浸沒式MBR技術(shù)在養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理中的應(yīng)用

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簡介： 采用浸沒式MBR，并結(jié)合傳統(tǒng)的A/O工藝處理高CODcr和高NH3-N濃度的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水，可有效地實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)廢水處理站進(jìn)水水質(zhì)CODcr為9100 mg/L、BOD5為3788 mg/L、SS為4490 mg/L、NH3-N為450 mg/L時(shí)，出水CODcr<85 mg/L，BOD5<10 mg/L，SS<5 mg/L，NH3-N<5 mg/L，達(dá)到DB 31/199－1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵字：養(yǎng)豬場(chǎng)廢水 高有機(jī)污染物 高氨氮濃度 浸沒式MBR

The application of immerged MBR technology for the hoggery wastewater treatment

　　Zhao Xiuhua, Li Guangming, Wang Hua, Huang Juwen.

　　（Tongji University, State Key Lab. of Pollution Control and Resource Reuse，Shanghai 200092）

　　Abstract: Hoggery wastewater contains a high organic matter and ammoniac concentration, which can be efficiently treated by immerged MBR and A/O process. The inlet concentration of hoggery wastewater is CODc_r9100 mg/L，BOD₅3788 mg/L，SS4490 mg/L，NH₃-N450 mg/L; The outlet water has reached the DB31/199－1997 first-class standard (CODc_r<85 mg/L, BOD₅<10 mg/L, SS<5 mg/L, NH₃-N<5 mg/L ) .

　　Keyword: Hoggery wastewater　High organic contamination　High ammoniac concentration　 Immerged MBR

　　膜生物反應(yīng)器（MBR）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型高效的污水生化處理工藝^[1]。在短短的幾十年里，MBR技術(shù)經(jīng)歷了分置式、錯(cuò)流式和浸沒式膜生物反應(yīng)器三個(gè)階段，其中，浸沒式膜生物反應(yīng)器是21世紀(jì)公認(rèn)的最有發(fā)展前途的環(huán)境治理技術(shù)之一^[2]，也是目前處理高濃度廢水^[3]和污水中水回用^[4]的理想技術(shù)。

　　畜禽廢水主要有糞便、尿液定期沖洗的“混合系統(tǒng)”和干糞人工鏟除、尿液畜禽棚定期沖洗的“干濕分開系統(tǒng)”等兩種，其特性是有機(jī)物、懸浮物和氨氮污染物濃度高，生化性能好，處理難度前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，若不進(jìn)行處理直接排放，必將對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。對(duì)該類廢水，目前常見的處理工藝是“厭氧預(yù)處理+好氧處理”，但該工藝處理后排放廢水難以達(dá)到國家或當(dāng)?shù)?label class="lb" onclick="g('環(huán)保');">環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)某“干濕分離系統(tǒng)”養(yǎng)豬場(chǎng)排放的高濃度廢水（廢水水量20 m³/d，CODc_r=9100 mg/L，BOD₅=3788 mg/L，SS=4490 mg/L，NH₃-N=450 mg/L），吸收傳統(tǒng)的“厭氧+好氧”處理工藝成果，采用先進(jìn)的浸沒式生物反應(yīng)器處理技術(shù)。

　　1 浸沒式MBR處理技術(shù)

　　MBR是活性污泥法中的一種，也是利用生物反應(yīng)槽（曝氣槽）內(nèi)含微生物菌群的活性污泥吸附水體中的有機(jī)污染物，并以其為營養(yǎng)物質(zhì)或增殖材料，使水體中的有機(jī)污染物分解達(dá)到凈化廢水的目的。浸沒式MBR處理技術(shù)是將吸入泵、曝氣器和生物反應(yīng)池為一體式的最新膜生物反應(yīng)器，膜組件直接放于生物反應(yīng)器中，膜內(nèi)流速由空氣的攪拌提供。對(duì)有機(jī)物、氨氮濃度高的畜禽廢水，采用前置式反硝化生物脫氮工藝（A/O工藝）^{[6, 7]}，與浸沒式MBR工藝結(jié)合，將彌補(bǔ)傳統(tǒng)A/O工藝的不足，并具有以下顯著特點(diǎn)：（1）通過反硝化脫氮，徹底消除氨氮對(duì)微生物環(huán)境的影響；（2）減少了后續(xù)硝化過程的外加堿量，和后續(xù)硝化過程的曝氣量，運(yùn)行費(fèi)用省。

