（环境工程专业论文）icsbr工艺处理猪场废水的应用研究.pdf

摘要 摘要 l u l l l l l l l l l l l l r l l l l l l n l l l l l u l l l l l l l l j y 2 14 14 6 8 近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，畜禽产品需求量不 断增加，我国畜禽养殖模式也向规模化发展，然而随之而来的养殖废水污染问 题也日显突出。 猪场废水浓度高、污染成分复杂、悬浮物多、氨氮含量高、臭味大、排放 量大。该类废水属高浓度有机废水，b o d 5 c o d 大于0 4 ，该废水中n 、p 等营 养充足，是适宜进行生化处理的有机废水。本论文以吉安某猪场废水处理工程 为研究对象，提出了固液分离+ i c + s b r 工艺处理猪场废水，通过对反应器的 调试启动以及运行特性进行研究，研究结果表明： ( 1 ) 采用固液分离+ i c + s b r 工艺处理猪场废水，出水稳定达到畜禽养 殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 排放标准要求，具有很好的经济和环境 效益： ( 2 ) 针对猪场废水，本论文提出的i c 反应器启动方案的切实可行，同类 项目可参考i c 反应器的运行参数：污泥容积负荷为1 2k g c o d ( m 3 - d 1 左右，进水 c o d ：5 0 0 0m g l 左右，回流水量：5 0m 3 d 左右，p h ：6 8 - 7 2 ； ( 3 ) 针对猪场废水，该工艺总平均去除率为9 6 6 ，氨氮平均去除率达 9 4 6 ： ( 4 ) 该工程工程总投资8 9 1 万，每天运行成本为2 5 6 2 1 元，吨废水的运 行成本为1 6 元，组合工艺处理效果良好、稳定，抗冲击负荷能力强。沼气发电 基本满足猪场用电需求，符合相关产业政策。 关键词：猪场废水、i c 反应器、s b r a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m ya n di m p r o v et h e l i v i n gs t a n d a r d so ft h ep e o p l e ，l i v e s t o c ka n dp o u l t r y p r o d u c t sd e m a n di n c r e a s e s c e a s e l e s s l y ，o u rc o u n t r yl i v e s t o c kb r e e d i n gm o d e la l s ot ol a r g e s c a l ed e v e l o p m e n t ， h o w e v e rt h e f o l l o w i n gb r e e d i n gw a s t e w a t e rp o l l u t i o np r o b l e mb e c o m e sm o r e o u t s t a n d i n g p i g g e r yw a s t e w a t e ro fh i g hc o n c e n t r a t i o n ，s u s p e n d e ds o l i d s ，h i g ha m m o n i a n i t r o g e nc o n t e n t ，l a r g e ，c o m p l e xc o m p o s i t i o n ，o d o rp o l l u t i o ne m i s s i o n s t h i sk i n do f w a s t e w a t e ro fh i g hc o n c e n t r a t i o no r g a n i cw a s t e w a t e r ，b o d s c o d 0 4 ，n ，pi nt h e w a s t e w a t e rs u c ha sa d e q u a t en u t r i t i o n ，i ss u i t a b l ef o rb i o l o g i c a lt r e a t m e n to fo r g a n i c w a s t e w a t e r t h i sp a p e rt a k e sj i a nap i g g e r yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o je c ta st h e r e s e a r c ho b j e c t ，p u tf o r w a r dt h es o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o ni c s b r p r o c e s sf o rt r e a t m e n t o fp i g g e r yw a s t e w a t e r ，t h er e a c t o rs t a r t u pa n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r