絮凝-膜生物反應(yīng)器組合工藝處理奶牛場(chǎng)高濃度污水中試運(yùn)行試驗(yàn)

宋建超，陶秀萍，尚 斌，劉 璐，蔡陽揚(yáng)

1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081

2 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所，四川成都 610000

0 引言

我國規(guī)模化奶牛場(chǎng)通常采用機(jī)械干清糞方式清理糞尿，經(jīng)固液分離后所產(chǎn)生的污水具有排放量大、污染物濃度高和深度處理難的特點(diǎn)。大部分奶牛場(chǎng)周邊農(nóng)田面積不足，無法就地就近對(duì)糞污進(jìn)行消納利用，高濃度污水的深度處理成為制約奶牛場(chǎng)生存和發(fā)展的關(guān)鍵因素。奶牛場(chǎng)污水深度處理若參照工業(yè)污水處理技術(shù)，比如芬頓氧化法，其投資成本高、處理效果不理想；常規(guī)組合工藝技術(shù)，比如厭氧、好氧、人工濕地等多級(jí)組合工藝繁瑣復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高且處理效果難保證[1，2]。因此，亟需適合奶牛場(chǎng)污水特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)高效深度處理技術(shù)。

絮凝預(yù)處理成本較低且可以有效去除污水中有機(jī)物、濁度和懸浮物，絮凝與其他處理工藝相結(jié)合是進(jìn)一步去除殘留污染物的必要條件[3]。膜生物反應(yīng)器（MBR）是一種將傳統(tǒng)活性污泥法與高效膜分離技術(shù)相結(jié)合的新型水處理系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間、耐沖擊負(fù)荷，而且對(duì)污染物有極高的去除效率[4，5]。MBR已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水[6，7]、生活污水[8]、城市污水[9]等多種污水處理，對(duì)畜禽養(yǎng)殖污水處理的研究相對(duì)較少且主要集中于小試研究且以豬場(chǎng)污水處理為主[10]，圍繞MBR的高濃度奶牛場(chǎng)污水高效、低成本新型組合處理工藝尚無研究報(bào)道。

本試驗(yàn)針對(duì)奶牛場(chǎng)高濃度污水深度處理難題，遵循經(jīng)濟(jì)、高效的原則，提出了以膜生物反應(yīng)器為核心的絮凝預(yù)處理與MBR處理高濃度污水組合工藝，通過中試運(yùn)行試驗(yàn)研究來探討組合處理工藝的可行性，以期為奶牛場(chǎng)污水處理新工藝的工程應(yīng)用和解決奶牛場(chǎng)廢棄物的環(huán)境污染問題提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及污水水質(zhì)

本試驗(yàn)所采用的中試設(shè)備由絮凝裝置和膜生物反應(yīng)器構(gòu)成，均由不銹鋼材質(zhì)制成，如圖1所示。絮凝裝置高1.3 m、直徑1.0 m、有效容積1 m3，采用可移動(dòng)式圓柱形設(shè)計(jì)，由箱體、攪拌器、液位器和出水系統(tǒng)組成。MBR反應(yīng)器主體尺寸為4 m×2 m×2 m，膜池區(qū)域有效容積6 m3，包括反應(yīng)器主體、曝氣盤、膜組件、曝氣系統(tǒng)、出水系統(tǒng)組成，其中膜組件采用聚偏氟乙烯（PVDF）平板膜，膜孔徑0.1 μm、總有效面積20 m2。

圖1 絮凝-膜生物反應(yīng)器中試裝置圖

奶牛場(chǎng)采用機(jī)械干清糞方式清理糞污，清理出的糞尿混合物經(jīng)擠壓式和振動(dòng)篩兩級(jí)固液分離后原水作為試驗(yàn)用水，該原水水質(zhì)波動(dòng)性較大，具體水質(zhì)特性為：化學(xué)需氧量（COD）16 060.0～22 180.0 mg/L、氨氮（NH3-N）324.0～1 020.0 mg/L、總磷（TP）107.0～350.0 mg/L、pH值7.08～7.68。

1.2 中試運(yùn)行參數(shù)

試驗(yàn)選用非離子聚丙烯酰胺（NPAM）作為絮凝劑進(jìn)行絮凝預(yù)處理，絮凝中試參數(shù)為：NPAM濃度為2.5 mg/L，先以300 r/min快速攪拌30 s后再以200 r/min中速攪拌10 min，靜置沉淀30 min。

試驗(yàn)于夏天進(jìn)行，在2020年5月24日—6月17日穩(wěn)定運(yùn)行25 天。MBR運(yùn)行期間中試參數(shù)為：水力停留時(shí)間（HRT）為96 h，污泥齡（SRT）保持在30 d，膜通量為10 L /（m2·h）；采用連續(xù)曝氣方式，曝氣強(qiáng)度為1.8 m3/（m2·h），膜池混合液的溶解氧（DO）為（1.7±0.5）mg/L、水溫為（28.8±1.3）℃；膜組件通過自吸泵間歇抽吸出水且設(shè)置抽吸/停止時(shí)間為8 min/2 min。絮凝-MBR組合工藝完全自動(dòng)運(yùn)行，由可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC）自動(dòng)控制恒定水位、進(jìn)水泵、自吸泵和曝氣泵的啟閉。