　　與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，A/O工藝結(jié)合浸沒式MBR處理技術(shù)固液分離效率高，無須二級(jí)沉淀池，設(shè)備簡單，構(gòu)筑物占有空間小，自動(dòng)控制穩(wěn)定，耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，污泥產(chǎn)量少，出水水質(zhì)穩(wěn)定等。

　　2 工藝技術(shù)路線

　　廢水首先經(jīng)過細(xì)篩網(wǎng)隔除廢水中的懸浮物和雜物后流入調(diào)節(jié)池，均衡水質(zhì)水量，然后用泵打入沉淀池進(jìn)行固液分離，上清液流入MBR處理池，MBR處理池設(shè)計(jì)為A/O處理系統(tǒng)：在前段，進(jìn)水與后段的回流水充分混和進(jìn)行生物反硝化脫氮，在后段進(jìn)行生物降解和硝化，同時(shí)加堿補(bǔ)充氨氮硝化所消耗的堿度，處理后水直接排放。工藝流程見圖1。

　　圖1 處理工藝流程圖

　　
圖2 某養(yǎng)豬場(chǎng)廢水經(jīng)MBR處理后的出水水質(zhì)結(jié)果

　　3　結(jié)果分析與討論

　　該工程施工安裝歷時(shí)2個(gè)月，于2000年3月投入活性污泥正式開始工藝調(diào)試。通過3個(gè)月的調(diào)試及6個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)得進(jìn)入廢水處理站的平均水質(zhì)與設(shè)計(jì)水質(zhì)基本相符，即CODc_r=9100 mg/L，BOD₅=3788 mg/L，SS=4490 mg/L，NH₃-N=450 mg/L。出水水質(zhì)于達(dá)到DB 31/199－1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)出水水質(zhì)，調(diào)試階段基本共分為5個(gè)階段進(jìn)行，調(diào)試過程表1，出水水質(zhì)結(jié)果見圖2。

　　表1 某養(yǎng)豬場(chǎng)廢水調(diào)試階段說明

　　階段I：調(diào)試工作準(zhǔn)備就緒，向MBR池內(nèi)投入有效池容約7.5%的城市活性污泥，用水加滿后，處理系統(tǒng)按設(shè)定的程序開始運(yùn)行。

　　階段II：調(diào)試至第23天進(jìn)行第一次取樣，出水CODc_r小于100 mg/L，但進(jìn)出MBR池的NH₃-N濃度相同，出水pH高于進(jìn)水，且有大量的泡沫產(chǎn)生。結(jié)果表明微生物經(jīng)22 d馴化后，繁殖速率較高的異養(yǎng)菌增殖迅速，世代時(shí)間較長的硝化菌尚未形成優(yōu)勢(shì)菌種。由于氨氮濃度高，廢水呈堿性而產(chǎn)生大量泡沫。

　　階段III：第46天取樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)CODcr又出現(xiàn)回升趨勢(shì)（約300 mg/L），而NH₃-N濃度明顯下降，出水pH低于進(jìn)水；在接下來近40 d的調(diào)試期間，出水的CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L左右，NH₃-N穩(wěn)定在50 mg/L左右，pH小于6。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因可從硝化過程機(jī)理分析得到解釋。

　　根據(jù)硝化過程機(jī)理，硝化過程主要包括以下串級(jí)反應(yīng)，即：

　　由反應(yīng)（1）可知，廢水中1 mol NH₄⁺在溶解氧和亞硝酸菌的作用下，即可產(chǎn)生2 mol H⁺和1 mol的NO₂^—。當(dāng)調(diào)試進(jìn)入階段III時(shí)，廢水中的NH₃-N濃度下降，pH降低，說明硝化過程反應(yīng)（1）已開始進(jìn)行，即廢水中的亞硝酸菌和硝酸菌開始生成。由于硝酸菌的產(chǎn)率約為亞硝酸菌的1/2至1/3^[1]，加上在酸性環(huán)境下（pH=6.0～7.2），反應(yīng)（1）的反應(yīng)速度大于反應(yīng)（2），從而使硝化過程中的串級(jí)反應(yīng)（2）的反應(yīng)速度較小，廢水中H⁺濃度和NO₂^—濃度累積。因此，廢水在進(jìn)入調(diào)式階段III時(shí)，廢水中的pH始終較小，出水中的NO₂^—濃度較高。這與第77天的MBR出水中NO₂^—高達(dá)123 mg/L的分析結(jié)果十分吻合。

