连续回分式活性污泥处理工艺在奶牛养殖废水治理中的应用

郭江鹏，周化斌，姜小伟，王 俊，付 瑶，齐志国，路永强*

(1. 北京市畜牧总站，北京100101；2. 温州大学 生命与环境科学学院，浙江 温州325035；3. 北京魔力素环境治理技术有限公司，北京 102200)

奶牛养殖业是畜牧业的重要组成部分，据统计2016年全国奶牛存栏量达1 425.3万头[1]。随着政府引导、市场选择、资本推动等因素的影响，中国奶牛养殖业走向规模化、集约化，2018年中国奶牛规模化养殖比重达到62%[2]。在奶牛养殖中，每头成年奶牛日排粪量约25 kg、排尿量约30 kg，规模化养殖在带来生产效率提高、经济效益改善等益处的同时，也导致了养殖废弃物的大量集中排放、养殖场周边生态环保问题突出等不良影响[3-4]。

目前，牛粪和沼渣等固体废弃物无害化处理技术较为成熟，用于还田、做有机肥、做牛床垫料等。但养殖废水的无害化处理技术尚不成熟。奶牛养殖废水主要包括粪尿和冲洗废水，悬浮物含量、氨氮浓度及化学需氧量(COD)浓度高，废水氨氮浓度为550～800 mg/L，COD高达5 000～20 000 mg/L，还含有病原微生物、寄生虫卵等潜在危险因子，如得不到及时合理处理，将会对养殖场及其周边环境造成极大的危害[5-6]。

养殖废水处理工艺类型较多，包括还田处理、生态化处理以及生物反应器处理等模式，但是由于地区差异、投入、奶牛养殖场废水有机物浓度高等因素的影响，能够常年持续运行的较少。同时，由于粪污堆积，致使臭气熏天、蚊蝇滋扰成为了困扰养殖场的老大难问题，随着环保要求的提高，养殖废水治理已成为奶牛养殖行业命运攸关共性难题，亟待彻底解决。本研究针对奶牛养殖废水COD、总氮(TN)、氨氮浓度高的特点，采用连续回分式活性污泥处理工艺，结合环保酵素进行相关设施、设备及技术改造，旨在为彻底解决困扰奶牛养殖场的废水治理难题提供解决方案。

1 基本情况

项目实施奶牛养殖场位于北京市郊区，成年奶牛存栏1 200 头。废水主要来源于奶牛尿液、奶厅冲洗水、夏季喷淋水以及养殖场日常其他用水等，主要包括干清粪中分离出的废水、水冲粪的粪便污水等，每天污水量为40～50 m3。根据目标奶牛场废水水质检测情况，确定废水处理工艺基本参数如下：CODCr>15 000 mg/L，总氮>1 000 mg/L，氨氮>550 mg/L，总磷>120 mg/L。

2 工程设计

2.1 设计标准

本工程设计标准参考《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)[7]中的水质限值、《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)[8]中规定的排放限值，处理后终水水质指标为：CODCr<150 mg/L，氨氮<80 mg/L，总磷<8 mg/L。

2.2 工艺流程设计

处理对象为奶牛养殖场经干清粪预处理工艺处理后的液体部分，根据本项目设计参数的预测属于可生物降解的范畴，即认为污水有足够的碳源供给生物脱氮除磷反应。因此，本工程污水采用生化处理工艺可行。

以畜禽养殖场高浓度有机废水处理的相关经验为基础，遵循运行可靠、管理方便、投资及运行费用低的原则，设计集成了“连续回分式活性污泥处理工艺”，工艺流程见图1，同时添加环保用酵素，加速有机物的降解，使养殖废水的处理达到设计标准。

连续回分式活性污泥处理工艺根据浓度级差原理，采用多级生化、逐级分离的方式，实现菌群自然优配，协同酵素酶解，具备耐受高浓度有机物的好氧菌驯化能力，能够高梯度降解有机物。环保酵素由北京魔力素环境治理技术有限公司提供，由细菌、酵母菌和放线菌等有益微生物群体发酵产生，含有蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、脱氮酶、纤维素酶、氧化还原酶、脲酶、裂解酶、转移酶等多种功能性酶类，通过不同酶群定向作用于相关底物，协助系统中的主力菌群尽快增殖，从而在较短时间内将废水中有机物彻底分解。该工艺与传统活性污泥法相比，既具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，又具有传统生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污泥少的特点，同时，还具有生物处理恶臭抑制优势，能抑制畜舍、净化池、堆肥舍等地发出的臭气，减少蚊蝇滋生。

