浸沒式MBR技術(shù)在養(yǎng)豬場廢水處理中的應(yīng)用

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簡介： 采用浸沒式MBR，并結(jié)合傳統(tǒng)的A/O工藝處理高CODcr和高NH3-N濃度的養(yǎng)豬場廢水，可有效地實現(xiàn)達標(biāo)排放。當(dāng)廢水處理站進水水質(zhì)CODcr為9100 mg/L、BOD5為3788 mg/L、SS為4490 mg/L、NH3-N為450 mg/L時，出水CODcr<85 mg/L，BOD5<10 mg/L，SS<5 mg/L，NH3-N<5 mg/L，達到DB 31/199－1997一級標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵字：養(yǎng)豬場廢水 高有機污染物 高氨氮濃度 浸沒式MBR

The application of immerged MBR technology for the hoggery wastewater treatment

　　Zhao Xiuhua, Li Guangming, Wang Hua, Huang Juwen.

　?。═ongji University, State Key Lab. of Pollution Control and Resource Reuse，Shanghai 200092）

　　Abstract: Hoggery wastewater contains a high organic matter and ammoniac concentration, which can be efficiently treated by immerged MBR and A/O process. The inlet concentration of hoggery wastewater is CODc_r9100 mg/L，BOD₅3788 mg/L，SS4490 mg/L，NH₃-N450 mg/L; The outlet water has reached the DB31/199－1997 first-class standard (CODc_r<85 mg/L, BOD₅<10 mg/L, SS<5 mg/L, NH₃-N<5 mg/L ) .

　　Keyword: Hoggery wastewater　High organic contamination　High ammoniac concentration　 Immerged MBR

　　膜生物反應(yīng)器（MBR）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型高效的污水生化處理工藝^[1]。在短短的幾十年里，MBR技術(shù)經(jīng)歷了分置式、錯流式和浸沒式膜生物反應(yīng)器三個階段，其中，浸沒式膜生物反應(yīng)器是21世紀(jì)公認(rèn)的最有發(fā)展前途的環(huán)境治理技術(shù)之一^[2]，也是目前處理高濃度廢水^[3]和污水中水回用^[4]的理想技術(shù)。

　　畜禽廢水主要有糞便、尿液定期沖洗的“混合系統(tǒng)”和干糞人工鏟除、尿液畜禽棚定期沖洗的“干濕分開系統(tǒng)”等兩種，其特性是有機物、懸浮物和氨氮污染物濃度高，生化性能好，處理難度前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，若不進行處理直接排放，必將對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。對該類廢水，目前常見的處理工藝是“厭氧預(yù)處理+好氧處理”，但該工藝處理后排放廢水難以達到國家或當(dāng)?shù)?label class="lb" onclick="g('環(huán)保');">環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。本文針對某“干濕分離系統(tǒng)”養(yǎng)豬場排放的高濃度廢水（廢水水量20 m³/d，CODc_r=9100 mg/L，BOD₅=3788 mg/L，SS=4490 mg/L，NH₃-N=450 mg/L），吸收傳統(tǒng)的“厭氧+好氧”處理工藝成果，采用先進的浸沒式生物反應(yīng)器處理技術(shù)。

　　1 浸沒式MBR處理技術(shù)

　　MBR是活性污泥法中的一種，也是利用生物反應(yīng)槽（曝氣槽）內(nèi)含微生物菌群的活性污泥吸附水體中的有機污染物，并以其為營養(yǎng)物質(zhì)或增殖材料，使水體中的有機污染物分解達到凈化廢水的目的。浸沒式MBR處理技術(shù)是將吸入泵、曝氣器和生物反應(yīng)池為一體式的最新膜生物反應(yīng)器，膜組件直接放于生物反應(yīng)器中，膜內(nèi)流速由空氣的攪拌提供。對有機物、氨氮濃度高的畜禽廢水，采用前置式反硝化生物脫氮工藝（A/O工藝）^{[6, 7]}，與浸沒式MBR工藝結(jié)合，將彌補傳統(tǒng)A/O工藝的不足，并具有以下顯著特點：（1）通過反硝化脫氮，徹底消除氨氮對微生物環(huán)境的影響；（2）減少了后續(xù)硝化過程的外加堿量，和后續(xù)硝化過程的曝氣量，運行費用省。

