UASB-两级A／O-混凝工艺处理生猪养殖污水工程实例

赵明杰， 栗勇田，3

（1.河北省河道水质净化及生态修复重点实验室， 秦皇岛天大环保研究院有限公司， 河北 秦皇岛 066000；2.河道水处理和生态修复河北省工程研究中心， 河北 秦皇岛 066000；3.天津大学 环境科学与工程学院， 天津 300072）

畜禽养殖产业的规模化发展使得养殖污水排放量逐年增加［1］， 随着国家对生态文明建设的力度加大， 对畜禽养殖污水的排放要求也日趋严格。 生猪养殖污水具有污染物种类多、 浓度高、 易腐化等特点， 若不经处理或处理不当， 会对周边水环境造成严重污染， 甚至引发传染病流行， 威胁人居环境和身体健康［2－4］。

目前国内处理生猪养殖污水一般采用厌氧法、生物接触氧化法以及活性污泥法等进行生化处理［5－7］，但设计出水水质大多仅满足GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》， 无法直接排放至河湖水体或用于农田灌溉， 不利于水资源的有效利用。 近年来， 大量研究成果显示在传统生化处理方法基础上， 优化预处理及增加深度处理形成适宜的组合工艺， 能够进一步提高生猪养殖污水处理效果［8－10］。本文介绍了某规模养猪场污水处理工程设计， 并对实际运行效果进行考察与分析， 为类似畜禽养殖污水处理工程的设计提供参考。

1 工程概况

河北省某规模化生猪养殖场是一家集种猪繁殖、 销售， 猪饲养销售为一体的综合性农牧企业，现存栏量为40 000 头， 采用干清粪工艺， 粪便作为有机肥的肥料与污水处理过程中产生的废渣和污泥一起进行有机肥的生产， 尿液、 残余粪便、 猪舍冲洗水以及少量生活污水需进行处理。 养殖场位置较为偏远， 周边基本为农田， 无市政排水管线布设。 根据项目内容， 新建污水处理站1 座， 设计处理出水达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级标准。

2 设计水量、 水质

根据GB 18596—2001 表4 集约化畜禽养殖业干清粪工艺最高允许排水量为： 冬季1.2 m3／（百头·d）、 夏季1.8 m3／（百头·d）， 并结合企业实际情况， 确定本方案设计处理能力为600 m3／d。

通过建设单位提供的相关污水水质资料， 并结合现场取样检测和同类污水的水质分析， 确定本工程的进水水质。 根据当地环保主管部门的要求， 本工程处理后的出水排入场外防渗储水坑， 不定期用于农灌， 出水水质指标执行GB 8978—1996 中的一级标准。 污水处理站设计进出水水质如表1 所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Design influent and effluent water quality

3 污水处理工艺

根据该养殖场污水水质特点、 工程现场实际情况及治理需求， 设计采用预处理－UASB－两级A／O－混凝沉淀－多介质过滤－消毒组合工艺进行处理。具体工艺流程见图1。

图1 生猪养殖污水处理工艺流程Fig.1 Process flow of pig farming sewage treatment

污水经过格栅初步拦截后首先进入调节池， 对进水水质、 水量进行调节， 调节池出水经提升泵均匀地提升至固液分离机， 进一步去除污水中的少量毛发、 粪便等细小颗粒状及纤维状杂质后， 出水进入水解酸化池。 水解酸化池利用兼性厌氧菌的水解酸化作用， 将污水中难生物降解的大分子有机物分解为易生物降解的小分子有机物， 提高污水的可生化［11］。

水解酸化池出水经厌氧进料泵提升至换热器预热， 然后经布水系统进入UASB 反应器， 与颗粒污泥发生反应进行厌氧消化， 通过厌氧微生物有效分解污水中的有机污染物。 UASB 出水经厌氧沉淀后进入两级A／O 生化反应池， 通过微生物的代谢作用强化有机物降解效率， 并进一步脱氮除磷［12］。

A／O 生化反应池的出水进入混凝沉淀池， 与除磷药剂充分反应沉淀， 上清液经中间水池提升至多介质过滤器， 进一步去除污水中的有机污染物及细小的悬浮物， 出水进入消毒池， 通过NaClO 消毒脱色后达标排放。

UASB 反应器产生的沼气经水封器、 气水分离器和干式脱硫塔净化处理后集中储存， 以便进一步综合利用。 固液分离机分离出的固体杂质、 UASB反应器产生的厌氧污泥、 A／O 生化反应池产生的剩余污泥以及混凝沉淀池产生的污泥排入污泥浓缩池， 浓缩后的污泥经污泥脱水机脱水后， 与粪便一起用于生产有机肥料。