1.3 采樣及樣品分析方法

試驗(yàn)過程中每天測(cè)定原水和MBR出水樣品的COD、NH3-N、TP。分析項(xiàng)目及方法參照國家環(huán)保局的水和廢水標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法，其中COD采用重鉻酸鉀紫外光度法，NH3-N采用水楊酸-次氯酸鹽光度法，TP采用過硫酸鉀氧化-鉬酸銨分光光度法，測(cè)試儀器均為HACH DR 6000分光光度計(jì)（HACH Company，USA）；pH值采用梅特勒-托利多酸度計(jì)（METTLER TOLEDO Company，CH）測(cè)定，DO和水溫采用哈納便攜式溶解氧儀（HI98193，HANNA Instruments，ITA）測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD去除效果

試驗(yàn)過程中奶牛場(chǎng)污水原水水質(zhì)波動(dòng)較大（圖2），當(dāng)MBR穩(wěn)定運(yùn)行后，污水原水COD濃度為16 060.0～22 180.0 mg/L，絮凝預(yù)處理后COD濃度降至（7 100.0±1 120.0）mg/L，絮凝對(duì)COD去除率為62.6%±5.2%，絮凝出水經(jīng)過MBR生物處理后出水COD濃度為142.0～431.0 mg/L，MBR對(duì)絮凝出水COD去除率穩(wěn)定在93.2%～98.3%，絮凝-MBR組合工藝對(duì)COD總?cè)コ士蛇_(dá)98.4%±0.5%，由此可見，采用絮凝-MBR組合工藝可以有效降低奶牛場(chǎng)污水中大部分有機(jī)物。MBR對(duì)COD去除效果較好且穩(wěn)定，歸結(jié)為微生物的降解作用以及膜組件的吸附截留作用去除了絮凝出水中大部分有機(jī)物，保證了MBR出水COD穩(wěn)定。試驗(yàn)期間MBR膜池水溫在26.1～31.9 ℃，也有利于活性污泥微生物的新陳代謝，進(jìn)一步提高了微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用。

圖2 絮凝-MBR組合工藝對(duì)COD處理效果

2.2 氨氮去除效果

如圖3所示為絮凝-MBR組合工藝在試驗(yàn)期間對(duì)氨氮的去除效果，污水原水氨氮濃度在324.0～1 020.0 mg/L，MBR保持HRT為96 h、SRT為30 天、DO為（1.7±0.5）mg/L的條件下對(duì)氨氮去除效果較好，此時(shí)膜出水氨氮濃度為38.0～175.0mg/L，MBR對(duì)氨氮去除率可達(dá)92.0%，絮凝-MBR組合工藝對(duì)氨氮去除率可達(dá)84.5%±10.0%，這主要?dú)w因于富集于膜池內(nèi)硝化細(xì)菌的硝化作用以及活性污泥混合液的適宜水溫。

圖3 絮凝-MBR組合工藝對(duì)氨氮處理效果

2.3 總磷去除效果

如圖4所示，試驗(yàn)過程中污水原水TP濃度為（213.0±64.0）mg/L，絮凝預(yù)處理后TP濃度降至（40.0±10.0）mg/L，絮凝對(duì)TP去除率為79.4%±7.4%，MBR對(duì)絮凝出水TP去除率為88.7%±6.7%，膜出水TP濃度穩(wěn)定在0.2～7.9 mg/L，出水TP濃度達(dá)到了《GB/T 18596—2001 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中低于8.0 mg/L的要求，此時(shí)絮凝-MBR組合工藝對(duì)TP總?cè)コ士蛇_(dá)97.9%±1.1%。MBR對(duì)TP去除率高達(dá)99.5%，原因是MBR除了通過排掉剩余污泥來除磷，而且絮凝出水中含有微量有機(jī)絮凝劑NPAM對(duì)活性污泥中有機(jī)磷及難溶性磷的混凝除磷。

圖4 絮凝-MBR組合工藝對(duì)總磷處理效果

3 結(jié)論

當(dāng)奶牛場(chǎng)污水原水COD濃度為（18 973.0±1 589.0）mg/L、氨氮濃度為（634.0±1940）mg/L、TP濃度為（213.0±64.0）mg/L，采用絮凝-MBR組合工藝處理該水質(zhì)時(shí)對(duì)應(yīng)出水濃度COD（301.0±94.0）mg/L、氨氮（84.0±40.0）mg/L、TP（4.1±1.8）mg/L，其去除率分別為98.4%±0.5%、84.5%±10.0%和97.9%±1.1%，可有效減少奶牛場(chǎng)污水中大部分有機(jī)物和氮磷污染物。