　　與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，A/O工藝結(jié)合浸沒式MBR處理技術(shù)固液分離效率高，無須二級沉淀池，設(shè)備簡單，構(gòu)筑物占有空間小，自動控制穩(wěn)定，耐負(fù)荷沖擊能力強，污泥產(chǎn)量少，出水水質(zhì)穩(wěn)定等。

　　2 工藝技術(shù)路線

　　廢水首先經(jīng)過細(xì)篩網(wǎng)隔除廢水中的懸浮物和雜物后流入調(diào)節(jié)池，均衡水質(zhì)水量，然后用泵打入沉淀池進行固液分離，上清液流入MBR處理池，MBR處理池設(shè)計為A/O處理系統(tǒng)：在前段，進水與后段的回流水充分混和進行生物反硝化脫氮，在后段進行生物降解和硝化，同時加堿補充氨氮硝化所消耗的堿度，處理后水直接排放。工藝流程見圖1。

　　圖1 處理工藝流程圖

　　
圖2 某養(yǎng)豬場廢水經(jīng)MBR處理后的出水水質(zhì)結(jié)果

　　3　結(jié)果分析與討論

　　該工程施工安裝歷時2個月，于2000年3月投入活性污泥正式開始工藝調(diào)試。通過3個月的調(diào)試及6個月的穩(wěn)定運行，測得進入廢水處理站的平均水質(zhì)與設(shè)計水質(zhì)基本相符，即CODc_r=9100 mg/L，BOD₅=3788 mg/L，SS=4490 mg/L，NH₃-N=450 mg/L。出水水質(zhì)于達到DB 31/199－1997一級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)出水水質(zhì)，調(diào)試階段基本共分為5個階段進行，調(diào)試過程表1，出水水質(zhì)結(jié)果見圖2。

　　表1 某養(yǎng)豬場廢水調(diào)試階段說明

　　階段I：調(diào)試工作準(zhǔn)備就緒，向MBR池內(nèi)投入有效池容約7.5%的城市活性污泥，用水加滿后，處理系統(tǒng)按設(shè)定的程序開始運行。

　　階段II：調(diào)試至第23天進行第一次取樣，出水CODc_r小于100 mg/L，但進出MBR池的NH₃-N濃度相同，出水pH高于進水，且有大量的泡沫產(chǎn)生。結(jié)果表明微生物經(jīng)22 d馴化后，繁殖速率較高的異養(yǎng)菌增殖迅速，世代時間較長的硝化菌尚未形成優(yōu)勢菌種。由于氨氮濃度高，廢水呈堿性而產(chǎn)生大量泡沫。

　　階段III：第46天取樣時，發(fā)現(xiàn)CODcr又出現(xiàn)回升趨勢（約300 mg/L），而NH₃-N濃度明顯下降，出水pH低于進水；在接下來近40 d的調(diào)試期間，出水的CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L左右，NH₃-N穩(wěn)定在50 mg/L左右，pH小于6。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因可從硝化過程機理分析得到解釋。

　　根據(jù)硝化過程機理，硝化過程主要包括以下串級反應(yīng)，即：

　　由反應(yīng)（1）可知，廢水中1 mol NH₄⁺在溶解氧和亞硝酸菌的作用下，即可產(chǎn)生2 mol H⁺和1 mol的NO₂^—。當(dāng)調(diào)試進入階段III時，廢水中的NH₃-N濃度下降，pH降低，說明硝化過程反應(yīng)（1）已開始進行，即廢水中的亞硝酸菌和硝酸菌開始生成。由于硝酸菌的產(chǎn)率約為亞硝酸菌的1/2至1/3^[1]，加上在酸性環(huán)境下（pH=6.0～7.2），反應(yīng)（1）的反應(yīng)速度大于反應(yīng)（2），從而使硝化過程中的串級反應(yīng)（2）的反應(yīng)速度較小，廢水中H⁺濃度和NO₂^—濃度累積。因此，廢水在進入調(diào)式階段III時，廢水中的pH始終較小，出水中的NO₂^—濃度較高。這與第77天的MBR出水中NO₂^—高達123 mg/L的分析結(jié)果十分吻合。

