木質(zhì)框架土壤滲濾系統(tǒng)處理養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的效能

趙博瑋，李建政，鄧凱文，孟佳

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090）

引 言

生豬養(yǎng)殖的規(guī)模化發(fā)展，導(dǎo)致了養(yǎng)豬廢水的集中排放，對(duì)環(huán)境安全造成了很大威脅[1]。厭氧消化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于養(yǎng)豬廢水的處理，其工藝比較成熟，而如何進(jìn)一步有效處理厭氧消化液則是該研究方向的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題[2]。經(jīng)厭氧處理的養(yǎng)豬廢水，仍然有著較高的污染物濃度，如不妥善處理將帶來水體富營(yíng)養(yǎng)化，人畜共患病傳播等危害[1]。養(yǎng)豬廢水厭氧消化液是典型的高氨氮(-N)、低碳氮比有機(jī)廢水，其高效脫氮是處理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)有的脫氮工藝，如A/O、SBR 傳統(tǒng)技術(shù)，在處理高-N 低碳氮比(C/N＜1.5)養(yǎng)豬廢水厭氧消化液時(shí)一般需要外加碳源，這無疑會(huì)提高處理成本和運(yùn)行管理的復(fù)雜性。而新興的OLAND、CANON 和SHARON-ANAMMOX 等技術(shù)，雖然減少了曝氣技術(shù)的使用，可以降低處理成本，但目前尚不成熟[2-3]。土地滲濾是一種傳統(tǒng)的低成本廢水處理方法[4-6]。它充分利用了土壤的自凈能力，具有基建投資低、運(yùn)行費(fèi)用少、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、操作管理簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[7]。Lei 等[8]利用一種兩階段土壤滲濾系統(tǒng)處理養(yǎng)豬廢水厭氧消化液取得了良好的效果，但該系統(tǒng)的表面水力負(fù)荷(SHL)僅為0.05 m3·m-2·d-1。如何進(jìn)一步提高水力負(fù)荷和處理效能，以減少設(shè)施用地和運(yùn)行費(fèi)用，是現(xiàn)有土壤滲濾工藝亟待突破的一個(gè)技術(shù)問題。

利用木質(zhì)框架構(gòu)建土壤滲濾床是一種提高土壤滲濾系統(tǒng)水力負(fù)荷和處理效果的有效方法[9]。它在形式上融合了土壤滲濾和生物滴濾池兩種工藝的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)土壤滲濾系統(tǒng)相比，具有傳質(zhì)效率更加高效、微環(huán)境更加多樣、為異養(yǎng)反硝化提供緩釋碳源等優(yōu)點(diǎn)[6]。在前期探討木質(zhì)框架土壤滲濾系統(tǒng)(WFSI)處理養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的有效性和微生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上[9]，本研究通過改變進(jìn)水COD、-N 濃度及SHL，考察了WFSI 的運(yùn)行特性和處理效能，以期為進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 處理裝置

圖1 所示為WFSI 處理裝置，主體反應(yīng)器由有機(jī)玻璃圓柱制成。濾床有效高度1.2 m，直徑15 cm，有效體積21.1 L，下方連有一個(gè)體積為1 L 的錐形收集斗。廢水由反應(yīng)器頂部的噴灑至濾料表面，底部出水。在錐形收集斗上緣同一平面上，對(duì)稱分布有2 個(gè)直徑為2 cm 的通氣口，自然通風(fēng)。在濾床的側(cè)壁上的不同高度設(shè)有取樣口。濾床中作為框架的木條長(zhǎng)3～5 cm，寬2～3 cm，厚0.5～0.8 cm。土壤為經(jīng)過160 目篩分的苗圃內(nèi)腐殖土。木條浸濕后與干土壤混拌以粘掛一定厚度的土壤，木條與土壤在濾床中的堆積體積比為2:1。滲濾柱填裝后通過重力壓實(shí)，其空隙率約為35%。

圖1 木質(zhì)框架土壤滲濾系統(tǒng)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of WFSI

表1 WFSI 的調(diào)控運(yùn)行時(shí)期與運(yùn)行參數(shù)Table 1 Stages and operating parameters of WFSI

1.2 試驗(yàn)廢水

試驗(yàn)廢水為本實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期運(yùn)行的一個(gè)UASB 的出水，UASB 的進(jìn)水是取自哈爾濱市郊一家養(yǎng)豬場(chǎng)。如表1 所示，UASB 的出水水質(zhì)隨著運(yùn)行階段的不同有所變化。其中-N、TN 和TKN 十分接近，說明廢水中的TN 主要是由-N 構(gòu)成，而廢水的COD/TN 介于0.5～0.8 之間，是一種典型的低C/N比有機(jī)廢水。

