A/O与SBR工艺处理猪场废水厌氧消化液对比研究

2022-04-01蔡英英韩志刚邓良伟王文国

农业环境科学学报 2022年3期

蔡英英，韩志刚，邓良伟*，王文国

（1.农业农村部沼气科学研究所，农业农村部可再生能源开发利用重点实验室，成都 610041；2.福州共创环保技术有限公司，福州 350000）

随着生猪养殖业规模化、集约化发展，局部地区产生了大量猪场废水，这些废水含有高浓度有机物、氮、磷和致病性微生物等。猪场废水如果未经有效处理直接排入水体，会对周边水环境和人体健康产生严重影响。由于厌氧消化技术既能去除废水中大部分有机物，又能产生可再生能源——沼气，被广泛应用于猪场废水处理。但是厌氧消化后产生的厌氧消化液（俗称沼液）仍含有高浓度的有机物、氮和磷，需要进一步处理或利用。目前厌氧消化液的处理利用主要有两种模式：还田利用和达标处理。最理想的处置方式是还田利用，但由于大型、特大型养殖场周边可用于还田的土地有限，利用不完的厌氧消化液必须进行达标处理，以满足排放标准或削减氮磷负荷后用作农灌水。

基于此，本研究采用实验室规模的A/O与SBR工艺处理猪场废水厌氧消化液，在4个TN负荷下（0.02、0.04、0.06、0.08 kg·kg·d，以每千克MLSS每日承纳的TN计，下同），对比研究了两种工艺对猪场废水厌氧消化液中有机物、氮、磷等物质的去除性能，并进一步分析了两种工艺中功能微生物活性，以及有机物和氮去除动力学特性，以明确两种工艺所能承受最大的氮负荷及其性能差异的内在机制，以期为猪场废水厌氧消化液好氧处理工艺选择提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验废水与接种污泥

反应器接种污泥取自实验室运行良好的处理猪场废水厌氧消化液的SBR好氧污泥。每个反应器接种的污泥量为有效体积的30%（约3 L污泥），接种后两种工艺的混合液悬浮固体浓度（MLSS）为4.44 g·L，混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）为3.33 g·L。

1.2 试验装置及操作条件

两个实验室规模的反应系统均由有机玻璃制成，A/O的总有效体积为10 L，其中缺氧池的长×宽×高为100 mm×100 mm×430 mm，有效体积为3.3 L，好氧池的长×宽×高为190 mm×100 mm×430 mm，有效体积为6.2 L，沉淀池的长×宽×高为60 mm×5 mm×300 mm，有效体积为0.5 L。SBR的总体积为12 L，有效体积为10 L，直径200 mm，高430 mm。试验装置如图1所示。

图1 两种试验工艺流程示意图Figure 1 Schematic diagramof lab-scale anxoic-oxic process（A/O）and sequencing batch reactors（SBR）

A/O每日进水时间为20 h，进水量在0.7～3.3 L·d，HRT在3.03～14.30 d，混合液回流比为300%，污泥回流比为100%。SBR的运行周期为12 h，每日2个周期，其中进水0.5 h，缺氧搅拌4 h，曝气6 h，沉淀1 h，出水0.5 h，进水量在0.7～3.3 L·d，HRT在3.03～14.30 d。

试验运行温度控制在25～30℃，采用电热夹层保温。A/O和SBR的进出水、搅拌和曝气都由定时开关控制。利用蠕动泵进出水。连接空压机（ACO-002）至SBR及O池底部进行曝气。控制O池的溶解氧（DO）在2 mg·L，由于SBR的曝气时间是A/O的一半，所以调节SBR的曝气流量是O池的两倍，以保证两种工艺的日曝气量相同。试验过程中A/O及SBR的曝气量为288～432 L·d。

两种工艺平行运行了119 d，共分为2个阶段。第1阶段（1～25 d）在负荷0.04 kg·kg·d下运行，对比了两种工艺的酸化及对有机物、氮和磷的去除情况。第2阶段（26～119 d）通过外加NaHCO补充硝化过程消耗的碱度，使得SBR及A/O的O池混合液的pH值维持在7以上，共运行4个污泥负荷，分别是0.02、0.04、0.06、0.08 kg·kg·d。具体操作参数见表1。