es t u d i e d ， t h er e s u l t ss h o wt h a t ： ( 1 ) t h es o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o ni c + s b rp r o c e s sf o rt r e a t m e n to fp i g g e r y w a s t e w a t e r , t h es t a b i l i t yo ft h ee f f l u e n tw a t e rr e a c h e st h e ”d i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t sf o rl i v e s t o c ka n dp o u l t r yb r e e d i n g ”( g b 18 5 9 6 - 2 0 0 1 ) r e q u i r e m e n t s ，w h i c h h a sg o o de c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ； ( 2 ) f o rp i g g e r yw a s t e w a t e r ，t h i sp a p e rp r e s e n t si cr e a c t o rs t a r t u ps c h e m ei s f e a s i b l e ，t h es i m i l a rp r o j e c tr e f e r e n c ei cr e a c t o ro p e r a t i n gp a r a m e t e r s ：s l u d g ev o l u m e l o a di s1 2k g c o d ( m 3 ，d ) ，i n l e tc o d ：5 0 0 0m g ll e f ta n dr i g h ts i d e s ，b a c k f l o w o fw a t e r ：5 0 m 3 d ，p h ：6 8 7 2 ： ( 3 ) f o rp i g g e r yw a s t e w a t e r ，t h ep r o c e s so ft o t a la v e r a g er e m o v a lr a t ei s9 6 6 ， t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fa m m o n i an i t r o g e ni n9 4 6 ： ( 4 ) t h ep r o j e c tat o t a li n v e s t m e n to f8 910 0 0 ，d a i l yr u n n i n gc o s ti s2 5 6 21y u a n ， t o n so fw a s t e w a t e rb yc o m b i n e dp r o c e s sf o rt h ec o s to f1 6y u a n , g o o dt r e a t m e n t e f f e c t , s t a b l e ，s t r o n gr e s i s t a n c et os h o c kl o a d i n g b i o g a sp o w e rg e n e r a t i o nt om e e tt h e b a s i cf a r mo fe l e c t r i c i t yd e m a n d c o m p l yw i mt h er e l e v a n ti n d u s t r i a lp o l i c i e s k e yw o r d s ：p i g g e r yw a s t e w a t e r ，t h ei cr e a c t o r ，s b r 第1 章前言 第1 章前言 1 1 概述 近几年来，随着我国经济的发展及人民生活水平的提高，畜禽产品需求量 不断增加，生产规模也不断扩大，我国畜禽养殖的模式也向规模化、集约化养 殖转化，集约化水平已达相当高的水平i l 】。然而，随着生产规模的不断扩大，养 殖废水带来的污染问题也日益突出，严重影响人畜健康及畜禽养殖业的可持续 性发展【2 1 。“十二五期间，农业污染源将纳入污染物总量控制管理体系中，畜 禽养殖业将是农业源污染减排的主攻方向。 畜禽粪便中含量有大量的营养物，如n 、p 等。我国每年产生畜禽粪便量约 为1 7 3 亿吨，由此折算：畜禽粪便中总n 含有1 5 9 7 万吨，p 为3 6 3 万吨1 3 。，畜 禽养殖业养分转化率很低n 效率为1 2 7 9 ，p 效率为4 9 1 4 。它不光造成了营养 资源的浪费，同时也造成了环境中氮磷污染。据估算，一个饲养数量为1x1 0 4 头的养猪场，每年排到环境中的n 为1 3 6 t ，p 为2 3 4 t ，那么全国每年仅猪粪 就可排出1 0 6 2 x1 0 4 一2 1 2 4 1 0 4 t 磷1 5 j 。畜禽养殖业已然成为部分农村污染的主 要因素和主要污染治理对象之一。 