1.3 處理裝置的啟動(dòng)與控制運(yùn)行

WFSI 在室溫(18～23℃)下運(yùn)行，共計(jì)379 d。如表1 所示，依照進(jìn)水濃度和SHL 的不同，裝置的運(yùn)行劃分為啟動(dòng)、調(diào)整進(jìn)水濃度和調(diào)整SHL 3 個(gè)時(shí)期。處理裝置在SHL 0.2 m3·m-2·d-1，進(jìn)水COD和-N 分別為323、534.9 mg·L-1左右的條件下啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，固定SHL 為0.2 m3·m-2·d-1，分3 個(gè)階段改變進(jìn)水COD 濃度(-N 等濃度隨之改變)運(yùn)行。在調(diào)整SHL 時(shí)期，進(jìn)水COD 濃度維持在260 mg·L-1(-N 等濃度隨之改變) 左右，分階段將SHL 分別調(diào)控為0.08 和0.32 m3·m-2·d-1運(yùn)行。

1.4 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 處理系統(tǒng)的啟動(dòng)

WFSI 在SHL 0.2 m3·m-2·d-1，進(jìn)水COD、-N 濃度分別為323 和534.9 mg·L-1左右的條件下啟動(dòng)，經(jīng)過57 d 的運(yùn)行，其出水水質(zhì)達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定，具有了良好的COD、-N 和總氮去除效率（圖2），標(biāo)志著WFSI 的啟動(dòng)成功。

如圖2（a）所示，在WFSI 啟動(dòng)的前5 d，其出水COD 高于進(jìn)水，這可能是土壤原有的一部分有機(jī)物被沖刷出濾床所致。5 d 后，出水COD 逐漸下降，并在第33 d 后達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。在第33～65 d的穩(wěn)定期，系統(tǒng)出水的平均COD 為121 mg·L-1，去除率達(dá)到60.3%左右。

圖2 WFSI 的啟動(dòng)運(yùn)行Fig.2 Performance of WFSI during setup period

在啟動(dòng)期的前13 d 內(nèi)，WFSI 出水TN 濃度逐漸提高，至第17 d 進(jìn)出水TN 濃度基本相當(dāng)，之后出水TN 濃度又逐步降低，至57 d 后基本穩(wěn)定[圖2 (d)]。在第57～65 d，WFSI出水平均TN濃度為284.4 mg·L-1，去除率為47.4%。分析認(rèn)為，在啟動(dòng)運(yùn)行的前17 d，TN 的去除可能主要是由銨離子被吸附所導(dǎo)致的，而后續(xù)TN 去除能力的再次提高則主要依賴于微生物的硝化和反硝化能力的不斷加強(qiáng)[9]。

2.2 進(jìn)水濃度對(duì)處理效果的影響

WFSI 啟動(dòng)成功后，通過保持SHL 不變、分階段提高進(jìn)水COD 濃度的方法(表1)，考察了進(jìn)水濃度對(duì)系統(tǒng)處理效果的影響，結(jié)果如圖3 所示。

在COD 去除方面，WFSI 對(duì)進(jìn)水水質(zhì)變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。如圖3(a)所示，在階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ(表1)初期改變進(jìn)水濃度后，WFSI 出水的COD濃度均能在10 d 內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)定。隨著進(jìn)水COD濃度的階段性提高，WFSI 對(duì)COD 的去除率隨之提高，但出水COD 濃度也相應(yīng)升高。在階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的穩(wěn)定運(yùn)行期間，系統(tǒng)出水COD 濃度分別平均為73、137 和163 mg·L-1，去除率分別為52.3%、58.0%和61.2%左右。與Rajagopal 等[13]的報(bào)道比較，WFSI 對(duì)養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的COD 去除率并不算高。分析認(rèn)為，養(yǎng)豬廢水經(jīng)厭氧消化后，其可生化性大幅降低，而作為緩釋碳源的填料木條在逐漸酸化腐敗過程中也可釋放出一些難降解有機(jī)物并隨水流出，導(dǎo)致出水COD 的升高，但足以滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中有關(guān)養(yǎng)豬廢水的排放標(biāo)準(zhǔn)[14]。如圖3(b)所示，在階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的穩(wěn)定運(yùn)行期，其進(jìn)水pH 分別為7.9、8.3 和8.5 左右，而出水pH 則分別在4.6、5.8 和6.2 左右。中性偏酸的環(huán)境，有利于降解木質(zhì)纖維素的真菌的滋生，可為異養(yǎng)反硝化提供碳源，這將有利于系統(tǒng)脫氮效能的提高[15]。

