SBR工艺同步去除屠宰废水高浓度氮磷贾艳萍

2011年第30卷第7期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·1627·化工进展SBR工艺同步去除屠宰废水高浓度氮磷贾艳萍1，2，王莹1，张兰河1，李军1（1东北电力大学化学工程学院，吉林吉林132012；2沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳110866）摘要：研究了采用序列间歇式活性污泥法（SBR工艺）同步去除屠宰废水中高浓度氮、磷和COD。结果表明，SBR工艺采用分步进水，避免了硝化阶段NO3-N和NO2-N的积累，能够提供生物除磷所需的厌氧环境。在温度为35℃、污泥龄为14天的条件下，采用两种成分废水作为原水（预发酵废水和屠宰废水混合），经过3个月的启动，当原水中TP、TN和COD浓度分别为36.5mg/L、226mg/L和2615mg/L时，TP、TN和COD的去除率分别高于96%、95%和95.5%，出水中TP、TN和COD浓度分别低于1.4mg/L、10.8mg/L和95mg/L。关键词：预发酵；序列间歇式活性污泥法；屠宰废水；分步进水中图分类号：TQ914.3文献标志码：A文章编号：1000–6613（2011）07–1627–05SimultanousremovalofhighconcentrationnitrogenandphosphorusfromabattoirwastewaterbyusingasequencingbatchreactorJIAYanping1，2，WANGYing1，ZHANGLanhe1，LIJun1（1SchoolofChemicalEngineering，NortheastDianliUniversity，Jilin132012，Jilin，China；2SchoolofFoodScience，ShenyangAgriculturalUniversity，Shenyang110866，Liaoning，China）Abstract：Asequencingbatchreactor（SBR）wasusedtoremovehighconcentrationnitrogen，phosphorusandCODintheabattoirwastewater.Theresultsshowedthatstep-feedcouldavoidhigh-levelbuild-upofnitrateandnitriteduringthenitrificationandcreateanaerobicconditionsforbiologicalphosphorusremoval.Twotypesofabattoirwastewaterwereusedasrawwastewater，onewastheeffluentfromabattoirwastewaterandtheotherwasthepre-fermentorwastewater.Aftera3-monthstart-up，removalefficienciesoftotalphosphorus，totalnitrogenandCODwerehigherthan96%，95%and95.5%，respectively，whentotalphosphate，totalnitrogenandCODintheinfluentwere36.5mg/L，226mg/Land2615mg/L，respectively，undertheconditionofasludgeageof14daysat35℃.Theconcentrationsoftotalphosphate，totalnitrogenandCODintheeffluentwerelowerthan1.4mg/L，10.8mg/Land95mg/L，respectively.Keywords：pre-fermentation；sequencingbatchreactor（SBR）；abattoirwastewater；step-feed屠宰场排放的废水中含有大量的氮、磷等营养物质，且COD较高。在过去的20年里，屠宰废水中的生物脱氮和COD的去除一直备受人们的关注，而磷的去除则尚未引起人们的重视。有关生物脱氮和COD的同步去除工艺已经进行了系统的研究，并且已成功的应用在屠宰废水的处理上[1-4]。国内外的一些学者已经将序列间歇式活性污泥法（SBR法）成功地应用到了屠宰废水的处理上[5-10]。但是，有关磷的去除仍然只停留在化学法沉淀处理上，屠宰废水中生物除磷主要存在以下两个难题[11-12]：①废水中常含有大量的氨和有机氮，这些氮通过完全的硝化作用产生大量的硝酸盐，磷的去除需要不同的厌应用技术收稿日期：2010-12-21；修改稿日期：2011-01-19。基金项目：吉林省科技发展计划项目（应用技术研究）（20090599）。第一作者及联系人：贾艳萍（1973—），女，博士，副教授，主要从事废水生物处理理论与工艺的研究。[e-mail]。DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2011.07.042化工进展2011年第30卷·1628·氧和需氧/无氧环境，而大量硝酸盐的存在破坏了水体中的厌氧环境，使得系统很难保持厌氧环境，这样对开发一种稳定和可靠的生物除磷工艺是一个障碍；②屠宰废水中富含大量的脂肪、油及油脂，当将其直接添加到活性污泥系统中时会使污泥的可沉降性变差，因此应在生物脱氮之前对其进行预处理。本研究主要利用序列间歇式活性污泥法（SBR工艺）同时去除屠宰废水中高浓度氮、磷和COD，通过调整曝气量和进水时间控制好氧、缺氧、厌氧条件，及时去除影响生物除磷效果的硝酸盐，避免硝酸盐的积累。同时在本实验中配备一个预发酵反应器[13-16]，当屠宰废水不能满足碳源需求时，用它提供额外的挥发性脂肪酸（VFA）进行生物脱氮除磷。1材料和方法1.1废水特点实验用水取自吉林省某屠宰场废水，废水进入SBR之前进行4天预发酵处理。