餐厨垃圾水解酸化液作为外加碳源处理养猪废水

来源:用户上传      作者:周明明 陈龙喜 曾胜庭

　　摘要 采用分段进水多级A/O工艺处理低C/N的养猪废水以解决农村地区水污染问题，确定了分段进水的最佳配比为9∶1，但是其出水NH4+-N仍不能达标。为提高脱氮效果，提出以餐厨垃圾水解酸化液作为处理养猪废水的外加碳源，并与甲醇、葡萄糖、乙酸钠等传统碳源相比较，确定了甲醇、葡萄糖、乙酸钠和餐厨垃圾水解酸化液的最佳C/N分别为4.8、7.3、4.2和5.0。甲醇、乙酸钠、餐廚垃圾水解酸化液在最佳C/N的条件下，多级A/O工艺出水COD分别为319、301、354 mg/L，出水NH4+-N分别为36、25、22 mg/L，均能达标排放。此外，测定了餐厨垃圾固体物料的生化产沼气潜力（BMP）为546 NmL/gVS，并确定了处理养猪废水与餐厨垃圾的联合工艺布局。
　　关键词 分段进水;多级A/O工艺;外加碳源;餐厨垃圾
　　Abstract The segmented influent multistage A/O process was used to treat low C/N pig wastewater to solve the environmental pollution problem in rural areas. The optimal ratio of segmented influent was determined to be 9∶1， but the concentration of NH4+N in the effluent could not meet emission standards. In order to improve the denitrification effect， household kitchen waste hydrolysis acidification solution （KWHAS） as an additional carbon source for treating pig waste water was proposed. Compared with traditional carbon sources for wastewater treatment， the optimum C/N for Methanol， Glucose， Sodium Acetate， and KWL was determined to be 4.8， 7.3， 4.2， and 5.0. Under the optimal C/N conditions of Methanol， Sodium Acetate and KWHAS， the effluent COD of the multistage A/O process was 319， 301 and 354 mg/L， and the effluent NH4+N was 36， 25 and 22 mg/L， respectively. In addition， the BMP of household kitchen waste solid materials was measured to be 546 NmL/gVS， and the structural layout of the combined process of treating pig wastewater and kitchen waste was determined.
　　Key words Segmented influent;Multistage A/O process;Additional carbon source;Kitchen waste
　　养猪业产生的废物，包括粪便和尿液、用于清洁粪便和尿液的水以及食物残渣，其导致的水质恶化严重污染环境。因此，越来越多的研究关注开发具有经济效益的技术，去除废水中的有机物和营养物质，特别是氮和磷[1-2]。国内外开展了众多关于养猪废水处理的研究，分别采用人工湿地、物理化学、电化学、活性污泥法或者不同工艺之间的相互组合[3]。其中，分段进水多级A/O工艺具有修建和改造成本低、运行费用低、充分利用碳源、脱氮效果好、灵活可控、技术成熟等特点[4-6]。然而，对于低碳氮比（C/N）的养猪废水，碳源不足往往限制了其脱氮除磷的效果，补充碳源作为电子供体，可以提高反硝化脱氮的效果[7]。餐厨垃圾具有很高的资源利用价值，其水解酸化液有机质含量高、可生化性好、价格低廉、无毒害作用，是一种良好的碳源[8-10]。笔者在确定多级A/O工艺最佳进水配比的基础上，优化外加碳源的投加，最终实现养猪废水和餐厨垃圾协同处理。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验材料
