屠宰廢水脫氮處理工藝
隨著人們生活水平的不斷提高，屠宰行業得到迅速發展，產生的廢水排放量也越來越大，成為有機污染尤其是氮污染的最大工業污染源之一〔1〕。屠宰加工廢水中含有大量血污、油脂質、內臟雜物、未消化的食料、糞便等污染物，其有機物濃度高，成分復雜，污染物中所含有的蛋白質、尿素、尿酸、脂肪和碳水化合物會通過厭氧、好氧微生物的氨化作用進一步轉化為高濃度的氨氮，高濃度的屠宰加工廢水經傳統SBR工藝處理后氨氮指標往往難以達到排放標準。經分析認為，關鍵在于沒有根據實際水質對SBR處理工藝采取切實可行的調控措施〔2〕。
傳統的SBR工藝分為進水、曝氣、沉淀、排水和閑置等五個階段，其中曝氣階段通常采用連續曝氣的方式。筆者從調整曝氣方式著手，通過采用曝氣（好氧）/攪拌（缺氧）循環交替的間斷曝氣方式，探討對有機物、氨氮和TN的去除效果的影響。通過分析有機物、氨氮和TN等污染指標逐時降解特性和pH變化〔3〕，確定了好氧/缺氧循環SBR工藝運行模式和控制參數，最終獲得了一種進一步提高傳統SBR工藝脫氮率的方法，以期為傳統SBR工藝改造和好氧/缺氧循環SBR工藝的工程應用提供參考。
1材料與方法
1.1試驗裝置
試驗采用的SBR反應器內徑為200mm、高度500mm，有效容積為10L。試驗過程中充水比為50%。反應器的氣源為ACO電磁式空氣壓縮機，采用空氣流量計控制曝氣量和DO濃度。好氧時采用砂芯曝氣頭曝氣充氧，缺氧時進行機械攪拌。反應器按照進水、好氧/缺氧、沉淀和排水方式運行。利用可編程序時間控制器控制好氧和缺氧循環，還可根據需要設定各段的運行時刻。利用在線pH儀監測反應過程pH變化，利用便攜式DO儀定時測定DO。試驗過程均在室溫下進行。SBR裝置見圖1。
圖1SBR試驗裝置
1.2廢水來源
試驗用水取自江門市某肉類聯合加工廠污水處理站經厭氧處理后出水。試驗進水COD為327~766mg/L，氨氮為61~130mg/L，pH為6.5~7.5，堿度（以CaCO3計）為590~680mg/L。
1.3污泥馴化和試驗方案
接種污泥取自該肉聯廠污水站活性污泥沉淀池，取回后將污泥加入SBR反應器中進行培養馴化約2周后，按照好氧/缺氧單循環SBR模式運行，運行條件為HRT=13h，其中好氧曝氣10h、缺氧攪拌2h、沉淀排水1h，DO維持在3~4mg/L。經過半個月的培養、馴化，出水COD和氨氮無降低趨勢，出水各項指標維持穩定，至此可認為污泥馴化結束，開始投入試驗。此時污泥沉降比為25%~35%，MLSS為4~5g/L。
在好氧/缺氧單循環SBR模式下運行一定周期之后，連續對其中多個周期進行逐時采樣，分析污染物逐時變化情況。在獲得可靠數據后，將SBR運行模式調整為好氧/缺氧多循環模式，根據COD、氨氮和pH等參數逐時變化曲線確定循環次數及好氧段和缺氧段歷時，最后在確定好氧/缺氧階段歷時、循環次數等參數的基礎上運行多個周期以驗證該工藝的可靠性。
1.4檢測分析項目
pH：KOMMA200在線pH儀；溶解氧：雷磁便攜式溶解氧測定儀；SV：量筒法；MLSS：濾紙重量法；水溫：水銀溫度計。COD、氨氮、TN、TKN、NO3--N等采用國家標準測定方法測定〔4〕。
2結果與討論
2.1好氧/缺氧單循環SBR工藝試驗結果分析
好氧/缺氧單循環SBR工藝處理屠宰加工廢水過程中，根據逐時采樣數據繪制一個反應周期內COD和氨氮的逐時去除曲線，見圖2。試驗進水COD、氨氮和TN平均質量濃度分別為519、107、142mg/L，反應初始MLSS為4300mg/L，水溫24~26℃，進水堿度645mg/L。
圖2單循環SBR工藝運行方式下的試驗結果
