冯 涛,李 平*,吴 静,马金珍,黄宇圣,徐 锰,吴锦华

原液补碳模式对猪场厌氧消化液SFSBR处理特性的影响

冯 涛1,2,李 平1,2*,吴 静1,2,马金珍1,2,黄宇圣1,2,徐 锰3,吴锦华1,2

(1.华南理工大学环境与能源学院,工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东 广州 510006；2.华南理工大学环境与能源学院,污染控制与生态修复广东省普通高等学校重点实验室,广东 广州 510006；3.博天环境集团股份有限公司,北京 100082)

针对猪场粪尿厌氧消化液在后续生物处理过程中碳源,碱度的严重失衡问题,采用“缺氧(A1)+曝气(O1)+缺氧(A2)+曝气(O2)”的分步进水序批式反应器(SFSBR)处理,以实现碳源,碱度的体系内自平衡利用.通过改变A1,A2段的补碳量(采用定量的猪场粪尿原液,分别以1:1,1:3和3:1的体积比在反应器每个周期的A1,A2阶段启动时补碳,分别简称工况I,II,III),研究原液补碳模式对处理过程脱氮除磷特性的影响.结果表明,3种补碳模式均实现了短程硝化反硝化脱氮,反应器内pH值均稳定在8.5左右,NH4+-N去除率均达到95%以上.原液补碳直接影响反硝化过程,工况I,II条件下A2段反硝化速率分别为2.19和2.15mg/(g·h),均约为工况III A2段的1.6倍.不同工况下原液补碳对A段释磷和O段吸磷有显著差异,工况I和III条件下SFSBR除磷效果更佳,出水TP浓度分别为7.9和6.4mg/L,去除率分别达到84.4%和87.3%,相较于工况II分别提高了9.5%和12.4%.综合考虑脱氮除磷,有机物降解以及碳源/碱度自平衡控制,工况I为最佳补碳模式,系统出水COD,NH4+-N和TP浓度分别为360,10.6和7.9mg/L,相应的去除率分别为74.9%,98.6%和84.4%.研究表明,采用A1/A2段原液添加比为1:1的补碳模式(即工况I)能在碳源/碱度自平衡的基础上实现猪场粪尿厌氧消化液的高效脱氮除磷.

分步进水序批式反应器；猪场粪尿液；厌氧消化；原液补碳模式；脱氮除磷

随着我国畜禽养殖业的迅猛发展,畜禽养殖废水及粪便排放所导致的环境污染问题日趋严重.厌氧+好氧生物处理组合技术是目前畜禽养殖废水处理的主流工艺,然而在厌氧消化过程中,存在BOD5与COD,BOD5与NH4+-N生物降解及转化不同步的问题[1],使厌氧消化出水碳氮比严重失调,导致后续处理系统电子供体缺乏,碱度失衡,进而严重影响后续工艺的处理效果.针对这一问题,虽然通过补充碱度[2],投加碳源等方法能够取得较好的处理效果,但处理成本显著上升,并且需要根据进水水质的波动不断进行瞬时调节,工艺过程控制的复杂程度增加,运行费用也大幅上升.

分步进水序批式反应器(SFSBR)是一种依靠缺氧段多步进水补充反硝化碳源的生物强化脱氮工艺,该工艺提高了反硝化碳源补给率,脱氮的同时系统碱度得到回补,实现脱氮过程碳源碱度自平衡[3-4].目前在利用SFSBR处理猪场养殖废水方面的研究主要集中在SFSBR直接处理猪场原水[5-6],而关于SFSBR处理猪场废水厌氧消化液的研究鲜有报道.本文研究了猪场废水原液添加对猪场粪尿厌氧消化液SFSBR处理特性的影响,以期为SFSBR工艺的优化调控提供实验依据.

1 材料与方法

1.1 实验装置

图1 实验装置示意

采用序批式气升环流生物反应器,结构如图1所示.反应器高0.45m,内径0.14m,有效容积5.7L,由升流区(底部供氧,混合液呈上向流),降流区(混合液呈下向流,并由底部回流至升流区)和三相分离区3部分组成.空气由气泵经底部曝气头泵入反应器中,并通过转子流量计调节流量,以控制反应器中DO浓度;当反应器处于缺氧阶段时,采用充入N2气的方式确保反应器内泥水均匀混合.气泵,进水计量泵和出水口电磁阀由PLC系统控制.反应器内设有温控装置,维持在25~30℃.

