UASBOAO组合工艺对规模化养猪场废水的生物脱氮除磷研究.docx

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UASBOAO组合工艺对规模化养猪场废水的生物脱氮除磷研究

UASB-OAO组合工艺对规模化养猪场废水的生物脱氮除磷研究

所属行业:

水处理关键词：

脱氮除磷养殖废水COD

摘要:

为了高效实现猪场养殖废水生物脱氮除磷，报道了一种新型生物处理工艺，即上流式厌氧污泥床（UASB）-好氧/缺氧/好氧。

结果表明:

该工艺能够有效地去除猪场养殖废水中的化学需氧量（COD）、总氮和总磷，出水满足GB18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》。

UASB段对COD去除率为80%左右，而对氨氮和总磷的去除无贡献。

第1段好氧段去除总磷的效率为88.2%。

缺氧区NO2--N和NO3--N的去除率分别高达96.6%和97.3%。

将30%原水直接加入缺氧段可解决缺氧段进水碳源不足的问题，达到了良好的生物脱氮效果。

微生物种群结构分析表明，Betaproteobacteria是反应体系中组分最多的功能微生物，其最大比例约占63%。

关键词:

猪场养殖废水;脱氮除磷;UASB;微生物种群

0引言

畜禽养殖是我国重要的经济支柱，据报道我国规模化的养殖场已达到1400多个，畜禽养殖业产值已，[1]超过1.4亿元占农业产值的34%。

然而近年来畜禽养殖业的污染问题日益突出，畜禽养殖废水已成为我国农业面源污染之首，畜禽养殖排放污水中COD、总氮和总磷分别占面源污染的95.78%、37.89%和56.30%[2]。

养殖废水处理工艺主要有还田模式、生态化处理模式和生物反应器处理模式。

我国大部分规模化养猪场附近土地资源紧张，生态匮乏，没有足够的土地用于接收养猪场废水。

为了消除养猪场废水中的有机物，保护水资源，开发以生物反应器处理技术为核心的环境友好型处理工艺成为近年规模化养猪厂废水处理技术发展的新趋势。

近年来，好氧/缺氧/好氧工艺得到广泛研究，该工艺省略了传统的厌氧段，废水直接进入好氧段，利用好氧段富集的聚磷菌（PAO）超量吸收水体中的磷酸盐实现废水生物除磷，在随后的缺氧区实现生物反硝化脱氮。

关于该技术应用于处理猪场养殖废水的研究至今尚未报道，因此本文首次探究了UASB-好氧/缺氧/好氧组合工艺处理猪场养殖废水的可行性，并分析了各阶段对TP、TN的去除率及内聚物含量的变化，最后应用高通量测序测定了反应体系中微生物的结构。

1实验部分

1.1污水性质及污泥来源

污水取自当地规模化猪场养殖废水蓄水池，池内废水主要是猪圈冲洗水和猪尿液混合液。

废水取回后经过滤以去除较大不溶解颗粒。

水质如下:

UASB的接种污泥取自当地某啤酒厂厌氧颗粒污泥，该颗粒污泥具有良好的沉降性。

好氧和缺氧区污泥取自当地污水处理厂二沉池的活性污泥，该污水处理厂采用氧化沟工艺，活性污泥具有良好的生物脱氮除磷性能，其基本性质为:

总悬浮颗粒（TSS）为4000mg/L，挥发性悬浮物质（VSS）为2500mg/L，pH=6.8。

1.2实验设置

新型UASB-O/A/O工艺流程如图1所示。

UASB为圆柱型反应器，有效体积为5.0L，UASB接种污泥的体积分数为80%。

好氧、缺氧和好氧反应器的有效体积均为6.0L，反应器接种污泥的体积分数均为50%。

好氧反应器中内嵌曝气装置，曝气时ρ（DO）为3～4mg/L，缺氧区内置搅拌器，反应器运行时搅拌器的转速为120r/min。

整个反应器在温度恒定为35℃条件下进行。

实验周期控制在35d，实验重复3次。

1.3检测方法

TSS和VSS采用重量法测定，pH采用pH计（雷磁PSHJ-3F型）测定，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法，PO34--P和总磷（TP）采用钼酸铵分光光度法，COD采用重铬酸钾法测定。

糖原质采用苯酚-硫酸法测定，内聚物聚羟基烷酸酯（PHA）采用气相色谱。

反应稳定运行25d时，取好氧反应器内法测定污泥进行微生物种群结构分析，微生物群落结构的测定方法详见文献[8]。

2结果与讨论

2.1UASB对猪场养殖废水COD、NH4+-N和TP的去除

猪场养殖废水中COD含量较高。

图2为UASB运行对COD质量浓度和去除率的影响。

可知:

UASB进水ρ（COD）为2300～2500mg/L，出水为514～562mg/L，COD去除率为80%左右。

实验结果表明，UASB对养猪场废水中COD具有良好的去除能力。

UASB反应器的日产气量平均在1.2m3，由于产量较小，所以UASB产生的沼气可以经过净化处置后直接排放。

图3为UASB反应器对进水NH4+-N和TP去除率的影响。

可知:

UASB对NH4+-N、TP的去除影响较小，甚至出水NH4+-N的含量略高于进水，这主要是由于部分有机氮在厌氧期被分解为NH4+-N，进而导致出水中NH4+-N含量略微升高。

王亮等也曾有UASB出水NH4+-N含量略高于进水的结论。

本研究中UASB出水中TP含量略低于进水，这主要是由于进水中部分P元素被微生物所吸收。

2.2好氧区对生物脱氮除磷的影响

好氧区的主要功能是利用好氧区富集的聚磷菌超量吸收水体中的磷酸盐，此外好氧同时能够氧化进水中NH4+-N转化为NO2--N和NO3--N。

图4为好氧期中磷酸盐的变化。

可知:

猪场养殖废水中TP含量随反应时间呈现下降趋势，6h时TP的含量由46mg/L降至5.4mg/L，去除率高达88.2%，说明该好氧期对TP具有较高的去除效果，但出水TP含量仍高于排放标准。

所属行业:

水处理关键词：

脱氮除磷养殖废水COD同时在第1段好氧期检测到NO2--N和NO3--N浓度的上升，表1为第1段好氧期NO2--N和NO3--N浓度变化情况。

可知:

NO2--N的浓度随着好氧时间呈现出先上升后下降的趋势，且在4h时达到最大值为26.5mg/L。

NO3--N的浓度在第一段好氧期持续增加并最终升高至61.2mg/L。

亚硝酸盐氧化菌可在好氧环境中将NO2--N进一步氧化成NO3--N，这与NO2--N含量下降相一致。

聚磷菌（PAO）好氧期超量吸收水体中的磷酸盐需要消耗能量，而胞内聚合物PHA的好氧分解可提供能量用于超量吸磷。

图5为好氧期COD和PHA的变化。

可知:

好氧末期出水ρ（COD）为196mg/L，去除率高达65%。

在好氧期COD迅速被氧化并被微生物所利用转化为胞内聚合物PHA。

胞内聚合物PHA的含量在该区域呈现出先上升后下降的趋势，且在第3小时，PHA的含量达到最大值，为5.4mmol/g，并在随后的好氧时间内PHA被分解产生能量用于超量吸收水体中的磷酸盐。

PHA的含量在好氧末期恢复至初始含量。

2.3缺氧区对生物脱氮除磷的影响

缺氧期系统主要用于脱氮，反硝化过程需要充足的碳源，而进水中碳源在第1段好氧期已消耗很多，因此有必要从进水中补充碳源。

好氧段出水和30%的原水进水混合后ρ（COD）为390mg/L。

图6为缺氧区NO2--N和NO3--N的含量变化。

NO2--N和NO3--N的质量浓度随时间的延长呈下降趋势，说明缺氧区反硝化效果良好，缺氧末期NO2--N和NO3--N的质量浓度分别下降至0.56，1.6mg/L，NO2--N和NO3--N的去除率分别高达96.6%和97.3%。

此外，在缺氧区还发现磷酸盐浓度下降的现象，这可能是发生了反硝化除磷。

反硝化除磷不仅能够有效去除磷酸盐同时还能节约碳源。

王亮等在其研究中同样发现了反硝化除磷的现象。

2.4二段好氧区对生物脱氮除磷的影响

第1段好氧期和缺氧期可去除一定量的磷酸盐，但是其含量仍高于排放标准，因此采用二段好氧区以进一步去除废水中的磷酸盐，实现TP达标排放。

图7为第2段好氧区对磷酸盐和COD去除的效果。

可知:

废水中TP含量呈现下降趋势，并在反应结束时ρ（TP）仅为0.3mg/L。

此外，在第2段好氧期中还发现PHA的少量积累与分解，PHA的最大积累量为1.5mmol/g，其随后分解产生能量用于TP的吸收。

同时，在第2段好氧期COD也得到相应地降解。

其出水各浓度指标均符合GB18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》。

2.5反应体系中微生物种群结构分析

对反应体系中微生物种群结构进行分析如图8所示。

可知:

Betaproteobacteria是反应体系中组分最多的功能微生物，其比例约占63%。

据报道Betaproteobacteria是一类与生物除磷密切相关的微生物，该类微生物可在好氧环境中超量吸收水体中的磷酸盐并贮存在体内。

Betaproteobacteria所占比例较大说明该反应体系具体较高的生物除磷能力。

3结论

本文报道了一种有效处置规模化猪场养殖废水的新工艺，即UASB-A/O/A。

实验结果表明，该工艺能够有效地去除猪场养殖废水中的COD、TN和TP，出水满足GB18596—2001排放标准。

第1段好氧区TP的去除率为88.2%，缺氧区NO2--N和NO3--N的去除率分别高达96.6%和97.3%。

30%原水进水直接加入缺氧段解决了缺氧段进水碳源不足的问题，实现了良好的生物脱氮。

微生物种群结构分析表明Betaproteobacteria是反应体系中组分最高的功能微生物，其最大比例约占63%。