（环境工程专业论文）sbr处理养猪场废水研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来畜禽养殖、j e 发展迅速，其带来的污染问题也越趋突m ，其中养猪业 是主要的污染大户，养猪场废水含有高浓度有机物和氨氮，对于利润微薄的养 猪业来讲，经济高效的将污水处理达标具有很大的难度。针对这一现实问题， 作者展开了对养猪场现有处理工艺的研究分析，发现处理的主要难度在于去除 废水中的高浓度氨氮。作者对传统生物脱氮工艺与新型生物脱氮理论进行了研 究与总结，并采用s b r 反应器，分别运用传统硝化一反硝化脱氮工艺和新型短 程硝化一反硝化脱氮工艺进行实验模拟，取得了良好的效果。 现场调查分析后发现养猪场废水主要来源于冲栏废水，其含渣量大( s s 在3 0 0 0 5 0 0 0 m g 1 ) ，有机物及氨氮浓度高( c o d 在8 0 0 0 1 0 0 0 0 m g l ，氨氮 在8 0 0 1 0 0 0 m g 1 ) ，现场采用隔栅一沉淀调节池一厌氧罐接触氧化一氧化塘 工艺，由于接触氧化脱氮效率低，出水无法达标排放。 模拟实验采用s b r 替换接触氧化工艺进行实际废水模拟实验，在强化脱 氮模式的最佳工况( 进水1 5 分钟+ 厌氧搅拌2 小时+ 曝气4 小时+ 厌氧搅拌2 小时+ 曝气4 小时+ 沉淀0 5 小时+ 排水0 5 小时+ 闲置4 5 分钟，一个周期总共 为1 4 小时) 下，运用交替硝化一反硝化方法进行脱氮。溶解氧控制在1 3 m g l ， p h 控制在7 0 以上，泥龄2 0 天左右，c o d 去除率为7 0 左右，氨氮去除率可 达到9 8 。系统运行好氧量约为传统活性污泥法的4 5 倍，每升废水需外加 碱度7 2 m g ( 以c a c 0 3 计) 。系统温度在低于1 5 度时氨氮去除率下降，低于1 0 度时去除率只有5 0 左右，低于5 度时氨氧化将停止。 实验结果表明传统硝化反硝化好氧量大，碱度消耗大，在经济性上不能 很好的满足养猪场处理需求，且交替式硝化一反硝化运行存在着硝化段碳源去 除与反硝化段碳源不足的矛盾。 改进型s b r 实验表明利用s b r 内部水力流态特性，对s b r 反应器进行结 构改造，通过档板隔断形成相互连通的一个好氧区和两个缺氧区，可成功实现 在同一个反应器内同时进行短程硝化一反硝化反应。同样的工况下，溶解氧控 制在o 2 0 5 r a g l ，废水c o d 去除率为6 5 ，氨氮去除率达到了9 9 ，曝气 量可节省3 0 9 卜_ 4 0 ，无需外加碱度。 改进型s b r 实验研究发现同时短程硝化一反硝化成功的解决了反硝化碳 源不足的矛盾，可使出水亚硝酸盐与硝酸盐浓度降低，总脱氮效率提高。另外 发现低溶解氧运行会对好氧异养菌产生一定的抑制。 从总体实验研究结果来看短程硝化反硝化的新型生物脱氮工艺更适合 养猪场经济高效脱氮的要求。 关键词：养猪场废水，s b r ，高浓度氨氮，硝化反硝化，亚硝化，短程硝 化反硝化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h el i v e s t o c ki n d u s t r y , 山ep o l l u t i o no fw h i c hh a s b e e nm o r es e r i o u st h e s ey e a r s a n dt h ep i g g e r yw a s t e w a t e ri st h ei nt h eh e a do ff r o n t p i gf a r m i n g i saj o w p r o f i ti n d u s t r y i t st o oh a r dt of i n da ne c o n o m i c a la n de f f i c i e n t w a yt od i s p o s e t h e p i g g e r y w a s t e w a t e r t os o l v et h i s p r o b l e m ，t h e a u t h o r i n v e s t i g a t i o n o nt h e w o r k i n gp r o c e s s i nt h e p i gf a r m ，a n d f i n dt h a tt h ep r i m e p r o b l e mo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti st or e m o v et h eh i g hc o n c e n t r a t i o no f n h 3 _ n t h ea u t h o rs t u d yt h et r a d i t i o n a la n dt h en e w w a yo fr e m o v i n gn h 3 州p r o c e s s t h en i t r i f i c a t i o n d e n i t r i t i c a t i o na n dt h es h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nw