厌氧消化-仿生态塘-藻网滤床组合工艺处理猪场废水.pdf

厌氧消化 － 仿生态塘 － 藻网滤床组合 工艺处理猪场废水 * 杨鹏 1 张克强 1 杜连柱 1 乔汪砚 2 1． 农业部环境保护科研监测所资源再生研究室， 天津 300191;2． 西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100 摘要 针对规模化猪场废水的特点， 以实际工程为例， 介绍了“厌氧消化 － 仿生态塘 － 藻网滤床组合工艺” 的设计及其 运行情况。试验结果表明 该工艺处理效果良好， 出水达 GB 50842005农田灌溉水质标准 ， 处理后的水可全部用 于附近农田灌溉， 综合效益好， 可供同类工程参考。 关键词 猪场废水; 厌氧消化; 仿生态塘; 藻网滤床 ANAEROBIC DIGESTION- BIONIC POND － ALGAL TURF SCRUBBER COMBINED PROCESS FOR TREATMENT OF PIGGERY WASTEWATER Yang Peng1Zhang Keqiang1Du Lianzhu1Qiao Wangyan2 1． Laboratory of Agro-Waste to Resource，Agro-Environmental Protection Institute，Ministry of Agriculture，Tianjin 300191，China; 2． College of Agronomy， Northwest Agriculture and Forestry University，Yangling 712100， China AbstractFor the characteristics of large-scale piggery wastewater，taking an actual project as an example， it is introduced the design and operation of the anaerobic digestion-bionic pond-algal turf scrubber combined process． The application results show that the treating effect of this process is excellent，and the effluent can meet“Irrigation Water Quality Standards of Farmland” GB 50842005 ，all of the treated water is used for irrigation around，comprehensive benefits are clear． This process can be used as a reference for similar projects． Keywordspiggery wastewater;anaerobic digestion;bionic pond;algal turf scrubber * 农业部农业科技跨跃计划项目“农业废弃物循环利用技术集成与产 业化示范” ; 公益性行业 农业 科研专项经费资助 200903009 ; 中央 级公益性科研院所基本科研业务费专项 农业部环境保护科研监测 所 。 0引言 规模化养殖技术对我国畜禽养殖业的迅速发展 起到了促进作用， 对环境却造成了严重污染， 其中以 固体废物污染和水体污染为主 ［1- 3］。猪场废水是一种 高浓度有机废水， ρ COD 高达5 000 ～ 20 000 mg/L， 同时氨氮和悬浮物含量均高 ［4- 6］。目前， 国内外针对 猪场养殖废水的处理模式可归纳为三种 还田模式、 自然处理模式和工厂化处理模式， 其中工厂化废水处 理模式包括厌氧处理、 好氧处理和多种形式的组合处 理模式 ［1，5］。 