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同时反硝化产甲烷工艺处理奶牛养殖废水实例

水处理技术
2017-02-16
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姜 栋, 于宏兵

(南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)

本案例将同时反硝化产甲烷工艺作为某集约化奶牛养殖场废水处理工程的主体工艺,通过结合现场实际情况的设计调试,废水的COD、NH4+-N、TN等指标均达到DB32/1072-2007中的要求;生化处理系统稳定性增加,废水回用率达75%。同步反硝化产甲烷工艺的工程化应用可为同种类型高含氮有机废水的处理工艺设计和现有工程的提标改造提供新的思路。

工程概况

该工程项目服务于太湖流域某现代化集约式奶牛养殖场,该场存栏奶牛约800头,主要提供鲜奶产品。牛舍采用新一代干式清粪作业,最大化地减少了牛粪尿液进入污水系统,但挤奶车间及清洗车间仍有约150m3/d废水量产生,加上场区生活污水及其他生产废水量约50m3/d,废水总量稳定在200m3/d左右,属于高含氮有机废水。pH为7.5~8.5,COD为4.0~4.5g/L,NH4+-N、TN的质量浓度分别为200~250、200~250mg/L。

该工程设计水量250m3/d,执行DB32/1072-2007中“其他行业”排放要求。

工艺流程

废水处理工艺流程如图1所示。

展开剩余87%

废水由场区排水系统收集至污水处理站,经格栅过滤掉大尺寸的悬浮物后进入集水井,然后由提升泵提升至初沉池,沉淀大部分颗粒物后进入调节池。调节池中的废水由提升泵提升进入上流式厌氧污泥床(UASB)反应器,出水进入好氧池,完成剩余COD物质的氧化和NH4+-N的硝化。好氧泥水混合物经沉淀池泥水分离后,硝化液全部回流至调节池,与废水原水混匀后进入UASB反应器,在UASB反应器中去除大部分COD物质并完成脱氮反应,完成同步硝化产甲烷工艺过程。氧化池中有表面曝气机对废水进行二次充氧,后经质量分数5%的二氯异氰尿酸钠溶液氧化脱色消毒,约50m⊃3;/d的废水经活性炭过滤后外排,约150m⊃3;/d废水回用至车间冲洗地面。

沉淀池污泥定时回流至曝气池前端,保证好氧池中悬浮污泥量,剩余好氧污泥与初沉池中的沉淀物及过滤草料残渣、场区牛粪等有机固体废弃物一同外运至堆肥场。

主要构筑物及参数

格栅-集水井

格栅-集水井设计尺寸1.5m×2.0m×2.0m,钢砼结构,内部设置非标定制格栅,安装角度75°,栅距10mm,人工清渣,配有集水井提升泵1台,体积流量12m⊃3;/h,扬程10m。

初沉池-调节池

初沉池与调节池采用共壁形式,总设计尺寸8.0m×4.5m×5.0m,初沉池共有4个集泥斗,由于经格栅过滤后的废水颗粒物质较少,泥量不大,故采用静压力人工排泥;调节池容积100m⊃3;,由于硝化液全部100%,两池总调节时间<30min,防止废水停留时间过长产生气体影响初沉池沉淀效果。硝化液回流位置与废水进入调节池的位置重叠,有利于废水与回流水均匀混合。配备2台UASB提升泵,单泵体积流量30m⊃3;/h,扬程15m,1用1备。

USAB反应器

UASB反应器设计尺寸8m×8m×10m,钢砼结构,采用底部穿孔管均匀布水,设计COD容积负荷2kg/(m⊃3;·d),NO3--N负荷0.08~0.12kg/(m⊃3;·d),设计上升流速约0.33m/h。三相分离器收集产生的沼气和氮气经过水封排入大气,出水进入好氧系统。

好氧系统

好氧池设计尺寸为10m×6m×5m,钢砼结构,采用鼓风曝气,风机体积流量5m⊃3;/min,内置有软性填料架,采用泥-膜共生方式运行;沉淀池设计尺寸为8m×2m×5m,设有4个泥斗,沉淀池平面负荷约为1.0~1.3m⊃3;/(m⊃2;·h),采用静压力人工排泥。配有1座集泥井,1台体积流量15m⊃3;/h、扬程15m污泥回流泵,可以定时污泥回流,也可将污泥外排;1台硝化液回流泵,体积流量12m⊃3;/h,扬程10m。

氧化塘与深度处理系统

利用场区较大空余面积设计,总设计尺寸为25m×15m×2m,配置1台表面曝气机及2块景观浮岛填料。在氧化塘边设5m×2m×2m加药池1座,配有0.5m⊃3;聚乙烯搅拌加药罐2个,过滤活性炭罐1台,活性炭容量为1t,进水及反冲洗泵1台,体积流量10m⊃3;/h,扬程10m。配备回流水泵1台,体积流量15m⊃3;/h,扬程10m,可在废水加药消毒脱色后,将其回用至车间冲洗。