e r e u s e di nt h ep i g g e r yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i ms b r t h e r ew a s f i n a l l yag o o dr e s u l t o ft h ee x p e r i m e n t a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o no nt h el o c a lp i gf a r m ，i tw a sk n o w nt h a tt h ep i g g e r y w a s t e w a t e rm o s t l yc a m ef r o mt h ep i g g e r yw a s h i n gw a s t e w a t e r i tc o n t a i n sh i g h c o n c e n t r a t i o no fs s ( 3 0 0 0 5 0 0 0 m g 1 ) ，c o d ( 8 0 0 0 1 0 0 0 0 m g 1 ) ，n h 3 _ n ( 8 0 0 1 0 0 0 m 刚) t h el o c a lt r e a tp r o c e s si s ：b a r r i e r - - s e d i m e n t - a n a e r o b i c c o n t a c t o x i d a t i o n - - o x i d a t i o np 0 0 1 b e c a n s eo ft h el o wr e m o v er a t eo n n h l 一n j nc o n t a c t o x i d a t i o np r o c e s s ，t h ef i n a lo u tw a t e rc a n tr e a c ht h el o c a ld r a i n a g es t a n d a r d t h es b rw a su s e dt or e p l a c et h ec o n t a c to x i d a t i o np r o c e s si nt h ee x p e r i m e n t u n d e rt l l eb e s t p r o c e d u r e ( i n f l o w 1 5 m i n a n a e r o b i c 2 h _ a e r o b i c 4 h a n a e r o b i c 2 h a e r o b i c 4 l l 一s e d i m e m 0 5 h - - o u t f l o w 0 5 卜s t o p 4 5 m i n ) ，a l t e m a t e n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s sw a su s e dt o r e m o v en i t r o g e n ，c o n t r 0 1d o ： b e t w e e n1 3 m l ，p h ：a b o v e 7 0 ，s l u d g ea g e ：2 0 d a y s t h er e m o v a l r a t eo fc o di s a b o u t7 0 a n dw h i c ho ft l l en h 3 一ni sa b o u t9 8 t h eo x y g e nd e m a n do ft h e s y s t e m i s a b o u t 一5t i m e st h a nw h i c ht h et r a d i t i o n a la c t i v es l u d g et r e a t m e n t a b o u t7 2 m g a l k a l i n i t y ( c o u n tb yc a c o d w a sn e e d e d p e r l i t e ro fw a s t e w a t e r i ft h e t e m p e r a t u r eb e l o w1 5 ，t h er e m o v er a t e so fn h 3 nw i l ld r o p ，a n d 也er a t e si s 曲o u t5 0 w h e nw h i c hi sb e l o w1 0 1 1 1 en i t r i f i c a t i o nw i l l s t o pw h e nt h e t e m p e r a t u r ei sb e l o wlo t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h en i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s s n e e dl a r g em o r eo x y g e na n da l k a l i n i t y i t sn o ts