圖3 進(jìn)水濃度對(duì)WFSI 處理效果的影響Fig.3 Effect of influent concentration on performance of WFSI

土壤滲濾系統(tǒng)對(duì)TN 的去除機(jī)制包括物化作用和生化作用兩大類[11]。如前文所述，WFSI 對(duì)TN去除的物化作用，主要表現(xiàn)為銨離子的吸附脫除，這一過程在WFSI 啟動(dòng)初期較為顯著，而在后續(xù)運(yùn)行中則轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨镛D(zhuǎn)化為主。生物轉(zhuǎn)化作用又可分為異養(yǎng)反硝化、自養(yǎng)反硝化、生物同化和厭氧氨氧化等過程[2,16-17]。盡管這些生化作用的強(qiáng)度存在差異，但都可能在WFSI 內(nèi)存在[9]。濾床中木條的腐敗可為異養(yǎng)反硝化作用提供碳源，而土壤中的缺氧區(qū)域則為反硝化能力提供了必要還原條件[18]。因此，WFSI 表現(xiàn)出了良好的TN 去除效能。如圖3(d)所示，階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的進(jìn)水TN 分別為175.5、568.7和788.7 mg·L-1左右，在出水穩(wěn)定期間的平均去除率分別為28.6%、43.5%和33.5%。

2.3 SHL 對(duì)處理效果的影響

為測(cè)試SHL 對(duì)WFSI 處理效果的影響，將進(jìn)水COD 濃度調(diào)控為266 mg·L-1左右(-N 濃度約為467.7 mg·L-1)，分兩個(gè)階段將SHL 控制為0.08和0.32 m3·m-2·d-1，運(yùn)行結(jié)果如圖4 所示。

如圖 4(a)所示，在 SHL 為 0.08 和 0.32 m3·m-2·d-1的運(yùn)行期間，其COD 去除率分別為60.7%和56.5%，說明SHL 的大幅提高并未對(duì)系統(tǒng)的COD 去除效能造成嚴(yán)重影響。如圖4(b)所示，階段Ⅳ和Ⅴ進(jìn)水pH 均為8.3，但階段Ⅳ出水pH(4.4)顯著低于階段Ⅴ的6.4。這可能是由于低SHL 導(dǎo)致-N 負(fù)荷下降，使WFSI 內(nèi)的硝化過程更加充分而消耗了大量堿度[19]。如圖4(c)所示，在SHL 為0.08 m3·m-2·d-1的穩(wěn)定運(yùn)行期間，WFSI 的出水-N，和分別平均為94.5、4.2 和247.1 mg·L-1，-N 平均去除率高達(dá)80.4%，且無明顯的積累現(xiàn)象。進(jìn)入階段Ⅴ后，SHL大幅提高到0.32 m3·m-2·d-1，系統(tǒng)的-N 負(fù)荷隨之大幅增加，出水-N 濃度陡增。隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行出水-N 濃度緩慢下降并在第53 d 后穩(wěn)定在了217.3 mg·L-1，平均去除率為53.3%。在階段Ⅴ的前期出現(xiàn)了積累，最高濃度達(dá)到56.6 mg·L-1，但這一個(gè)積累現(xiàn)象在后續(xù)的運(yùn)行中逐漸消失。以上結(jié)果表明，高SHL 會(huì)導(dǎo)致-N去除率大幅下降。分析認(rèn)為，SHL 的大幅提高將顯著提高濾床的過水流速，出現(xiàn)更多的短流，導(dǎo)致污染物與濾床內(nèi)的微生物接觸概率下降，進(jìn)而從總體上降低了WFSI 的-N 氧化能力。

2.4 WFSI 處理效能的綜合分析

WFSI 啟動(dòng)成功后的運(yùn)行依照進(jìn)水濃度和SHL分為5 個(gè)階段(表1)，各階段的進(jìn)水條件及穩(wěn)定期的特征指標(biāo)如表2 所示。結(jié)果表明，即便是在SHL 0.08m3·m-2·d-1時(shí)，WFSI 對(duì)-N 和TN 的去除負(fù)荷也分別高達(dá)22.6 和8.3 g·m-3·d-1，顯著高于已報(bào)道的用于處理養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的土壤滲濾工藝[8]。

