集约化猪场废水SBR法脱氮除磷的研究

中国环境科学2004,24(2)：224~228ChinaEnvironmentalScience集约化猪场废水SBR法脱氮除磷的研究何连生1,朱迎波2,席北斗3*,刘鸿亮3(1.清华大学环境科学与工程系,北京100084；2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101；3.中国环境科学研究院,北京100012)摘要：探讨了集约化猪场废水厌氧消化后,SBR法生物脱氮除磷效果及限制因子.SBR法操作参数为8h/周期,30℃恒温,SRT10d,HRT1d.废水初始NH+4-N浓度1682mg/L,PO43-浓度185mg/L,氨氮和PO43-去除率分别为94.3%和96.5%.温度系列8,10,12,14,16,18,20,22,25,30℃批试验证实18℃以上能获得较好的脱氮除磷效果,温度不再是限制因子.由活性污泥实验消耗曲线斜率取得氨氮利用率(AUR)、硝态氮利用率(NUR)、氧气利用率(OUR)3个参数,可以有效评价SBR污泥生物活性.关键词：猪场废水；SBR反应器；硝化；反硝化；氨氮利用率；硝态氮利用率；氧气利用率中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2004)02-0224-05StudiesonthenitrogenandphosphorusremovalincentralizedswinewastewaterusingSBRtechnique.HELian-sheng1,ZHUYing-bo2,XIBei-dou3,LIUHong-liang3(1.DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China；2.InstituteofGeographicalScienceandNaturalResourceResearch,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China；3.ChineseResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing100012,China).ChinaEnvironmentalScience,2004,24(2)：224~228Abstract：ThebiologicalremovaleffectofnitrogenandphosphorusandlimitingfactorofSBRtechniqueafteranaerobicdigestionofcentralizedswinewastewaterwereinvestigatedandstudied.TheoperationparametersofSBRtechniquewere8h/cycle,30℃constanttemperature,SRT/10d,HRT/1d.Theremovalrateswere94.3%and96.5%forammonianitrogenandPO43-respectivelywiththeinitialconcentration1682mg/LforNH+4-Nand185mg/LforPO43-.Experimentsinbatcheswithtemperaturefromlowtohighseriesof8,10,12,14,16,18,20,22,25,30℃confirmedthatSBRtechniquecouldachievefairlygoodeffectofnitrogenandphosphorusremovalabove18℃,andtemperaturewouldnolongerbethelimitingfactor.AUR(ammonia-nitrogenutilizationrate),NUR(nitrate-nitrogenutilizationrate)andOUR(oxygenutilizationrate)parametersobtainedfromtheconsumptioncurveslopeofactivatedsludgetestcouldevaluateeffectivelythebioactivityofSBRsludge.Keywords：swinewastewater；sequencingbatchreactor；nitrification；denitrification；ammonia-nitrogenutilizationrate；nitrate-nitrogenutilizationrate；oxygenutilizationrate集约化畜禽养殖对环境的负面影响体现在两方面,一是畜禽粪尿的直接流失,如上海市郊目前畜禽养殖业排放的氮、磷量已经超过农田径流,成为最主要的非点源污染[1];二是大量畜禽粪尿作为有机肥料施用到农田中,使得相当数量畜禽粪尿从农田流失到水体中,引起水体富营养化.猪场废水处理工艺主要集中在厌氧接氧化塘去除高浓度有机物[2].由于受到季节、温度变化、水生植物死亡等多因素影响,往往处理时间长且效果不佳.SBR法应用在氮和磷最高浓度分别达到8000,1000mg/L的猪场废水原液处理尚不多见[3].本研究旨在探讨SBR系统处理高浓度氮磷猪场废水的可行性,并确定温度对系统脱氮除磷处理效果的影响.通过测定氨氮利用率(AUR),硝态氮利用率(NUR),氧气利用率(OUR)3个参数,评价其作为污泥活性表征的有效性.1材料与方法1.1装置与材料收稿日期：2003-07-02基金项目：国家“973”项目资助(2002CB412302)*责任作者,副研究员,[e-mail]2期何连生等：集约化猪场废水SBR法脱氮除磷的研究225柱式反应器材料为有机玻璃,内径30cm,高50cm,有效体积35L;恒温水浴箱;鼓风曝气机,转子流量计.