猪场废水有机污染物含量较高。研究发现， 单纯 的厌氧处理仅对 COD 有一定的去除效果， 对氮磷的 去除能力并不理想 ［7］， 因此组合工艺的合理化配置 和应用是处理猪场废水的主要途径。邓良伟 ［8］采用 水解 － SBR － 活性炭吸附组合工艺， 杨丽芳等 ［9］利用 ABR 厌氧 － CASS 好氧组合工艺， 邓仕槐 ［10］等采用气 浮 － ABR － CASS － 湿地及生态塘组合 工艺， 林伟 华 ［11］等采用 CSTR － SBR 组合工艺处理畜禽养殖废 水。从目前已有的各种猪场养殖废水处理技术报道 来看， 处理效果各有差异， 多数工艺的综合处理效果 较好， 但经济性并不理想， 投资成本和运行成本较高， 并不能被大多数的养殖场所接受。因此， 开发一种低 投资和低能耗的畜禽养殖废水处理技术具有重要的 现实意义。 1材料与方法 1. 1材料 原料 猪场废水 以下简称原料 来自于天津市 西青区杨柳青镇某养殖场， 养殖基地临近子牙河。该 11 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 养殖场建有标准化猪舍 16 栋， 基础母猪存栏 300 头， 年存栏3 000 头。猪场每天产生猪尿和猪舍冲洗污水 20 ～ 30 m3， 随季节变化呈冬季少夏季多的特征。本 试验对猪场废水的综合处理模式进行了长期的监测 分析， 其中对 2008 年 4 月2009 年 3 月的监测数据 进行了统计分析， 对各处理阶段进出水质的 COD、 TKN、 NH 4 -N、 TP、 SS 等指标的年总平均值进行了监 测、 分析和归纳整理。 接种物 天津市纪庄子污水处理厂厌氧反应器排 出液和沉淀污泥。 1. 2方法 图 1猪场废水综合处理新技术工艺流程 净化装置主要包括 预处理池、 厌氧反应器、 仿生 态塘、 藻网滤床。 工艺流程主要包括 猪场废水 管网收集、 自动控 制、 定时定量提升→预处理 收集、 沉淀、 过滤、 调质 →厌氧发酵 多效增温、 污泥回流、 固菌成膜、 沼气收 集、 污泥沉降→仿生态净化 布水沙滤、 跌水曝气、 短 程硝化、 人工净水草净化、 水生植物吸收转化→藻网 滤床 藻类吸收转化、 脱氮除磷 ， 工艺流程见图 1。 2设计参数和工艺特点 2. 1设计参数 主要构筑物尺寸及参数见表 1。 表 1主要构筑物及设计参数 构筑物规格、 尺寸 水力滞留 期 /d 预处理池砖混结构， 8 m 3 m 2 m， 有效容积为 30 m3， 格栅采用 304 材质， 网孔间距 5 mm， 配 套 1. 5 kW /h 污泥泵， 380 V 定时定量自动控 制进水系统 1. 5 厌氧反应器钢混结构， 15 m 3 m 2. 6 m， 总有效容积 100 m3， COD 容积负荷为 1 kg/ m3d ， 内 装气动搅拌装置和无纺双面填料 5 仿生态塘砖混结构， 0. 5 38 m 4 m 1m 1 m， 占地面积 152 m2， 总有效容积 76 m3， COD 容积负荷为 0. 26 kg/ m3d ， 内装人工净 水草和水生植物浮床 3. 8 藻网滤床砖混结构， 20 m 1. 5 m 1. 5 m 1 m ， 占 地面 积 80 m2， COD 单 位 面 积 负 荷 率 为 0. 075 kg/ m2d ， 内置 304 材质 尼龙藻 类附着网， 网孔间距 2 mm 2. 2工艺特点 1 预处理池。本工艺设计的预处理池集合集水 池、 格栅池、 沉淀池、 调节池的功能于一体， 主要包括 格栅过滤区、 污泥沉降区、 排泥区和污水提升区四个 部分。预处理池前段格栅区安装有细格栅， 用于拦截 污水中大量猪毛、 杂草、 枝条和地膜碎片等; 污泥沉降 区底部采用坡形设计， 坡度为 1∶ 5， 坡底与排泥区底 部相连且等高， 保证污泥的快速定向沉降， 也便于预 处理池的清淤。