2.3 工艺设计参数

2.3.1 集粪池(兼事故池) 本项目污水为干清粪工艺的冲舍水和挤奶厅废水等，需先集中收集暂存和均质；同时当污水处理装置出现事故时，为避免这些废水直接进入河流或土壤等对环境造成污染，本项目利用养殖场原有的粪污收集池改造为粪污收集池，兼具事故池使用。

2.3.1.1 构筑物 地下式粪污收集池1座，单池尺寸为6.0 m×6.0 m×3.0 m ，结构形式为钢砼，有效容积100.0 m3。

2.3.1.2 主要设备 固液分离机1台，Q=40.0 m3/h， N=5.5 kW；潜水切割泵1台，Q=40.0 m3/h，H=7.0 m，N=7.5 kW。

2.3.2 固液分离清液储池(调节池) 固液分离是畜禽粪污处理必不可少的一道工艺环节。首先，大大降低液体部分的污染物负荷量；其次，通过固液分离可防止较大的固体物进入后续处理环节，防止设备的堵塞损坏等。固液分离后的固体送堆肥场，分离后的清液暂存。本研究设置固液分离清液储池，同时兼具调节池使用，以保证后续处理设施的稳定运行和处理效果，对水质水量进行调节。

2.3.2.1 构筑物 一级分离液储池1座，规格为2.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为36.0 m3；二级分离液储池(调节池)1座，规格为4.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为72.0 m3。

2.3.2.2 主要设备 二级分离提升泵2台，1用1备，50QW-18-15-1.5，Q=18 m3/h，H=15.0 m，N=1.5 kW；精细分离筛2台，功率为0.75 kW，直径1 000 mm；进水提升泵2台，1用1备，50QW-15-22-2.2，Q=15 m3/h，H=22.0 m，N=2.2 kW；电动蝶阀2台，DN50PN1.0。

2.3.3 初级沉淀池 利用絮粒与水的密度差，使絮粒进行沉降进而达到固、液分离的目的，以保证后续工艺的正常运行和处理效果。

2.3.3.1 构筑物 沉淀池2座，规格为3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为40.5 m3。

2.3.3.2 主要设备 污水提升泵2台，50QW25-10-1.5，Q=25 m3/h，H=10.0 m，N=1.5 kW；电动蝶阀2台，DN50PN1.0。

2.3.4 回分式活性污泥组合反应器 连续回分式活性污泥处理系统是一种融合了酶解技术的高浓度有机废水好氧处理工艺，具备耐受高浓度有机物的好氧菌驯化能力，能够实现高梯度降解有机物，达到有效处理废水的效果。

2.3.4.1 构筑物 综合生化池1座，规格为12.0 m×12.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为648.0 m3。分两套系统，每套系统包括五级生化池各1座。

一级曝气池2座，规格为3.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为108.0 m3；二、三、四、五级曝气池各2座，规格为3.0 m×4.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为54.0 m3。

2.3.4.2 设计参数 进水量50.0 m3/d；进水有机负荷：1.54 kg COD/m3·d；停留时间7～13 d；反应温度常温；氧传递效率20～25%；污泥浓度5 g/L；污泥负荷0.15 kg BOD/kg MLSSod；控制溶氧2 mg/L。

2.3.4.3 主要设备 布水器10套，25 m3～30 m3/h；出水控制器2套，25 m3～30 m3/h；旋流曝气器24套，6～15 m2/套，0.6～0.9 m3/min。

2.3.5 二沉池(酵素回收池) 经生化处理后的废水含有不同程度的絮凝颗粒。工艺设置二沉池，既可保证后续澄清废水(液肥)的正常排放，又可作为达标排放时酵素的回用缓冲池。

2.3.5.1 构筑物 二沉池1座，规格为6.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为81.0 m3。

2.3.5.2 主要设备 污水提升泵2台， 50QW-10-10-0.75，Q=10 m3/h，H=10.0 m，N=0.75 kW；酵素回收膜组件50.0 m3/d，N=0.75 kW，HC-80S(4 kW)。

2.3.6 清水池(消毒池) 生化处理后的废水，通过在水中加入次氯酸钙，次氯酸钙双水解的过程中生成次氯酸，次氯酸对水中细菌起到了杀菌的作用。同时，次氯酸钙双水解产生的副产品氢氧化钙又与水中的磷酸盐结合，对除磷起到一定的作用，经消毒后完全达到排放标准。

2.3.6.1 构筑物 清水池(消毒池)1座，规格为3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，结构形式为钢砼，有效容积为40.5 m3。

2.3.6.2 主要设备 污水提升泵1台， 50QW-10-10-0.75，Q=10 m3/h，H=10.0 m，N=0.75 kW；滤片投加器1台，50～100 m3/d，功率为0.55 kW。

