混凝沉淀-气浮-间歇曝气MBR组合工艺处理餐厨发酵沼液的研究

张翠翠，史文悦，钱伟杰，黄连芝，郑 炜

(1.浙江双益环保科技发展有限公司，浙江 嘉兴 314000；2.浙江清华长三角研究院，浙江 嘉兴 314000)

前 言

随着经济的发展，餐厨垃圾总量不断增长，给社会和环境造成巨大的压力，对餐厨垃圾资源化处理提出更高的要求[1-2]。厌氧发酵技术具有较好的资源回收属性，能产生高附加值的产品，具有较好的应用前景[3]。但是，餐厨垃圾厌氧发酵产生的沼液污染物成分复杂多变，悬浮物含量高，有机污染物浓度高，氨氮浓度高，并且含有大量的油类物质，是一种难处理废水[4-5]。

高浓度的悬浮物和油类物质对生化系统有严重的不利影响[6]，因此废水进入生化系统前进行预处理非常必要。生化处理过程中脱氮的难点在于预处理后废水C/N比较低[7]，针对低C/N比废水，新型脱氮技术有厌氧氨氧化技术和短程硝化反硝化技术[8]。其中，厌氧氨氧化技术对废水中氨氮与亚硝态氮的比例有严格的要求，其比值接近于1有利于推动厌氧氨氧化反应的进行[9]，运行过程中控制较为困难，适用范围有限[10]。

本研究基于短程硝化反硝化的原理，采用的间歇曝气式膜生物处理工艺，将活性污泥处理技术与膜处理技术结合起来。通过研究预处理和间歇曝气式MBR对COD、氨氮、TN、TP、SS和动植物油的去除效果，以期为餐厨发酵沼液处理提供借鉴。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与运行方式

试验工艺采用混凝沉淀和气浮的方式对厌氧发酵产生的沼液进行预处理，预处理出水进入间歇曝气MBR池进行生物处理，工艺流程如图1所示。其中，混凝沉淀采用PAC试剂，加药量为1500mg/L；气浮时间为10min。

图1 工艺流程Fig.1 Process flow diagram

系统运行通过PLC控制柜控制，试验装置及运行方式如图2所示，在缺氧状态下(0～30min)系统开始进水，缺氧状态(0～60min)通过时间控制；风机开启，系统进入好氧状态(60～180min)，产水泵产水(150～180min)，产水通过液位控制。好氧阶段风机采用变频控制，系统内溶解氧控制在1.5 mg/L以下。

图2 间歇曝气MBR装置及运行方式示意图Fig.2 Schematic diagram of intermittent aeration MBR and its operation mode

1.2 设计进出水水质

餐厨废弃物发酵产生的沼液污染物浓度高，成分复杂，试验用水水质情况如表1所示。废水中有机污染物浓度较高，并且含有大量的悬浮物和动植物油。试验设计出水水质执行《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中的三级排放标准。

表1 设计进水水水质Tab.1 Design influent and effluent quality (mg/L)

1.3 测试方法

1.3.1 常规水质测试方法

COD采用重铬酸钾氧化法[11]；氨氮采用纳氏试剂分光光度法[12]；总氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法[13]；TP采用钼酸铵分光光度法[14]；SS采用重量法[15]；动植物油采用红外分光光度法[16]；亚硝酸盐分光光度法[17]；硝酸盐氮采用紫外分光光度法[18]；DO采用梅特勒便携式多参数仪器。

1.3.2 三维荧光光谱

取序批式MBR反应器进出水，经0.45μm滤膜过滤，进行三维荧光光谱(Hita-chi F-4500)分析。三维荧光扫描条件为：扫描激发光源150-W氙弧灯；PMT电压750 V；扫描间隔：Ex=5 nm、Em=10 nm；自动响应时间；扫描速度：30000 nm/min；激发和发射波长范围：Ex=220～400 nm、Em=280～550 nm。

2 结果与讨论

2.1 预处理对污染物的去除效果

餐厨废弃物发酵沼液预处理采用混凝沉淀和气浮工艺，预处理后水质变化情况如表2所示，经预处理污染物的去除率如图3所示。结果表明，混凝沉淀处理对COD、氨氮、TN、TP和SS均有较好的去除效果，去除效率分别为42.8%、47.4%、43%、90.1%和87.2%。说明餐厨废弃物发酵沼液中污染物部分以颗粒物的形式存在，随着固液分离SS大量去除，沼液中的污染物能够有效去除，其中以TP的去除效果最为明显，而动植物油为溶解性物质，在混凝沉淀过程中难以去除。经混凝沉淀处理后，污染物多以溶解性物质存在，进一步通过气浮处理，COD、TP、SS、动植物油的累积去除效率分别达到85.3%、98.7%、99.4%和99.4%。在气浮过程中，动植物油含量能够有效去除，避免了油类物质对生物处理阶段微生物活性的影响，避免油类物质造成膜污染。在整个预处理过程中，总磷、SS、和动植物油去除效果良好，氨氮及总氮的去除效率最差，总氮及氨氮的去除是生化系统的重点。