u i t a b l ef o rt h ee c o n o m i c a ld e m a n d o ft h e p i g g e r y w a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h e r ei sa l s oac o n t r a v e n t i o na b o u tt h ec a r b o n r e m o v ei nn i t r i f i c a t i o na n dc a r b o nd e m a n di nd e n i t r i f i a t i o n t h ea d v a n c e ds b r e x p e r i m e n ts h o w s t h a ti ti sp o s s i b l et oa c h i e v et h es h o r t c u t n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o ni no n er e a c t o ri no n et i m eb y r e c o n s t r u c t i n g ，a n dw h i c h u s eb a f f l et of o r mo n ea e r o b i ca r e aa n dt w oa n a e r o b i ca r e a s ，u n d e rt h es a n l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i l 页 p r o c e d u r e c o n t r o ld ob e t w e e no 2 一o 5 m g 1 t h er e m o v er a t e o fc o di sa b o u t 6 5 a n dw h i c ho f t h en h 3 - ni s9 9 t h eo x y g e nd e m a n dr e d u c e da b o u t 3 0 _ 4 0 a n dn oa l k a l i n i t yw a sn e e d e d t h ee x p e r i m e n to fa d v a n c e ds b rs y s t e ms h o w st h a ts h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o nc a l ls o l v et h ec a r b o nd e m a n dc o n t r a v e n t i o n t h eo u t f l o ww a t e r c o n t a i n sj e s sn i t r i t ea n dn i t r a t et h er e m o v er a t e so fn i t r o g e ni n c r e a s e i tw a sa l s o c a nb ef i n dt h a ta e r o b i ch e t e r o t r o p hw i l lb er e s t r a i n e di nl o w o x y g e ns y s t e m t h et o t a le x p e r i m e n ts h o w st h a ts h o r t c u tn i t f i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o np r o c e s si s m o r es u i t a b i ef o re c o n o m i c a la n de m c i e n td e m a n do ft h e p i g g e r y w a s t e w a t e r t r e a t m e n t k e y w o r d s ：p i g g e r yw a s t e w a t e r , s b r ，h i g h c o n c e n t r a t i o n n h 3 - n n i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c a t i o n ，n i t r i t e ，s h o r t c u tn i t r i f i c a t i o n d e n i t r i f i c m i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1问题的提出 第一章绪论 1 1 1 畜禽养殖业发展 畜禽养殖业历来是我国国民经济的重要组成部分，随着改革开放的深 入，这个规模庞大的生产行业发展迅速。由于人们生活水平的提高，对各 类禽类食品的数量和质量都有了很大提高，传统的小规模散养、圈养的生 产已无法满足市场需求，取而代之的是如今大规模，集约化的养殖场，机 械自动化程度高，防控疾疫能力强，产品质量和数量都有了很大提高，能 够满足人民的生活需求，“菜篮子”工程成效显着。 