提升泵安置在污水提升区， 主要提取 经过格栅过滤和沉降分离后的中上层混合液， 使养殖 废水最终在经历了汇集、 过滤、 沉淀、 分离、 匀质和调 浆等处理后能平稳进入下一个处理环节。预处理池 可用有效容积为 30 m3， 满足 1. 5 d 的水力滞留期， 这 样可以有效保证新原料与滞留原料的充分混合， 减少 原料的冲击负荷压力， 保障后续反应器能够在稳定的 进水负荷范围正常运行， 一般调节后进水ρ COD 均 控制在5 000 mg/L以内。 2 厌氧反应器。预处理后有机废水进入厌氧反 应器进行厌氧消化。在反应器结构上， 采用了发酵储 气一体化设计， 以 PFR 厌氧反应器为基础， 吸收目前 应用较多的 UASB、 ABR 等多种厌氧反应器的技术优 势， 反应器具有水力滞留期更短， 污泥滞留期和微生 物滞留期更长， 反应器内部无结壳、 无堵塞、 能够快速 固菌成膜， 运行成本更低， 占地面积更小等优点; 从力 学上， 反应器整体发挥了柱壳结构的强稳定性能， 耐 21 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 压和抗破坏能力强。同时在反应器内部还安装有反 V 形气动搅拌装置和覆膜载体， 提升了反应器的自动 搅拌能力和微生物附着率， 为反应器的有效运行创造 了条件。为了使反应器能更好的适应气温较低区域 的应用， 还采用了太阳能双效增温 辅助强制增温技 术， 即在原有反应器的顶部增加了一个太阳能增温 槽， 在反应器外围日光温室有效收集太阳能的同时， 增温槽最大限度地利用温室所蓄积的热量， 并将热量 传递给预处理池提升来的原料， 快速提升反应器内发 酵原料的温度， 最终提高厌氧消化效率。厌氧反应器 设计的有效容积为100 m3， COD 容积负荷为0. 8 ～ 1. 2 kg/ m3d 。 3 仿生态塘。在仿生态塘的前端设计有布水 槽， 可满足厌氧出水的均匀分布; 厌氧水沿垂直流方 向向上穿过沙石滤层溢流而下， 流经跌水台阶进行表 面曝气处理， 曝气后水流进入仿生态塘的蓄水池， 在 蓄水池水平面以下安装有人工净水草， 利用其孔隙率 大、 悬浮力强和比表面积大等特点来附着微生物菌 群， 形成微生物的覆膜载体从而进一步分解转化水体 中未被分解的有机质; 在蓄水池的水面上铺设有水生 植物浮床， 浮床中种植有菖蒲、 水生美人蕉、 黄鸢尾、 水葱等具有观赏价值的净水植物， 有效地摄取并转化 利用水体中所含的大量无机态氮磷， 从而达到深度净 化水体的目的。仿生态塘的有效容积为 120 m3， COD 容积负荷为0. 15 kg/ m3d 。 4 藻网滤床。藻网滤床的脱氮除磷原理是模 拟藻类在朝夕变化的生境条件下， 快速吸收氮磷以 满足机体急速增殖的生理需求， 从而将水体中的氮 磷有效去除的工艺方法。养殖废水经过厌氧和仿 生态净化后， 已经由深棕黑色转变为浅绿色， 水体 中所包含的主要是少量未被转化利用的有机质、 有 机态或无机态的氮磷富集物、 藻圈以及微生物区系 等， 出水再次进入布水槽， 在布水檐板的作用下， 水 流将从藻网滤床表面均匀滑过， 并附着在藻网滤床 上， 经过日光的照射和适宜的温度与水流的间歇变 化， 藻类开始在藻网滤床上富集， 并生长繁殖， 有效 吸收水体中的氮磷和少量碳源， 促进其生长繁殖， 最终达到去除养殖废水中剩余污染物的目的。藻 网床上生长和富集的藻类需要定期清理， 清理时要 分段间隔清理， 以保证床体的正常过滤、 附着和稳 定 运 行。 藻 网 滤 床 的 水 力 负 荷 率 为 0. 33 m3/ m2d 。 3启动调试 3. 