浸沒(méi)式MBR技術(shù)在養(yǎng)豬場(chǎng)廢水處理中的應(yīng)用
膜生物反應(yīng)器(MBR)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高效的污水生化處理工藝¨，是活性污泥法的一種，原理是利用生物反應(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(jī)污染物，并以其為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或增殖材料，使水體中的有機(jī)污染物分解達(dá)到凈化廢水的目的。MBR技術(shù)經(jīng)歷了分置式、錯(cuò)流式和浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器3個(gè)階段，其中，浸沒(méi)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，也是目前處理高濃度廢水和污水中水回用的理想技術(shù)。近年來(lái)，膜生物反應(yīng)器(MBR)由于處理效果好、占地面積少、負(fù)荷高和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)日益受到污水處理界的關(guān)注，并應(yīng)用于廢水的處理，取得了很好的效果。
本實(shí)驗(yàn)采用前置式反硝化生物脫氮工藝(A／O工藝)與浸沒(méi)式MBR工藝結(jié)合，對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水的處理效果進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)主要污染物的去除均達(dá)到DB31／199-1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明使用浸沒(méi)式膜生物反應(yīng)器處理畜禽養(yǎng)殖廢水在理論上是可行的。實(shí)驗(yàn)吸收傳統(tǒng)的“厭氧+好氧”處理工藝成果，采用浸沒(méi)式生物反應(yīng)器處理技術(shù)對(duì)該養(yǎng)豬廠產(chǎn)生的廢水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性處理，目的是為畜禽廢水處理提供工程實(shí)踐基礎(chǔ)。
1材料與方法
1.1豬場(chǎng)廢水
實(shí)驗(yàn)廢水取自“干濕分離系統(tǒng)”養(yǎng)豬場(chǎng)排放的高濃度有機(jī)廢水，廢水水量60m3／d，實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)為COD=9100mg／L，BOD=3788mg／L，SS：4490mg／L，NH3一N=450mg／L。
1.2方法
浸沒(méi)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，MBR反應(yīng)器內(nèi)流速由空氣的攪拌提供。中空纖維膜組件置于MBR中，污水浸沒(méi)膜組件，通過(guò)自吸泵的抽吸，利用膜絲內(nèi)腔的抽吸負(fù)壓來(lái)運(yùn)行。
膜組件材質(zhì)為聚乙烯。膜組件公稱孔徑為0．4微米，是懸浮固體、膠體等的有效屏障；中空纖維膜絲較細(xì)，有較好的柔韌性，能保持較長(zhǎng)的壽命，即使有膜絲破損的現(xiàn)象發(fā)生，由于膜絲內(nèi)徑僅為270微米，可被污泥迅速阻住，對(duì)處理水質(zhì)完全沒(méi)有影響。MBR處理池設(shè)計(jì)為A／O處理系統(tǒng)：在前段，進(jìn)水與后段的回流水充分混和進(jìn)行生物反硝化脫氮，在后段進(jìn)行生物降解和硝化，同時(shí)加堿補(bǔ)充氨氮硝化所消耗的堿度，處理后水直接排放，如果需要，也可進(jìn)一步消毒處理進(jìn)行中水回用。
鼓風(fēng)機(jī)曝氣的目的是在提供微生物生長(zhǎng)所必須的溶解氧之外，還使上升的氣泡及其產(chǎn)生的紊動(dòng)水流清洗膜絲表面，阻止污泥聚集，保持膜通量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)氣水比為30:1。MBR中產(chǎn)生的剩余污泥由氣提泵定量提升至污泥干化池，污泥在其中濃縮，并使污泥減容，上清液回流至調(diào)節(jié)池。MBR主要設(shè)計(jì)參數(shù)：有效水深為2.7m，有效容積為34.7m3。
1.3工藝流程與調(diào)試
