新型ICSBBR组合工艺在猪场废水处理中的应用研究学习资料.docx

此文档收集于网络，如有侵权请联系网站删除，一叼-v.，&.此文档仅供学习和交流摘要摘要规模化养殖能够极大提高生产效率和饲养转换率，降低成本，增加经济效 益；随着规模化养殖迅速发展，也带来了一系列的环境新问题，特别是规模化 猪场废水是一种高含氮有机废水，传统的厌氧消化处理方法不具备生物脱氮的 能力，且经常引起出水CN比例失调，增加后续脱氮难度。本文立足于国内外规模化养殖废水生物处理研究的最新成果，提出采用新 型ICSBBR组合工艺处理猪场废水，详细研究该组合工艺处理猪场废水的启动 特性和系统稳定运行条件优化，并考察了工艺工程化应用的可行性，充分利用 两者的组合优势促进猪场废水高效脱碳除氮。实验室试验结果表明，通过接种部分厌氧污泥，IOC反应器通过62d培养驯 化，容积负荷提升至6埏COD(m?d)，COD去除率达到815，颗粒污泥粒径 增大，但由于厌氧环境下将废水中少量有机氮转化为无机氮，IOC反应器出现了 出水对-N浓度高于进水NH4+-N浓度情况。将城市污水处理厂氧化沟的活性污泥作为SBBR启动菌种来源，经过24d的培养驯化，SBBR的COD、NH4+-N 和TP的去除率分别可以达到85、90和87以上，并可以稳定运行，确定了 SBBR合适运行工况为进水025h、厌氧3h、好氧7ll、沉淀05h、排水025h、 闲置1h，排泥时间7d。实验室研究过程中，工艺对猪场废水中COD、N】时N具有较高的处理能力， 但总氮平均去除率仅有285；本文通过增加SBBR缺氧好氧交替频次和添加 30猪场原水两种方式，提升工艺的COD、NH4+N特别是TN去除效果，增加 SBBR缺氧好氧交替频次可以使TN去除率提升到786。添加30原水可以使 TN去除率提升到50以上；而由于减少了硝态氮对除磷的干扰，TP去除率也可达到80以上，处理系统的稳定性得到增强。 同时，本文还探讨了同步厌氧氨氧化产甲烷反硝化在IOC-SBBR工艺中实现的可能性，实验室研究结果表明工艺启动完成后，厌氧氨氧化活性为412 nlg NH4+-1W(gVSSh)或者665 mgN02。-N(gVSSh)；厌氧活性污泥呈红褐色，颗粒 呈不规则的椭圆球状，污泥中的细菌有许多为不规则的短杆小球状细菌，属于 厌氧氨氧化菌的典型特证；IOC反应器中亚硝氮的去除效果一直高于氨氮的去除 效果，N02-NNH4+-N去除的比率约为144，大于132的厌氧氨氧化理论值，摘要说明IOC反应器N02。N和N03。-N的去除，除了占主导地位的厌氧氨氧化反应 外，通过反硝化作用也实现了部分硝态氮的去除。本文在实验室研究基础上，进一步对本工艺工程化的应用进行了研究，示 范工程研究结果表明：通过在SBBR反应器中添加30猪场原水增强厌氧消化 液的可生化性，COD、N瞰+N和口的去除效果得到明显提升；去除率分别提 高389、1215和72；在IOCSBBR工艺之后辅助人工湿地进一步脱氮除 磷，组合工艺对高含氮猪场有机废水处理效果明显，经过16个月稳定运行，组 合工艺的平均去除率：COD 965，NH4+N 89，SS 962，TP 86；工艺出水水质达到畜禽养殖业污染物排放标准(GB 185962001)要求，折合吨废水 处理费用为127元，工艺实现了良好的生态和社会效益。关键词：厌氧内外循环反应器：序批式生物膜反应器；猪场废水；生物脱碳除 氮；厌氧氨氧化；运行优化ABSTRACTABSTRACTLarge-scale 鼬g c缸 greatly ilnpmVe prod毗on emcicy and raiconverSion rates，reduce costs锄d illcreaecon0IIlic efjEicicy；、航血t11e瑚lpiddeVelopment 0f l哪escale囱咖【illg，also ca吣e a玳wries of曲V讯mm酬pbler璐als0，especially swiI圮waStewater contaill 1li曲Ili臼ogen锄d orgallic，nle 缸aditionm method of锄laerobic digestion can 110t haVe the abilit)r of