　　同時，由于出水pH較低，反應(yīng)（1）得到抑制，使出水NH₃-N基本保持在50 mg/L左右。眾所都知，NO₂^—屬還原性物質(zhì)，理論上1 mg/L NO₂^--N將產(chǎn)生1.141 mg/L CODc_r^[1]，為證實NO₂^—對出水CODc_r的貢獻，在實驗室采用測定BOD₅預(yù)處理的方法將NO₂^—影響消除，測得CODc_r <100 mg/L。該結(jié)果表明，階段III出水CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L左右主要是由NO₂^—累積引起。實驗室利用該養(yǎng)豬場的污泥和出水進行小試，發(fā)現(xiàn)如果控制pH > 7.5，則出水NH₃-N < 5 mg/L，而NO₂^—濃度不變。這也說明階段III的硝酸菌濃度由于受廢水中酸環(huán)境和硝酸菌生成速率的制約，尚未達到需要濃度。因此，在進入階段III時，廢水的pH始終小于6，出水的CODc_r穩(wěn)定在250 mg/L。

　　為了提高環(huán)境pH，促進硝化反應(yīng)，在調(diào)試進入第79天時，向廢水中投加NaOH，但實際投加量遠(yuǎn)大于理論加堿量（理論加堿量=硝化所需堿度 — 進水堿度）。這于MBR池較大和NH₄⁺的緩沖作用有關(guān)。所以加堿量逐日提高（350～550 g/t廢水），至第87天出水pH才有明顯上升趨勢。

　　在階段III的初期，泡沫仍較多，池內(nèi)活性污泥隨泡沫溢出。當(dāng)進入第50天時，開始投加消泡劑（約1.5～2.0 g/L），污泥濃度開始增加，廢水中泡沫大大減少。

　　階段IV：該階段持續(xù)時間約10 d，主要特征是pH保持在7以上，NH₃-N < 5 mg/L；由于廢水中pH控制較差，出水中CODc_r雖有明顯下降，但仍稍為超標(biāo)。這也從一個側(cè)面說明，對高氨氮、高CODc_r污染物廢水處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)的自動化程度將直接對出水產(chǎn)生重大影響。

　　階段V：調(diào)試開進入第100天，加藥系統(tǒng)、自動控制和反饋系統(tǒng)完全正常，MBR出水全部達到DB 31/199－1997一級標(biāo)準(zhǔn)。此時，硝化系統(tǒng)已完善，加堿量逐日減少（230～140 g/t廢水），泡沫產(chǎn)生大量減少，系統(tǒng)不需添加消泡劑。

　　4　結(jié)　論

　　采用膜分離活性污泥法處理廢水在國內(nèi)進行的試驗及工程性試驗較多^[3,4]，但實際工程項目很少。本文采用前置式反硝化生物脫氮A/O工藝，將浸沒式MBR裝置O級生化池處理畜牧廢水這種含高有機物、高氨氮的廢水，在國內(nèi)尚屬首次。對于高濃度有機廢水，采用膜法處理廢水的投資與普通生化法基本相當(dāng)，但出水水質(zhì)穩(wěn)定、污泥量小、占地面積緊湊，運行和管理簡單。

　　本項目以干濕分離系統(tǒng)的畜禽廢水為對象，進水CODc_r為9100 mg/L，BOD₅為3788 mg/L，SS為4490 mg/L，NH₃-N為450 mg/L，經(jīng)浸沒式MBR工藝處理后，經(jīng)過3個月的調(diào)試及6個月的穩(wěn)定運行，共經(jīng)歷了5個階段，出水CODc_r<85 mg/L，BOD₅<10 mg/L，SS<5 mg/L，NH₃-N<5 mg/L，達到DB 31/199－1997一級標(biāo)準(zhǔn)。因此，該養(yǎng)豬場廢水處理項目的成功為浸沒式MBR工藝處理畜牧廢水提供了寶貴的工程實踐。

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　　[1]第一作者：趙修華，男，1965年生，博士，副教授，主要從事過程工業(yè)污染與預(yù)防控制研究。