4 主要构筑物设计、 运行参数

（1） 调节池。 地下式钢砼结构， 尺寸为11.0 m×6.0 m×7.0 m， 有效容积为360 m3， 水力停留时间为12 h。 配备提升泵1 台， 流量为25 m3／h，扬程为10 m， 功率为1.5 kW。 调节池出水处设置固液分离机， 型号为WXFJ－600 旋转式， 尺寸为φ0.6 m × 1.4 m， 筛网间隙为0.2 mm， 转速为2.5 r／min， 功率为0.75 kW。

（2） 水解酸化池。 地下式钢砼结构， 尺寸为15.0 m×6.0 m×6.0 m， 有效容积为360 m3， 水力停留时间为12 h。 配备潜水搅拌器1 台， 搅拌机功率为0.85 kW， 叶轮直径为260 mm， 转速为740 r／min； 厌氧进料泵1 台， 流量为25 m3／h， 扬程为28 m， 功率为5.5 kW。

（3） UASB 反应器。 半地下式防腐碳钢结构，尺寸为φ5.5 m×16.0 m， 有效容积为353 m3， 容积负荷为10 kg［COD］／（m3·d）， 水力负荷为0.7 m3／（m2·h）， 水力停留时间为14.12 h。 控制进水温度为（35±1） ℃， 进水pH 值为6.5 ～7.5， 由反应器底部进行环形布水， 每个布水孔服务面积为1.38 m2， 沉淀区水力表面负荷为1.05 m3／（m2·h）， 倾斜壁底角为50°。 设置配套三相分离器、 水封器、 汽水分离器及沼气净化储存系统各1 套。

（4） 厌氧沉淀池。 半地下式钢砼结构， 尺寸为7.0 m×2.0 m×6.0 m， 有效容积为77 m3， 水力负荷为2.14 m3／（m2·h）， 水力停留时间为2.56 h。斜管填料采用热压六边形蜂窝管， 内径为80 mm，管长1 m， 安装倾角为60°。 设置厌氧污泥泵1 台，流量为25 m3／h， 扬程为10 m， 功率为1.5 kW。

（5） A／O 生化反应池。 一级和二级A／O 生化反应池各1 座， 串联运行， 地下式钢砼结构， 单座尺寸为23.0 m×5.0 m×6.0 m， 单座缺氧池有效容积为86.55 m3， 水力停留时间为2.3 h， 运行pH 值为6.5 ～7.5， 溶解氧质量浓度为0.2 ～0.5 mg／L。 单座好氧池有效容积为357 m3， 水力停留时间为9.5 h， 运行pH 值为7.0 ～8.0， 溶解氧质量浓度为2 ～4 mg／L， 污泥负荷为0.18 kg［BOD5］／（kg·［MLSS］·d）， 污泥龄为5 d， 污泥回流比为50%， 混合液悬浮固体浓度为3 000 mg／L， 混合液回流比为200%，鼓风机曝气供气量为6 500 m3／d。 设置生物组合填料， 尺寸为φ0.15 m×3.00 m， 组合填料支架2 套；潜水搅拌机2 台， 单台功率为0.85 kW； FSR150－1110 三叶罗茨鼓风机2 台， 单台风量为15.7 m3／min， 压力为58.8 kPa， 电机功率为30 kW； 微孔曝气器1 500 套， 直径为150 mm； 混合液回流泵2台， 单台流量为25 m3／h， 扬程为10 m， 功率为1.5 kW。

（6） 混凝沉淀池。 地下式钢砼结构， 池体尺寸为7.0 m×2.0 m×6.0 m， 有效容积为77 m3， 水力负荷为2.68 m3／（m2·h）， 沉降时间为2 h。 设置一体化加药装置2 套， 分别投加高效复合PAC 混凝剂80 g／m3， PAM 絮凝剂6 g／m3， 配套搅拌机2台， 单台电机功率为0.5 kW， 加药泵2 台， 单台流量为50 L／h， 功率为0.37 kW； 斜管填料采用热压六边形蜂窝管， 内径为80 mm， 管长1 m， 安装倾角为60°。

（7） 多介质过滤器。 1 台， 碳钢材质， 设备尺寸为φ1.8 m×3.4 m， 处理能力为25 m3／h， 滤速为10 m／h。 滤料自下向上为石英砂（粒径为1 ～2 mm，厚度为0.5 m）、 沸石（粒径为1 ～2 mm， 厚度为0.5 m）、 多孔火山岩（粒径为3 ～5 mm， 厚度为0.3 m）。 采用气水联合反洗， 气洗强度为10 ～15 L／（s·m2）， 水洗强度为3 ～5 L／（s·m2）， 反洗时间为10 min。