2.3.7 污泥储池

2.3.7.1 构筑物 污泥储池1座，规格为3.0 m×3.0 m×5.0 m，有效水深4.5 m，有效容积为40.5 m3。

2.3.7.2 主要设备 污水提升泵1台，50 QW25-10-1.5，Q=25 m3/h，H=10.0 m，N=1.5 kW。

2.3.8 鼓风机房

2.3.8.1 构筑物 鼓风机房置于综合池顶部，平面尺寸18.0 m×12.0 m×2.5 m。

2.3.8.2 主要设备 罗茨鼓风机，3台(2开1备)，HC-1001S，Q=5.11 m3/min，P=0.06 MPa，N=7.5 KW

2.3.9 其他附属建筑物 配电间，1座，3.0 m×3.0 m×2.5 m。

3 工程运行效果

调试初期，对各种机电设备、酵素等药剂的添加量进行了调试，对生化处理系统的污泥进行了驯化。经过近半年的试运行与水质检测(每周取样1次，取样时间为星期二早晨9：00，n=19)，连续回分式活性污泥处理工艺各运行参数达到了设计值，处理出水水质稳定。各工艺段具体进、出水外观见图2，水质COD、总氮和氨氮含量统计结果见表1。原水COD、TN、氨氮和总磷的平均浓度分别为19304.2、1358.3、691.7和174.3 mg/L，终水出水COD、TN、氨氮和总磷的平均浓度分别为76.8、64.7、3.9和4.3 mg/L，COD、TN、氨氮和总磷的平均去除率分别为99.6%、95.2%、99.4%和97.5%。

4 运营成本分析

运营成本由动力费、辅助生产材料费和人工费等组成。

4.1 动力费

合计5.79万元/a。其中：年耗电量根据所配置的机电设备功率计算，为8.90 万(kW·h)；电费按0.65元/(kW·h)计算。

4.2 辅助生产材料费

合计11.87 万元/a。其中：复合酵素650 元/L，年消耗180 L；聚合氯化铝(PAC) 1 200 元/t，年消耗1 t；次氯酸钙：1 000 元/t，年消耗0.53 t。

4.3 人工费

员工的工资福利费用约为3.6 万元/a。

运营成本总计为21.26 万元/a。

污水处理量按50 m3/d、全年365 d计算, 则根据运营成本计算，吨水处理费用为11.65 元/t。

表1 各工艺段水样COD、总氮、氨氮、总磷等指标变化Table 1 The index variation of COD, Total Nitrogen, Ammonia Nitrogen and Total Phosphorous in samples of each section mg/L

5 讨 论

国内外奶牛养殖废水处理的方法较多，包括还田处理、生态化处理、吸附处理、厌氧及好氧生化处理等。Pelissari等[9]分别构建垂直流和水平流的长苞香蒲湿地用于处理奶牛场废水，总氮去除率分别为23%和59%，氨态氮去除率分别达80%和58%；de Mendonca等[10]设计了活塞流生物反应器处理奶牛场废水，实现了产气(甲烷)和生物肥料双重资源化；王艳芹等[3]设计了生物巢厌氧反应器处理奶牛养殖场废水，水力停留时间(HRT)为15 h，对COD、TN和总固体悬浮物(TSS)的平均去除率分别为76.7%、76.9%和89.9%。针对奶牛养殖场废水含有高浓度有机污染物的特点，赵秋菊等[11]采用快速挂膜法对生物接触氧化反应器进行启动，在HRT为48 h时，生物接触氧化对COD、TN和磷的平均去除率分别为91.5%、77.1%和53.4%；姜栋和于宏兵[12]采用同时反硝化产甲烷工艺处理奶牛养殖废水，COD 及TN 去除率均达到90%以上。本研究构建的“连续回分式活性污泥处理工艺”，附加环保酵素强化处理方案，经半年多的运行和检测，COD、总氮、氨氮、总磷的平均去除率分别为99.6%、95.2%、99.4%和97.5%，整体效果优于以上报道，具有处理效果良好，运行状态稳定等特点，可作为解决困扰奶牛养殖场废水治理难题的有效解决方案。

6 结 论

本方案运行结果表明，针对奶牛养殖废水COD、氨氮浓度高的特点，选用以连续回分式活性污泥处理工艺为主，配合环保酵素进行相关设施、设备及技术改造，具有反应效率高、处理效果稳定、运行成本相对低廉等特点。处理后出水水质能达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084-2005)和《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)相关标准，对其它养殖废水处理工程的技术改造具积极且实用的参考价值。