2 0 1 0 年2 月发布的第一次全国污染源普查公报中对农业源、生活源和 工业源的主要污染物排放量进行了分析、汇总。畜禽养殖业的c o d 和氨氮的排 放量分别为1 2 6 8 2 6 万吨7 1 7 3 万吨，分别占农业源c o d 和氨氮排放量的9 5 8 和7 8 1 ，分别占全国c o d 和氨氮排放量的4 1 9 和4 1 5 。 随着人们对猪场废水污染危害性的认识加深，环境污染治理技术也相应地 迅速发展，国内外对猪场废水已进行了大量相关研究，开发高效、经济的猪场 废水处理工艺技术也成为了目前的研究热点。 本论文采用固液分离+ i c + s b r 工艺处理猪场废水，通过对i c 、s b r 反应 调试启动、运行特性的研究，探讨反应器启动的影响因素、最佳工艺运行控制 条件、运行过程中的异常情况及其应对措施，为猪场废水的处理提供了相关参 考依据。 第2 章文献综述 第2 章文献综述 2 1 猪场废水的水质特征 2 1 1 猪场废水的来源 目前，养猪场主要采用三种清粪方式：水冲式、水泡粪和干清粪。不同清 粪工艺所产生的粪污废水的水质与水量也不尽相同，前面两种清粪工艺所排污 水及粪尿混合起来形成的混合废水，因此存在很多可溶性有机物，废水有机浓 度很高，导致后续处理难度加大；干清粪工艺在我国北方运用较多，干粪由人 工或机械收集进行分离，猪场排放的废水由污水排放口排出，该工艺猪舍内相 对清洁，臭味相对少，产生的污水量也相对较少，尤其是采用该种工艺排出的 废水污染物成分较少，大大降低了后续处理的难度；而干粪直接分离后，其养 分损耗小，形成的肥料价值也相对高些1 6 1 。 2 1 2 猪场废水的危害 1 氮磷污染 目前，猪场饲料中营养物质的不平衡，造成了猪对含氮和含磷化合物的吸 收不完全，多余的氨基酸在猪体内代谢分解经尿液排出；另外，植酸磷难以被 猪消化也通过代谢排除，这就是猪场排泄物中氮、磷的主要来源。这些畜禽粪 便中氮直接或被氧化成硝酸盐后排入水体，经径流、下渗污染地表水及地下水， 造成水体富营养化，使得水体变黑发臭，对环境污染极大。 2 重金属污染 随着我国养殖业向规模化、集约化发展，饲料工业也随之迅猛发展。饲料 中含有大量的铜、铁、锌等重金属添加剂。其中，铜高达数百m g k g ，锌达数十 m g k g 据报道称：全国每年使用的饲料添加剂为1 5 x1 0 4 1 8 x1 0 4 吨，其中约有 1 0 x1 0 4 吨左右没有被吸收利用，而是随着粪便排出，变成污染物质【7 】。此外一 些金属元素的存在有可能导致土壤物理性状退化，从而降低了土地的利用效率。 重金属不但污染水环境、土壤环境，还会通过食物链富集从而危害人体健康。 3 病原菌污染 猪场废水含有大量的致病菌、寄生虫、寄生虫卵及有害微生物等有害物质。 2 第2 章文献综述 相关数据表明：猪场排放的污水平均每毫升大约含有3 3 万个大肠杆菌、6 9 万个 大肠球菌；每1 0 0 0 m l 沉淀池污水中含有1 0 0 多个线虫卵和1 9 0 多个蛔虫卵【8 】。 一些病原菌是人类传染病的病原菌，会通过土壤、水体、大气及农畜产品来传 染疾病。因此，未经无害化处理的粪便直接排入水体易造成传染病的流传，常 见的有布氏杆菌、猪瘟、猪丹毒、伤寒、炭疽、钩端螺旋体等【9 】。 4 臭气污染 猪场废水及粪便会产生一种挥发性低分子化合物的臭气，该类化合物主要 含有有机酸、硫化氢、氨、硫醇、酚类及吲哚等【l o 】，这种臭气对环境造成影响 极大。其中，氨气会刺激人畜的呼吸道，还会引起畜禽免疫力下降；硫化氢会 危害人畜眼睛和呼吸道，浓度高时还会引起人畜中毒甚至死亡。 2 1 3 猪场废水的水质特性 目前，我国大部分规模化养殖场多采用水冲式工艺。采用水冲式工艺方便、 快捷，但是会把猪粪及散落的饲料随同猪尿全部冲到废水中，造成猪场废水浓 度高、悬浮物多、氨氮含量高、污染成分复杂、臭味大、排放量大等特点【1 1 】， 一些指标均超出国家排放标准几倍甚至几十倍。相关研究表明，猪粪的b o d 5 约为6 0 0 0 0 m g l ，猪粪尿混合物的b o d 5 的约为3 0 0 0 0 m g l ，猪场排放废水的 b o d 5 一般高达2 0 0 0 - - - 8 0 0 0 m g l ，猪场废水中氮、磷的浓度一般是生活污水的 2 0 , - 一5 0 倍。 从污水治理角度出发，猪场废水具有以下特点： 1 污染负荷大 资料表明，每年每头猪所产生的污染负荷( 按b o d 5 计算) 相当于人的1 0 1 3 倍，即1 个万头猪场的污染负荷相当于一个1 0 , - - 1 3 万人口的城镇，据估算， 全国每年猪、牛、家禽( 按鸡计) 所产生的污染负荷，其人口当量大约是全国总人 口的5 6 倍1 1 2 j 。 2 污染成分复杂 猪场废水有机污染物浓度较高，其主要污染物指标为c o d 、b o d 、s s 、 n h 4 十- n 及恶臭等； 3 水量、水质受等外部因素影响大 市场因素直接影响猪场存栏数量，间接影响猪场废水的排放量；气候因素 对猪场废水的影响主要包括两方面：一方面，舍猪为保证卫生安全，夏季用水 3 第2 章文献综述 量明显高于冬季用水，另一方面，温度影响对猪场废水处理尤其是厌氧处理影 响颇大；相关研究表明，猪的种类的不同和其在成长过程不同阶段，所排粪尿 量也存在较大差异【】3 j ；此外，地域因素、人工操作因素等也直接影响猪场废水 的水质、水量。