（8） 消毒池。 地埋式钢砼结构， 池体尺寸为3.0 m×3.0 m×5.0 m， 配备RTJY－10 型次氯酸钠加药装置1 套， 加药量为20 mg／L； 反冲洗泵1 台，流量为140 m3／h， 扬程为23 m， 功率为15 kW。

5 工程设计特点

（1） 生猪养殖污水悬浮物多， 有机物浓度高，预处理阶段选用固液分离机与水解酸化工艺， 能够去除污水中大量的细小颗粒、 毛发， 并通过厌氧菌水解酸化作用， 将复杂有机物分子结构解链断链，从而提高污水的可生化性， 有利于后续生化处理稳定高效运行。

（2） 采用成熟的UASB－两级A／O－混凝沉淀处理工艺， 处理效率高， 出水水质稳定， 运行成本低。 两级A／O 生化反应池、 混凝沉淀池等主要构筑物设置于地下， 一方面便于维护管理， 节省占地面积， 地表可作为绿化或其他用地， 另一方面节省建房、 采暖设施的投资， 保证污水处理设施在冬季维持稳定高效运行。

（3） 本工程将回收的沼气资源综合利用， 收集的泥饼、 粪渣作为有机肥料， 系统出水用于农田灌溉， 可实现资源节约与高效利用， 具有较好的环境效益、 社会效益与经济效益。

6 运行效果分析

2020 年4 月， 该污水处理工程竣工调试后正式投入使用， 稳定运行3 个月后， 于8 ～10 月对污水处理站进出水水质进行监测， 采样频率为4 次／月， 水质监测结果见表2， 2020 年9 月25 日主要处理单元污染物去除情况见表3。

表2 实际进出水水质Tab.2 Actual influent and effluent water quality

表3 各处理单元对不同污染物去除效果Tab.3 Efficiency of different pollutants removal in each treatment unit

由表2 可见， 进水主要污染物浓度高、 波动较大， 通过采用组合工艺进行净化处理后， 出水水质稳定， COD、 BOD5、 SS、 NH3－N 和TP 的平均去除率分别为98.9%、 99.1%、 97.2%、 96.2% 和97.6%。 出水各项水质指标均达到设计要求， 通过蓄存调配， 可作为农田灌溉水使用。

由表3 可见， 污水经过预处理可以显著降低后续生物处理单元的负荷。 UASB 反应器进水对COD和BOD5的去除率分别为77.3% 和80.3%， 对于有机污染物具有较好的去除效果， 但出水中NH3－N 质量浓度略有增加， 这是因为在厌氧氨氧化作用下，污水中其他形态的氮会转化为NH3－N［13］。 两级A／O 生化反应池能够实现有机物的降解， 并通过微生物的硝化反硝化作用有效去除氮污染物［14－15］， 反应池出水COD 和BOD5的质量浓度分别降至135 mg／L 和26.4 mg／L， 出水NH3－N 质量浓度低至26 mg／L。 污水中磷酸盐主要通过投加化学药剂， 以混凝沉淀的方式去除， 混凝沉淀池出水TP 质量浓度低至0.4 mg／L。 多介质过滤器以及次氯酸钠消毒池作为深度处理设施， 能够通过离子交换吸附和化学氧化作用进一步降低污水中各项污染物浓度， 从而实现最终出水稳定达标。

7 投资及运行成本

该污水处理工程占地面积约为800 m2， 建设总投资为1 050 万元。 工程总运行维护费用为1.37元／t， 主要包括人工费0.3 元／t、 电费0.75 元／t、药剂费0.09 元／t， 设施检修维护、 材料更新及污泥处置费用为0.23 元／t。

8 结语

根据生猪养殖污水的特征及治理需求， 设计采用预处理－UASB－两级A／O－混凝沉淀－多介质过滤－消毒的组合工艺进行处理。 工程运行实践表明，对污水中COD、 BOD5、 SS、 NH3－N 和TP 的平均去除率分别为98.9%、 99.1%、 97.2%、 96.2%和97.6%， 出水主要污染物指标达到GB 8978—1996中的一级标准。 该工艺具有占地少、 处理效率高、出水水质稳定、 处理副产物可资源化利用等优点，运行维护费用为1.37 元／t， 具有较好的环境效益和经济优势。