， 混凝沉淀池出水TP 質量濃度低至0.4 mg／L。 多介質過濾器以及次氯酸鈉消毒池作為深度處理設施， 能夠通過離子交換吸附和化學氧化作用進一步降低污水中各項污染物濃度， 從而實現(xiàn)最終出水穩(wěn)定達標。

7 投資及運行成本

該污水處理工程占地面積約為800 m2， 建設總投資為1 050 萬元。 工程總運行維護費用為1.37元／t， 主要包括人工費0.3 元／t、 電費0.75 元／t、藥劑費0.09 元／t， 設施檢修維護、 材料更新及污泥處置費用為0.23 元／t。

8 結語

根據(jù)生豬養(yǎng)殖污水的特征及治理需求， 設計采用預處理－UASB－兩級A／O－混凝沉淀－多介質過濾－消毒的組合工藝進行處理。 工程運行實踐表明，對污水中COD、 BOD5、 SS、 NH3－N 和TP 的平均去除率分別為98.9%、 99.1%、 97.2%、 96.2%和97.6%， 出水主要污染物指標達到GB 8978—1996中的一級標準。 該工藝具有占地少、 處理效率高、出水水質穩(wěn)定、 處理副產(chǎn)物可資源化利用等優(yōu)點，運行維護費用為1.37 元／t， 具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟優(yōu)勢。