这些因素共同导致猪场废水的水质、水量的不稳定性。 4 治理手段受经济因素制约 我国对猪场废水的处理技术尚不是很成熟，一般一次性投资和运行费用大； 猪场养殖属于微利行业，其受到自然与市场的双重风险，且多数养殖场处于农 村，企业经营者本身的治理意思及环保积极性也不高，以上多重因素直接导致 其经营者主观要求降低成本，节约运行费用。另外，在回收利用方面，虽然猪 粪的回收已在多地实施，但是由于猪场往往地初偏僻、各自分散，实施起来有 一定困难；沼气利用也已在多地推行开来，又因为其地理原因，地处偏僻农村， 其沼气产生的能源难以往外输送，其能源转换、利用及输送的投入在很大程度 上也限制沼气利用的发展。 2 2 猪场废水的处理技术研究 目前，猪场废水处理技术从大的方向上可以归纳为三种方法【1 4 j ：物理化学 法、自然生态法和生物处理法。其中应用最广泛的是生物处理法，即主要通过 微生物的代谢过程把废水中的有机物转化为新微生物的细胞和简单形式的无机 物，从而达到去除有机物的目的。 2 2 1 物理化学法 猪场废水含有大量的固体悬浮物，物理法是通过物理作用将猪场污水中不 溶解的悬浮物质分离出来，不改变其化学性质。固液分离对养殖场粪便废水处 理十分重要，经过固液分离后，总悬浮固体、c o d 一般能下降3 0 - - 4 0 左右， 可以有效减轻后续的处理污染物负荷【l 5 | 。 化学处理法主要针对猪场废水中的溶解性或胶体性的污染物质【l6 1 。向污水 中投加某种化学物质，利用化学反应来实现污染物质的分离，或者将其转化为 无害物质。常见的混凝剂有：石灰、三氯化铁、硫酸铝、碱式氯化铝、有机高 分子化合物如聚丙烯酞胺( p a m ) 等1 6 叫7 】 物理化学法处理猪场废水虽然简单、实用，但其操作成本较高，并有引发 二次污染的可能，因此一般只作为废水的预处理或后续深度处理。 4 第2 章文献综述 2 2 2 自然处理法 自然处理法是指采用生态方法如氧化塘、人工湿地等对养殖场粪污进行处 理的方法。 稳定塘( l a g o o n ) 也称为氧化塘，主要指依靠微生物、藻类、水生植物等 多种生物的综合作用从而达到净化废水的一种生物处理技术【1 8 】。稳定塘通常是 利用天然或经过人工修整的池塘作为废水处理的构筑物，对废水的净化与天然 水体净化类似，有机物通过水体中的微生物代谢得到降解。其处理塘按工作原 理的不同大致分为：厌氧塘、兼性塘、好氧塘、速藻类塘、水生植物塘、高生 态塘( 如养鱼塘) 等。在猪场废水的处理中，常用的氧化塘为：厌氧塘、好氧 塘、水生植物塘等【1 9 1 。在国外，猪场废水经常会采用多级厌氧塘、兼性塘、好 氧塘与水生植物塘结合进行处理1 2 0 。水力停留时间长，占地面积大。在多数情 况下，氧化塘一般只作人工湿地的预处理单元。国内稳定塘通常用于厌氧、好 氧系统出水的后续处理。 人工湿地处理技术是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种污水处理技术，一 般指通过沉淀、吸附、过滤、微生物同化、硝化、反硝化以及植物吸收等过程 来去除废水中的悬浮物、有机物、n 、p 及重金属的一种废水处理技术【2 1 1 。人工 湿地按其流动方式可大致分为地表流湿地、潜流湿地及垂直流湿地。人工湿地 将物理、化学、生物三种作用相互综合，具有处理效果好，脱氮、除磷能力强， 运行费用省以及适应能力强等特点。 针对人工湿地处理猪场废水，国内也进行一些实验研究与工程应用，关键 在于植物的筛选和处理效果的控制。廖新弟等【2 2 】分别以香根草和风车草为主要 植被，建立人工湿地，研究表明：不同季节，去除效果不同，c o d c r 去除率一般 可达9 0 以上，b o d 5 一般可达8 0 以上，其抗有机负荷冲击能力强。 自然处理法优缺点【2 3 j 见表2 1 ： 表2 1自然处理法优缺点 5 第2 章文献综述 2 2 3 生物处理法 1 厌氧处理【2 4 2 7 】 厌氧处理( a n a e r o b i cp r o c e s s ) ，是指在厌氧条件下，创造厌氧微生物所需要 的营养条件和环境条件，利用这类微生物降解废水中的有机物并产生甲烷和二 氧化碳的过程。厌氧过程大致分为四个阶段：水解、发酵( 酸化) 、产乙酸及产 甲烷阶段。 ( 1 ) 水解阶段 水解一般指复杂的非溶解性的有机聚合物被降解为简单的溶解性单体或二 聚体的过程。废水中高分子有机物相对分子量巨大，无法透过细胞膜，顾不能 被细菌直接利用，而是在先被细菌胞外的酶分解为小分子有机物。这些小分子 有机物的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜被细菌所利用。水解过程一般较 为缓慢，一般被认为是厌氧降解的限速阶段。影响水解的速度与水解的程度因 素有：温度、有机物的组成、水解产物的浓度等多种因素。 ( 2 ) 发酵( 酸化) 阶段 发酵一般指有机物既作为电子受体同时作为电子供体的降解过程，在该过 程中可溶性有机物被转化为挥发性脂肪酸等末端产物，该过程也被称为酸化阶 段。 在此阶段，小分子化合物合物在发酵细菌( 即酸化菌) 的细胞内转化为更 简单的化合物排出细胞外。