1厌氧反应器启动调试 取预处理后的养殖废水与城市污水处理厂的脱 水厌氧污泥按体积比 5∶ 1进行混合， 获得溶液浓度 为 6 ～ 8 的污泥， 将其引入厌氧反应器至有效水 深 1 /3 处， 加清水到设计水位， 引入养殖废水， 按设 计水量的 1 /10 和 1 /5 各运行 20 d， 按设计水量的 1 /4 和 1 /3 各运行 15 d， 再按设计水量的 1 /2、 1 各 运行10 d， 大约 3 个月后， 通过镜检发现 HDPE 土工 膜填料上长有一层厌氧微生物膜， 在位于前端的填 料生物膜中主要分布着水解和产酸菌， 在后端的填 料生物膜中主要分布着产甲烷菌， 在整个污泥培养 驯化过程中， 废水由混浊慢慢变清， 当出水水质稳 定后， 表明挂膜成功。 3. 2仿生态塘启动调试 仿生态塘安装好人工净水草后， 注清水至有效水 深最高位， 水面安装好种植有水生植物的浮体， 接受 来自厌氧反应器的高位出水， 水量变化与厌氧反应器 一致， 大约同步经过 3 个月后， 观察污泥颜色由灰色 转为黄褐色， 污泥量明显增加， 镜检发现大量的钟虫、 线虫、 鞭毛虫和少量轮虫等， 此时认为污泥驯化成熟， 开始投入正常运行。 3. 3藻网滤床启动调试 藻网滤床的藻类附着网安装完成后， 与前两级设 备同步启动， 仿生态塘的高位出水经过一级小的沉淀 池沉淀后， 均布流过藻网滤床， 随着水量的由少到多 最终达到设计负荷， 并正常运行。 4运行效果 在系统稳定运行后， 监测从 2008 年 4 月2009 年 3 月的主要污染物变化情况， 其中， 藻网滤床因受 室外气候因素影响， 启动时间较晚， 主要统计了 2008 年 8 月11 月的监测结果， 最终出水优于 GB 5084 2005农 田 灌 溉 水 质 标 准 ， 指 标 变 化 情 况 如 表 2 所示。 该工艺在南方应用可以实现全年的无障碍运行， 但是到了北方， 由于季节因素的影响， 仿生态塘和藻 网滤床等室外设施的水温会因环境温度的降低而降 低， 从而导致各处理阶段内各项生态处理功能的下降 或缺失， 建议在北方地区， 对于仿生态塘段和藻网滤 床段也应该配以日光温室， 或增设其他的增温保温围 护设施， 以保证系统的环境温度， 从而实现寒冷季节 的稳定运行。 31 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 表 2系统运行主要污染物监测统计表 各处理段项目ρ COD / mg L － 1 ρ SS / mgL － 1 ρ NH 4 -N / mg L － 1 ρ TP / mg L － 1 预处理池温度变化范围7. 0 ～ 26 ℃ ， 年均 19. 7 ℃ pH 值变化范围 7. 25 ～ 8. 90， 年均 7. 71 进水值变化范围1 948. 52 ～ 7 862. 07424. 00 ～ 3 056. 67322. 86 ～ 1 154. 52103. 90 ～ 276. 59 出水值4 287. 801 437. 91565. 35171. 15 厌氧反应器温度变化范围7. 2 ～ 28 ℃ ， 年均 21. 3℃ pH 值变化范围 6. 82 ～ 8. 50， 年均 7. 65 进水均值4 287. 801 437. 91565. 35171. 15 出水均值2 655. 17342. 19502. 5552. 04 累计平均去除率 /77. 8972. 85 9. 7069. 86 区段贡献率 /77. 89 72. 859. 7069. 86 仿生态塘温度变化范围－ 0. 8 ～ 27 ℃ ， 年均 19. 1 ℃ pH 值变化范围 6. 68 ～ 9. 30， 年均 7. 89 进水均值2 655. 17342. 19502. 5552. 04 出水均值575. 86215. 2321. 2520. 40 累计平均去除率 /89. 8083. 88 42. 7488. 08 区段贡献率 /11. 91 11. 0333. 0418. 22 藻网滤床温度变化范围11 ～ 26 ℃ ， 均值 22. 4 ℃ pH 值变化范围 7. 9 ～ 9. 3， 均值 8. 61 进水均值575. 86215. 2321. 2520. 40 出水均值112. 9961. 