奶牛場廢水處理短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝

據(jù)統(tǒng)計，2019年我國全年豬、牛、羊、禽肉產(chǎn)量約為7649萬t，其中牛肉產(chǎn)量和牛奶產(chǎn)量分別為667萬t和320萬t，同比2018年增長了3.6%和4.1%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)日漸趨向規(guī)?；⒓s化和現(xiàn)代化發(fā)展，截至2018年全國有將近90000個集約化規(guī)模養(yǎng)殖場。規(guī)模化養(yǎng)殖廢水中含有高濃度氮和磷，是農(nóng)業(yè)污染源之一。隨著畜禽養(yǎng)殖廢水量的不斷增加，畜禽養(yǎng)殖業(yè)與生態(tài)環(huán)境的矛盾日益凸顯，如何治理畜禽養(yǎng)殖廢水成為養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大難題。物化法、自然生態(tài)法、生物法等傳統(tǒng)處理技術(shù)存在處理成本高、二次污染、出水氨氮或總氮含量無法達標(biāo)等問題。研究結(jié)果表明，短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝可以實現(xiàn)高濃度氨氮廢水的達標(biāo)排放，且運行費用低廉。

福建省某奶牛養(yǎng)殖場采用機械刮板干清糞工藝，將刮出的牛糞作為堆肥原料，牛尿、沖欄水以及轉(zhuǎn)盤式擠奶機的洗滌水收集后排入污水站處理；污水站原來采用沼氣池+氧化塘的處理方式，但是難以承受高密度養(yǎng)殖帶來的過量有機負荷，糞污資源化利用效率較低，糞污的污染問題比較突出，不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)養(yǎng)殖場的環(huán)境治理需求。本研究擬采用短程硝化與厭氧氨氧化組合工藝優(yōu)化處理該奶牛養(yǎng)殖場沼氣池出水，使出水滿足《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084―2005)，同時為該組合工藝在養(yǎng)殖廢水處理中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1、福建省某奶牛養(yǎng)殖場沼氣池出水的水質(zhì)情況介紹

試驗于2018年3月份在福建省某奶牛養(yǎng)殖場進行，試驗污水主要來源于該奶牛養(yǎng)殖場的牛尿、沖欄水以及轉(zhuǎn)盤式擠奶機的洗滌用水等，總水量為40m3/d。試驗污水經(jīng)集糞池、固液分離、沼氣池處理后其化學(xué)需氧量(COD)、氨氮（NH4+-N)、亞硝酸鹽氮（NO2--N)、硝酸鹽氮（NO3--N)、總氮(TN)水質(zhì)指標(biāo)見表1。

2、沼氣池出水處理工藝

2.1 處理工藝流程

奶牛養(yǎng)殖場沼氣池出水經(jīng)預(yù)處理、短程硝化-厭氧氨氧化耦合反應(yīng)、化學(xué)除磷、臭氧氧化消毒處理后排放到儲液池，具體工藝流程見圖1。

預(yù)處理即調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，降低后續(xù)處理的沖擊負荷；短程硝化-厭氧氨氧化耦合發(fā)應(yīng)即對廢水進行脫氮處理，降低水中的總氮濃度并進一步降解水中的有機物質(zhì)；化學(xué)除磷即降低廢水中磷含量，確保達到廢水排放指標(biāo)；臭氧氧化消毒即利用臭氧反應(yīng)罐對廢水進行脫色、除臭、消毒，消毒后的廢水進人儲液池儲存排放或用于灌溉奶牛場配套的牧草種植地。

2.2 各處理中的?筑物設(shè)計參數(shù)

2.2.1 預(yù)處理

格柵：大小為1.0m(長）x2.0m(寬）x1.5m(高），磚混結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)池1：1座，大小為5.0m(長）x6.0m(寬）x4.5m(高），設(shè)計調(diào)節(jié)時間24h，鋼砼結(jié)構(gòu)。

2.2.2 短程硝化-厭氧氨氧化耦合反應(yīng)

