畜禽养殖废水处理工艺
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畜禽养殖废水处理工艺近年来,畜禽养殖业趋于规模化发展,其产生的废水对环境的影响日益突出。
研究表明,2010 年我国畜禽养殖业所排放的化学需氧量(COD)、总氮(TN) 和总磷(TP) 分别占农业面源污染的95. 78% 、37. 89% 和56. 30% 。
养殖废水具有排水量大、有机质浓度高和氮磷营养元素含量高等特征,污水中常伴有消毒水、重金属、残留的兽药以及各种人畜共患病原体等污染物的特点,处理难度大。
如何高效快速处理畜禽养殖废水是近年来研究的重点之一。
厌氧折流板反应器( anaerobic baffled reactor,ABR) 是由美国斯坦福大学的MCCARTY 等于80年初提出的一种高效厌氧反应器,其在对高浓度有机废水和有毒难降解废水的处理中具有特殊的优势 ,譬如,在处理畜禽养殖废水方面取得了较好的效果。
对于ABR 反应器来说,颗粒污泥是决定ABR 反应器高负荷处理能力的关键因素。
ABR 启动的目的就是形成成熟的厌氧颗粒污泥,这个过程一般需要2 ~ 8 个月 ,传统的ABR 启动方式一般有2 种:分别为固定进水基质浓度而逐步缩短HRT 的启动方式和固定HRT 而逐步增大进水基质浓度启动方式,采用前一种方式启动的ABR 在COD 去除率、运行稳定性和污泥流失量等方面均优于后一种方式。
姜潇研究ABR 时采用第二种启动方式,接种污泥取自北京某污水处理厂的中温消化池污泥和少量的厌氧颗粒污泥,由于在操作的过程中遇到意外情况时均保持原来的操作条件,从而导致启动时间延长到300 d;李文昊采用接种未驯化的非颗粒污泥,逐步提高进水负荷和降低HRT 相结合的方式,并投加颗粒活性炭加速颗粒污泥形成,控制反应温度在35 ℃ ,最终有机容积负荷达到8. 00 kg COD²(m3 ²d) - 1 条件下,ABR 启动时间为70 d。
针对反应器的启动时间过长的问题,国内外学者已经通过采用一些强化措施促进UASB 中污泥颗粒化过程, 加速反应器的启动, 相应的技术方法包括: 添加多价阳离子( Ca2 + 、Mg2 + 、Al3 + 和Fe2 + )、天然高分子物质(甲壳素、竹炭颗粒以及各种植物提取物)、人工合成高分子物质( 阳离子高分子AA 180 H 等)、有机-无机杂化高分子物质和惰性材料( 聚乙烯醇凝胶球、聚乙烯块) ,使用零价铁床等。
研究表明,这些强化技术均在各自的优化条件下大多缩短了颗粒污泥的适应和生长时间,但并不一定能够提高反应器的COD 去除效果。
上述强化技术主要应用在UASB 的启动中,但针对ABR 加速启动的系统研究较少。
本文拟借鉴UASB 的加速启动方式,即采用接种成熟颗粒污泥的方法进行ABR 的加速启动,探讨ABR 处理模拟畜禽养殖废水的启动过程以及合适的操作条件。
1 实验部分1. 1 实验装置反应器的长³宽³高= 550 mm ³ 102 mm ³ 255mm,超高35. 39 mm,有效容积12. 32 L。
第1 格室(160 mm ³ 102 mm ³ 255 mm)的容积是2、3、4 和5格室(80 mm ³ 102 mm ³ 255 mm)的2 倍,能更有效的去处悬浮物,而第5 格室后加60°的倾角的沉降格室。
1. 2 实验用水及接种污泥1. 2. 1 实验用水实验所用进水为人工配制的模拟畜禽养殖废水,COD ∶ N = (10 ~ 25) ∶ 1,以葡萄糖为碳源,氯化铵Mg、K 以及Al、Co、Fe、Cu、Mo、Ni、Zn 等微量元素以保证污泥的正常生长,本实验所用试剂均为分析纯。
1. 2. 2 接种污泥ABR 各格室的接种污泥为UASB 反应器的厌氧颗粒污泥,接种体积占ABR 各格室体积的1 /3 左右。
该接种污泥呈椭圆球状,表面光滑,表1 给出了其基本性质。
可见,这些厌氧颗粒污泥中位直径为0. 89 mm,结构较为密实。
表1 接种污泥的基本性质1. 3 实验方法对接种厌氧颗粒污泥后的ABR,采用逐步升高负荷的方式进行启动。
在启动过程中,固定停留时间为24 h,调节进水碱度,反应器温度在20 ~ 35 ℃之间,当出水COD 去除率达到60% 以上时,再稳定运行5 ~ 7 d,确保出水中VFA 和pH 分别在0 ~ 0. 2 和6. 8 ~ 7. 5 之间,然后逐步提高有机负荷30% 左右,继续上述启动过程;当进水有机负荷为5. 7,COD 去除率在80% 以上,即可认为ABR 启动完成。
在上述启动过程,定期测定ABR 各格室和进出水的相关指标。
COD 使用COD 快速测定仪进行测定(CTL-12,华通,河北承德),VFA 采用气相色谱法(SP3420A,北分瑞利)测定,DO 使用溶解氧电极进行测定(DO-958-S,China)。
混合液悬浮固体浓度(MLSS)、挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)、污泥沉降比(SV)和污泥体积指数(SVI)参照标准方法测定。
污泥的粒度使用激光粒度仪测定。