绝大多数发酵细菌是严格的厌氧菌，但一般有大约 1 的兼性厌氧菌在厌氧环境中存活，它能够起到保护那些严格厌氧菌( 如甲烷 菌) 免受氧的抑制与损害的作用。该阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、乳酸、 醇类、二氧化碳、氨、硫化氢、氢气等，产物的组成取决于厌氧降解的条件、 底物种类及微生物种群。同时，酸化菌也利用部分营养物质合成新的细胞物质。 在厌氧降解过程中，必须考虑酸化细菌对酸的耐受力。产甲烷过程合适p h 值的范围在6 5 - - 一7 5 之间，p h 值的下降将会减少甲烷的生成和氢的消耗，并进 一步导致酸化末端产物组成的改变。 酸化过程是由大量的、多样的发酵细菌来进行的，其中大多是专性厌氧菌， 只有大约1 是兼性厌氧菌，这些兼性菌在反应器受到氧气的冲击时，能迅速消 耗掉这部分氧气，从而保证废水低的氧化还原电位，确保产甲烷菌的厌氧运行 环境。 酸化过程的底物取决于厌氧降解的条件、底物的种类及参与酸化的微生物 6 第2 章文献综述 种群。一个稳态运行的反应器，酸化反应的最主要产物为：乙酸、二氧化碳、 氢气，而这些恰恰是产甲烷阶段所需要的重要底物。 该阶段，会产生两种重要的厌氧反应指示性底物：挥发性脂肪酸( v f a ) 、 氨氮。v f a 过高会导致废水的p h 下降，逐渐影响到产甲烷菌的正常繁殖，使整 个反应的自然碱度也会较少，同时产气量减小，系统p h 平衡能力变弱，厌氧反 应陷入恶性循环，甚至导致系统崩溃。氨氮主要起平衡的作用，一方面，中和 部分v f a ，提高废水p h 的缓冲能力，同时又提供生物体合成自生生长所必须的 氮源，但是过高的氨氮又会给微生物带来毒性，从而抑制微生物生长。废水中 的氨氮来源主要是由于蛋白质的分解，生活污水中氨氮一般在2 0 - 一5 0 m g l 左右， 该范围也是厌氧微生物的理想氨氮范围。 在脂肪酸的降解过程中会产生大量的氢气，要保证以上反应得以正常进行， 必须消耗掉足够的氢气，才能维持反应的平衡。 ( 3 ) 产乙酸阶段 在产氢产乙酸菌的作用下，酸化阶段的产物被进一步转化为乙酸、碳酸、 氢气以及新的细胞物质。 其反应式如下： c h 3 c h o h c o o - + 2 h 2 0 - c i - 1 3 c 0 0 。+ h c 0 3 - + h + + 2 h 2 a g 0 = - 4 2 k j m o l c h 3 c h 2 0 h _ _ 卜h 2 0 一 c h 3 c o o + h + + 2 h 2 0 a g 0 = 9 6 k j m o l c h 3 c h 2 c h 2 c o o + 2 h 2 0 一 2 c h 3 c o o 。+ h + + 2 h 2a g 0 = 4 8 1 k a m o l c h 3 c h 2 c 0 0 - + 3 h 2 0 一 c h 3 c o o + h c 0 3 - + h + + 3 h 2g 0 = 7 6 1k j m o l 4 c h 3 0 h + 2 c 0 2 一 3 c h 3 c o o + 2 h 2 0a g 0 2 9 k j m o l 2 h c 0 3 + 4 h 2 + h + - - c h 3 c o o + 4 h 2 0a g 0 7 0 3 k j m o l 从上述反应方程式可以看出：乙醇、丙酸和丁酸无法降解，但反应中氢的 消耗，会导致反应向右进行，因此该阶段氢的平衡尤其重要，转化的能量由后 续的产甲烷过程所提供。实际上，该阶段和发酵阶段都是由同一类细菌完成， 都在细菌体内进行，产物也都排放到水体中，两者的区分界限并不十分明显。 ( 4 ) 甲烷阶段 该阶段乙酸、碳酸、氢气、甲酸和甲醇被转化为甲烷、二氧化碳及新的细 胞物质。甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、二氧化碳及氢气等转化成甲烷的过程由两 种不同的产甲烷菌完成，一种把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一种从乙酸或乙 酸盐脱羧产生甲烷，第一种大约占总量的1 3 ，第二种大约为2 3 。 7 第2 章文献综述 其最主要的产甲烷过程反应有： c h s c o o 。+ h 2 0 一 c h 4 + h c 0 3 a g 0 = 一31 o k j m o l h c 0 3 + h + “h 2 一 c h 4 + 3 h 2 0 a g 0 1 3 5 6 k j m o l 4 c h 3 0 h 一 3 c h 4 + c 0 2 + 2 h 2 0 a g 0 = - 31 2 k j m o l 4 h c o o + 2 h + - - c h 4 + c 0 2 + 2 h c 0 3 。 a g o 一3 2 9 k j m o l 在甲烷的产生过程中，其主要的中间产物是甲基辅酶m ( c h 3 s c h 2 s 0 3 ) 。 上述四个阶段的反应速度根据废水的特性而变化，在以含纤维素、半纤维 素、果胶或脂类等污染物为主的废水中，水解速度易受限制；简单的糖类、氨 基酸、淀粉及一般蛋白质都是能被微生物迅速分解的有机物，对含这类有机物 的废水，产甲烷易受限制。事实上在厌氧反应器中，上述四个阶段是同时进行 的，并保持相对的动态平衡。