1 1 ，2 畜禽养殖业废水污染严重 随着畜禽养殖业的发展，其带来的环境污染问题也日趋严重，养殖场 不仅废水摊放量大，而且含有的污染物质浓度高，由于一直以来对于畜禽 养殖业的污染问题不够重视，大部分企业都未能对污染物进行有效处理就 直接排放，对周围环境破坏非常严重。 广东是个养殖大省，据统计，目前广东仅东莞市全市就有养猪场4 4 7 1 个，生猪存栏量7 6 2 万头，家禽场2 5 9 个，家禽3 6 7 6 万只，但其中通过 环保部门审计达标的养猪场只有1 1 个，家禽场9 个，全市养殖业每天排放 污染物量6 1 0 0 吨，相当于全市生活垃圾的排放总量；每年排放废水c o d 约4 6 万吨，为全市工业废水c o d 排放量的1 8 倍。由于养殖场一般在 城市边缘较偏远地区，养殖废水无法经城市污水处理场进行处理，大部分 污染物最终进入周围土壤和水体。主要危害有： 1 造成土壤和水体污染 废水中大量氨氮进入土壤后会转化为硝酸盐，过高的含量会使土壤失 去生产价值。废水中有机物和氨氮会使河流、湖泊等水体迅速富营养化， 大量滋生蚊蝇，藻类过量繁殖，水中溶解氧降低，使鱼、虾等水生生物死 亡，严重的甚至会完全丧失其水体功能，而且有部分水体为取水水源地， 严重威胁着人民群众的饮水安全。 2 ，空气恶臭污染 由于粪便中含有硫化物( 如h 2 s ) 、粪臭素( 甲基吲哚) 、醛类、硫醇、 胺类及氨气等，造成空气的恶臭污染，严重影响周边地区群众生活。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 疾病传染 世界共有人箭共患疾病2 5 0 多种，我国共有1 2 0 多种禽畜粪便及废 水中的有害微生物、致病菌及寄生虫卵通过各种途径传播，给人类健康甚 至，t 命造成威胁。 4 药物残留 畜产品巾残留的药物有兽药，人药，消毒药，农药及其它化学药品 这些残留物随粪便排出，污染土壤和水源，危害人类健康。 1 13 养猪场废水水质特征 在畜禽养殖业中养猪业是主要污染大户，其污染特性也基本代表了畜 禽养殖业的总体规律。养猪场产生的干粪可通过回收作为农腊出售，其主 要污染物为养猪场废水，其来源有：1 冲栏废水；2 清洁冲洗水；3 职丁 生活用水。一般冲栏废水水量最大，污染物质含量最高，是猪场废水主要 组成部分，养猪场废水有以下几个主要特点： 1 水量波动大 废水主要是在冲栏时产生，冲栏时间一般多集中在上午1 0 一1 1 点，和 下午3 4 点左右，所以废水多集中在这两个时段排放，其它时间水量很小， 所以冲栏时对处理设施的冲击负荷较大。 2 含渣量大 冲栏废水中含有大量粪渣和食物碎屑，如没有很好的进行除渣处理， 废水中的废渣能将管道堵塞，同时粪渣和碎屑等会大大增加废水c o d 及氨 氮浓度，增加处理难度。 3 有机物及氨氮浓度高 一般经过除渣处理的猪场废水c o d 仍在6 0 0 0 m g l 以上，氨氮可达 7 0 0 m g 1 ，此含高浓度有机物及氨氮的废水，处理达标具有较大的难度。 养猪业是一个低利润行业，一般无法承受耗费较高的污水处理工艺， 这也正是目前多数养猪场未能有效处理污水的原因。所以找到一种经济适 用，利于推广的污水处理工艺是十分必要和迫切的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 12 国内外研究现状 1 2 1国内养猪场污水处理现状 目前国内大部分养猪场的处理设施还不够完善，处理效果基本不能达 到排放要求，主要处理方法有： 1 传统化粪池 这种方法应用已久，是我国传统的处理粪污方法，一般较偏远的小型 养猪场仍沿用此法，方法简单，粪水可浇灌农田，但废水无法达标排放， 对周边水体容易造成较大污染。 2 固液分离与理化处理 处理流程一般为固液分离一沉淀一酸化一净化一鱼塘一排放，此法一 般不能完全达标排放，且工艺流程长，占地大，已属于淘汰工艺。 3 厌氧发酵处理系统 这是以厌氧反应器为主要降解污染物单元的工艺，流程一般为：固液 分离一厌氧反应器一沉淀一鱼塘一排放，此方法为目前大部分中小型养猪 场的处理方法，厌氧产生的沼气可收集利用。出水一般可达到国家养殖业 排放标准，但多数无法达到较严格的地方废水排放标准。 4 组合工艺系统 一般大型养猪场目前多采用厌氧一好氧组合工艺，一般流程为：固液 分离一沉淀一厌氧罐一曝气池一鱼塘一排放，此工艺在南方及沿海较发达 地区地方排放标准严格情况下仍无法达标。 总体来看，目前国内养猪场废水处理工艺已由单一的物化处理已向组 合型生物处理方向发展，但由于猪场废水处理的特殊性，大多数养猪场废 水仍无法达到标排放，尤其是氨氮指标不能达标，因为大多数现有处理工 艺没有脱氮功能。 1 2 2国内外养猪场废水处理研究现状 随着国家及地方对养殖业污染问题的逐步重视，国内对养猪场废水处 理工艺的深入研究也慢慢开始，各种新型工艺被应用到猪场废水处理中来。 邓良伟【2 1 等采用水解一s b r 一活性炭吸附工艺处理规模化猪场粪污，水 解反应器停留时间( h r t ) 2 o 6 o h ，c o d c r 去除3 0 1 4 7 3 ，b o d s 去 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 除5 4 】，s s 去除5 6 o - - 6 1 1 ，t n 去除2 2 3 ，t p 去除5 5 3 ，n h 3 n 几乎没有去除。