　　试验所用养猪废水取自惠州市某养猪场，其沼气池出水水质相关指标分别为COD 1 500～3 000 mg/L、TP 60～120 mg/L、NH4+-N 750～1 200 mg/L、SS 1 500～3 000 mg/L、pH 7～8。
　　多级A/O工艺试验及反硝化所用的活性污泥均来自深圳市某污水处理厂二沉池。
　　反硝化碳源分别为甲醇、葡萄糖、乙酸钠和餐厨垃圾水解酸化液。餐厨垃圾水解酸化液取自深圳市某运行稳定的餐厨垃圾厌氧发酵处理厂，COD浓度为50.60 g/L、挥发性脂肪酸（VFAs）10.87 g/L、NH4+-N浓度为1.30 g/L。
　　1.2 试验装置
　　装置为有机玻璃制成，尺寸为180 cm×44 cm×50 cm，有效容积为240 L，第一段A/O与第二段A/O对应的有效容积分别为44、100、32、64 L，中沉池、二沉池和混凝沉淀池容积均为10 L。采用两段进水的方式，分别由第一和第二缺氧池进水;消化液回流为两段式回流，剩余污泥分别由中沉池回流第一缺氧池和终沉池回流至第二缺氧池，试验过程中的进水、混合液回流和污泥回流均采用蠕动泵输送。装置缺氧池安装搅拌器，好氧区由曝气头曝气。该装置工艺流程如图1所示。 　　1.3 水质检测方法
　　COD、NH4+-N、NO3-N、NO2-N的测定均参照国家环保总局编写的《水和废水监测分析方法》（第四版）。
　　COD采用快速密闭消解法测定;
　　NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定;
　　NO3--N采用紫外分光光度法测定;
　　NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二铵光度法测定。
　　2 结果与分析
　　2.1 进水配比的影响
　　为了合理分配碳源，优化最佳进水配比，需要探究不同进水配比对多级A/O工艺脱氮除磷效果的影响。装置运行参数为：进水流量为36 L/d，进水C/N=（2～3）∶1，HRT=6 d，回流比均为150%，装置的污泥回流比为60%。设置第一缺氧池和第二缺氧池原水进水配比分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4，试验进水水质：COD为（2 100±400）mg/L，NH4+-N为（700±100）mg/L，TP为（70±10）mg/L。
　　2.1.1 COD的去除效果。
　　不同进水配比下A/O工艺对COD的去除效果如图2所示，采用单点进水和以9∶1、8∶2的分段进水方式，多级AO工艺出水COD均可满足《畜禽养殖业污染物排放标准》中COD含量400 mg/L以下的要求。而以7∶3和6∶4的进水配比，出水COD高于排放标准甚至超过500 mg/L，不能达标。
　　采用单点进水方式，出水COD的平均浓度为240～300 mg/L。采用分段进水，随进水配比的减小，出水COD浓度先降低后升高。其主要原因是在单点进水条件下，一级A/O段承担主要的污染负荷，二级A/O段因进水可降解有機物的减少，以及一级A/O段出水的冲击，不能满足污泥的正常生长，一级A/O段的污染物处理效果基本决定了整个工艺。利用两点进水向第二缺氧池补充一定易降解有机物，作为反硝化菌的碳源，促进污泥生长，在减少一级A/O段污染负荷的基础上增加二级A/O段的处理效果，以便更好地去除水体中的有机物。但随着第一缺氧池进水量的不断减少，降低了一级A/O段对原水中有机物的去除，使得二级A/O段超负荷运行，导致出水变差甚至不达标。
　　2.1.2 NH4+-N的去除效果。
　　不同进水配比下A/O工艺对NH4+-N的去除效果如图3所示，在单点进水和两点进水分配比为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3和6∶4时，出水NH4+-N的浓度分别在120、100、115、155和190 mg/L左右，均大于80 mg/L《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001），不能达标排放。这表明在好氧区的硝化容量相对不足，脱氮能力有限。在进水配比为6∶4时，NH4+-N出水浓度远高于其他4种进水配比下的出水浓度，主要由于进水中40%的污水进入第二段A/O区，导致该段A/O区NH4+-N的去除超负荷运行。因为第二段A/O区中的NH4+-N主要以硝化液回流的方式进入缺氧池而被去除，而第一段A/O区在脱氮过程中消耗了大量的碱度，对第二段A/O区的硝化过程造成很大的压力，导致出水不能达标且远超过排放标准。
