隨著人們生活水平的不斷提高，屠宰行業(yè)得到迅速發(fā)展，產(chǎn)生的廢水排放量也越來(lái)越大，成為有機(jī)污染尤其是氮污染的zui大工業(yè)污染源之一〔1〕。屠宰加工廢水中含有大量血污、油脂質(zhì)、內(nèi)臟雜物、未消化的食料、糞便等污染物，其有機(jī)物濃度高，成分復(fù)雜，污染物中所含有的蛋白質(zhì)、尿素、尿酸、脂肪和碳水化合物會(huì)通過(guò)厭氧、好氧微生物的氨化作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為高濃度的氨氮，高濃度的屠宰加工廢水經(jīng)傳統(tǒng)SBR工藝處理后氨氮指標(biāo)往往難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析認(rèn)為，關(guān)鍵在于沒(méi)有根據(jù)實(shí)際水質(zhì)對(duì)SBR處理工藝采取切實(shí)可行的調(diào)控措施〔2〕。
專業(yè)屠宰廢水脫氮處理新技術(shù)介紹和設(shè)備說(shuō)明
- 傳統(tǒng)的SBR工藝分為進(jìn)水、曝氣、沉淀 和閑置等五個(gè)階段，其中曝氣階段通常采用連續(xù)曝氣的方式。筆者從調(diào)整曝氣方式著手，通過(guò)采用曝氣（好氧）/攪拌（缺氧）循環(huán)交替的間斷曝氣方式，探討對(duì)有機(jī)物、氨氮和TN的去除效果的影響。通過(guò)分析有機(jī)物、氨氮和TN等污染指標(biāo)逐時(shí)降解特性和pH變化〔3〕，確定了好氧/缺氧循環(huán)SBR工藝運(yùn)行模式和控制參數(shù)，zui終獲得了一種進(jìn)一步提高傳統(tǒng)SBR工藝脫氮率的方法，以期為傳統(tǒng)SBR工藝改造和好氧/缺氧循環(huán)SBR工藝的工程應(yīng)用提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)采用的SBR反應(yīng)器內(nèi)徑為200 mm、高度500 mm，有效容積為10 L。試驗(yàn)過(guò)程中充水比為50%。反應(yīng)器的氣源為ACO電磁式空氣壓縮機(jī)，采用空氣流量計(jì)控制曝氣量和DO濃度。好氧時(shí)采用砂芯曝氣頭曝氣充氧，缺氧時(shí)進(jìn)行機(jī)械攪拌。反應(yīng)器按照進(jìn)水、好氧/缺氧、沉淀和排水方式運(yùn)行。利用可編程序時(shí)間控制器控制好氧和缺氧循環(huán)，還可根據(jù)需要設(shè)定各段的運(yùn)行時(shí)刻。利用在線pH儀監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程pH變化，利用便攜式DO儀定時(shí)測(cè)定DO。試驗(yàn)過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。SBR裝置見(jiàn)圖 1。
圖 1 SBR試驗(yàn)裝置
1.2 廢水來(lái)源
試驗(yàn)用水取自江門(mén)市某肉類聯(lián)合加工廠污水處理站經(jīng)厭氧處理后出水。試驗(yàn)進(jìn)水COD為327~766 mg/L，氨氮為61~130 mg/L，pH為6.5~7.5，堿度（以CaCO3計(jì)）為590~680 mg/L。
1.3 污泥馴化和試驗(yàn)方案
接種污泥取自該肉聯(lián)廠污水站活性污泥沉淀池，取回后將污泥加入SBR反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)馴化約2周后，按照好氧/缺氧單循環(huán)SBR模式運(yùn)行，運(yùn)行條件為HRT=13 h，其中好氧曝氣10 h、缺氧攪拌2 h、沉淀排水1 h，DO維持在3~4 mg/L。經(jīng)過(guò)半個(gè)月的培養(yǎng)、馴化，出水COD和氨氮無(wú)降低趨勢(shì)，出水各項(xiàng)指標(biāo)維持穩(wěn)定，至此可認(rèn)為污泥馴化結(jié)束，開(kāi)始投入試驗(yàn)。此時(shí)污泥沉降比為25%~35%，MLSS為4~5 g/L。
在好氧/缺氧單循環(huán)SBR模式下運(yùn)行一定周期之后，連續(xù)對(duì)其中多個(gè)周期進(jìn)行逐時(shí)采樣，分析污染物逐時(shí)變化情況。在獲得可靠數(shù)據(jù)后，將SBR運(yùn)行模式調(diào)整為好氧/缺氧多循環(huán)模式，根據(jù)COD、氨氮和pH等參數(shù)逐時(shí)變化曲線確定循環(huán)次數(shù)及好氧段和缺氧段歷時(shí)，zui后在確定好氧/缺氧階段歷時(shí)、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)的基礎(chǔ)上運(yùn)行多個(gè)周期以驗(yàn)證該工藝的可靠性。