biological11itrogcn re】【noval，and oRen callse廿1e low CN r撕o of n圮孤aerobic dige妣g nuid锄d me di疏rellCe ofbiocheInis缸y deg啪撕0nB够ed on the latest research伽iIlgs on swine waStewater biolo酉cal臼ea_舡Ilentin bom domestic aIld 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IOCSBBR工艺效果分析5744 IOCSBBR工艺调整与优化59441调整SBBR缺好氧时间长短与交替频率59442添加原水优化消化液脱氮除磷6145小结。68第5章同步产甲烷反硝化厌氧氨氧化工艺实现70 51工艺特征与实现条件一70511工艺特征70512实现途径7152工艺实验设计。7353工艺启动74VI目录531 COD变化74532氨氮变化一76533厌氧颗粒污泥性状分析7754脱氮性能8055小结83第6章IOCSBBR工艺工程化应用研究8461工程设计84611IOC反器设计。84612 SBBR反应器设计8662 IOC接种与驯化8763 SBBR启动9064工艺运行及其优化92641 IOC对猪场原水处理效果。92642 IOC厌氧消化液水质95643 SBBR直接处理消化液COD去除效果95644 SBBR直接处理消化液氨氮去除效果96645 SBBR直接处理消化液TP去除效果97646添加原水后SBBR处理消化液污染物去除效果9865 SBBR处理添加原水后的猪场沼液100651猪场沼液水质100652添加原水后COD去除效果101653添加原水后脱氮效果102103果。1061 061 061 10112112目录72创新点。11 373研究展望114致谢1l 5参考文献11 6附录IOCSBBR-人工湿地组合工艺应用现场图126攻读学位期间的研究成果l 30第1章绪论第l章绪论随着人民生活水平提高和人民对物质文化需求增长，近年来，我国畜牧业 发展处于规模养殖迅速增长的调整阶段，完成了由传统散养为主到规模养殖为 主的转变，规模化养殖场生产已替代传统的分散的农家畜牧养殖并占畜牧养殖 业主要地位【lJ。据国家农业部农业生物质能产业发展规划(20072015年)， 2006年全国猪、牛、鸡三大类畜禽规模化养殖场约391万处，各类畜禽规模化 养殖小区已达4万多个，其中，大中型(养殖出栏3000头猪单位以上)约11952 处，养殖量约7528万头剖2】。与传统饲养方式(农户散养)相比，规模化饲养能够 大大提高生产效率和饲料转换率，降低生产成本，从而增加经济效益，以江西 为例，全省畜牧业保持较快发展，2008年，全省肉类总产量261万吨，禽蛋产 量65万吨，牛奶产量17万吨。其中，生猪出栏2537万头，全省畜牧业总产值 560亿元，占农业总产值比重达33；特别是规模化养殖发展迅速，各类规模养 殖场户20余万个，其中年出栏3000以上，养猪场户1300多个，出栏万头以上 养猪场300个，畜禽规模养殖比重达到68【3】。在养殖业快速发展的同时，其废弃物污染环境的问题也日趋突出，由于粪 污的随意排放，导致了水环境污染和生态系统破坏，也给禽畜业的发展造成了 严重的危害。2006年全国年生猪粪尿排放量达451192万吨年，污水排放约433 3935万吨年，BOD排放量达3 5359万吨年14J。根据全国畜牧业发展第十一 个五年规划测算，预计到2010年和2015年，我国规模化养殖场畜禽粪便资源 的实物量将分别达到25亿吨和325亿吨【2】。2002年初国家环保局发布了畜禽 养殖业污染物排放标准(GB 185962001)，对畜禽养殖场污染物排放总量及各 种污染物的浓度进行了严格的限定。但是，由于规模养殖废水处理技术的不足，条件下直接将废水 寻找一种较为经济 严格的废水排放标第1章绪论11养猪场废水水质特征及其危害111来源与特征当前规模化养殖场主要存在三种清粪方式：水冲式、水泡粪和干清粪，不 同清粪工艺所排放粪污废水水量与水质也各不相同，前两种工艺排出的污水和 粪尿混合在一起形成混合废水，粪中存在大量的可溶性有机物，使得混合废水 浓度很高，增加了后续处理难度；干清粪工艺是目前比较理想的一种方式，它 先将干粪由机械或人工收集分离，猪场所排出的尿及污水从污水排放口排出， 这样可以实现猪舍内清洁、无臭味，产生的污水量相对较少，特别是该种工艺 排出的废水污染物成分较少，降低了后续处理的难度；而干粪直接分离后，养 分损耗小，形成的肥料价值高。