9223. 016. 23 累计平均去除率 /95. 1389. 71 95. 0496. 36 区段贡献率 /5. 33 5. 8752. 38. 28 5经济分析 该工程总投资 18 万元， 日处理水量 20 ～ 30 m3， 日运行费为 23. 44 元， 主要包括 工程折旧 23. 42 元， 基本维护 0. 01 元， 动力消耗 0. 01 元; 整个系统由自 动控制装置运行， 实现了一次料液提升和后续完全自 流， 无需专职人员的管理和维护， 如果不考虑折旧， 每 日运行费用仅为 0. 02 元; 系统正常运行后， 年可产生 约14 400 m3左右的沼气和10 800 m3用于农田灌溉的 再生水。 6结论 1采用预处理池 － 厌氧反应器 － 仿生态塘 － 藻 网滤床组合处理工艺投资省， 运行成本低， 动力需求 少， 并尽可能利用太阳能保障系统的稳定运行， 降低 对电和煤的需求。 2厌氧反应器中安装的聚丙烯、 聚氯乙烯合成 的高分子聚合物平板填料， 由于其本身具有二维网格 状或三维立体网格屏栅结构， 所以能够较好为微生物 提供附着体， 并形成生物膜， 代谢脱落的生物膜以污 泥的形式集中排出反应器， 反应器的回流设计可将反 应器末端的底部活性污泥回流至进料端， 促进厌氧微 生物与原料的充分接触， 有效提升厌氧发酵效率; 增 温槽的设计促进了料液对温室所收集的太阳能的有 效利用， 使进料温度提升 5 ～ 8 ℃ ， 提高了微生物的活 性和增殖速度， 促进了有机质的分解速率， 最终提升 了厌氧发酵的效率。 3仿生态塘利用了人工净水草、 水生植物和微 生物群落的组合处理， 将水体中氮素、 磷素和厌氧消 化后残留的 COD 进行有针对性的分解、 转化和吸收 利用。该处理段通过人工净水草附着微生物群落对 COD 进一步分解转化， 跌水台阶表曝后发生的硝化 和反硝化， 水生植物对无机态氮素和磷素的吸收利用 等途径， 将 COD、 SS、 NH 4 -N、 和 TP 的去除率提升至 89. 8 、 83. 88 、 42. 74 和 88. 08 。 4藻网滤床充分发挥了藻类对氮素和磷素的生 长依赖性和快速利用的特点， 将经过处理后的低浓度 下转第 17 页 41 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 这是由于当时在调节滤池滤速， 试图寻找最佳滤速， 而滤速对出水 SS 的影响比较明显， 因此在滤速过大 时出现了出水 SS 超标的现象， 经过 1 个多月的调试 运行， 滤速控制在8 m/h以下时， 出水可达一级 A 排 放标准， 后将8 m/h作为强制滤速， 正常运行滤速设 置为7 m/h。经后期运行可以看出， 出水 SS 达标。 图 4 COD 去除效果 由图 4 可知 当进水 COD 在 45 ～ 75 mg/L 平均 59 mg/L 时， 出水为 30 ～ 50 mg/L 平均 40 mg/L ， 平均去除率为 31 ， 出水 COD 稳定达标。但去除率 不是很高主要是因为微絮凝过滤工艺去除 COD 的方 式造成的， 它是通过投加絮凝剂， 使含有机成分的颗 粒形成絮体， 并通过滤层将其截留去除。这种方式主 要是去除悬浮物和胶体 COD， 而较难去除可 溶性 COD［2］， 故去除率不高。 3效益分析 本工程具有良好的环境效益和经济效益， 可减少 磷排放量约 16. 6 t/a; 减少 COD 排放量约 682 t/a; 减 少 SS 排放 量 约 451 t/a。每吨水实 际运行费用约 0. 15 元。 4结论 1 针对苏州某污水处理厂二级出水的特点， 采 用微絮凝 － 砂滤工艺作为深度处理工艺， 处理效果 好， 出水可稳定达一级 A 标准。TP、 SS 和 COD 去除 率分别为 53 、 59 和 31 。 2 微絮凝 － 砂滤工艺作为城市生活污水处理厂 深度处理工艺， 运行费用低， 适合在 TP 和 SS 难以达 标的污水处理厂推广应用。 