水解对c o d 的去除效率比沉淀高1 7 。s b r 停留时间 f h r l l11 0 1 4d ，c o d c r 、b o d 5 、s s 去除率分别为5 2 1 8 2 1 、 8 9 0 9 5 7 、9 3 9 9 7 3 ，但出水中仍残留相当数量的难降解c o d c r 。 s b r 对氮有较好的去除效果，t n 去除率为7 4 1 ，特别是对高浓度n h 3 _ n 的去除，取得了相当好的结果，去除率达9 7 以上。生化处理山水再 经过活性炭吸附，接触时间1 5 m i n ，c o d e r 、b o d 5 、n h 3 一n 、t n 、t p 去 除率分别达7 5 8 、7 8 6 、1 2 8 、2 0 3 、2 8 3 。不过，该t 艺的不足 之处在于用活性炭处理的费用太高。邓良伟等同时还采用了i c 工艺1 3 i ， a n a r w i a 工艺1 4 j ，对养猪场废水处理进行了实验研究，并都取得了较好的处 理效果。 成文，卢平等1 5 1 采用接触氧化一水解( 酸化) 一两段接触氧化一混凝工 艺处理，通过试验得到最佳工艺参数。在最佳试验条件下，进水c o d 小于 5 0 0 0m g 1 ，经处理后出水c o d c r 平均去除率大于9 7 ，b o d 5 去除率大 于9 8 ，氨氮去除率大于9 6 ，但工艺较为复杂，耗能教高。 广东省东莞市某规模化猪场4 万头猪日排放废水达6 0 0 m 3 以上，原污 水c o d 浓度高达6 0 0 0 8 0 0 0 m 虮。中旨科学院广州能源所采用固液分离一 u a s b 一生物曝气池一气浮池一三级氧化塘工艺处理该规模化猪场废水，厌 氧处理和曝气池出水c o d c r 分别为1 3 0 0 m i g l 和7 3 0 m g 1 ，总出水c o d e r 达1 5 0 2 0 0 mg l ，n h 3 n 达3 1m e , l ，处理出水水质达到国家二级排放标 准。但仍不能达到广东省地方废水排放标准，且运行费用较高。 廖新悌，骆世明1 6 1 采用人工湿地工艺，用香根草和风车草作为植被对猪 场废水进行了处理，c o d 去除率最高达到了9 0 ，但此工艺对废水预处理 要求较高，且处理效果受气候影响，占地较大。 2 0 世纪6 0 年代以来，在发达国家中，一批大型集约化畜牧场相继在城 镇郊区建立，随之而来的是每天都有大量的畜禽粪便以及生产污水的产生， 从而导致对环境的污染甚至破坏。6 0 年代日本曾用“畜产公害”来形容这 一严重局面。面对这一现实，许多发达国家迅速采取措施、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，如从饲养规模上、设施上、 环保方面，制定了一系列的法规，并且进行严格的监管，很快收到了效果。 近年来，许多发达国家和地区，如荷兰、英国、韩国等，对畜牧场的排污标 准又作了修订，要求更加严格，美国佛罗里达州甚至由政府补贴鼓励奶牛 场主停业，以实施环境保护。又如欧共体制定了法规，对每公顷土地承载 的畜禽头数加以限制，以使畜禽粪便能被土地自然消纳：澳大利亚为防止 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 刘环境造成污染，严格控制新建大型现代化养殖场。此外，一些发达国家 还通过发展农牧结合的小型农场，合理利用和处理畜禽粪便和污水，达到 既提高土壤肥力又提高环境质量的目的。 在废水的处理丁艺上，国外规模化猪场主要采用厌氧+ 好氧+ 生物净化 组合工艺。一般坚持资源化、无害化、减量化的处理原则，并考虑到人口 数量、土地承载力而控制规模化猪场的发展速度和规模。 t a k a a k im a e k a w a ”】等以氨结晶为预处理的间歇曝气序批式反应器 f s b r ) 处理猪场废水，这是一个化学预处理与s b r 联用的一个好氧工艺， 在该研究得到的氨结晶的最佳操作条件下，即：反应温度为2 5 ，反应时 间为l h ，p h = 7 5 ，n h 3 - n ：p 0 4 p ：m g = 1 0 ：0 9 ：0 9 ( 摩尔比) ，这时 n h 3 - n 去除率达到9 0 以上，c n 值也从1 9 8 增到8 ，但没有t p 的去 除。将上述结晶操作的出入引入间歇曝气的好氧池中，以1 ：1 的曝气不 曝气时间比进行曝气，得到去除率为：t n 9 1 ，n h 3 - n 9 9 ，仍然没有t p 的去除，若加入3 的c a c l 2 溶液可去除p 0 4 一p 6 0 。而当比值为：n h 3 一n ： p 0 3 一p ：m g = 1 0 ：0 6 ：0 9 ( 摩尔比) 时，发现n 、p 均有去除，其去除率分 别为：7 9 3 2 8 7 4 5 、4 0 3 8 8 5 。 c s r a l 2 4 等用特征氧化还原电位控制猪场废水处理系统，该研究是一 个工艺控制的新方法，用氧化还原电位控制一个两段式s b r 系统，试验结 果表明：因为氧化还原电位实时控制反应体系可以随生物污泥活性和进水 特征而自动调节h r t ，所以体系可以不受进水波动而得到稳定的出水水 质，保证营养性物质得到比较完全的去除。 