如圖2（a）所示，在混合稀釋、吸附和氧化降解等作用下〔5〕，COD和氨氮濃度在進水后迅速下降，反應時間2h時，COD和氨氮分別降至118、42mg/L，之后隨著時間延長，COD和氨氮降解速率趨于平緩。將好氧硝化時間劃分三個時段進行討論，即0~4h、4~8h、8~10h。結合圖2（b）分析，在開始曝氣的0~4h內，硝化反應快速進行，氨氮濃度降低較快，pH則先上升到一定值后才開始下降，這是因為開始曝氣0.5h內微生物代謝所產生的CO2被吹脫，同時廢水中的有機酸也得到去除〔2〕，導致pH在初始階段上升至7.46。曝氣2h以內，由于堿度充足，pH只因硝化反應消耗堿度、產生H+而緩慢下降。隨著堿度的消耗，硝化反應促使pH下降加快；曝氣4h時，系統中的堿度已低于100mg/L，所以在曝氣4~8h期間，堿度不足導致硝化反應進行緩慢，氨氮和pH下降速率逐漸放緩；曝氣8~10h期間，氨氮幾乎維持在25mg/L，高于排放標準值（≤10mg/L）。此時系統中pH低于6，堿度低于50mg/L，硝化反應無法繼續進行。試驗中COD在反應8h后即達到排放標準，所以可將硝化時間縮短為8h。在后續進行的2h缺氧反硝化過程中，由于曝氣后的混合液中有機物已基本被降解，反硝化反應所需碳源不足而受到抑制，pH也只是略有回升，最終出水TN為56mg/L，去除率較低。
按照理論計算，硝化過程中每氧化1mg/L的氨氮為硝態氮需消耗7.07mg/L的堿度〔6〕。對照試驗廢水水質，可以計算出進水氨氮完全被氧化所需堿度的理論值為760mg/L，而進水實際堿度只有645mg/L，不能滿足硝化過程對堿度的需求。
可見，在原水氨氮濃度較高、堿度相對不足的情況下，想要通過好氧/缺氧單循環SBR工藝后實現氨氮達標排放存在困難。考慮到可以利用硝化和反硝化反應本身特性來平衡堿度需求，對SBR工藝提出交替硝化反硝化運行的改進方式，即循環好氧/缺氧SBR工藝〔7,8〕。
2.2好氧/缺氧雙循環SBR工藝試驗結果分析
為了實現好氧硝化和缺氧反硝化之間堿度的平衡，首次硝化反應以pH下降0.4~0.5來控制好氧時間，每次缺氧反硝化都根據pH曲線上拐點的出現控制缺氧時間〔9〕。從好氧/缺氧單循環SBR工藝試驗檢測結果可以看出，在經歷最初連續2h曝氣后，pH降低幅度恰好符合這一范圍，并且此時反應器內剩余有機物含量較高，反硝化反應所需碳源較充足，因此確定首段好氧時間為2h。為確保后續反硝化反應進行徹底和最終有機物被高效去除，初步確定后續缺氧1和好氧2階段時間分別為3、6h。SBR工藝經調整后的運行模式和工況為：好氧曝氣2h+缺氧3h+好氧6h+缺氧1h+沉淀排水1h，即好氧/缺氧雙循環SBR工藝。在系統運行穩定后，對1個周期進行逐時采樣，繪制出COD、氮含量和pH逐時變化曲線，見圖3。為了解反硝化過程中TN的去除情況，定時檢測了反硝化過程中TN含量。試驗進水COD為566mg/L，氨氮質量濃度為108mg/L，pH=6.96。
圖3好氧/缺氧雙循環SBR工藝的試驗結果
從圖3（a）可以看出，與單循環SBR工藝相比，好氧/缺氧雙循環SBR工藝的出水水質有了明顯提高，氨氮去除率達到86%，較前者提高12%，這主要是由于缺氧1階段產生的堿度恰好被后續好氧2階段所利用，彌補了原水堿度不足的弊端。如圖3（b）所示，pH在反應初期同樣先上升后下降，好氧1階段結束時pH的降低幅度為0.61，略大于0.4~0.5。進入缺氧1階段后，隨著反硝化反應的進行，pH開始出現回升并在反應4h時趨于穩定，同時TN的下降速率也出現放緩，這表明反應4h時反硝化反應已基本停止，因此可以將缺氧1階段時間減少為2h。由于反應器內堿度得到補充、pH升高，反應條件再次利于硝化反應的進行，所以氨氮濃度在好氧2階段初始迅速降低，但隨著堿度被消耗，氨氮降低速率很快下降。經過后續反應，最終出水氨氮質量濃度為15.4mg/L，仍不能達到排放標準的要求。究其原因為好氧1階段歷時較短，當其結束時反應器內的硝態氮質量濃度為19mg/L（TN與TKN之差值），可供后續缺氧1階段反硝化反應的基質含量有限，產生的堿度還不能促進全部氨氮去除。但從單循環SBR工藝試驗結果（圖2）可知，增加好氧1階段曝氣時間后，剩余有機物含量又會過低，影響反硝化反應的效果。系統內碳源、堿度的平衡被破壞，更加不利于提高脫氮效率。