1.4 檢測(cè)分析項(xiàng)目
pH：KOMMA200在線pH儀；溶解氧：雷磁便攜式溶解氧測(cè)定儀；SV：量筒法； MLSS：濾紙重量法；水溫：水銀溫度計(jì)。COD、氨氮、TN、TKN、NO3--N等采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定〔4〕。
2 結(jié)果與討論
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2.1 好氧/缺氧單循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)結(jié)果分析
好氧/缺氧單循環(huán)SBR工藝處理屠宰加工廢水過(guò)程中，根據(jù)逐時(shí)采樣數(shù)據(jù)繪制一個(gè)反應(yīng)周期內(nèi)COD和氨氮的逐時(shí)去除曲線，見(jiàn)圖 2。試驗(yàn)進(jìn)水COD、氨氮和TN平均質(zhì)量濃度分別為519、107、142 mg/L，反應(yīng)初始MLSS為4 300 mg/L，水溫24~26 ℃，進(jìn)水堿度645 mg/L。
圖 2 單循環(huán)SBR工藝運(yùn)行方式下的試驗(yàn)結(jié)果
如圖 2（a）所示，在混合稀釋、吸附和氧化降解等作用下〔5〕，COD和氨氮濃度在進(jìn)水后迅速下降，反應(yīng)時(shí)間2 h時(shí)，COD和氨氮分別降至118、42 mg/L，之后隨著時(shí)間延長(zhǎng)，COD和氨氮降解速率趨于平緩。將好氧硝化時(shí)間劃分三個(gè)時(shí)段進(jìn)行討論，即0~4 h、4~8 h、8~10 h。結(jié)合圖 2（b）分析，在開(kāi)始曝氣的0~4 h內(nèi)，硝化反應(yīng)快速進(jìn)行，氨氮濃度降低較快，pH則先上升到一定值后才開(kāi)始下降，這是因?yàn)殚_(kāi)始曝氣0.5 h內(nèi)微生物代謝所產(chǎn)生的CO2被吹脫，同時(shí)廢水中的有機(jī)酸也得到去除〔2〕，導(dǎo)致pH在初始階段上升至7.46。曝氣2 h以內(nèi)，由于堿度充足，pH只因硝化反應(yīng)消耗堿度、產(chǎn)生H+而緩慢下降。隨著堿度的消耗，硝化反應(yīng)促使pH下降加快；曝氣4 h時(shí)，系統(tǒng)中的堿度已低于100 mg/L，所以在曝氣4~8 h期間，堿度不足導(dǎo)致硝化反應(yīng)進(jìn)行緩慢，氨氮和pH下降速率逐漸放緩；曝氣8~10 h期間，氨氮幾乎維持在25 mg/L，高于排放標(biāo)準(zhǔn)值（≤10 mg/L）。此時(shí)系統(tǒng)中pH低于6，堿度低于50 mg/L，硝化反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)中COD在反應(yīng)8 h后即達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，所以可將硝化時(shí)間縮短為8 h。在后續(xù)進(jìn)行的2 h缺氧反硝化過(guò)程中，由于曝氣后的混合液中有機(jī)物已基本被降解，反硝化反應(yīng)所需碳源不足而受到抑制，pH也只是略有回升，zui終出水TN為56 mg/L，去除率較低。
按照理論計(jì)算，硝化過(guò)程中每氧化1 mg/L的氨氮為硝態(tài)氮需消耗7.07 mg/L的堿度〔6〕。對(duì)照試驗(yàn)廢水水質(zhì)，可以計(jì)算出進(jìn)水氨氮*被氧化所需堿度的理論值為760 mg/L，而進(jìn)水實(shí)際堿度只有645 mg/L，不能滿足硝化過(guò)程對(duì)堿度的需求。
可見(jiàn)，在原水氨氮濃度較高、堿度相對(duì)不足的情況下，想要通過(guò)好氧/缺氧單循環(huán)SBR工藝后實(shí)現(xiàn)氨氮達(dá)標(biāo)排放存在困難?？紤]到可以利用硝化和反硝化反應(yīng)本身特性來(lái)平衡堿度需求，對(duì)SBR工藝提出交替硝化反硝化運(yùn)行的改進(jìn)方式，即循環(huán)好氧/缺氧SBR工藝〔7, 8〕。
2.2 好氧/缺氧雙循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)結(jié)果分析