影响平衡的外加因素有：p h 值、温度、有机负荷 等。该平衡一旦被所破坏，则首先产甲烷阶段受到抑制，从而导致低级脂肪酸 的积存和厌氧进程的异常，甚至导致整个消化过程停滞，系统崩溃。 厌氧生物处理技术在猪 场污水处理中是较为常见 的。对于猪场的高浓度有机 废水，主要是厌氧微生物利 用粪料作为生长养料进行繁 殖、发酵从而产生沼气。含 水量较低( 6 0 一- - 7 0 ) 的以 乳酸发酵为主，含水量高( 大 于8 0 ) 的就以沼气发酵为 主。厌氧生物处理能大量除 去可溶性有机物，去除率可 达7 0 8 5 ，同时能杀死 许多传染性病菌，有利于防 疫。通过厌氧发酵，能够有 效地降解有机污染物、减少 臭味，并回收沼气能作为能 i 。避求i 乏镩堋嚣懿皎翠3 濯滏：静管，筏溅势鬻沼筏导警， 墨- 匿漉麓lt 筇：蠢强e 魏，潭l 巍p 程l 乳镉a 耄啜i1 9 出承宦l1 1 气豺 图2 1i c 反应器构造原理图 源，变废为宝。其主要工艺有：完全混合式厌氧反应器( c s t r ) 、厌氧滤池( a f ) 、 上流式厌氧污泥床( u a s b ) 、内循环厌氧反应器( i c ) 、厌氧折流板反应器( a b r ) 、 8 第2 章文献综述 厌氧接触法( a c p ) 、厌氧序批式反应器( a s b r ) 、斜流式隧道厌氧污泥滤床( l a t s ) 、 厌氧复合反应器( u b f ) 、推流式厌氧滤器( p a f r ) 等。 i c 厌氧技术简介： 内循环厌氧反应器( i n t e r n a lc i r c u l a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r ，简称i c 反应器) 是由荷兰p a q u e s 公司于2 0 世纪8 0 年代中期开发成功，是第三代厌氧生化反 应器的主要代表工艺之一【2 8 1 。该反应器的重要特征为形成内循环，气体分离及液 体分离分别在上下两个三相分离器内完成。i c 反应器不但有机负荷高，水力负荷 也很高1 2 9 1 。 i c 反应器构造及工作原理【2 9 3 5 】 ( 1 ) i c 反应器基本构造 i c 反应器基本构造如图2 1 所示。反应器构造特点是具有很大的高径比( 通 常可达4 - - 8 ) ，反应器高度可高达1 6 一- 2 5 m 。由图2 2 可知，1 c 反应器由5 个 基本的部分组成：混合区、第一厌氧区、第二厌氧区、内循环系统及沉淀区。i c 反应技术的核心是内循环系统，它由三相分离器、气液分离器、沼气提升管、 泥水回流管等组成。 ( 2 ) i c 反应器的工作原理 混合区：废水从反应器的底部进入，在此废水跟颗粒污泥及气液分离区回流 过来的泥水混合物充分地混合； 第一厌氧区：泥水混合物进入此区，该区污泥浓度很高，大多有机物在此被 微生物降解转化成沼气。其上升流速及沼气的剧烈扰动作用使得此区域内污泥 呈流化状态，从而加大了泥水的表面接触，加强了泥水传递效果，提高了污泥 活性； 第二厌氧区：污水经过第一厌氧区后，通过下端三相分离器至第二厌氧区。 与第一厌氧区相比，此区域的污泥浓度更低，污水水中大部分有机物已被降解， 沼气产生量较少，沼气通过沼气管导入气液分离区，对第二厌氧区的扰动较小， 从而确保污泥停留不被带出； 内循环系统：沼气在气液分离区内分离出来，被沼气带出第一厌氧区的泥水 混合物则沿着回流管返回到混合区，与反应器底部的污泥混合，从而实现了混 合液的内部循环； 沉淀区：泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液排出，沉淀的污泥返 回第二厌氧区污泥床。 9 第2 章文献综述 从i c 反应器的工作原理中可见，其主要靠二组三相分离器达到s r t h r t 的效果，保持反应器厌氧污泥浓度很高；并且由于大量沼气的剧烈扰动，使得 泥水充分接触，从而大大提高传质效果。 2 好氧处理 利用好氧微生物在有氧条件下进行生物代谢以降解有机物，使其稳定的、 无害化的处理方法【36 。微生物利用水中存在的有机污染物为底物进行好氧代谢， 经过一系列复杂的生化反应，逐渐释放能量，最终以低能位的无机物形式稳定 下来，达到无害化的要求。污水处理工程中，好氧生物处理法主要有活性污泥 法和生物膜法两大类。 ( 1 ) 活性污泥法 活性污泥法( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 3 7 - 3 9 是一种以活性污泥为有机物降 解主体的废水生物处理方法，是指在曝气条件下，对污水和各种微生物群体进 行连续混合培养，从而形成活性污泥颗粒。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和 氧化作用，来降解污水中的有机污染物。泥水分离后，大部分污泥继续回流到 曝气池，多余部分排入污泥池。 活性污泥法的原理形象说法：污水中的有机物被微生物“吃掉”了，使得 污水变成了干净的水。原理上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化， 污水净化的效果变得更好。 活性污泥法的基本组成包括： 曝气池：主体结构，降解有机物； 二沉池：进行泥水分离；提供回流污泥； 回流系统：保证曝气池的污泥浓度；调节回流比，从而调整曝气池的运 行工况： 排泥系统：去除死泥及多余有机物从而保证系统的稳定运行； 供氧系统：提供生物降解所需要的溶解氧。 