表2 预处理水质变化情况Tab.2 Change in quality of pretreated water (mg/L)

图3 预处理对去污染物的去除率Fig.3 Removal rates of pollutants by pretreatment

2.2 间歇曝气式MBR对污染物的去除效果

2.2.1 对COD的去除效果

考虑到预处理后废水C/N比仅为1.8，不足以满足脱氮需求，因此在进水阶段补充一定量的碳源，调整碳氮比分别为3.0和4.0。为保证反硝化细菌充分利用原废水中的有机物，将碳源投加时间设定在进水完成后。不同C/N条件下间歇曝气式MBR对COD的去除效果如图4所示，未补充碳源和C/N比分别为3.0和4.0时，出水平均COD分别为252.67 mg/L、260.73 mg/L和269.93 mg/L；COD的平均去除率为87.75%、87.63%和87.33%。可见，随着补充碳源量的增加，COD的去除效率略有下降。间歇曝气式MBR反应器对COD的去除主要依赖于缺氧阶段的异养反硝化细菌，剩余COD在好氧阶段经碳氧化菌进一步去除[19]。在好氧阶段，由于碳氧化细菌与硝化细菌对水中的DO的竞争，COD的去除能力略有下降[20]。总体来看，出水水质稳定，出水水质低于500mg/L，满足《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的三级排放标准。

图4 间歇曝气式MBR对COD的去除效果Fig.4 Removal rate of COD by intermittent aeration MBR

2.2.2 对氨氮的去除效果

图5 间歇曝气式MBR对氨氮的去除效果Fig.5 Removal rate of ammonia nitrogen by intermittent aeration MBR

2.2.3 对TN的去除效果

不同C/N条件下间歇曝气式MBR对TN的去除效果如图6所示，未补充碳源和C/N比分别为3.0和4.0时，进水TN分别为(1206.37±64.93)mg/L、(1210.53±60.12)mg/L和(1226.27±56.62)mg/L，出水平均TN分别为78.33 mg/L、40.35 mg/L和47 mg/L，平均去除率分别为93.44%、96.67%和96.16%。未补充碳源时，反硝化细菌在缺氧阶段因缺少碳源，出水TN浓度升高；补充碳源后，TN的去除率明显提升。可见，间歇曝气式MBR对总氮去除效果最佳时，C/N比应为3.0。补充碳源后，在31～100 d运行时间范围内，TN整体去除效果较好，TN去除率高达96%，氨氮污泥负荷为0.06～0.08 kgTN/(kgMLSS·d)。综合考虑装置运行的技术经济合理性和COD、氨氮、TN的去除效果，C/N比为3为最优条件。

宋欣欣等采用两级AO工艺处理餐厨垃圾厌氧发酵沼液，生化出水平均TN浓度为140 mg/L[25]；夏一帆等采用DMBR短程硝化反硝化工艺处理餐厨垃圾厌氧发酵沼液，TN的平均去除率为68%[26]；张周等通过缺氧区、微氧区和好氧区DO控制，实现短程硝化反硝化，TN的去除率达到94%[27]。故相比较而言，间歇曝气式MBR工艺对总氮有较好的去除效果。

图6 间歇曝气式MBR对TN的去除效果Fig.6 Removal rate of TN by intermittent aeration MBR

2.3 三维荧光光谱分析

三维荧光谱图不同分区代表的物质分别有：第一类芳香族蛋白质类似物、第二类芳香族蛋白质类似物、类富里酸、溶解性微生物副产物和类腐殖酸[28]。不同处理阶段三维荧光变化如图7所示，厌氧发酵沼液中以第一类和第二类芳香族蛋白类物质为主，分别占比36.51%和43.45%；预处理出水中以第一类和第二类芳香族蛋白类物质为主，分别占比39.87%和41.04%。经过预处理，整体荧光强度降低了82.08%，第一类、第二类蛋白质类似物属于易降解有机物[29]，故进入间歇曝气式MBR反应器的物质以易降解物质为主。经过间歇曝气式MBR处理，整体荧光强度降低了98.68%，与污染物的去除率相一致，其中芳香族蛋白质物质占比明显降低，类腐殖酸类难降解物质占比虽然上升，但荧光强度无明显增强。

图7 处理过程中三维荧光光谱的变化Fig.7 Changes in three-dimensional fluorescence spectra during treatment

3 结 论

采用混凝沉淀-气浮-间歇曝气MBR进行处理餐厨垃圾厌氧发酵沼液，考察了不同处理阶段对COD、氨氮、TN、TP、SS和动植物油的去除效果。结果表明，经混凝沉淀-气浮预处理，SS和TP达到排放标准，COD、TP、SS、油类物质的累积去除效率分别达到85.3%、98.7%、99.4%和99.4%，氨氮和总氮的去除效果较差，去除率分别为49.96%和52.63%。综合考虑工艺运行的技术经济合理性和间歇曝气MBR在不同C/N比下对COD、氨氮和总氮的去除效果，C/N比为3为最优运行条件，COD、氨氮和TN的去除率分别为87.63%、98.40%和96.67%，经过处理MBR出水水质达到排放标准。