在很多发达国家如欧美、日本等多采用这种工 艺，这种工艺目前也逐渐被我国大型养殖场所采用。猪的种类和在成长过程不 同阶段，其所排粪尿量也存在较大差异，中国农科院畜牧研究所张子仪的依据 不同体重猪的粪尿排放量进行了归纳，结果如表11所示【6】。表11不同体重猪的粪尿排放量Tabl 11 111e discha唱ed exc他ment qu觚t时ofdi仃erent wei出pig猪傩重(kg)粪尿排放量相当体重的百分率()粪尿捧放量k酞头，dp4眼石024士弦114p60召0p23士2p1618p80一100p2l士2一l吕2010扣12卧19士lp2022一120140=1皓1，2l一22p140一16叶14士lp2l2弦160180=13士lp2224)猪场粪污废水的有机物、悬浮物、氨氮含量极高，并含有大量的病原菌和 散发出浓烈的异味I刀。如表13【8】，畜禽排放的大量粪尿与冲洗水混合废水，所 含氮、磷及COD等污染物浓度非常高，含有大量有机物、氨氮、磷和悬浮物， 猪场废水中氮、磷的浓度基本上是生活污水的2050倍吲。2第1章绪论 表13猪场废水(粪尿加冲洗水)的水质(除pH外，均为mg，L)Tab11 The quality of pigge珂w笛_tewa：termgL面目一耋一尿p魔水(耋便加冲洛水)pBOD一63000p5000)3000l3000pTSSp21700，p92001 6500p舯466扣7780p80m五15如q一168015p410硝8和如01和033p31040呻Tl口扣一一，681100CODc一-一，Jll 00026000pTS-)一一1 000020000pV和一一8000l 6000pp、t一一一7585一注：此表系综合多种资料而成112环境危害与传统农户分散饲养相比，规模化养殖有利于提高生猪的饲养方式，饲养 技术，防疫能力和管理水平，能够大大提高生产效率和饲养转换率，降低成本， 增加经济效益；但与此同时，规模化养殖场产生的粪便废水也引起了很多的环 境问题，主要是粪污处理措施不足或利用不当会对大气、水源和土壤造成的污 染。其主要危害为以下几个方面： (1)引起水体富营养化和土壤污染规模养殖场含氮化合物废水排入水体中易引起了严重的水体污染，氨氮是 其中的主要氮素污染物，我国七大水系的主要污染指标中，氨氮位居第三【101。 养殖场粪尿所含氮、磷及BOD等的溶淋量很大，直接对外排放会通过地表径流 和土壤渗滤进入地表水体、地下水层，或在土壤中积累，造成严重的生态环境 影响。上世纪90年代，上海市环保局通过调查发现：位于上海郊区的90规模 养殖场的粪尿在没有得到有效处理前直接流入河道，导致平均单位水面养殖粪 尿负荷量达18tlla，最高的甚至达到3600t1la，而太湖流域的规模养殖粪尿是流 入太湖的最大的氮、磷及有机污染源，这也是导致太湖严重富营养化的重要起 因【8】。氮素污染物易引起水体富营养化，主要的是过量的氮磷可使藻类过度繁殖，3第1章绪论造成的严重的环境危害，也造成了巨大的经济损失，目前我国长江中下游流域 及主要是人口密集的城市附近的湖泊水体富营养化倾向非常明显lloJ。(2)污染大气环境 猪场排放出的大量粪尿含有氨气和硫化氢等有害气体，如不能得到有效去除，有害气体深度会成倍增加；1992年日本居民对畜牧业的投诉案件中，起因 于臭气有害气体问题占632，随着规模养殖迅速发展，我国近年来由于畜牧场 臭气问题引起的环境投诉也在大量增加。(3)人畜共患传染病引起的危害。 “人畜共患传染病”是由共同病原体引起的人与脊椎动物之间相互传染和感染的疾病，根据世界卫生组织和联合国粮农组织资料，规模养殖的粪便存在至 少200种入畜共患传染病菌，其中的89种是可能易引起传染的病菌。1997年3 月发生在我国台湾的猪口蹄疫危害，主要是由于病猪的尸体未经处理扔入河道 引起水源水体污染后，人类饮水会导致疾病的流行，因此，未经无害化处理的 粪便排入水体易造成传染病的借水流行，常见的有布氏杆菌、猪丹毒、猪瘟、 炭疽、伤寒、钩端螺旋体等嗍。