　　同時(shí)，由于出水pH較低，反應(yīng)（1）得到抑制，使出水NH₃-N基本保持在50 mg/L左右。眾所都知，NO₂^—屬還原性物質(zhì)，理論上1 mg/L NO₂^--N將產(chǎn)生1.141 mg/L CODc_r^[1]，為證實(shí)NO₂^—對(duì)出水CODc_r的貢獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室采用測(cè)定BOD₅預(yù)處理的方法將NO₂^—影響消除，測(cè)得CODc_r <100 mg/L。該結(jié)果表明，階段III出水CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L左右主要是由NO₂^—累積引起。實(shí)驗(yàn)室利用該養(yǎng)豬場(chǎng)的污泥和出水進(jìn)行小試，發(fā)現(xiàn)如果控制pH > 7.5，則出水NH₃-N < 5 mg/L，而NO₂^—濃度不變。這也說明階段III的硝酸菌濃度由于受廢水中酸環(huán)境和硝酸菌生成速率的制約，尚未達(dá)到需要濃度。因此，在進(jìn)入階段III時(shí)，廢水的pH始終小于6，出水的CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L。

　　為了提高環(huán)境pH，促進(jìn)硝化反應(yīng)，在調(diào)試進(jìn)入第79天時(shí)，向廢水中投加NaOH，但實(shí)際投加量遠(yuǎn)大于理論加堿量（理論加堿量=硝化所需堿度 — 進(jìn)水堿度）。這于MBR池較大和NH₄⁺的緩沖作用有關(guān)。所以加堿量逐日提高（350～550 g/t廢水），至第87天出水pH才有明顯上升趨勢(shì)。

　　在階段III的初期，泡沫仍較多，池內(nèi)活性污泥隨泡沫溢出。當(dāng)進(jìn)入第50天時(shí)，開始投加消泡劑（約1.5～2.0 g/L），污泥濃度開始增加，廢水中泡沫大大減少。

　　階段IV：該階段持續(xù)時(shí)間約10 d，主要特征是pH保持在7以上，NH₃-N < 5 mg/L；由于廢水中pH控制較差，出水中CODc_r雖有明顯下降，但仍稍為超標(biāo)。這也從一個(gè)側(cè)面說明，對(duì)高氨氮、高CODc_r污染物廢水處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度將直接對(duì)出水產(chǎn)生重大影響。

　　階段V：調(diào)試開進(jìn)入第100天，加藥系統(tǒng)、自動(dòng)控制和反饋系統(tǒng)完全正常，MBR出水全部達(dá)到DB 31/199－1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，硝化系統(tǒng)已完善，加堿量逐日減少（230～140 g/t廢水），泡沫產(chǎn)生大量減少，系統(tǒng)不需添加消泡劑。

　　4　結(jié)　論

　　采用膜分離活性污泥法處理廢水在國內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)及工程性試驗(yàn)較多^[3,4]，但實(shí)際工程項(xiàng)目很少。本文采用前置式反硝化生物脫氮A/O工藝，將浸沒式MBR裝置O級(jí)生化池處理畜牧廢水這種含高有機(jī)物、高氨氮的廢水，在國內(nèi)尚屬首次。對(duì)于高濃度有機(jī)廢水，采用膜法處理廢水的投資與普通生化法基本相當(dāng)，但出水水質(zhì)穩(wěn)定、污泥量小、占地面積緊湊，運(yùn)行和管理簡單。

　　本項(xiàng)目以干濕分離系統(tǒng)的畜禽廢水為對(duì)象，進(jìn)水CODc_r為9100 mg/L，BOD₅為3788 mg/L，SS為4490 mg/L，NH₃-N為450 mg/L，經(jīng)浸沒式MBR工藝處理后，經(jīng)過3個(gè)月的調(diào)試及6個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，共經(jīng)歷了5個(gè)階段，出水CODc_r<85 mg/L，BOD₅<10 mg/L，SS<5 mg/L，NH₃-N<5 mg/L，達(dá)到DB 31/199－1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因此，該養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理項(xiàng)目的成功為浸沒式MBR工藝處理畜牧廢水提供了寶貴的工程實(shí)踐。

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　　[1]第一作者：趙修華，男，1965年生，博士，副教授，主要從事過程工業(yè)污染與預(yù)防控制研究。