py y a r t 9 1 2 s l 等研究了三段式厌氧处理系统，包括搅拌、调节( 均匀化) 、 生物反应、出水稳定几个单元。试验表明，最佳操作条件为：o l r = 2 9 5 g t v s ( l d ) ，h r t = 3 1 7d ( 反应器l 、2 、3 分别为：5 、1 3 3 、1 3 3 d ) 进水 t s = 1 1 0 5 l 。此时工艺t v s 去除率为6 9 6 ，反应器2 、3 的产气率 为0 9 7 2l ( l d ) ，甲烷产率为0 4 1 9l g t v s 。 夏威夷大学1 2 6 j 开发的一个包括：固液分离( h r t = 3 2d ) 、厌氧单元( h r t = 3d ) 、好氧单元( h r t = 4 d ) 、石滤出水修饰单元的工艺。当好氧单元以 曝气2 0 h ，沉淀4 h 方式操作时，总去除率为：t c o d 8 9 9 5 4 ，t k n 8 2 3 8 8 5 ，t p 8 1 2 。出水无臭，符合当地废水排放标准，可用于 牧场灌溉。在此基础上，采用四种曝气模式，即9 6h 内曝气时间与非曝气时 间比分别为：6 0 ：3 6 ，5 ：1 ，4 ：2 ，3 ：3 ( 其中后三种模式为6 小时内 的时间比，持续9 6h ) ，研究好氧单元曝气方式对处理效果的影响。结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表明，曝气方式肘处理效果影响很大，3 ：3 为最佳比例，这时t c o d ，7 f b o d 5 ， t n ，t p 及t s s 去除率分别为：8 74 ，9 8 7 ，9 2 7 ，7 l 和9 7 5 ，并 对3 0 0 ，1 0 0 ，2 0 0 0 ，3 0 0 0 ，5 0 0 0 头猪的猪场作了经济评估，结论是可行 性较好。 同时近年来国外对于新型的脱氮i ：艺研究较多，如厌氧氨氧化、同步 硝化反硝化、短程硝化反硝化、好氧反硝化等，为研究猪场高浓度氨氮废 水处理提供了新的途径。 总体来看，目前国内研究已有了一定的成果，很多新型工艺被应用到 了养猪场废水的处理中来并取得了一定的效果，但多数还停留在实验阶 段，现场应用的较少。有些工艺处理效果虽好，但具有一定的局限性，如 耗能大，占地大，工艺过于复杂，有地域或气候条件限制等，不能很好的 适合养猪场实际推广应用。国外在经历了几十年的经验摸索后，已经形成 了一个完整的畜禽养殖_ e 环境污染控制系统，从生产、规划布局到污染控 制、资源利用等已有了一套完整的管理措施，全方位进行污染控制，得到 了很好的效果。由于我国实际经济、管理条件所限，我们现今主要目标是 结合国内外研究成果，找到经济有效的养猪场废水处理方法。 1 3 本文的研究内容、方法和技术路线 1 3 1 研究内容 拟在广东东莞一养猪场采用现场实际废水，应用模型实验进行分析研 究，找出在厌氧一好氧组合工艺处理畜禽养殖废水中好氧部分( 采用s b r 工艺) 的最佳工艺设计方案和最佳运行工况，使废水中高浓度c o d 、n h 3 - n 等污染物能以当地地方标准达标排放，实现最优经济效益和环境效益的结 合。具体为： ( 1 ) 研究废水水质及特征，确定s b r 的目标处理水质( 厌氧出水) 及 处理效果，设计模型及工艺参数。 ( 2 ) 研究s b r 系统对此高浓度c o d 、氯氮废水启动的规律及最佳启动 方案。 ( 3 ) 研究各不同工况条件下( 泥龄，p h ，溶解氧，温度等) 系统对c o d 、 氨氮的去除规律。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 4 ) 探索通过对s b r 的结构改造，利用s b r 水力特性，在内部形成好 氧和缺氧区，实现内循环同步硝化、反硝化及亚硝化反硝化( 短 程硝化反硝化) ，并对其影响剀素和规律进行研究。 ( 5 ) 确定s b r 最经济、高效的运行方式。 1 3 _ 2 研究方法 通过现场实验，在不同的运行方式及环境因素下，进行交叉对比研究， 结合理论与实践经验，找出微生物活动和污染物去除效率的影响条件及规 律，遵循经济有效的原则，确定最佳运行工况。 1 3 3 技术路线 资料收集 工 现场监测 s b r 模拟方案确定 s b r 系统启动 s b r 结构改造宴 d ol 好氧缺氧体积比i 结构尺寸 研究不同参数下的运行效果 分析此设想是否可行 s b r 正常运行后交叉实验 旦qi ! 垡l 温度i 各段时间及操作方式 型盔丕显熊堇! 叁塑王置渥及c o d 、氯氯去除规律 确定最佳运行工况 塑窒! 旦墨丝理童查养殖废水最佳方式和工况 图1 - 1 技术路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章生物脱氮理论及工艺 2 1 传统生物脱氦原理及工艺 由于养猪场废水主要处理难度在于高浓度氨氮，对于氮素污染的工程 控制，目前主要采用生物脱氮技术，其理论基础是微生物的硝化和反硝化 作用。硝化作用是指将氨氧化为亚硝酸和硝酸的生物反应，主要有自养型 硝化细菌进行；反硝化作用是指硝酸( 盐) 、亚硝酸( 盐) 以及其它氮氧化 物被用作电子受体而还原为氮气的生物反应，可由多种反硝化细菌进行。 