為了實(shí)現(xiàn)好氧硝化和缺氧反硝化之間堿度的平衡，*硝化反應(yīng)以pH下降0.4~0.5來(lái)控制好氧時(shí)間，每次缺氧反硝化都根據(jù)pH曲線上拐點(diǎn)的出現(xiàn)控制缺氧時(shí)間〔9〕。從好氧/缺氧單循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可以看出，在經(jīng)歷zui初連續(xù)2 h曝氣后，pH降低幅度恰好符合這一范圍，并且此時(shí)反應(yīng)器內(nèi)剩余有機(jī)物含量較高，反硝化反應(yīng)所需碳源較充足，因此確定首段好氧時(shí)間為2 h。為確保后續(xù)反硝化反應(yīng)進(jìn)行*和zui終有機(jī)物被高效去除，初步確定后續(xù)缺氧1和好氧2階段時(shí)間分別為3、6 h。SBR工藝經(jīng)調(diào)整后的運(yùn)行模式和工況為：好氧曝氣2 h+缺氧3 h+好氧6 h+缺氧1 h+沉淀排水1 h，即好氧/缺氧雙循環(huán)SBR工藝。在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)1個(gè)周期進(jìn)行逐時(shí)采樣，繪制出COD、氮含量和pH逐時(shí)變化曲線，見(jiàn)圖 3。為了解反硝化過(guò)程中TN的去除情況，定時(shí)檢測(cè)了反硝化過(guò)程中TN含量。試驗(yàn)進(jìn)水COD為566 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為108 mg/L，pH=6.96。
圖 3 好氧/缺氧雙循環(huán)SBR工藝的試驗(yàn)結(jié)果
從圖 3（a）可以看出，與單循環(huán)SBR工藝相比，好氧/缺氧雙循環(huán)SBR工藝的出水水質(zhì)有了明顯提高，氨氮去除率達(dá)到86%，較前者提高12%，這主要是由于缺氧1階段產(chǎn)生的堿度恰好被后續(xù)好氧2階段所利用，彌補(bǔ)了原水堿度不足的弊端。如圖 3（b）所示，pH在反應(yīng)初期同樣先上升后下降，好氧1階段結(jié)束時(shí)pH的降低幅度為0.61，略大于0.4~0.5。進(jìn)入缺氧1階段后，隨著反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，pH開(kāi)始出現(xiàn)回升并在反應(yīng)4 h時(shí)趨于穩(wěn)定，同時(shí)TN的下降速率也出現(xiàn)放緩，這表明反應(yīng)4 h時(shí)反硝化反應(yīng)已基本停止，因此可以將缺氧1階段時(shí)間減少為2 h。由于反應(yīng)器內(nèi)堿度得到補(bǔ)充、pH升高，反應(yīng)條件再次利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，所以氨氮濃度在好氧2階段初始迅速降低，但隨著堿度被消耗，氨氮降低速率很快下降。經(jīng)過(guò)后續(xù)反應(yīng)，zui終出水氨氮質(zhì)量濃度為15.4 mg/L，仍不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。究其原因?yàn)楹醚?階段歷時(shí)較短，當(dāng)其結(jié)束時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為19 mg/L（TN與TKN之差值），可供后續(xù)缺氧1階段反硝化反應(yīng)的基質(zhì)含量有限，產(chǎn)生的堿度還不能促進(jìn)全部氨氮去除。但從單循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)結(jié)果（圖 2）可知，增加好氧1階段曝氣時(shí)間后，剩余有機(jī)物含量又會(huì)過(guò)低，影響反硝化反應(yīng)的效果。系統(tǒng)內(nèi)碳源、堿度的平衡被破壞，更加不利于提高脫氮效率。
綜合上述分析，好氧/缺氧雙循環(huán)SBR對(duì)氨氮的去除效果較單循環(huán)SBR工藝有了明顯提高，但處理后的出水氨氮指標(biāo)仍不能滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)脫氮過(guò)程中碳源和堿度的平衡、進(jìn)一步提高脫氮效率，決定在缺氧1階段之后再增加一次好氧/缺氧過(guò)程，即好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝。
2.3 好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)結(jié)果分析