活性污泥运行的基本条件是： 足够的易降解、可容性的有机物； 充足的溶解氧； 形成悬浮的污泥颗粒； 保持活性污泥浓度，定时排除剩余污泥； 防止有毒有害的物质流入。 1 0 第2 章文献综述 ( 2 ) 生物膜法 生物膜澍4 0 j ( b i o m e m b r a n c ep r o c e s s ) 的微生物( 即生物膜) 来进行污水处理的 方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌 氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类 等组成的生态系统，其分布状况见图2 2 ， 其附着的固体介质称为载体。生物膜自内 向外可分为厌氧层、好氧层、附着水层、 流动水层。生物膜法的原理如下：生物膜 首先吸附附着水层的有机物，由好氧层的 好氧菌将其降解，再进入厌氧层进行降解， 流动水层则将老化的生物膜冲掉脱落，新 的生物膜又重新长出，如此往复以达到去 除有机物净化污水的目的。 生物膜法是废水中微生物沿载体表面 而生长的生物处理方法的统称。废水和生 是利用附着生长于某些固体物表面 图2 2 生物滤料上生物膜的构造 物膜接触时，污染物从水中有机物被吸附到膜上，然后由微生物消化，从达到 有机物降解的目的。生物膜法的典型流程的生物器有：生物滤池、生物转盘、 曝气生物滤池等。 生物膜的形成有三个要素： 起支撑作用的载体物； 有机物、n 、p 以及其它营养元素； 接种微生物。 生物膜的成熟的状况如下： 此时，生物膜上各种微生物组成的复杂生态系统、生物膜对有机物的降解 功能都达到了平衡和稳定。微生物包括各类细菌和微型动物等，都起着去除有 机物的作用，组成了有机污染物细菌原生动物一后生动物构成的复杂而稳定的 食物链。 生物膜的更新与脱落过程介绍： 1 ) 厌氧膜的出现过程，又称挂膜： 随着生物膜厚度逐渐增加，废水中氧气无法到达的内部深处，内部就 q c o ， 第2 章文献综述 形成了厌氧环境； 成熟的生物膜一般都由厌氧膜和好氧膜组成； 好氧膜是降解有机物的主要场所，一般厚度达2 m m 。 2 】厌氧膜的加厚过程： 厌氧区域的代谢产物不断增多，破坏了厌氧膜和好氧膜之间的平衡； 厌氧产生气体并不断逸出，填料上的生物膜的附着能力被减弱； 逐渐成为老化生物膜，净化功能逐步衰退，污泥活性降低，吸附力降低， 逐步脱落。 3 ) 生物膜的更新： 老化膜受水力冲击等因素脱落，新生生物膜重新生长起来； 新生生物膜的净化功能较强。 s b r 技术简介【4 1a 2 , 4 3 】： 序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 简称s b r ，它的处理原理和 传统活性污泥法大致相同。 s b r 最基本的特点是处理工序呈间歇、周期性，整个运行过程分成进水期、 反应期、沉降期、排水期和闲置期，五个运行期连续运行，称一个运行周期。 s b r 的脱氮除磷主要通过厌氧好氧缺氧的处理过程。从微生物生长环境角 度看，s b r 法最大的优点是微生物处于富营养、贫营养、好氧、缺氧周期性交替 变化的环境中因此能够很好地满足生物脱氮除磷的环境条件。 猪场废水成分复杂、水质波动大、有机物浓度高、n h 3 - n 值高，属于难处 理废水。s b r 活性污泥法提供在同一反应器中创造好氧、厌氧交替进行的环境， 同步实现有机物的降解、脱氮、除磷等多种操作，工艺简单、耐冲击负荷能力 强、操作灵活，特别适合处理养猪废水这种水质水量变化大的废水】。 1 2 第3 章研究内容与方法 第3 章研究内容与方法 3 1 课题的来源 本次论文研究课题来源于吉安市某养猪场。该养猪场年产种猪约8 0 0 0 头， 商品猪5 2 0 0 头，该养猪场每天排放大约1 6 0 m 3 废水。为了保护当地环境，公司 决定建设猪场废水处理设施，根据项目所在地受纳水体功能及当地环保部门要 求，废水经治理后要求出水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 标准要求。 3 2 研究内容 对猪场废水处理工程研究的内容主要包括： 1 、i c 反应器的启动以及正常运行过程中p h 、v f a 、碱度( a l k ) 的变化 对c o d 去除效果的影响。 2 、i c + s b r 处理工艺对c o d 、n h 3 - n 的降解效果； 3 、根据现场调试运行过程中的实际情况、进行运行成本分析，对工艺的可 行性、经济性做出具体的分析； 4 、分析整个处理系统在调试过程和正常运行中的p h 、c o d e r 、n h 3 - n 等水 质参数的变化曲线。 3 3 创新点 1 、应用i c + s b r 的组合工艺对废水中的c o d ( b o d ) 、n h 3 - n 进行处理，探 讨该处理工艺对养猪废水处理的运行效果及工艺参数，并对整体运行结果进行 评价； 2 、i c + s b r 组合工艺对c o d 、n h 3 - n 去除效果的分析： 3 、确定影响i c + s b r 处理猪场废水运行效能的控制因子及参数； 4 、研究该处理工艺、设施的工作原理和运行特性，最终得出整个处理系统 的最优控制条件及工艺的可行性，并对整体运行结果进行评价，为同类工程提 供参考。 