1.2 进水水质及接种污泥

猪场粪尿废液原液取自广东省河源市某规模化养猪场,厌氧消化液取自该猪场黑膜厌氧池出水,水质特征见表1.原液和厌氧消化液均未检出NO2--N及NO3--N.接种污泥取自广州沥滘污水厂二沉池,接种量为反应器体积的20%,反应器运行过程中SRT约为20~25d,MLSS控制在4000~ 5000mg/L.

表1 猪场废水与厌氧消化液的水质特征

注:除pH值外,其余指标单位均为mg/L.

1.3 实验方法

反应器的启动驯化主要经历2个阶段:第一个阶段(0~30d),采用猪场废水厌氧消化液分别稀释10,5,3,1,0倍后进入反应器,进行污泥的驯化.此阶段未添加猪场废水原液;第二阶段(31~90d),采用未经稀释的厌氧消化液进水,并按图2的方式在A1/A2段按不同比例添加猪场废水原液进行驯化.SFSBR系统运行一个周期为28h,其中进水2min,缺氧搅拌(A1)4h,曝气(O1)12h,缺氧搅拌(A2)8h,曝气(O2)3.5h,静置25min,出水3min.每周期运行开始时向反应器内泵入800mL厌氧消化液;原液补碳模式采用总量800mL猪场粪尿原液,分别以1:1,1:3和3:1的体积比在A1,A2 2个缺氧搅拌阶段启动时加至反应器中,分别简称工况I,II,III,3种工况下SFSBR的运行策略见图2.每周期结束时反应器排水1.6L,水力停留时间4.2d.每个工况曝气阶段的DO浓度均维持在0.5~1.0mg/L.在经过90d的驯化及稳定运行后,SFSBR系统在每种工况下连续运行10d.

图2 3种工况下SFSBR的运行策略

1.4 分析方法

在一个运行周期内每隔2h自反应器取样.水样4000r/min离心20min,上清液用0.45µm滤膜过滤.pH值采用PHS-3C精密pH计测定;DO采用YSI-550A溶氧仪测定;NH4+-N采用纳氏试剂光度法;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO3--N采用紫外分光光度法;TP采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;COD按标准方法测定[8].

NAR(%),即亚硝酸盐积累率,通过公式(1)计算[7].

式中:NO2--N和NO3--N指反应器在曝气阶段积累的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度,mg/L.

FA(mg/L),即游离氨浓度,通过公式(2)计算[8].

式中:NH4+-N为废水中氨氮质量浓度,mg/L;为反应温度,℃.

实验数据采用Microsoft Excel 2010和Origin8进行处理和分析.

2 结果与讨论

2.1 3种工况下SFSBR的运行效果

3种工况下SFSBR的运行效果如图3所示.整体来看,3种工况下SFSBR对NH4+-N均表现出良好的去除能力,工况I,II,III中NH4+-N的平均去除率分别为98.2%,95.3%,97.8%.工况III中出水NO--N浓度显著高于工况I和II.

3种工况下出水COD均稳定在300~450mg/L,该部分COD被普遍认为是难降解有机物.Prado等[9]采用离心分离等预处理技术结合缺氧-好氧-膜生物反应器(A-O-MBR)处理猪场废水,经过9个月的稳定运行,结果表明该组合处理工艺对猪场废水中COD的去除率维持在90%以上,但出水COD仍达到300~400mg/L.Kim等[10]认为各种生物处理及不同的运行工况均不能有效去除猪场废水中的难降解有机物.

SFSBR在工况II条件下对TP的去除效果相较于在工况I,III条件下更差,SFSBR在工况I和III条件下每个运行周期的出水TP均小于8mg/L.

2.2 原液补碳对SFSBR脱氮特性的影响

3种工况下SFSBR系统中氮素在一个运行周期内的变化如图4所示,工况I,II,III进水后初始NH4+-N浓度分别为143.8,118.2和167.4mg/L,当反应器处于A1阶段时,工况I和II中NH4+-N浓度无明显变化;而工况III中NH4+-N出现明显的下降,在A1段结束时降至131.4mg/L,这可能是工况III在A1阶段发生了厌氧氨氧化作用.在上一周期结束时反应器内滞留的NO2--N在A1阶段能得到有效去除,且工况I和III在A1段的反硝化作用优于工况II,几乎能将残留的NO2--N完全转化,直接原因是工况I和III在A1段易生物利用的碳源补充较工况II充足.