廢水首先經(jīng)過(guò)細(xì)篩網(wǎng)除去污水中較大顆粒的雜質(zhì)和懸浮物，防止泵的阻塞和損傷，減輕負(fù)荷。廢水來(lái)水具有一定的作用水頭，重力自流到細(xì)格柵，格柵出水重力自流入調(diào)節(jié)池。調(diào)節(jié)池用以調(diào)節(jié)水量、均化水質(zhì)，使后續(xù)處理工藝在相對(duì)穩(wěn)定的條件下工作，同時(shí)調(diào)節(jié)池中風(fēng)機(jī)曝氣除臭降溫，還可防止懸浮物沉積。調(diào)節(jié)池出水由移送泵提升至斜板沉淀池。沉淀池主要實(shí)現(xiàn)泥水分離，上清液流人MBR反應(yīng)池連續(xù)運(yùn)行處理。工藝流程見(jiàn)圖1。因采用浸沒(méi)式MBR法處理該養(yǎng)豬場(chǎng)廢水，處理完后消毒可在養(yǎng)豬廠內(nèi)進(jìn)行中水的回用，如：綠化、灌溉、沖洗廁所等用途，初步確定設(shè)計(jì)水量為60m3／d，實(shí)驗(yàn)污水水質(zhì)如表1所示。調(diào)節(jié)池主要設(shè)計(jì)參數(shù)：有效水深為2．0m，有效容積為48．7m3。
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實(shí)驗(yàn)浸沒(méi)式MBR法處理豬場(chǎng)養(yǎng)殖業(yè)廢水過(guò)程中的調(diào)試階段共分為5個(gè)階段進(jìn)行，階段I主要是向MBR反應(yīng)器中接種活性污泥，是主要馴化異養(yǎng)菌的過(guò)程，根據(jù)Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ階段取樣化驗(yàn)和各階段出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行加藥調(diào)試，目的是使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)(V階段)。調(diào)試階段說(shuō)明如表2所示。
2結(jié)果與討論
該處理工藝通過(guò)3個(gè)月的調(diào)試及6個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)得進(jìn)入廢水處理站的平均水質(zhì)與設(shè)計(jì)水質(zhì)基本相符，即COD=9100mg／L，BOD=3788mg／L，SS=4490mg／L，NH．N=450mg／L。出水水質(zhì)達(dá)到DB31／199．1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)試各階段取樣及出水水質(zhì)結(jié)果如圖2所示。
從圖2可以觀察出階段I是調(diào)試程序開(kāi)始，活性污泥的馴化階段，共經(jīng)過(guò)了22d(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(kāi)始運(yùn)行)。
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調(diào)試階段Ⅱ主要經(jīng)歷了18d(23～41d)，第23d時(shí)進(jìn)行第1次取樣化驗(yàn)：出水COD<100mg／L，但進(jìn)出MBR池的NH．N濃度相同，出水pH高于進(jìn)水，且有大量的泡沫產(chǎn)生。取樣化驗(yàn)結(jié)果表明微生物經(jīng)22d馴化后，繁殖速率較高的異養(yǎng)菌增殖迅速，世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌尚未形成優(yōu)勢(shì)菌種，因此氨氮濃度仍高。由于氨氮濃度高，廢水呈堿性而產(chǎn)生大量泡沫。在進(jìn)入階段Ⅲ(42～90d)的第46d取樣時(shí)，發(fā)現(xiàn)COD又出現(xiàn)回升趨勢(shì)(約300mg／L)，而NH3-N濃度明顯下降，出水pH低于進(jìn)水；在接下來(lái)近40d的調(diào)試期間，出水的COD穩(wěn)定在250mg／L左右，NH3-N穩(wěn)定在50mg／L左右，pH<6。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因可從硝化過(guò)程機(jī)理分析得到解釋。根據(jù)硝化過(guò)程機(jī)理，硝化過(guò)程主要包括以下串級(jí)反應(yīng)，
即：NH4+1.502-----No2-+2H++H2O(1)
No2-+0.502------No3(2)
由反應(yīng)(1)可知，廢水中1molNH4+在溶解氧和亞硝酸菌的作用下，即可產(chǎn)生2molH+和1mol的NO2-。當(dāng)調(diào)試進(jìn)入階段Ⅲ時(shí)，廢水中的NH3-N濃度下降，pH降低，說(shuō)明硝化過(guò)程反應(yīng)(1)已開(kāi)始進(jìn)行，即廢水中的亞硝酸菌和硝酸菌開(kāi)始生成。由于硝酸菌的產(chǎn)率約為亞硝酸菌的1／2至1／3，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(guò)程中的串級(jí)反應(yīng)(2)的反應(yīng)速度較小，廢水中H濃度和NO(濃度累積。