预发酵过程中不接种微生物，而是利用原屠宰废水中微生物进行发酵，将温度保持在35℃。预发酵过程可降低脂肪、油脂和COD的浓度，同时产生可生物降解的COD，尤其是VFA（VFA的含量是生物除磷的关键）。预发酵的废水与屠宰废水性质的比较见表1。SBR运行期间进水指标的变化如表2所示。1.2主要分析项目和检测方法COD采用重铬酸钾法；NH4-N采用纳氏试剂光度法；NO2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3-N采用紫外分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；MLSS采用烘干恒重法；溶解氧浓度（DO）采用JYD-1A型溶解氧测定仪测定；pH值采用pHs-2C型pH计测定；磷酸盐采用氯化亚锡还原光度法；挥发性脂肪酸采用碳酸氢盐碱度和挥发性脂肪酸分析的联合滴定法。1.3实验装置及运行条件SBR反应器采用有机玻璃制成，反应器内径为10cm，有效容积为3.5L，通过时间继电器控制每一周期的反应时间，通过转子流量计控制曝气泵的进气流量。实验开始阶段，并未接种去除磷的活性污泥。在第60天时，在反应器中接种0.5L（MLSS4000mg/L）含有大量聚磷菌的活性污泥，以提高磷的去除率（接种的聚磷菌污泥来自于实验室取得良好除磷效果的A/O除磷工艺）。该装置采用温控仪控制温度35℃，以7h（进水→曝气5h→沉降1h→静置1h→排水）作为一个操作循环周期来处理屠宰废水。曝气阶段的溶解氧控制在1.5～2mg/L。经过沉淀阶段后，反应器中0.5L上层清液被排掉，水力停留时间为38h，污泥龄控制在14天，pH值7.5～8.3。该工艺利用ORP（氧化还原电位）控制反应器中缺氧期的硝酸盐浓度，除沉淀、排水和第1次进水外，采用反应器进行搅拌。实验装置见图1。本研究采用两种进水方法进行对比试验。一种分步进水，每个循环中分3次进水，0.5L原水分别以0.25L、0.15L和0.1L3次注入到反应器中（分别在操作周期的0h、3h、5h进水）。另一种一步进水，沉淀后SBR循环周期由一个非曝气期和一个曝气期构成，在非曝气期开始时向SBR系统中加入体积为0.5L原水。一步进水的曝气期和非曝气期与分步进水的运行时间相等，其它操作过程相同。表1不同类型的废水特点参数屠宰废水预发酵废水COD/mg·L－11940～2900402～490VFA/mgCOD·L－1306～458531～717TN/mg·L－1246～287198～220NH4-N/mg·L－1125～146180～187TP/mg·L－135～5232～47PO4-P/mg·L－134～3729～33表2SBR运行过程中进水指标的变化进水时间（0～30d）时间（30～80d）80d后VFA/TP3.211.214.5COD/TN4.87.913.1预发酵废水所占比例/%404055添加VFA未添加150mgCOD/L(乙酸)+60mgCOD/L(丙酸)150mgCOD/L(乙酸)+60mgCOD/L(丙酸)第7期贾艳萍等：SBR工艺同步去除屠宰废水高浓度氮磷·1629·图1SBR实验装置示意图1—水箱；2—DO测定仪；3—电动搅拌器；4—pH测定仪；5—温度测定仪；6—进水阀；7—曝气头；8—放空阀；9—进气阀；10—转子流量计；11—空气压缩机；12—取样口2结果与讨论2.1SBR系统氮磷的去除图2表明在分步进水的情况下，SBR工艺6个月的运行过程中进水与出水COD、氮、磷浓度的变化情况。经过2周的培养，COD的去除率高于90%，60天后COD的去除率高于95.5%，如图2（a）所示。从SBR系统出水中NH4-N浓度的减少可以看出，在不到1周的时间已经将硝化过程进行完全，而反硝化过程进行并不完全。在系统运行前30天，反应器中出水的NOx-N（NO3-N+NO2-N）达到50mg/L。为了促进反硝化作用，在第30天时，在进水中添加VFA（即150mg/L乙酸和60mg/L丙酸），出水中NOx-N浓度下降为10mg/L，如图2（b）所示。图2（c）表明，由于循环中硝酸盐的存在和系统中缺乏严格的厌氧环境，在前60天中磷并未去除，且聚磷菌（PAO）的代谢受到抑制；在第60天时将富含聚磷菌的0.5L污泥接种到SBR反应器中，磷的去除率大大提高，并且去除率一直保持稳定。同时，图2表明当磷的去除效果不断提高时，系统中NOx-N重新开始积累（60～80天）。当PAOs与反硝化细菌开始竞争碳源时，反应器中缺少可生物降解COD，将导致NOx-N的积累，大量的NOx-N将破坏PAOs所需的厌氧环境，从而最终将PAOs冲刷出系统。在PAOs添加之前，反硝化菌在非曝气阶段将进水中易生物降解的COD全部消耗，导致在这个循环结束时NOx-N的浓度较低。为了进一步增加有利于去除氮和磷所需VFA的量，在第80天时将预发酵的废水量从40%增加到55%，VFA浓度有很大的增加；反硝化作用大大加快，100天后出水中的TN浓度已低于12mg/L。图3表明，系统运行0～120天污泥浓度逐渐降低，在120天左右SBR系统运行达到稳定。VSS/MLSS介于0.86～0.90，MISS介于3880～3950mg/L。由图3中数据也可看出，污泥容积指数（SVI）相对较高，在160～230mL/gMLSS之间。原因是由于在预发酵废水中仍含有大量的脂肪、油和油脂。表3表明，第120～180天SBR系统中进水与出水指标的变化。SBR系统中COD、TN和TP的去除图2进水与出水COD、NH4-N、NO3-N、PO4-P、TP的变化化工进展2011年第30卷·1630·图3MLSS与SVI的变化规律率分别达到95.5%、95%和96%。废水中剩余的COD生物可降解性差且仅为进水中初始COD的5%。在每个好氧期结束，NH4-N被完全氧化，少量的NOx-N进入到下一个循环并迅速地在第一个厌氧阶段发生反硝化作用。由于SBR系统中NOx-N的缺失，在第一个非曝气期PAOs将大部分磷释放，而PO4-P在随后的好氧期被逐渐吸收