进入O1段后,3种工况下NH4+-N均呈现与时间成线性关系的下降,同时出现大量NO2--N的积累,可知反应器内氨氧化菌(AOB)活性显著高于亚硝酸盐氧化菌(NOB),AOB成为优势菌群.工况I,II,III在O1段的亚硝酸盐积累率NAR均高于90%,分别为92.6%,91.4%和90.1%.NOB的活性受到抑制是由于初始SFSBR反应器内较高浓度的FA[11-12].Chung等[13]认为,当进水FA浓度大于5mg/L时,即可显著抑制NOB活性.本实验中,工况I,II,III在进水后反应器中的初始FA浓度分别为17.8,14.6和20.7mg/L,足以抑制NOB活性,促使反应器长期维持短程硝化反硝化状态.传统的生物脱氮反应动力学理论认为[14]:考虑细胞合成,还原1gNO3--N需要2.47g甲醇(相当于3.71gCOD),而还原1gNO2--N需要1.53g甲醇(相当于2.30gCOD),还原相同量的NO2--N和NO3--N,前者需求的COD量为后者需求的62%,即短程硝化反硝化过程相比于完全硝化反硝化过程节省了38%反硝化所需消耗的碳源.因此,短程硝化反硝化更有利于脱氮过程中的电子计量平衡控制.O1段结束时,3种工况下反应器内NO3--N浓度均低于15mg/L,并在A2段开始后被迅速完全去除.

一般认为,硝化与反硝化的水力停留时间比以3:1为宜,可达到70%~80%的脱氮率[15],而在本实验中,O1段硝化与A2段反硝化的水力停留时间比达到1.5:1,如此设置的原因是A2段反硝化碳源补给来源于猪场原水中的易生物降解COD,相比于甲醇,乙酸钠等[16-17]外加速效碳源而言,反硝化速率较慢,相应所需水力停留时间较长.工况I,II,III在A2段补碳结束后系统的BOD5/NO--N分别为2.45,3.42和1.01,工况III在A2段的反硝化碳源补给明显低于工况I和II,工况III在A2段的NO2--N去除率与反硝化速率分别为50.1%和1.29mg/(g·h).工况I和II在A2段的NO2--N去除率相差无几,分别为93.5%和95.6%,均为工况III的1.8倍.工况I和II在A2段的反硝化速率分别为2.19和2.15mg/(g·h),均约为工况III的1.6倍.邓良伟[18]等在研究原水添加比例对猪场废水厌氧消化液后处理的影响时发现,当原水与厌氧消化液的混合液进水BOD5/NO--N由0.70逐渐升高至2.62时,反硝化速率由0.75mg/(g·h)逐渐升至1.50mg/(g·h),反硝化速率与BOD5/NO--N成正相关,由于工况I,II在A2段的BOD5/NO--N高于工况III,所以工况I,II在A2段的反硝化速率比工况III高.由此可见,A2段反硝化碳源补给匮乏是工况III在A2段NO2--N去除率低且反硝化速率慢的直接原因.

表2 SFSBR系统进出水水质及污染物去除率

注:“—”表示未检测到数据,“-”表示无法计算.

如表2所示,在工况I,II,III的条件下,SFSBR系统对NH4+-N的去除率分别为98.6%,95.1%和98.2%, 3种工况下SFSBR系统对厌氧消化液中的NH4+-N都具有较好的处理效果.工况II出水NH4+-N浓度高于工况I和III,这是由于作为反硝化碳源补给的猪场原水也含有高浓度的NH4+-N,工况II在A2段原水添加过量造成SFSBR出水NH4+-N浓度过高.工况III在A2段反硝化因碳源不足而反应不完全,反应器内NO2--N积累导致工况III出水NO2--N浓度显著高于工况I和II.尽管如此,滞留在反应器中的NO2--N在下一个运行周期的A1段几乎能被完全去除,这也是反应器在工况III下还能维持系统长期稳定运行的原因.工况I,II,III在A2段启动时反应器内NO--N浓度分别为93.6,93.0和113.6mg/L,完全反硝化所需COD浓度从理论上计算分别为215.3, 218.4和276.4mg/L,而在实际运行过程中,工况I,II,III在A2段通过添加原液补充的COD浓度分别为266,400和134mg/L,工况III在A2段的补碳量无法满足实现完全反硝化的理论需求量.因此就一个运行周期内的脱氮过程而言,在控制A2段碳源的补充量与O1段硝化作用产生的NO2--N量相匹配上,工况III要劣于工况I和II,尽管其对NH4+-N的去除效果还优于工况II.