1 3 第3 章研究内容与方法 3 4 工艺流程及特点 3 4 1 废水水质、水量 根据同类工程调查和业主提供的资料，废水主要来源于猪尿、地面冲洗废 水，含有粪便、尿、饲料等。其废水水质基本见表3 1 所示： 表3 1 猪场废水水质水量 6 f 6 0 0 0 3 ；3 3 了鼍嘉1 豁3 ：吕了 2 4 1 0 8 1 5 0 0 0 1 0 8 1 0 u 97 0 0 01 2 0 02 4 5。4 i o o 2 3 4 2 废水排放标准 根据项目所在地受纳水体功能及当地环保部门要求，废水经治理后要求出 水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准( g b l 8 5 9 6 2 0 0 1 ) 标准要求，集约化 畜禽养殖业水污染物最高允许日均排放浓度见表3 2 。 表3 2 集约化畜禽养殖业水污染物最高允许日均排放浓度 6 94 0 01 5 08 08 02 0 01 0 0 0 3 4 3 工艺流程的选择 猪场废水属高浓度有机废水，根据表3 1 所示，该废水b o d 5 c o d 大于0 4 ， 可生化性能很好，废水中n 、p 等营养充足，是很适于进行生化处理的有机废水， 因此应采用生物处理技术为主的处理方式。在设计方案的选择上，结合实际主 要参考畜禽养殖业污染治理工程技术规范h j4 9 7 2 0 0 9 。 ( 1 ) 固液分离 根据猪场废水的特性，参照表3 1 所示，该废水固体悬浮物含量( 即s s ) 达 3 0 0 0 4 0 0 0m g l 。该养殖场采用人工清粪的方式，又受猪场本身条件限制，清 粪不很彻底，大量猪粪随冲洗水流出猪场，为保证后续处理设备正常运行，必 须在前端设置固液分离。一方面，通过固液分离可使液体部分的污染物负荷量 大大降低【4 5 】；另一方面该猪场定期有收粪车前往收购干猪粪，直接给猪场带来 经济效益，有助于提高业主治理运营的积极性。由于该猪场的喂养方式，猪粪 中含大量的长纤维，一些猪粪呈块状结构，若采用常规提升泵很容易产生堵塞， 1 4 第3 章研究内容与方法 因此，该项目采用集水井机械搅拌后通过切割泵作为固液分离机前端的提升设 备。 ( 2 ) 生物处理 生物处理单元是猪场废水中的重头部分，在该单即要考虑，c o d 、b o d 的 降解，又要考虑的猪场废水的脱氮除磷的要求。按畜禽养殖业污染治理工程 技术规范1 4 6 ，采用厌氧+ 好氧的方式符合其处理要求，本方案厌氧部分采用 i c 工艺，好氧部分采用s b r 工艺。针对脱氮除磷要求，设置回流系统，并在厌 氧前设置初沉调节池，一方面吸纳固液分离后废水及回流废水；另一方面稳定 水质保证后续i c 反应器正常运行。 ( 3 ) 排泥系统 针对该项目，从有机物降解及除磷要求两方面，综合设定s b r 池的排泥周 期，初沉池也应根据现场实际情况适当排泥。另外，厌氧反应器内保持足够的 污泥量，是保证反应器运行效果的基础。但经较长时间运行后污泥量过度时， 会因污泥沉淀使有效积容缩小而降低效率，甚至会因堵塞而影响正常运行或者 因短路使出水中夹带大量污泥，影响出水水质【4 6 1 。因此应定期对厌氧反应器进 行适量排泥。 ( 4 ) 沼气利用 该项目参照规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程 ( n y t1 2 2 1 2 0 0 6 ) 中要求，设置了沼气贮气柜、沼气净化装置及发电装置，该 部分属于业主自建部分。 综上所述，该猪场废水的处理工艺流程图如图3 1 所示。 工艺流程说明： 猪场冲洗废水经收集系统排入集水井中，集水井内设置机械搅拌系统，防 止猪粪沉积，废水通过液位控制由切割泵提升至固液分离机，滤液流入初沉调 节池，然后提升至i c 反应器，进行厌氧反应，厌氧处理后的水直接排入s b r 池， s b r 池中废水部分回流至初沉调节池，部分排入下游鱼塘。根据畜禽养殖业 污染治理工程技术规范中经厌氧反应器后，设置后固液分离就可以直接排入 鱼塘，但考虑到下游鱼塘不大，瞬时排放可能超过鱼塘受纳能力，导致鱼塘生 态失衡。因此，在厌氧后设置s b r 池，以缓减鱼塘降解压力。针对猪场废水脱 氮除磷的要求及i c 反应器的酸碱度调节，s b r 池设置为部分回流，与污泥池上 清液及压滤机滤液一起回流至初沉调节池。 1 5 第3 章研究内容与方法 一鱼堕 图3 1废水处理：1 ：艺流程框图 3 5 主要构筑物及设备简介 3 5 1 集水井 功能：收集废水，固液分离创造有利条件 ( 1 ) 集水井 外形尺寸：2 0 0 0 2 5 0 0 有效深度：2 o m 停留时间：1 h 数 量：1 座 ( 2 ) 液位控制器 规 格：f q l 0 0 数量：1 台 ( 3 ) 搅拌机 规格：非标 1 6 第3 章研究内容与方法 数量：1 台 ( 4 ) 切割泵 规格：a s l 6 2 c w b 数量：2 台( 一备一用) ( 5 ) 固液分离机 规格：z f 2 0 0 数量：1 台 3 5 2 初沉调节池 功能：保障i c 反应器进水要求，提供其取水点 ( 1 ) 初沉调节池 外形尺寸：3 0 0 0 ) 3 0 0