在线DO、ORP、pH值探头装置,时间控制器.装置如图1.图1实验装置示意Fig.1Shematicdigramofexperimentdevice猪场废水取自太湖地区一集约化养殖场,废水经过了厌氧消化,离心分离(3000r/min,16min,25℃)去除了大部分悬浮物质.上清液作为实验用水.表1是上清液水质特征.表1猪场废水离心分离上清液水质特征Table1Characteristicsofswinewastewatersupernatantaftercentrifugation指标测定值指标测定值BOD(mg/L)1705COD(mg/L)4030NH+4-N(mg/L)1680NO-3-N(mg/L)1.2NO-2-N(mg/L)0TN(mg/L)1682TS(g/L)12.36VSS(g/L)1.92VS(g/L)6.01TSS(g/L)2.50TP(mg/L)185pH值8.3COD、BOD、TSS、VSS、VS、碱度及TN按标准方法测定[4].NO3-、NO2-、PO43-离子色谱法测定;氨氮:纳氏试剂光度法;乙酸:气相色谱法;TOC:TOC分析仪;溶解氧:溶解氧电极法.1.2实验1.2.1氨和磷的去除为了研究最大的氨氮去除率,做4种不同氨氮浓度的对比实验(N1,N2,N3,N4),其中N4为原废水.N1,N2,N3加入之前各稀释3倍.稀释后成分数据如表2.表2对比实验参数原始稀释数据Table2Parametersvaluesofcontrasttests指标N1N2N3N4COD5(mg/L)780110012901350NH+4-N(mg/L)300400500560PO3-4-P(mg/L)30405063TS(g/L)3.186.0911.2012.12VS(g/L)2.803.562.593.96TSS(g/L)2.533.692.563.60VSS(g/L)1.822.631.903.02实验控制条件为温度30℃,HRT1d,SRT10d,每次循环8h.SBR的操作情况为进水0.5h,厌氧2h,好氧4h,缺氧沉淀0.8h,排水0.1h,闲置0.1h,其中厌氧和好氧段均有搅拌.好氧结束后,剩余的碳源数量少,难以降解,添加乙酸补充反硝化需要的碳源.添加量N1为800mg/L;N2为1480mg/L;N3为2000mg/L;N4为2200mg/L.1.2.2污泥特性处理效果达到稳定状态后,分别用AUR、NUR、OUR衡量污泥活性[5].AUR确定:把SBR反应器的污泥和蒸馏水在500mL的批反应器中混合,保持混合液中悬浮固体的浓度4±0.5g/L.通过曝气扩散器,液体始终保持流态,O2的浓度保持在8mg/L,加入的氨氮浓度100mg/L,每隔10min取样3mL,连续3h,过滤后分析氨氮浓度.AUR通过最终氨氮消耗曲线斜率计算出来.NUR的确定:在完全封闭的环境,其他操作如上.加入硝态氮浓度达到50mg/L.取样方法同上.样品经过滤预处理,测定NO3-、NO2-浓度.通过硝态氮消耗曲线斜率计算NUR.OUR的确定:与上述操作步骤一致,悬浮固体浓度保持2~3g/L,加入乙酸250mg/L,通过加入14mg/L烯丙基硫脲阻止硝化过程进行,好氧曝气,O2初始浓度8mg/L.溶解氧探头自动记录溶解氧浓度,溶解氧消耗曲线斜率即为OUR.1.2.3温度影响以N3配比为例,分别在8,10,12,14,16,18,20,22,25,30℃讨论系列温度对氨氮空气压缩机出水进水盐酸pH计搅拌器时间控制器226中国环境科学24卷去除的影响.2结果与讨论2.1最大NH4+-N负荷去除率在绘制1个SBR反应周期为N1、N2、N33个样品的参数曲线过程中,发现N1与N2的曲线变化趋势较为一致.为便于与N3,N4比较,取N2曲线为代表,略去N1的图示.图2,图3是一个周期内实验N2,N3典型成分变化曲线.图2(a),图3(a),显示氮组分变化趋势相似,即在厌氧阶段,氮组分浓度几乎没有变化;在好氧阶段NO3-浓度显著增高,除了极少中间产物NO2-,几乎全部氨氮转变为NO3-;随后在缺氧反硝化阶段,NO3-反硝化形成N2.表3显示了实验N1~N3平均氨氮的去除率和NO3-的平均反硝化率.实验N3(图3)显示在本研究使用的SBR运行模式下初始氨氮浓度500mg/L时,氨氮不能被完全去除,实验N4也证实了这一点(图4).实验N4氨氮初始浓度560mg/L,出水浓度23mg/L,虽然氨氮去除率达到94.3%,但是氨氮没有被完全去除(图4),需要另外提高碱度,才能实现完全硝化,而且高氨氮浓度和亚硝酸的出现会限制硝化细菌和亚硝化单胞菌的活性[6].在反硝化阶段,外部C源的加入可以促使NO3-完全反硝化.在沉淀阶段,可利用的有机碳缺乏,见图2(b)、图3(b).可降解碳/氮(C/N)比例是控制反硝化的关键因素.实验N1~N3中,当(C/N)比例1.8时,NO3-完全反硝化.这个值跟Bernet实验结论相似[10].2.2P的去除率图2(b),图3(b)显示了一个周期内P浓度的变化.3个实验在厌氧阶段磷酸盐释磷菌释磷的同时,充分利用低分子量的物质,尤其是乙酸作为能源进行能量储备.该阶段释放P的比例与可利用的挥发性有机酸(VFA)成正比.P/VFA比例在周期初始阶段为0.048(PO43-/乙酸).在好氧阶段,可溶性的P被吸收成为聚合磷酸盐沉淀.在3组实验中P的去除率近似(表3),平均为97%左右.可以认为,在类似SBR操作过程中,P的去除不存在明显的限制.表3营养物质去除率和AUR,NUR,OUR的值Table3NutrientremovalratesandvaluesofAUR,NURandOUR项目N1N2N3N4NH4+-N去除率(%)98.198.498.994.3NO3--N去除率(%)99.499.499.599.5COD去除率(%)63.269.871.468.5污泥活性参数NO3--N[mg/(gVSS×h)]100.2130.3150.2143.1NH4+-N[mg/(