綜合上述分析，好氧/缺氧雙循環SBR對氨氮的去除效果較單循環SBR工藝有了明顯提高，但處理后的出水氨氮指標仍不能滿足現行排放標準。為實現脫氮過程中碳源和堿度的平衡、進一步提高脫氮效率，決定在缺氧1階段之后再增加一次好氧/缺氧過程，即好氧/缺氧三循環SBR工藝。
2.3好氧/缺氧三循環SBR工藝試驗結果分析
參考好氧/缺氧循環SBR工藝的控制策略，如果好氧/缺氧循環次數超過2次，則中間每次硝化的pH下降幅度可選擇為0.8~1.0〔9〕。好氧/缺氧雙循環SBR工藝試驗中好氧2階段開始2h內的pH降低幅度（1.08）恰好接近此區間，所以初步確定增加的好氧階段時間為2h。好氧/缺氧三循環SBR工藝的運行條件為：好氧曝氣2h+缺氧攪拌2h+好氧2h+缺氧1h+好氧4h+缺氧1h+沉淀排水1h，其余條件保持不變。經過約1周運行后出水效果穩定，同樣繪制一個周期內COD、氨氮和pH的逐時變化曲線，見圖4。試驗進水COD為501mg/L，氨氮質量濃度為119mg/L，pH=7.15。
圖4好氧/缺氧三循環SBR工藝的試驗結果
由圖4（a）可以看出，經過好氧/缺氧三循環SBR工藝處理后出水氨氮質量濃度為5mg/L，氨氮去除率達到96%，低于排放標準值。缺氧1和缺氧2階段的反硝化反應在碳源充足的環境下產生了大量堿度，促進后續好氧2和好氧3階段的硝化過程中氨氮下降速率加快，由圖4（b）可知相應pH也出現2次回升，均促進硝化反應的進行〔10〕，進而使得氨氮被高效去除。在總缺氧時間不變的情況下，三循環SBR對TN去除率達到76%，與雙循環SBR工藝相比，TN去除率提高近15%。
2.4好氧/缺氧三循環SBR工藝穩定運行的處理效果
為驗證好氧/缺氧三循環SBR工藝的處理效果，進行了穩定運行試驗，運行模式和工況與2.3節完全相同。試驗在進水COD332~671mg/L，氨氮99~122mg/L（平均109mg/L）條件下，連續穩定運行3周，處理效果良好并且穩定，氨氮平均去除率達97%，COD平均去除率為90%，出水完全達到廣東省《水污染排放限值》（DB44/26—2001）第二時間段一級標準。連續運行結果見圖5。
圖5好氧/缺氧三循環SBR工藝的處理結果
3結論
采用傳統SBR工藝處理屠宰加工廢水，由于不能實現系統內碳源、堿度的平衡，處理后出水氨氮指標往往不能滿足排放標準的要求。通過采用好氧/缺氧三循環SBR工藝，可以實現SBR系統內碳源和堿度的自身平衡，提高生物脫氮效率，實現氨氮指標達標排放。試驗采用好氧/缺氧三循環SBR工藝處理屠宰加工廢水，最終COD平均去除率為90%，出水氨氮低于10mg/L，平均去除率為97%，均達到廣東省《水污染排放限值》（DB44/26—2001）第二時間段一級標準。當原水氨氮或有機氮含量較高時，通過增加SBR工藝好氧/缺氧循環次數，可以進一步提高脫氮率。由于僅需對SBR工藝過程的好氧（曝氣）/缺氧（攪拌）循環進行時序控制，無需增加過多的控制設備，因此本方法對SBR工藝改造有一定的參考價值。
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