表1 A/O和SBR工艺操作参数Table 1 Operating parameters of A/Oand SBRprocesses

1.3 活性试验

1.4 动力学模型

采用修正的Stover-Kincannon模型模拟两种工艺对主要污染物的降解情况。在稳态条件下，如果该模型成立，则可以用公式（1）来描述基质降解情况：

式中：为基质的最大去除速率，g·L·d；为半饱和常数，g·L·d；为进水量，L·d；为反应器体积，L；为进水浓度，mg·L；为出水浓度，mg·L。

1.5 采样分析与数据处理方法

2 结果与讨论

2.1 出水pH值变化

图2 两种工艺的pH值变化情况Figure 2 The pH value variation in the two processes

2.2 两种工艺对污染物的去除性能

2.2.1 有机物去除

如图3所示，第1阶段的进水有机负荷在0.15～0.24 kg·m·d（以每立方米反应器每日承纳的COD计，下同），A/O及SBR出水COD浓度先上升再逐渐下降，可能是因为污泥还未适应进水而出现的短暂波动。第1阶段运行结束时，A/O及SBR出水COD浓度分别为243 mg·L和266 mg·L，平均COD去除率分别为63.6%和64.4%。本研究的出水效果明显优于郑效旭等采用SBR直接处理猪场废水厌氧消化液的结果，其出水COD浓度为（453±15）mg·L，去除率仅为16%±1%。第2阶段，外加NaHCO补充碱度，进水有机负荷为0.06～0.26 kg·m·d，随着负荷提高，两种工艺出水COD浓度先上升后逐渐下降，其中工况3波动较为明显是保温装置故障所导致。在运行稳定阶段，A/O与SBR出水COD浓度均在300 mg·L以下，加碱对COD去除的改善不明显。两种工艺出水COD浓度低于《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）中集约化畜禽养殖业日均最高排放浓度（400 mg·L），这表明在试验进水条件下，A/O及SBR工艺出水均可满足当前的行业排放标准。若要达到更高的排放标准，需要进一步深度处理，比如采用人工湿地、化学混凝等方法进行处理。

图3 两种工艺的COD去除情况Figure 3 CODremoval in the two processes

试验条件下，两种工艺对COD的去除效果没有显著差异。由于COD的降解机制主要是通过异养菌好氧氧化，以及反硝化菌、聚磷菌代谢利用，而两种工艺出水中COD多是难降解有机物，说明A/O与SBR对COD都已经达到最大去除能力，所以未显现出差异。

2.2.2 氮去除

图4 两种工艺对氮的去除情况Figure 4 Nitrogen removal in the two processes

统计分析显示，A/O与SBR在5个工况下对氮去除效果没有显著差异。但补充碱度后，SBR的TN去除率逐渐上升至略高于A/O。如2.1所述，未补充碱度前，SBR反硝化段pH值低于6.5，导致SBR对TN去除率略低于A/O工艺。pH值上升后，回流比（）和DO浓度不同可能是导致A/O与SBR的TN去除性能差异的原因。SBR属于全回流模式，而A/O的回流比只有300%，越高意味着有更多的硝酸盐回流至缺氧段进行反硝化脱氮，但同时高会给缺氧段带入更多DO。CHEN等的研究表明，在低C/N条件下（C/N=3），从100%上升至600%，TN去除率从66%下降到53.3%。随着进水负荷的提高，SBR曝气结束后DO降至0.5 mg·L以下的时间较低负荷工况缩短（数据未给出），这可能是高负荷条件下SBR的TN去除率高于A/O的原因。

2.2.3 TP去除

如图5所示，第1阶段，A/O及SBR出水TP浓度均高于进水浓度，平均去除率分别为-9.05%和-10.9%，这是因为低pH（＜6.5）会抑制聚磷菌（PAOs）的活性，并且体系酸化可能会使微生物细胞破裂，导致磷从细胞内释放出来。第2阶段，补充碱度后，随着进水TP负荷（以每立方米反应器每日承纳的TP计）提高（0.008～0.043 kg·m·d），A/O和SBR的TP去除率呈现上升趋势。在HRT=3.03 d、进水TP负荷在0.043 kg·m·d时，A/O和SBR的TP去除率最高，平均去除率分别达到26.7%和36.7%。这是因为一方面，体系pH值上升，PAOs活性恢复；另一方面，试验后期进水的BOD/P显著提高，碳源是生物除磷的限制因素。此外，工况4和工况5的条件下，SBR的TP去除率比A/O分别高出14.4个和10.0个百分点，这可能是因为在高负荷条件下SBR的pH值要高于A/O（图2a），较高的pH值有利于厌氧段磷酸盐释放以及好氧段PAOs对磷的吸收。另外高负荷条件下A/O出水的硝酸盐浓度也略高于SBR，相当数量的硝酸盐转至厌氧阶段，它会影响磷的释放，最终降低TP的去除率，所以SBR在高负荷条件下，对于磷的吸收和释放要优于A/O。试验条件下，A/O及SBR出水TP浓度都达不到集约化畜禽养殖业排放标准（8.0 mg·L），需进一步采用物化方法如添加聚合氯化铝、石灰等进行深度处理。

图5 两种工艺的TP去除情况Figure 5 Total phosphorus removal in the two processes

2.3 功能微生物活性

表2 两种工艺运行结束时功能微生物活性（mg·g-1·h-1）Table 2 Functional microbial activity of two processes at the end of experiment（mg·g-1·h-1）

A段和O段污泥的比厌氧氨氧化速率（）均低于SBR污泥，分别为4.38、6.30、7.12 mg·g·h，而SBR污泥的比反硝化速率（）显著低于A段和O段污泥，分别为1.63、2.65、2.73 mg·g·h。LIANG等认为，连续流模式下，持续不断地供应碳源，增强了反硝化作用。LANGONE等的研究表明，由于连续流模式存在较高浓度的电子受体和供体（氧和有机物），异养菌会在竞争中胜过厌氧氨氧化菌。所以，SBR更有利于短程硝化-厌氧氨氧化的实现，而A/O的高比反硝化活性使得其在传统生物脱氮中更具优势。