参考文献 ［1］栾兆坤， 李桂平， 王曙光． 微絮凝 － 深床直接过滤及工艺参数 研究［J］． 中国给水排水， 2002， 18 4 78- 79． ［2］LenaJonson， ElzbietaPlaza．Experiencesofnitrogenand phosphorus removal in deep-bed filters in the stockholm area［J］． Wat Sci Tech，1997， 36 1 190- 193． ［3］郑福灵， 张金松， 曲志军， 等． 微絮凝直接过滤处理污水处理厂 二级出水的中试研究［J］． 给水排水， 2009， 35 增刊 119- 122． ［4］傅金祥， 陈正清， 赵玉华， 等． 微絮凝过滤处理污水厂二级出水 用作景观水研究［J］． 中国给水排水， 2006， 22 19 65- 67． 作者通信处李轶210098江苏省南京市鼓楼区西康路 1 号河海 大学环境学院 E- mailenvly hhu． edu． cn 2010 － 12 － 03 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 14 页 养殖废水中剩余的氮磷等污染物， 通过床体中藻类的 快速吸收和转化利用， 从而使最终出水的 COD、 SS、 NH 4 -N、 和 TP 的去除率 控制 在 95. 13 、 89. 71 、 95. 04 和 96. 36 。 参考文献 ［1］邓良伟． 规模化畜禽养殖废水处理技术现状探析［J］． 中国生 态农业学报，2006，14 2 23- 26． ［2］谢勇丽， 邓仕槐， 段莎丽， 等． UASB 的启动及其对畜禽废水处 理的试验研究［J］． 农业环境科学学报， 2007，26 增刊 423- 426． ［3］国家环境保护总局自然生态保护司． 全国规模化畜禽养殖业污 染情况调查及防治对策［M］． 北京中国环境科学出版社， 2002． ［4］曹玉成， 张妙仙， 单胜道， 等． MBBR 处理猪场废水厌氧消化液 的研究［J］． 环境工程学报， 2008， 2 5 591- 594． ［5］李淑兰， 吴晓芙， 刘英， 等． 猪场废水处理技术［J］． 中南林学院 学报，2005，25 5 132- 138． ［6］MatiasB， ArielA， PatrickG， etal．Developmentof environmentally superior treatment system to replace anaerobic swine lagoons in the USA［J］． Bioresource Technology，2007，98 17 3184- 3194． ［7］周群英， 高廷耀． 环境工程微生物［M］． 北京 高等教育出版社， 2002 207- 213． ［8］邓良伟． 水解 － SBR 工艺处理规模化猪场粪污研究［J］． 中国 给水排水，2001，17 3 8- 11． ［9］杨丽芳， 朱树文， 高红武， 等． ABR 厌氧 /CASS 好氧工艺处理养 殖废水［J］． 中国给水排水， 2007， 23 8 62- 66． ［ 10］邓仕槐， 李远伟， 郑仁宏， 等． 畜禽养殖废水的混合处理工艺 ［J］． 环境工程， 2006， 24 4 29- 33． ［ 11］林伟华， 蔡昌达． CSTR － SBR 工艺在畜禽废水处理中的应用 ［J］． 环境工程， 2003， 21 3 13- 15． 作者通信处张克强300191天津市南开区复康路 31 号农业部 环境保护科研监测所 电话 022 23003849 E- mailkqzhang68 126． com 2010 － 11 － 16 收稿 71 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期