2 1 1 硝化作用 ( 1 ) 硝化细菌的种类和鉴别特性 在( ( b e r g e y 鉴定细菌学手册第九版中，硝化细菌( n i t r i f y i n g b a c t e r i a ) 作为一个亚群而被归入好氧化能自养细菌群，即第十二群的第三亚群。根 据所利用的无机氮化物，硝化细菌亚群又被划分两个部分，即：氨氧化细 菌( a m m o n i a o x i d i z i n gb a c t e r i a ) 和亚硝酸氧化细菌( n i t r i t e o x i d i z i n g b a c t e r i a ) ，它们分别又由五个和四个属组成。 各属氨氧化细菌的主要鉴别特性是细胞形态、大小、鞭毛的着生部位 以及细胞内膜的排列方式，详见表2 1 。 表2 一l 各属氨氧化细菌的鉴别特性 各属亚硝酸氧化细菌的主要鉴别特性类同于氨氧化细菌，仅加了利用 有机物的性能，详见表2 。2 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( 2 ) 硝化细菌的能量利用特性 硝化作用分两步进行：氨氧化细菌将氨氧化成亚硝酸，皿硝酸氧化细 菌将亚硝酸氧化成硝酸。至今还没有发现能够把氨直接氧化成硝酸的微生 物。氨和亚硝酸( 盐) 依次是氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌进行自养生长 的唯一能源，其生化反应为： n h ：+ 1 5 0 2 _ n o ；+ 2 h + + h 2 0a g o = 一2 6 0 2 k j m o l n h ； 嘎+ o 5 0 2 叫n o ；a g o = 一7 5 8 k j m o l n 0 2 a t p 的水解反应为： a t p + 日2 0 j 爿d 户+ p ia g o = 一3 1 4 k , l m o l a t p 比较反应式可知，氨和亚硝酸( 盐) 生物氧化所释放的自由能即使全 部转化为a t p ，亦分别只能产生8 3 m o l a t p m 0 1 n h 4 + 和2 4 m o l a t p m o l n 0 2 一， 从热力学上看，这两种硝化基质均为低级能源。 ( 3 ) 硝化过程的生化反应 从生物化学的角度看，硝化过程并非仅仅是氨氧化细菌将氨氧化成亚 硝酸、亚硝酸氧化细菌将亚硝酸进一步氧化成硝酸。它涉及多种酶和多种 中间产物，并伴随着复杂的电子( 能量) 传递。 根据现有的知识，氨氧化细菌对氨的转化过程为： n h 、皇苎塑墨童斗n h l o h 兰窒型! 堕氓n o 、兰墅墅! 塑崎n o ： 在整个氨的转化过程中，氨的羟化相对比较困难，但它一旦被转化为 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 羟胺就很容易被进步氧化，参与羟胺氧化为亚硝酸反应的酶是羟胺氧化 酶，其过程的各步反应式为： 氨转化为羟胺：n h ，+ 0 ：+ 2 【h l 塑翅马h 2 0 h + h 2 0 羟胺氧化为亚硝酸：e + n h 2 0 h e n o + + 3 h + 十4 p 墨二盟旦：旦：垒= = 2 量型型i ! 旦： n i l 2 0 h + h 2 0 d i + 5 h + + 4 口一 在亚硝酸氧化为硝酸的过程中，诸多实验表明未检出任何中间产物， 因此一般认为它是一步完成的，结合进硝酸的氧来自水，即； n o ；+ 2 0 _ d f + 2 h + + 2 e 一 催化此反应的酶称为亚硝酸氧化酶。 ( 4 ) 硝化作用的化学计量关系 氨氧化细菌( n i t r o s o m o n a s 作为代表属) 和亚硝酸氧化细菌( n i t r o b a c t e r 作为代表属) 的细胞采用经验式c 5 h 7 n 0 2 表示，则生物合成反应为： 1 3 n h ：+ 1 5 c 0 2 _ l o o ；+ 3 c 5 h 7 n 0 2 + 2 3 h + + 4 h 2 0 i o n o ；+ 5 c 0 2 + n h ；+ 2 h 2 d 1 0 0 f + c 5 h 7 n 0 2 + 月7 + 根据理论计算，n i t r o s o m o n a s 和n i t r o b a c t e r 的细胞产率分别为 o 2 9 9 v s s g n h 4 + - n 和o 0 8 4 9 v s s g n 0 2 - - n ，若把硝化当作一步反应，细胞 产率为0 0 6 o 2 0 9 v s s g n h 4 + - n 。 如果n i t r o s o m o n a s 和n i t r o b a c t e r 的细胞产率分别采用 0 0 8 9 v s s g n i - 1 4 + - n 和o 0 5 9 v s s g n 0 2 一- n ，则整个硝化反应为： 1 o o n h ；+ 1 8 9 0 2 + o 0 8 0 5 c 0 2 o 9 8 4 n o ；- + 0 0 1 6 1 c 5 h 7 n 0 2 + 1 9 8 h + + o 9 5 2 皿o 由上式可知，硝化作用的耗氧量、耗碱量和细胞产率分别为： 4 3 3 9 0 2 g n h 4 + - n 、7 0 8g c a c o f f g n h 4 + - n 和0 1 3 9 v s s g n h 4 + - n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 2 1 2 反硝化作用 ( 1 ) 反硝化细菌的种类 不像硝化细菌，反硝化细菌在种类学上没有专门的类群，它们分散于 十个不同的细菌科中。