调试运行

整个生化系统首先按照传统厌氧-好氧生化工艺调试,待系统稳定后逐步增加硝化液回流,开始同步硝化产甲烷工艺调试。

向UASB反应器中投加市政污水厂水质量分数约80%的消化污泥200 m⊃3;,接种污泥体积约占整个反应器体积的1/3。城市污水厂污泥中富含反硝化细菌,有利于同时反硝化产甲烷的运行。该项目废水属于高含氮有机废水,其中N、P物质丰富,pH适宜,故无需添加营养物质及碱。厌氧反应器的启动采用“先提水量后提负荷”的方式,用清水稀释原水,初始的原水体积比为10%,将水量逐步提升至设计水量,在COD去除率稳定在80%以上3d的情况下,每次将原水体积比提升10%,直至进水100%为原水,该过程持续约45d。

好氧生化系统的调试与UASB反应器系统配合启动,由于硝化细菌的世代周期长,且细菌个体相对微小,故硝化细菌的培养和富集是关键。为方便硝化细菌的培养和富集,好氧池中投加约100m⊃3;城市污水厂未经消化处理的二沉池污泥,初始曝气池污泥质量浓度维持在约1.5g/L。采用间歇曝气、连续进水的方式培养好氧污泥,将曝气池DO的质量浓度维持在2mg/L,沉淀池污泥连续回流至曝气池前端。在厌氧反应器成功提至设计负荷时,好氧池MLSS的质量浓度增加至4g/L,污泥沉降性能良好,污泥沉降比(SV)稳定在35%~40%。在培养及运行过程中,应维持溶解氧含量,污泥龄≥15d,冬季水温较夏季偏低,不利于硝化反应进行,应增大曝气量、维持较高污泥量,增加污泥龄,可以维持系统总体处理效果稳定。

待二沉池出水NH4+-N去除率达到90%以上时,说明系统硝化细菌培养成功,此时逐步提高硝化液回流量,开始同步反硝化产甲烷工艺调试。由于UASB、好氧工艺已经稳定去除绝大部分COD物质,因此在提高硝化液回流量的过程中,UASB反应器的进水量、上升流速逐渐增大,但COD经稀释后降低,总体容积负荷没有明显变化,故在允许的上升流速范围内,UASB反应器不会受到COD负荷冲击的影响,而随着回流的硝化液量逐步增大,UASB进水中的硝酸盐含量增加,故该过程应在做好UASB反应器出水pH、COD及TN含量检测工作的前提下,逐步完成。该项目在设计期已根据原水水质核算过最终运行状态时的UASB上升流速与进水硝酸盐含量等问题,不会造成厌氧系统崩溃,故稳步增大硝化液回流量至设计要求,即完成同步反硝化产甲烷工艺的调试。

在该废水处理工艺中,大部分COD物质由厌氧产甲烷、反硝化及好氧曝气过程去除,NH4+-N由好氧曝气过程转化为NO3--N,后经同步反硝化产甲烷过程转化为氮气外排。

合适的硝化液回流比可以在满足同时反硝化产甲烷工艺要求的同时,增加生化系统稳定性,主要由如下几个方面实现:1)适当增大UASB反应器的上升流速,有利于反应器中的搅拌及传质过程。2)100%的回流比,减少了废水中污染物质的波动,减小对UASB反应器中微生物的冲击,反应器运行状态更加稳定。3)硝酸盐及亚硝酸盐在反硝化过程中,首先利用的是丙酸、丁酸等相对较难甲烷化的有机物,降低UASB出水的挥发性脂肪酸(VFA)含量,减小了厌氧反应器“酸化”的可能,同时不对产甲烷菌造成底物竞争。

传统工艺往往避免将含有部分溶解氧、NO2--N、NO3--N等破坏深度厌氧环境的物质回流至厌氧反应器中。而新的理论证明,同时反硝化产甲烷工艺中不同种类的细菌可以形成明显的分区而自然地适应进水条件。本案例通过工程应用证明,通过合理地控制反应条件及回流比,可以利用现有的厌氧反应器实现同步反硝化产甲烷,节省了传统反硝化工艺流程,同时增加厌氧系统的稳定性。

经上述工艺处理过的废水进入氧化塘,NH4+-N、TN去除率均在90%以上,已满足DB32/1072-2007排放标准要求,COD去除率在95%以上,剩余的COD物质为难生化降解的复杂分子有机物,需物化深度处理及脱色。在氧化塘中,约150m⊃3;/d的废水经化学氧化(质量分数5%二氯异氰尿酸钠溶液)消毒、脱色后,回用至车间冲洗地面,约50m⊃3;/d废水经化学氧化及活性炭过滤后外排,外排废水满足当地环保要求,稳定运行期间的验收取样结果如表1所示。

效益分析

工程稳定运行后,每天去除COD约784kg、NH4+-N约42kg,大大减轻了该厂区周边的生态环境压力,有效消除了污染。

废水处理装置主要运行费用包括各处提升泵和好氧曝气系统的电耗,废水脱色处理的化学药剂费及人工费用,按照工业用电价格1.0 元/(kW·h)和氧化剂平均价格6.0元/kg计算,废水处理年运行费用约为15万元,水处理成本约为2.0元/t。有150m⊃3;/d废水回用于车间地面冲洗,节省了自来水用量,按工业用水3.5元/t计算,每年节约水费19万元,可以抵消运行费用并有可观盈余。由于沼气产生量不适合新增沼气利用设备,且沼气中含有反硝化产生的氮气,故不考虑沼气的利用价值。

全文发表在《水处理技术》2016年10月刊,有删减,全文可点击“阅读原文”购买或在中国知网下载。

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