　　2.1.3 各污染物沿程的变化。
　　为了探究单点进水和分配进水对污染物去除效果的影响，对沿程COD、NH4+-N、TP和pH进行了分析，结果如表1所示。从表1可看出，整个工艺段单点进水和9∶1配比进水对COD的去除率分别为86.97%和88.92%，而NH4+-N的去除率则分别为81.44%和86.67%。当以9∶1的进水配比时，NH4+-N的去除有较可观提升，但出水NH4+-N含量约为96 mg/L，仍不能达标。单点进水和9∶1的配比进水对COD和NH4+-N的去除都主要发生在一级A/O段，COD的去除率分别为77.39%和79.43%，NH4+-N的去除率则分别为72.10%和75.56%。9∶1的进水配比可以有效地降低一级A/O段的进水负荷，其NH4+-N的去除效果要优于单点进水。2种进水方式的二级A/O段COD的去除率分别为9.24%、8.91%，NH4+-N的去除率分别为8.50%和10.27%，对污染物的去除并没有明显差异。表1中的pH持续下降，表明二级A/O段碱度不足，导致氨氮去除效果变差，这主要是由于一级好氧区消耗了大量碱度。同时，二级缺氧池因易降解有机物不足，造成其反硝化过程难以补充足够的碱度，最终使得二级好氧区硝化效果变差，出水NH4+-N难以达标。因此，可通过直接投碱或外加碳源间接提高碱度的方式来强化脱氮，并确定进水配比9∶1为最佳进水配比。
　　2.2 外加碳源的优化
　　根据以上的研究发现，碱度不足是导致出水氨氮不达标的主要原因。因此，补充硝化过程所需碱度，可以增加氨氮的去除效果，而合理投加碳源可以有效地解决因反硝化不充分导致的碱度不足的问题[11]。
　　2.2.1 确定合理的碳氮比。
　　适宜碳氮比是指当完全去除水质中的硝酸盐氮时所需的最少有机物量与硝酸盐氮的比值[10]。该试验以餐厨垃圾水解酸化液、甲醇、葡萄糖和乙酸钠作为外加碳源进行反硝化试验，碳氮比的范围由理论值和参考文献确定的。从图4可以看出，甲醇、葡萄糖、乙酸钠和餐厨垃圾水解酸化液的最佳碳氮比分别为4.8、7.3、4.2和5.0。水解酸化液的反硝化速率优于甲醇，产生这一现象的原因是甲醇在作为碳源的过程中，首先需要被转化成相应的VFA，才可被用于微生物代谢循环，故其反硝化速率应低于直接利用VFA作为外加碳源时的反硝化速率。而餐厨垃圾水解酸化液含有较多的乙酸、丙酸和丁酸，属含有多种VFA的混合物，故其反硝化速率较高[10，12]。
　　2.2.2 污染物去除效果。
　　第二缺氧池进水质：COD为（450±100）mg/L，NH4+-N为（180±50）mg/L，在最适宜碳氮比情况下，将不同碳源投加入第二缺氧池。 　　2.2.2.1 COD的去除效果。
　　从图5可以看出，经过30 d的稳定运行，其出水COD含量均小于400 mg/L，满足排放标准。由于餐厨垃圾水解酸化液成分比较复杂[13-14]，存在部分难降解有机物，导致出水COD的含量有一定升高，但仍在排放标准范围内。
　　2.2.2.2 NH4+-N的去除效果。
　　从图6可以看出，经过30 d的稳定运行，在有外加碳源的条件下出水NH4+-N含量均小于80 mg/L，满足排放标准。
　　水解酸化液作为外加碳源对于氨氮的去除，可以与甲醇、乙酸钠等传统碳源的效果没有明显差别，其作为外加碳源可以克服反硝化碳源不足的问题。在反硝化过程中没有碳源的限制，可以为硝化过程补充足够的碱度，促进硝化反应的发生，体系中NH4+-N浓度不断减少。由图7可以进一步推断，外加碳源在促进反硝化过程后，为硝化过程补充了一定量的碱度，进一步提高了二级A/O段的氨氮去除效果。当没有碳源投加时，水体中NO3--N浓度从136 mg/L降低至72 mg/L，其主要是由于水体中易降解有机物不足而导致反硝化效果较差。补充碳源后可以看出，二级A池进水NO3--N浓度反而升高，出水NO3--N浓度降低。其主要是因为碳源的投加促进了二级A池的反硝化效果，在增强反硝化过程的同时产生更多碱度，进而补充二级O池中的碱度，促使NH4+-N转为NO3--N，最终，通过回流增加了二级A池的进水NO3--N浓度。
　　3 结论与建议
　　（1）采用分段进水多级A/O工艺处理养猪废水，在9∶1最佳进水配比下NH4+-N的去除效果比较可观，但是仍不能达标，出水NH4+-N含量约为96 mg/L。
　　（2）对养猪废水的外加碳源进行了优化，确定了甲醇、
　　葡萄糖、乙酸钠和餐厨垃圾水解酸化液的最佳碳氮比分别为4.8、7.3、4.2和5.0;在最佳碳氮比的条件下，出水中COD、NH4+-
　　N的浓度均能达标。
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