(4)重金属污染 随着规模化养殖的迅速发展，为了追求较高经济利润，很多养殖场将一些重金属如铜、锌等作为一种高效、廉价、方便的促生长添加剂广泛应用于猪饲 料中，使用高铜作为猪的促生长饲料添加剂的现象已相当普遍，而在这些饲料 添加剂中，经过消化吸收后仍有大量残留随排泄物排出体外，排泄物中含有部 分有毒有害重金属物质，这些有毒有害物质不仅污染水体、土壤等周边环境， 而且还通过食物链进入人体，进而潜在威胁人类健康【111。猪饲料中高铜高锌随 粪便排出，如直接进入水体，会引起严重的重金属污染，水中铜达001mgL， 对水体自净就会有明显的抑制作用。铜对水生生物毒性很大，根据中国渔业水 域水质标准(试行)规定铜不超过O0lmgL；施用高铜高锌猪粪有机肥不但对 土壤造成污染，而且影响到农作物的生长和品质。一般来说，植物吸收重金属 浓度的增加一方面会对植物产生毒害作用，严重时可致死亡，其机理主要是通 过其与酶或其它蛋白中的疏基结合而使酶蛋白失活、酶的功能减弱或丧失，从 而引起植物生理代谢功能的紊乱，生长发育受阻甚至死亡【1213，141，另一方面会增 加植物中相关元素的浓度，进而通过食物链进入人体和动物体内，影响人和动 物的健康。412养猪场废水处理现状与技术进展121处理现状与措施上世纪60年代开始，大型规模化养殖场在发达国家的中得到迅速发展，与 时同时，新的环境问题也越发严重，养殖场排放的大量粪污导致对环境的污染 现象时有发生。如上世纪60年代发生在日本的“畜产公害”就是规模化养殖大量 发展而没有有效的环保处理措施引起的。面对此种现象，发达国家迅速采取相 关措施，并通过立法对畜牧业生产过程中的环境问题加以干预和限制，主要措 施如下：(1)限制养殖规模 在欧洲国家中大都采用限制养殖规模方法，这样可以使单位养殖场产生的粪污排放大大减少，相应减少了对周围环境的污染压力，减少了地表水或地下 水的污染的程度。(2)对新建养殖场从政策上严格限制，对于达到一定规模的新建养殖场要 配套建设粪污处理设施，才能得到政府的审批。日本规定1个饲养点猪超过50 头、牛超过20头时；法国规定养猪数量在50_450头之间实行申报制，必须向当 地政府提出申请并建设相应环保措施后才能得到批准经营。(3)对养殖场粪便的施用量和施用时间加以严格限制 由于作物生长发育过程中对养分的需求有所不同，土壤对有机物的消纳量也是有限度的，因此粪便的施用时间和施用量必须加以严格限制。德国为了防 止粪便过量施用污染环境，颁布了“粪便令”，丹麦、法国、英国等国家也制定了 相应的规定， 以限制粪便的施用量和时期。 一 一(4)规定粪污的排放标准很多国家对养殖场污染物排放都从法律上进行了严格的限定，如NH3、H2S、 臭气浓度、COD、BOD、NH4+-N、TP等。在防治养殖业造成的环境污染问题上，我国陆续出台了一些管理规范，如畜禽养殖污染防治管理办法、GB 185962001畜禽养殖业污染物排放标准、 砌厂r81q001畜禽养殖业污染防治技术规范等，对畜禽养殖场的建场、废 弃物堆放、处理和排放都提出了一系列要求。5第1章绪论122研究进展随着人们对猪场废水污染危害性认识的加深，研究和开发经济、高效的猪 场废水处理技术成了环境科学新的研究热点。目前猪场废水处理技术从大的方 面可以归纳为三种方法：物理化学法、自然生态法和生物处理法。(1)物理化学法 猪场废水含有大量的固体悬浮物，它是COD的主要来源之一，物理法是通过物理作用，分离回收污水中不溶解的呈悬浮状的污染物质，在处理过程中不 改变其化学性质。固液分离对养殖场粪便废水处理非常重要，经过固液分离后， 可以使滤液中总悬浮固体、COD下降3040左右，这可以有效减轻后续的处 理污染物负荷【15，1 6171。物理法具有操作简单、费用经济等优点。化学处理法主要处理的对象是废水中的溶解性或胶体性的污染物质。向污 水中投加某种化学物质，利用化学反应来分离、回收污水中的某些污染物质， 或将其转化为无害的物质。常见的混凝荆有：石灰、硫酸铝、三氯化铁、碱式 氯化铝、有机高分子化合物如聚丙烯酰胺(PAM)等。物理化学法虽然在处理养殖场废水访求具有简单、实用、有效等特点，但 由于操作成本较高，并可能导致二次污染产生，因此一般只用于预处理或后续 深度处理。