反应器启动成功后,测定污泥微生物群落结构及多样性按照文献中程序和方法进行,主要包括:提取DNA、细菌16Sr DNA 片段的PCR 扩增、PCR 产物的变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析、DGGE 图谱中优势条带的回收与测序以及序列片段分析等步骤。
在ABR 操作条件的优化过程中,采用单因子实验方法,通过比较不同的水力停留时间或温度条件下ABR 的处理效果,获得反应器的最佳操作条件。
2 结果分析与讨论2. 1 ABR 的快速启动过程2. 1. 1 有机污染物的去除效果图2 为ABR 启动过程中出水COD 及其去除率的变化曲线。
如图所示,ABR 启动过程可以分为5个阶段,每个阶段平均运行时间为两周左右。
在第1 阶段(1 ~ 13 d), ABR 进水COD 控制在2 000mg²L - 1 ,对应的有机负荷(OLR) 为2. 0 kg COD²(m3 ²d) - 1 ;起初,ABR 在常温下运行,出水COD在1 000 mg² L - 1 以上, 然后控制反应器温度在32 ℃左右, ABR 出水的COD 逐步下降到500mg²L - 1 以下,去除率最终大于75% 。
在第2 阶段(14 ~ 26 d) 中设定OLR 为2. 5 kg COD²( m3 ²d) - 1 ,ABR 进水COD 控制在2 500 mg²L - 1 左右,其去除率在80% 左右,最高时可达90% 以上。
进入第3 阶段(27 ~ 44 d) ,ABR 进水COD 控制在3 250 mg²L - 1 ,由于反应器保温设施运行不稳定,导致该阶段ABR 的COD 去除率不稳定;出水COD 在启动32 d 左右开始突然上升,相应的COD 去除率甚至出现低于40% 的现象,尽管如此,ABR出水pH 保持在6. 7 ~ 7. 2 之间,VFA 低于3. 0 mmol²L - 1 ,表明反应器并没有发生酸化;这种现象一直持续到第4 阶段(45 ~ 56 d) 结束,当进水COD 在4 400 mg²L - 1 时,ABR 的COD 去除率仍然较低( < 60% ) 。
为了改善这种情况,在此阶段后期对ABR 的保温设施进行维修,以确保反应器的运行温度控制在32 ~ 35 ℃ ,在第5 阶段(57 ~ 64 d) ,ABR 有机负荷设定为5. 7 kg COD²( m3 ²d) - 1 ,进水COD 在5 700 mg²L - 1 ,反应器的出水COD 逐步降低,COD 的去除率最终稳定在98% 左右,表明ABR 启动成功。
上述结果表明,采用接种成熟颗粒污泥的方法可以在保持高负荷处理能力的条件下成功启动ABR。
徐金兰等采用接种厌氧消化污泥的方法启动ABR,其容积负荷从0. 85 kgCOD²(m3 ²d) - 1 提高到1. 50 kg COD²(m3 ²d) - 1 运行了60 d 左右;李文昊(2010)采用颗粒活性炭加速启动厌氧消化污泥及接种下水道污泥混合物的方式启动ABR,其容积负荷达到8. 00 kg COD²(m3 ²d) - 1 、COD 去除率超过80% 运行了70 d 的时间。
可见,采用成熟颗粒污泥接种或者其他加速启动的方式均可缩短ABR 的启动时间。
2. 1. 2 VFA 与甲烷产生量的变化特征图3 给出了ABR 启动过程中VFA 和出水pH 的变化曲线。
由图3(a)可见,随着ABR 的启动,第1 格室的VFA 变化幅度较大(0. 1 ~ 1. 1 mg²L - 1 );同时,出水中VFA 随着ABR 的启动进程整体上逐渐降低并趋于稳定,最终低于0. 2 mg²L - 1 ,证明本研究中的ABR 在启动过程中运行状态逐渐趋于稳定。
此外,VFA 的组分分析表明:其主要成分为乙酸、丙酸和丁酸,几乎未发现异戊酸和戊酸组分;其中丙酸组分占VFA 的比例超过50% ,说明丙酸发酵是ABR 水解酸化的主要过程。
ABR 启动初期,出水的pH 持续下降并接近5. 5(见图3(b)),相应的VFA 浓度在0. 4 mg²L - 1 左右(见图3(a)),并且ABR 对COD 的去除效果很差(见图2),这是由于反应器进水碱度不足(1 000 mg²L - 1 ,以CaO 计),其酸化环境不适宜ABR各格室中的厌氧微生物的活动。
通过及时提高进水碱度至1 500 mg²L - 1 (以CaO 计),ABR 出水的pH在6. 5 ~ 7. 5 之间波动。
ABR 启动过程中的产气量如图4 所示。
在图4(a)中,总产气量随着ABR 的启动总体呈上升趋势,在50 ~ 60 d 期间由于反应器温度降低而出现明显下降;启动成功后,总产气量超过25 L²d - 1 。
图4(b)中各格室的产气量排序为:Ⅰ > Ⅱ > Ⅳ > Ⅴ > Ⅲ,第1 格室的产气量是第2 格室的4 倍左右,表明通过接种颗粒污泥同步启动ABR 处理模拟畜禽养殖废水,并未完全实现产酸相与产甲烷相的有效分离,这一结果与以前的研究结果不一致。
在本研究中,采用的是接种厌氧颗粒污泥启动反应器,进水有机物为易降解的葡萄糖,且第1 格室的污泥浓度相对较高、体积较大,所以模拟废水进入第1 格室后迅速被降解为单分子有机酸,然后被产甲烷菌继续反应生成甲烷气体。
2. 1. 3 厌氧颗粒污泥的生长特征图5 是ABR 启动过程中厌氧颗粒污泥中位直径和二维分形维数的变化曲线。