系統(tǒng)分別以序批式活性污泥（SBR)池和上流式厭氧污泥床反應(yīng)（UASB)池作為短程硝化反應(yīng)池和厭氧氨氧化反應(yīng)池。SBR池：1座，有效容積為60m3，大小為4.0m(長）x5.0m(寬）x3.5m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)，進水管道安裝換熱器，池頂加蓋，池體采取保溫措施，并監(jiān)控池內(nèi)溶解氧（DO)、PH值、氧化還原電位（0RP)、溫度。調(diào)節(jié)池2：1座，大小為5.0m(長）x3.0m(寬）x4.5m(高），設(shè)計調(diào)節(jié)時間12h，鋼砼結(jié)構(gòu)。UASB池：1座，有效容積為10m3，大小為1.5m(直徑，φ)x6.5m(高），碳鋼結(jié)構(gòu)，進水管道安裝換熱器，池頂加蓋，池體采取保溫措施，并監(jiān)控池內(nèi)pH值、0RP、溫度。沉淀池：大小為1.5m(長）x2.0m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。

2.2.3 化學(xué)除磷

除磷反應(yīng)池：大小為1.5m(長）x0.5m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。終沉池：大小為1.5m(長）x2.0m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。

2.2.4 臭氧氧化消毒

臭氧反應(yīng)罐：有效容積為1.0m3，大小為0.8m(φ)X2.0m(高），不銹鋼結(jié)構(gòu)。

3、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理試驗設(shè)計

分別單獨調(diào)試SBR池和UASB池，使二者滿足短程硝化和厭氧氨氧化條件，當(dāng)SBR池穩(wěn)定運行且出水中NO2--N/NH4+-N比例為1.2~2.0時，出水直接輸送至調(diào)試穩(wěn)定后的UASB池，穩(wěn)定運行45d，每天測定SBR池和UASB池進出水中COD、NO2--N、NH4+-N、TN的含量，計算TN去除率、NO2--N/NH4+-N、NO2--N累積率、△NO2--N/△NH4+-N(NO2--N和NH4+-N的去除量比值）。水質(zhì)指標(biāo)測定方法均按照國家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法進行監(jiān)測。

短程硝化條件：溫度為（32±1)℃，初始PH值為7.6~8.3，初始游離氨（FA）濃度為5~25mg/L，曝氣量為2.5m3/L，DO為0.2~0.6mg/L。厭氧氨氧化條件：溫度為18?35℃，進水PH值為7.0~7.6，水力停留時間（HRT)為12.2h。如果SBR池和UASB池調(diào)試階段排出的廢水無法達到排放標(biāo)準(zhǔn)，則廢水回流至對應(yīng)調(diào)節(jié)池。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控SBR池和UASB池內(nèi)溫度、ORP、PH值和DO的變化情況，控制HRT，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理工藝效果分析

4.1 短程硝化-厭?獍?饣?處理中水質(zhì)指標(biāo)受化情況

結(jié)果見圖2。

由圖2可知：SBR池進水中的COD和NH4+-N的濃度范圍分別為650?1125mg/L和210~260mg/L，出水中COD和NH4+-N的濃度范圍分別為240~300mg/L和120~164mg/L，見圖2A、C。SBR池中經(jīng)短程硝化處理后的出水作為UASB池進水，UASB池進水中COD和NH4+-N濃度與SBR出水中濃度保持一致（見圖2A、B、C、D)。UASB池出水中COD濃度在整個過程中較為穩(wěn)定，平均約為48mg/L；而出水中NH4+-N濃度在整個過程中呈下降趨勢，0~11d濃度范圍為35~51mg/L，12~29d濃度范圍為21~30mg/L，之后濃度范圍為6~28mg/L(見圖2C、D)。