(2)自然处理方法 自然处理方法一般是指采用生态方法如土地处理系统、氧化塘或人工湿地等对养殖场粪污进行处理。 稳定塘(La900n)，也称为氧化塘，是主要依靠微生物、水生植物、藻类等多种生物的综合作用净化废水的一种生物处理技术【18】。废水进入稳定塘后，在风 力、污水处理塘是将一些适宜的自然池塘、人工改造的自然池塘或人工修建的 池塘，通过不同的工作原理和净化机理，使其排出水的水量水质不超过受纳水 体的自净容量。污水处理塘按工作原理的不同可分为：厌氧塘、兼性塘、好氧 塘、水生植物塘、高速藻类塘、生态塘(如养鱼塘)等。在猪场废水的处理中， 经常见到的氧化塘有厌氧塘、好氧塘、水生植物塘(水葫芦塘)等【191。DelaNo佻 等测试三种微藻清除猪粪厌氧消化液排出液的能力。批式试验证实在12天内所 有三个培养基都能完全去除氮，磷的去除率达到90以上，残留COD去除率为 60毋0【20】。 稳定塘由于构筑物简单、管理方便、能耗少，常作为农田利用粪污预处理6第l章绪论一种手段，在规模养殖废水处理上得到了较为广泛应用。 人工湿地(Cons仃uCtI觅W文l锄ds)是通过沉淀、吸附、过滤、微生物同化、硝化、反硝化以及植物吸收等途径实现废水中的悬浮物、有机物、N、P和重金 属去除的一种废水处理技术，它是上世纪70年代末发展起来的一种污水处理新 技术1211，具有工艺过程简单、能耗少、投资省等优点，但其净化功能受自然条 件制约较大，特别是需要较大占地面积。美国墨西哥海湾计划(GMP)于1995年对人工湿地处理养殖场废水的技术进 展进行了总结，结果表明人工湿地对该类废水的平均浓度的减少分别为：BOD5 65，TSS 53，NH4+-N 48，TN 42，11P 42圈。国内学者廖新悌等人开展 了人工湿地在规模化养猪场废水处理系统中的应用研究【23】，邓仕槐等人则从人 工湿地植物优化方法进行研究，发现芦苇在养殖废水胁迫下抗逆性和耐受性较 强，是处理养殖废水人工湿地法优选的植物种类例。(3)生物处理方法：一些规模化畜禽养殖场处于土地资源紧张、生态资源缺乏地区，普通的生 态处理方法无法适用，此时采用高效的生物反应器处理技术是一种有效途径； 主要的生物处理技术包括：厌氧处理技术、好氧处理技术、厌氧好氧和自然生 态混合处理技术。厌氧处理技术 厌氧消化已被用于大、中、小型猪场废水的处理，以及农村家庭小农户的废物处理及供能。畜禽养殖废水含有大量的有机污染物，可生化性也较强，废 水可用于厌氧发酵产沼气，20世纪80年代，“猪一沼一果”这种废弃物生态化综 合利用技在我国得到逐渐推广，到2005年底，我国已建成的大中型沼气工程达 2200多个，可实现年处理畜禽粪便6000万吨【2习。厌氧消化技术通常应用于大中型猪场，可以实现较高的有机物去除能力， 而且可以杀死传染性病菌，有利于防疫【261。厌氧处理技术的由最初的化粪池、 厌氧接触法等经过了较长发展过程，形成上流式厌氧污泥床删ASB)、厌氧生物 滤池(AF)、厌氧序批式反应器(ASBR)和厌氧折流板反应器(ABR)等【2728溯具有代表意义的UASB属于第二代厌氧反应器，是第二代厌氧处理反应器 中发展速度最快，应用面最广泛的装置，反应器内污泥形成颗粒化后具有更好 的抗冲击性。相关研究表明，反应器的有机负荷可达810kgCODc，n13d1，在应 用于猪场废水处理中，CODcr去除率可以达到7585【3叩。7第l章绪论邓良伟采用水解SBR工艺进行了规模化猪场粪污处理试验。水解过程水力停留时间(踟为2晰0h，对COD、BOD、SS、TN和11P的去除率分别为301q73、458一94、56011、223和553，N】-N几乎没有去除，水解对COD的去除效率比沉淀处理高17【32】。 随着对现代高效厌氧反应器和厌氧技术原理更加深入的研究，厌氧处理技术以其能耗低、污泥量小、投资省并能回收能等优点越来越多地应用于养殖场 废水处理中，不过，厌氧技术也有自身的一些缺点，如生化反应速度较慢、反 应时间较长、且产气不稳定等问题。特别是厌氧消化液中NH4+N和磷污染物没 有得到有效去除，如若排入水体，对水体环境质量影响很大。例如目前在我国 很多地方普遍采用的大型沼气池处理方式，仅对有机污染物(COD)具有