因此，廢水在進(jìn)入調(diào)式階段Ⅲ時(shí)，廢水中的pH始終較小，出水中NO2-濃度較高。這與第77d的MBR出水中NO2-高達(dá)123mg／L的分析結(jié)果十分吻合。同時(shí)，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50mg／L左右。NO2-屬還原性物質(zhì)，理論上1mg／LNO2-將產(chǎn)生I.141mg／LCOD,為證實(shí)NO2-對(duì)出水COD的貢獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室采用測(cè)定BOD預(yù)處理的方法將NO2-影響消除，測(cè)得COD<100mg／L。該結(jié)果表明，階段Ⅲ出水COD穩(wěn)定在250mg／L左右主要是由NO2-累積引起。實(shí)驗(yàn)室利用該養(yǎng)豬場(chǎng)的污泥和出水進(jìn)行小試，發(fā)現(xiàn)如果控制pH>7．5，則出水NH3-N<5mg／L，而NO2-濃度不變。這也說(shuō)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(dá)到需要濃度。因此，在進(jìn)入階段Ⅲ時(shí)，廢水的pH始終<6，出水的COD穩(wěn)定在
250mg／L。為了提高環(huán)境pH，促進(jìn)硝化反應(yīng)，在調(diào)試進(jìn)入第79d時(shí)，向廢水中投加NaOH，但實(shí)際投加量遠(yuǎn)大于理論加堿量(理論加堿量=硝化所需堿度一進(jìn)水堿度)。這與MBR池較大和NH4+的緩沖作用有關(guān)。所以加堿量逐日提高(350～550g／t廢水)，至第87d出水pH才有明顯上升趨勢(shì)。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(jìn)
入第50d時(shí)，開(kāi)始投加消泡劑(約1．5～2．0g／L)，污泥濃度開(kāi)始增加，廢水中泡沫大大減少。階段Ⅳ(90～100d)持續(xù)時(shí)間約10d，主要特征是pH保持在7以上，NH3-N<5mg／L；由于廢水中pH控制較差，出水中COD雖有明顯下降，但仍稍為超標(biāo)。這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明，對(duì)高氨氮、高COD污染物廢水處理系統(tǒng)，處理系統(tǒng)的自動(dòng)化程度將直接對(duì)出水產(chǎn)生重大影響。第1O0d，調(diào)試進(jìn)入階段V，加藥系統(tǒng)、自動(dòng)控制和反饋系統(tǒng)完全正常，MBR出水全部達(dá)到DB3l／199-1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，浸沒(méi)式MBR反應(yīng)器主要運(yùn)行參數(shù)：HRT為10h，汽水比為30：1，BOD容積負(fù)荷1．0kg／(m·d)，調(diào)節(jié)池HRT為12．5h。
3結(jié)論
采用前置式反硝化生物脫氮A／O工藝，將浸沒(méi)式MBR裝置O級(jí)生化池處理畜牧廢水這種含有機(jī)物濃度高、高氨氮的廢水。通過(guò)這次對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)廢水的初步實(shí)驗(yàn)可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1)采用前置式反硝化生物脫氮工藝(A／O工藝)與浸沒(méi)式MBR工藝結(jié)合，將彌補(bǔ)傳統(tǒng)A／O工藝的不足，并具有以下顯著特點(diǎn)：①通過(guò)反硝化脫氮，徹底消除氨氮對(duì)微生物環(huán)境的影響；②減少了后續(xù)硝化過(guò)程的外加堿量和后續(xù)硝化過(guò)程的曝氣量，運(yùn)行費(fèi)用降低。
(2)與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，A／O工藝結(jié)合浸沒(méi)式MBR處理技術(shù)固液分離效率高，無(wú)須二級(jí)沉淀池，設(shè)備簡(jiǎn)單，構(gòu)筑物占有空問(wèn)小，自動(dòng)控制穩(wěn)定，耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，污泥產(chǎn)量少，出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。
(3)實(shí)驗(yàn)以“干濕分離系統(tǒng)”的養(yǎng)豬場(chǎng)廢水為處理實(shí)驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)浸沒(méi)式MBR工藝處理后，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的調(diào)試及6個(gè)月的穩(wěn)定運(yùn)行，共經(jīng)歷了5個(gè)階段，出水水質(zhì)為COD<85mg／L，BOD<10mg／L，SS<5mg／L，NH3-N<5mg／L，達(dá)到DB31199·1997一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。因此，該實(shí)驗(yàn)為浸沒(méi)式MBR工藝處理畜牧廢水提供了寶貴的工程實(shí)踐。
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