參考好氧/缺氧循環(huán)SBR工藝的控制策略，如果好氧/缺氧循環(huán)次數(shù)超過(guò)2次，則中間每次硝化的pH下降幅度可選擇為0.8~1.0〔9〕。好氧/缺氧雙循環(huán)SBR工藝試驗(yàn)中好氧2階段開(kāi)始2 h內(nèi)的pH降低幅度（1.08）恰好接近此區(qū)間，所以初步確定增加的好氧階段時(shí)間為2 h。好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝的運(yùn)行條件為：好氧曝氣2 h+缺氧攪拌2 h+好氧2 h+缺氧1 h+好氧4 h+缺氧1 h+沉淀排水1 h，其余條件保持不變。經(jīng)過(guò)約1周運(yùn)行后出水效果穩(wěn)定，同樣繪制一個(gè)周期內(nèi)COD、氨氮和pH的逐時(shí)變化曲線，見(jiàn)圖 4。試驗(yàn)進(jìn)水COD為501 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為119 mg/L，pH=7.15。
圖 4 好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝的試驗(yàn)結(jié)果
由圖 4（a）可以看出，經(jīng)過(guò)好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝處理后出水氨氮質(zhì)量濃度為5 mg/L，氨氮去除率達(dá)到96%，低于排放標(biāo)準(zhǔn)值。缺氧1和缺氧2階段的反硝化反應(yīng)在碳源充足的環(huán)境下產(chǎn)生了大量堿度，促進(jìn)后續(xù)好氧2和好氧3階段的硝化過(guò)程中氨氮下降速率加快，由圖 4（b）可知相應(yīng)pH也出現(xiàn)2次回升，均促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行〔10〕，進(jìn)而使得氨氮被高效去除。在總?cè)毖鯐r(shí)間不變的情況下，三循環(huán)SBR對(duì)TN去除率達(dá)到76%，與雙循環(huán)SBR工藝相比，TN去除率提高近15%。
2.4 好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝穩(wěn)定運(yùn)行的處理效果
為驗(yàn)證好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝的處理效果，進(jìn)行了穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行模式和工況與2.3節(jié)*相同。試驗(yàn)在進(jìn)水COD 332~671 mg/L，氨氮99~122 mg/L（平均109 mg/L）條件下，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行3周，處理效果良好并且穩(wěn)定，氨氮平均去除率達(dá)97%，COD平均去除率為90%，出水*達(dá)到廣東省《水污染排放限值》（DB 44/26—2001）第二時(shí)間段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。連續(xù)運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖 5。
圖 5 好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝的處理結(jié)果
3 結(jié)論
采用傳統(tǒng)SBR工藝處理屠宰加工廢水，由于不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)碳源、堿度的平衡，處理后出水氨氮指標(biāo)往往不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過(guò)采用好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝，可以實(shí)現(xiàn)SBR系統(tǒng)內(nèi)碳源和堿度的自身平衡，提高生物脫氮效率，實(shí)現(xiàn)氨氮指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放。試驗(yàn)采用好氧/缺氧三循環(huán)SBR工藝處理屠宰加工廢水，zui終COD平均去除率為90%，出水氨氮低于10 mg/L，平均去除率為97%，均達(dá)到廣東省《水污染排放限值》（DB 44/26—2001）第二時(shí)間段一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)原水氨氮或有機(jī)氮含量較高時(shí)，通過(guò)增加SBR工藝好氧/缺氧循環(huán)次數(shù)，可以進(jìn)一步提高脫氮率。由于僅需對(duì)SBR工藝過(guò)程的好氧（曝氣）/缺氧（攪拌）循環(huán)進(jìn)行時(shí)序控制，無(wú)需增加過(guò)多的控制設(shè)備，因此本方法對(duì)SBR工藝改造有一定的參考價(jià)值。