SBR池進水中NO2--N濃度范圍為125~175mg/L，出水中濃度范圍為182~247mg/L；進出水中NO3--N濃度變化不明顯，其中進水中的濃度約為6mg/L，出水中的濃度范圍為4.5?5.5mg/L(見圖2E)，結(jié)合圖2B說明SBR池中發(fā)生短程硝化反應(yīng)，NO2--N得到了積累。UASB池進水中的NO2--N濃度范圍為156~222mg/L，27d后出水中的濃度約為25mg/L；而進出水中NO3--N濃度約為6mg/L和25mg/L(見圖2F)，說明UASB池中反硝化反應(yīng)受到限制，厭氧氨氧化反應(yīng)起主要的脫氮作用。

SBR池出水中NO2--N/NH4+-N基本維持在1.4~20之間，后期(35d后)平均約為1.8(見圖2G)，說明污水的硝化反應(yīng)穩(wěn)定；UASB池進水中W)[-N/NH4+-N基本在1.23?1.76之間波動（見圖2H)。

TN去除率在整個過程呈上升趨勢，去除效率集中在80%~90%之間（見圖2I)。

4.2 短程硝化反應(yīng)中NO2--N累積率及厭氧氨氧化反應(yīng)中△NO2--N/△NH4+-N變化情況

結(jié)果見圖3和圖4。

由圖3和圖4可知：在短程硝化過程中NO2--N累積率大于94%以上，說明SBR池中硝化效果良好。厭氧氨氧化過程中△NO2--N/△NH4+-N在1.2~1.9之間，結(jié)合NO3--N產(chǎn)生量，說明UASB池中還存在亞硝化菌和反硝化菌的作用，因此各氮素的變化符合厭氧氨氧化氮素變化基本規(guī)律。

4.3 短程硝化-厭氧氨?饣?耦合處理的可行性分析

短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理試驗?zāi)膛稣託獬爻鏊目尚行苑治鼋Y(jié)果見表2。

由表2可知：短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理出水中的平均COD濃度為48mg/L，平均去除率為94.3%；出水中的平均NH4+-N和TN濃度分別為27mg/L和56mg/L，平均去除率為88.4%和85.5%。出水中COD、NH4+-N、TN含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見稿）的要求，說明該組合工藝有利于奶牛場養(yǎng)殖廢水的處理，技術(shù)可行，環(huán)境效益良好。

5、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理沼氣池出水的經(jīng)濟效益分析

短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理的運行成本為電費及藥劑費。處理每噸廢水用電成本約為1.58元。藥劑主要為短程硝化反應(yīng)中穩(wěn)定PH值添加的燒堿（NaOH)及脫水過程中使用的聚丙烯酰胺(PAM)，處理每噸廢水燒堿用量為0.050kg，PAM用量為0.025kg，燒堿單價為3.8元/kg，PAM單價為10元/kg，則處理每噸廢水藥劑費約為0.44元。因此，短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理每噸廢水的電費和藥劑費成本合計約為2.02元。

目前采用其他工藝處理每噸廢水的電費和藥劑費成本為4.12~9.67元，與之相比，采用短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝則具有較大的節(jié)能優(yōu)勢，主要是因為短程硝化與厭氧氨氧化工藝特點是使主要生物反應(yīng)過程集中在厭氧段及缺氧段，對氧氣需求量明顯減少，因此設(shè)備充氧能耗大幅度下降，使系統(tǒng)整體運行費用大幅度減少，較傳統(tǒng)生物處理工藝經(jīng)濟效益好。

6、結(jié)論

通過SBR池和UASB池實現(xiàn)短程硝化和厭氧氨氧化耦合，并利用該耦合工藝處理奶牛場沼氣池出水，使用在線水質(zhì)監(jiān)測合理控制HRT，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定。短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝對奶牛場沼氣池出水中的COD、NH4+-N、TN去除效果好，平均去除率分別為94.3%、88.4%、85.5%，且出水中平均濃度分別為48，27，56mg/L滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見稿）的要求。短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝處理每噸廢水的藥劑和用電成本合計約為2.02元，較其他處理工藝表現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，說明短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝在處理高氨氮養(yǎng)殖廢水中具有較高的應(yīng)用價值。（來源：武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院/福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點實驗室，.福建省環(huán)境科學(xué)研究院）