就生物多样性而言，没有一种无机物的转化可与反 硝化作用相提并论。 为了反映反硝化细菌的多样性，吲时也便于识别特定环境中的各属反 硝化细菌，n p 西f 对文献报道的反硝化细菌进行了整理，并建立了多个生理 群，具体见表2 3 。 表2 - 3按生理特性归群的各属脱氮细菌 注：1 圆括号内的属或不确定，或不再为分类单位，或其中的反硝化细菌种已归入其它属 2 方括号内的属反硝化过程不完全。 ( 2 ) 反硝化细菌的能量利用特性 反硝化细菌的能源谱较宽，有机物、无机物和光均可作为其能量来源。 其中，有机物是许多反硝化菌属以及自然界一些优势反硝化菌群的主要能 源。自然界最普遍的反硝化细菌是p s e u d o n o n a s ，其次为a t c a l i g e n e s ，相对 于这两个属而言，其它反硝化菌属的出现频率较低，只有在某些特殊的环 境中才居优势。 反硝化细菌多为兼性厌氧菌，能够利用氧或硝酸( 盐) 作为最终电子受体。 在氧受限制时，硝酸( 盐) 取代氧进行代谢活动。虽然硝酸( 盐) 与氧一 样，都从呼吸链接收电子：但以硝酸( 盐) 作电子受体时，基质释放的能 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 量会卜- 降。 ( 3 ) 反硝化过程的生化反应 根据已有的研究结果，细菌的反硝化过程可表示为： n o ；j 魁至壁_ 咙j 幽塑! 垦堕寸d 避盟一2 ( ) 幽马| v 2 各酶促反应间的相互关系如图2 一l 所示： n 0 2 n o n 2 0 n a t - - 硝化还原酶n i r - - 亚硝化还原酶n o r - - n o 还原酶n o s - - n 2 0 还原酶 图2 - i 细菌的反硝化作用 ( 4 ) 反硝化中间产物的产生与转化 b e t i a c h 等人( 1 9 8 1 ) 认为，反硝化过程可看成一个序列反应，并用 m i c h a e l i s - m e n t e n 模型( 3 1 0 ) 作理论解释。 l = p 篇 ( 2 1 0 ) 式中：i 一脱氮过程中的某步反应( i = 1 4 ) v 一反应速率： p 一抑制系数( 取值范围0 1 0 0 ) ； v 。一最大反应速率； k 。饱和常数； s 一基质浓度。 在正常情况下，它是按图2 - 1 所示顺序进行的。四种氮氧化物同时以 其稳态浓度接受电子。亚硝酸还原酶、n o 还原酶和n 2 0 还原酶的k 。值较 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 小，各基质的稳态浓度也相应较低。但同时也不容忽视的是，四种氨氧化 物的还原顺序还弓环境条件、反硝化细菌的种类特性等有关。 b e t l a c h 等人认为，在正常情况下，由丁各脱氮酶的亲和力( k 。) 不同， 反应达到稳定时，会残留升i 同浓度的基质( 包括中间产物) 。作为序列反应， 反硝化过程中各中间产物的转化状况还耿决于各自的反应潜能( v 。) 。只 有在v a x l v 。a x 2 v 。m v “的条件卜- ，中间产物才不会超过其稳定浓 度。此外，中闻产物的积累还与环境条件有关。例如，当电子供体相对不 足或培养时间过短时，氮氧化物就不能完全还原而以中间产物的形式积累 于环境中。又如，培养中触发个别中间产物( n 0 2 - ) 超过抑制浓度，使反 硝化过程不能平衡地进行，也会造成中间产物的积累。 ( 5 ) 反硝化作用的化学计量关系 反硝化作用实质上是以硝酸赫为电子受体的氧化还原反应。在反硝化 系统中，除了硝酸( 盐) ，还常存在氧和亚硝酸( 盐) 。咀氧、硝酸( 盐) 和亚硝酸( 盐) 作电子受体的半反应分别为： 丢0 2 + h + + e - 一言印 泣t ， 二n o g + 二h + + e 一_ 二，+ 二日，0 ( 2 2 ) 5 。 51 0 。 5 二n o ；+ 二h + + e 一 二，+ 二爿，0 ( 2 3 ) 3 。 33 。 6 。 比较反应式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可知，作为电子受体，l g n 0 3 。一n 相当于2 8 6 9 0 2 。 在生物脱氮中常用甲醇作电子供体，结合式( 2 2 ) 可得： n o ；+ 三c h 3 0 h + 日2 c q 一2 + 2 d + h c o f ( 2 4 ) 根据反应式3 4 ，理论上还原l g n 0 3 一- n 所需的甲醇数量为1 9 9 ，但以 有机物为基质时，反硝化细菌不仅将它用作电子供体进行产能( 反硝化) 反应，而且还将它用作碳源合成细胞物质。因此，还原l g n 0 3 - - n 所需的甲 醇数量要比理论值多。m c c a r t y 等人实验测得的计量关系为： 0 2 + o 9 3 c h 3 0 h + o 0 5 6 n o ；_ o 0 5 6 c 5