圖4 SHL 對(duì)WFSI 處理效果的影響Fig.4 Effect of SHL on performance of WFSI

表2 WFSI 在不同運(yùn)行條件下的處理效能Table 2 Pollutant removal in WFSI under different conditions

WFSI 所具有的木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)可以承受較高的SHL 并保持一定的-N 去除效果。用于處理養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的土壤滲濾系統(tǒng)，目前所報(bào)道的最高SHL 為0.05 g·m-3·d-1[8]。如表2所示，本研究所構(gòu)建的WFSI，即便是在SHL 高達(dá)0.32 m3·m-2·d-1的階段Ⅴ，仍然保持了53.3%的-N 去除率(去除負(fù)荷61.2 g·m-3·d-1)和20.9%的TN 去除率(去除負(fù)荷24.5 g·m-3·d-1)。傳統(tǒng)的土壤滲濾系統(tǒng)中在較高的SHL 下易發(fā)生土層塌陷與壓實(shí)，造成空隙率變小，透水和通氣能力同步下降。而在本研究中的WFSI 中，木質(zhì)框架可很好地阻隔和固定土壤顆粒，避免了濾層的沉降壓實(shí)，顯著提高了系統(tǒng)的抗水力沖擊能力。

木質(zhì)框架填料是一種緩釋碳源，保證了WFSI具有一定的脫氮效能。依據(jù)和的還原脫氮反應(yīng)，通過反硝化每去除1 g需要消耗1.71 g 的碳源(以COD 計(jì))，即COD去除/TN去除為1.71；而對(duì)于的反硝化脫氮，COD去除/ TN去除為2.86[22]。養(yǎng)豬廢水厭氧消化液是典型的低C/N 比有機(jī)廢水，其COD/TN 介于0.5～0.8 之間(表2)。在WFSI 啟動(dòng)成功后的運(yùn)行中，其COD去除/ TN去除維持在0.76～1.51 之間，甚至不能滿足碳源需求較少的短程硝化反硝化的需求，說明系統(tǒng)中所發(fā)生的和的還原脫氮得到了一定的碳源補(bǔ)充，而這一補(bǔ)充碳源最可能是來自濾床木質(zhì)纖維素的腐解。

此外，具有木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)的WFSI，允許缺氧微環(huán)境廣泛分布于系統(tǒng)中。在這些缺氧微環(huán)境中會(huì)富集厭氧氨氧化菌群，催化以-N 作為電子供體、以作為電子受體的自養(yǎng)反硝化作用[15]，這可能是WFSI 相比于傳統(tǒng)的土壤滲濾系統(tǒng)，表現(xiàn)出更好-N 氧化和TN 去除的另一個(gè)重要原因。

3 結(jié) 論

針對(duì)養(yǎng)豬廢水厭氧消化液的高氨氮、低碳氮比的水質(zhì)特點(diǎn)，構(gòu)建了具有緩釋碳源特性的WFSI，并通過調(diào)控運(yùn)行探討了其處理效能。固定SHL 為0.2 m3·m-2·d-1，將進(jìn)水COD 分別控制為152、326 和421 mg·L-1左右(-N 分別平均為175.5、568.7 和788.7 mg·L-1)時(shí)，系統(tǒng)的COD 去除率分別為52.3%、58.0%和61.2%，-N 去除負(fù)荷分別為23.0、61.0 和75.5 g·m-3·d-1，TN 去除負(fù)荷分別為8.7、39.2 和41.7 g·m-3·d-1；固定進(jìn)水COD為265 mg·L-1左右(-N 平均為465 mg·L-1)，將SHL 調(diào)控為0.08 和0.32 m3·m-2·d-1時(shí)，系統(tǒng)的COD 去除率分別平均為60.7%和56.5%，-N平均去除負(fù)荷分別為22.6 和61.2 g·m-3·d-1，TN平均去除負(fù)荷分別為8.3 和24.5 g·m-3·d-1。木質(zhì)填料及其附著層形成的-N 濃度梯度，可使系統(tǒng)承受較高的SHL 的同時(shí)獲得緩釋碳源，并保護(hù)氨氧化細(xì)菌免受自由氨毒性，相比于傳統(tǒng)的土壤滲濾系統(tǒng)，表現(xiàn)出了更好的COD、-N 和TN 去除效果。

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