2.3 原液补碳对SFSBR除磷特性的影响

由表2可知,在工况I,II,III条件下,SFSBR系统对TP的去除率分别为84.4%,74.9%和87.3%.工况II条件下SFSBR系统的除磷性能较工况I和III有显著差异.3种工况下SFSBR系统中TP在一个运行周期内的变化如图5所示,工况I和III反应器内TP的变化情况相似,聚磷菌(PAOs)通过在A1和O1段分别进行释磷和吸磷作用去除了反应器内大部分的TP,而工况II中反应器在O1段结束时对废水中的TP几乎无去除效果,除磷过程主要发生在A2和O2阶段.

实验过程中,反应器内TP的变化差异可由反应器内脱氮与除磷两过程相互作用解释.当厌氧段存在NO2--N时,反硝化菌会与PAOs竞争利用生物易降解碳源,导致PAOs可利用的VFA量减少,释磷量和PHB合成量减少[19].工况I和III在A1段补充了足够的易降解碳源,能够同时满足完全反硝化和厌氧释磷的需求,PAOs在释磷过程中合成大量PHB,在随后的O1段通过利用PHB为内碳源进行过量吸磷;而工况II在A1段碳源补充匮乏,反硝化菌优先利用碳源使PAOs可利用的VFA量减少,释磷量和PHB合成量也减少,直接影响O1段PAOs对磷酸盐的吸收.相反地,工况III在A2段由于碳源不足,释磷过程受到严重抑制;工况I在A2段补充的碳源大部分被反硝化菌利用,A2段PAOs的释磷量相比于A1段明显减少;工况II在A2段得到大量碳源补充,但由于前一阶段的硝化作用积累了大量NO2--N,使得A2段反硝化菌进行反硝化作用所消耗的碳源增多,PAOs可利用的碳源和释磷量相对就会减少.另一方面,PAOs磷吸收量与磷释放量成正比关系[20],工况I,III在一个运行周期内的释磷总量均高于工况II,分别为108.6,112.8和79.60mg,因此工况I,III在整个运行周期内的吸磷总量也高于工况II,除磷效果更显著.从除磷效果来看,A1段补碳量宜大于或等于A2.

图5 3种工况下SFSBR系统中TP的周期变化

2.4 原液补碳对反应器内COD变化的影响

图6 3种工况下SFSBR系统中COD的周期变化

3种工况下COD在一个运行周期内的变化如图6所示,原水添加模式对进水后反应器的初始COD浓度影响较大.SFSBR进水中易降解有机物主要在非曝气阶段被去除,难生物降解有机物在曝气阶段被去除[21].在A1和A2段添加原水后,其中的易降解碳源被反硝化菌和PAOs利用,COD迅速下降;而在O1和O2阶段COD下降幅度较小,难生物降解有机物的去除主要发生在O1段,需要长时间的曝气且去除效率较低,若O1段曝气时间过长则会导致能耗过高.3种工况下A2段结束时反应器内的COD浓度均高于O1段结束时反应器内的COD浓度,说明原水中部分可生化COD无法被反硝化菌和PAOs作为碳源利用,当A2段原水添加量高于A1段时,部分有机物无法被反硝化菌和PAOs利用而残存在反应器中,导致出水COD浓度较高.由表2可知,在工况I,II,III的条件下,SFSBR系统对COD的去除率分别为74.9%,70.3%和75.1%.SFSBR对COD的去除效果基本不受原液补碳模式的影响.

2.5 原液补碳对反应器内pH值变化的影响

如图7所示,3种补碳工况下,反应器中pH值无显著性差异,均稳定在8.5左右,表明反应器在3种工况下均能长期稳定运行.反硝化率是计算反硝化产生碱度的重要指标,反硝化率越高,意味着可产生碱度也越多.工况I,II,III在A1段的反硝化率分别为100%,51.7%和85.2%,在A2段的反硝化率分别为93.5%,95.8%和54.8%.工况I在A1,A2段的反硝化率均高于90%,因此,从系统碱度自平衡控制的角度考虑,工况I为最优工况.

图7 典型运行周期内pH值的变化曲线

3 结论

3.1 通过添加原水能够解决SFSBR处理猪场粪尿厌氧消化液过程中碳源,碱度严重失衡的问题.在三种原液补碳模式下,反应器内pH值均稳定在8.5左右,同时对氮,磷及有机物具有良好的去除效果.

3.2 在3种原液补碳模式下,SFSBR均发生了短程硝化反硝化,NAR均高于90%,NH4+-N的去除率均达到95%以上.原液补碳直接影响A1和A2段的反硝化过程,工况I条件下反应器在A1和A2段发生完全反硝化,而工况II,III反应器分别在A1,A2段出现反硝化不完全的现象.工况I,II条件下反应器在A2段的反硝化速率分别为2.19和2.15mg/(g·h),均约为工况III条件下的1.6倍.

3.3 不同工况下原液补碳对A段释磷和O段吸磷有显著差异.工况I和III除磷过程主要发生在A1-O1阶段,而工况II除磷过程主要发生在A2-O2阶段.工况I和III条件下SFSBR除磷效果更佳,出水TP浓度分别为7.9和6.4mg/L,去除率分别达到84.4%和87.3%,相较于工况II分别提高了9.5%和12.4%.从除磷效果来看,A1段补碳量应大于或等于A2段.

3.4 综合考虑脱氮除磷,有机物降解以及碳源,碱度的自平衡控制,3种原液补碳模式中,工况I为最佳补碳模式,出水COD,NH4+-N和TP浓度分别为360, 10.6和7.9mg/L,相应的去除率分别为74.9%,98.6%和84.4%.在此模式下,无需添加外源有机碳及碱度,可实现猪场粪尿厌氧消化液的高效脱氮除磷.

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FENG Tao1,2, LI Ping1,2*, WU Jing1,2, MA Jin-zhen1,2, HUANG Yu-sheng1,2, XU Meng3, WU Jin-hua1,2

(1.Key Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters < Ministry of Education>, School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China；2.Key Laboratory of Pollution Control and Ecological Restoration of Guangdong Higher Education Institutes, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China；3.Poten Environment Group Co., Ltd., Beijing 100082, China)., 2019,39(9)：3840~3847

In order to solve the problem of serious imbalance of carbon source and alkalinity in the subsequent biological treatment process, anaerobically digestate swine manure was treated by step-fed sequencing batch reactor running the program for "anoxic (A1) + aeration (O1) + anoxic (A2) + aeration (O2)", to achieve self-balance utilization of carbon source and alkalinity in the system. By changing the supplemental amount of carbon in A1and A2stage (the quantitative raw swine manure was used for carbon supplementation in the volume ratio of 1:1, 1:3 and 3:1 at the start of A1 and A2 stages of each cycle of the reactor, respectively, referred to as condition I, II, III), the effect of carbon supplementation mode of raw swine manure on the nitrogen and phosphorus removal characteristics of the treatment process was studied. The results showed that short-cut nitrification and denitrification was achieved in all three carbon supplementation modes, the pH value in the reactor was stable at about 8.5 and the removal rates of NH4+-N were above 95%. The carbon supplementation of raw manure directly affected the denitrification process. The denitrification rates of the reactor in A2 stage under the condition I and II reached 2.19 and 2.15mg/(g·h), respectively, which were about 1.6 times as high as that under the condition III. The carbon supplementation of raw manure had significant differences between A-stage phosphorus release and O-stage phosphorus uptake under the three conditions. The SFSBR phosphorus removal effect was better under the condition I and III, the effluent concentrations of TP were 7.9 and 6.4mg/L respectively, the efficiencies of TP removal were 84.4% and 87.3% respectively, which were 9.5 and 12.4percents higher than those of condition II, respectively. With a comprehensive consideration of nitrogen and phosphorus removal, organic matter degradation and carbon source/alkalinity self-balance control, the condition I was the best carbon supplementation mode, the effluent concentrations of COD, NH4+-N and TP were 360, 10.6and 7.9mg/L respectively, and the removal rates were 74.9%, 98.6% and 84.4% respectively. The results also indicated that the carbon supplementation mode which the A1/A2 raw wastewater addition ratio was 1:1 (condition I) can realize the high-efficiency nitrogen and phosphorus removal of anaerobically digested swine manure on the basis of carbon source/alkalinity self-balance.

SFSBR；swine manure；anaerobic digestion；carbon supplementation mode of raw swine manure；nitrogen and phosphorus removal

X703

A

1000-6923(2019)09-3840-08

冯 涛(1994-),男,浙江杭州人,华南理工大学环境与能源学院硕士研究生,主要从事废水生物处理研究.发表论文3篇.

2019-02-04

广东省科技发展专项资金资助项目(2017B020247025)

* 责任作者, 教授, pli@scut.edu.cn