膜生物反应器处理猪场污水研究

膜生物反应器处理猪场污水研究

李辉

广东天译环保科技有限公司

摘要：猪场污水中富含氮、磷、有机物，已成为我国许多地区的主要污染源。传统处理方法处理费用高，占地面积大，处理效果不理想，猪场污水处理急需经济高效的处理方法。

混凝是废水处理过程中广泛应用的一-种方法，具有经济、简便的优点。膜生物反应器（MBR）是由污水生物处理技术和膜分离技术结合而成的一种新型污水处理工艺。使用膜生物反应器进行污水处理不仅可以大大节约水资源，还可以大大节约能源，节省设备和运行费用，减少设备占地；同时膜生物反应器具有自动化程度高、安装维护方便等特点，有着广阔的应用前景。

本课题对比了不同混凝剂对于猪场污水的处理效果，确定了混凝药剂及最佳投药量；为探讨膜生物反应器处理猪场污水的可行性，对MBR处理猪场污水及厌氧消化液做了试验研究；对膜生物反应器处理猪场污水进行了经济核算。

关键词：膜生物反应器；猪场污水；混凝

引言

我国是世界上养猪数量最多的国家，世界上存栏猪的一半是在中国饲养，随着养猪业20多年来的飞速发展，不仅养猪数量大量增长，养猪业集约化程度也在不断的提高。规模养猪（集中饲养50头以上）已占我国养猪数量的1/4左右。但是由养猪业的发展带来的一系列环境污染问题也日趋严重，污染由分散面源向集中点源转变。由于猪场建设地点一般在城郊一些人口集中但土地相对较少的地方，污水不经处理直接排放的现象普遍存在。这种高浓度有机废水直接排入或雨水冲刷进入江河湖库，大量消耗水体中的溶解氧，使水体变黑发臭。水中含有大量的N、P等营养物是造成水体富营养化的重要原因之一。排入鱼塘及河流使对有机物污染敏感的水生生物逐渐死亡，严重者导致鱼塘及河流丧失使用功能。养殖污水长时间渗入地下水，使地下水中的硝态氮或亚硝态氮浓度增高，地下水溶解氧含量减少，水体有毒成分增多，导致水质恶化，甚至丧失其使用功能，以至危及周边生活用水水质。且高浓度污水可导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结、盐化，严重影响土壤质量，甚至伤害农作物，造成减产和死亡。国家环保总局和国家质量监督检验检疫总局于2001年12月28日颁布了《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001），该标准已于2003年1月1日起开始实施。根据标准处理后的猪场污水的COD、NH3-N、TP、SS分别要低于400mg/L、80mg/L、8mg/L、200mg/L，这对养猪业来说无疑是一项艰巨的任务。

一、试验材料与方法

影响混凝效果的因素很多、很复杂，如混凝剂种类、pH值、水温、助凝剂种类、混凝搅拌的水力条件和沉淀静置时间等等。为了使大中型猪场污水混凝预处理更加经济高效，需要选择合适的混凝剂，并确定合理的投加浓度。

根据各类混凝剂的研究进展，通过烧杯小试，对比了硫酸铝（Al2（SO4）3）、聚合硫酸铁（PFS）、聚合氯化铝（PAC）、硫酸亚铁（FeSO4*7H2O）、阴离子型聚丙烯酰胺（HPAM）、非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）、阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）等絮凝剂混凝猪场污水及猪场污水厌氧消化液后的矾花大小、沉淀速度、清液色度、浊度等，最终确定选取聚合硫酸铝（PAC）、聚合硫酸铁（PFS）和阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）作为试验材料，使用时，将CPAM配制成1%的水溶液，将PAC和PFS配制成2%的水溶液。结合现场实际情况，确定试验方法为：取静置沉淀1min去除大颗粒固体后的水样250mL，依次投加混凝剂、助凝剂，快速搅拌15s，静置沉淀15min，取分层后的清液进行相关指标的检测，原水pH值、水温不作调整。猪场污水混凝试验水样取自宁波某水冲粪工艺万头猪场，原水CODcr波动大，所取水样CODcr在814~4880mg/L之间。猪场污水厌氧消化液取自宁波某万头猪场，该猪场采用干清粪工艺，所取水样CODCr分别为1786mg/L和2040mg/L。

鉴于水冲粪工艺水样COD波动范围较大，本试验以CODcr为标准将猪场污水划分CODcr≤2500mg/L的中低浓度猪场污水和CODcr>2500mg/L的高浓度猪场污水两类，试验PAC、PFS、PFS+CPAM对于这两类以及厌氧消化液的混凝效果，并将CODcr降幅及矾花特性作，为评价混凝剂处理效果的指标。

二、反应器装置

试验装置及工艺流程如图1所示，

试验主要设备：反应池长x宽x高=108cmx50cmx100cm，总有效容积460L，设计成两格，有利于均匀地抽吸废水，避免废水在反应池内出现短路现象。其中第-一格有效容积330L，第二格有效容积130L；第二格内安装有效过滤面积为5m2聚偏氟乙烯（PVDF）平板式微滤膜组件，设计通量是8~12L/（m2.d）；利用水头压差出水，电磁阀、浮球式液位控制器和LZB玻璃转子流量计控制系统进出水；采用底部穿孔管曝气。

本试验对污水未采取物化处理，厌氧消化液由电磁阀门和水位控制浮球控制进入膜反应池中，污水中的有机物通过活性污泥的代谢作用得到分解，混合液经膜过滤后得到处理后的出水。膜组件下设曝气管，一方面提供微生物分解有机物所需的氧气，另一方面可在膜表面造成一定的紊动，减缓污泥在膜表面的沉积，有效降低膜污染。

图1，试验装置及工艺流程图

三、运行效果分析

3.1混凝单元的去除效果

根据实验结果，确定混凝剂使用聚合硫酸铁（PFS），投加浓度为200mg/L以降低成本。运行期间混凝单元对COD的去除效果如图2所示。从图中可以看出，原水COD浓度高，波动大，CODcr在2632~4720mg/L之间（均值为3491mg/L），混凝出水CODcr在1513~2993mg/L之间（均值为1886mgL），去除率达26.8%~67.2%，平均去除率为44.7%，高于复合混凝剂去除猪场污水COD的效果。较好的混凝去除效果，既有效降低了后续MBR的有机负荷，又保证了后续膜分离性能的充分发挥。

图2，COD的混凝去除效果

图3显示了运行期间NH3-N混凝去除的变化情况。从图可见，进水氨氮在220~268mg/L（均值为243mg/L）之间，出水氨氨在190-253mg/L之间（均值为219mg/L），去除率在4.3%~13.6%之间，平均去除率为9.8%，混凝对于NH3-N的去除效果差，这是因为氨氮为小分子可溶性无机物，混凝和沉淀难以将其从上清液中分离，采用石灰混凝法对猪场厌氧出水进行后续处理也得到了类似的结论。

图3，NH3-N的混凝去除效果

图4所示为运行期间混凝单元对TP的去除效果。原水TP在64~99mg/L之间（均值为81mg/L），混凝出水的TP在45~65mg/L之间（均值为55mg/L），去除率在12.2%~40.7%之间，平均去除率为31.8%。铁盐除磷反应过程如下：铁盐溶于水中后，Fe3+-方面与磷酸根形成难溶性的盐，一方面通过溶解和吸水发生强烈水解，并在水解的同时发生各种聚合反应，生成具有较长线形结构的多核羟基络合物，这些含铁的羟基络合物能有效地降低或消除水体中胶体的了电位，通过电中和、吸附架桥及絮体的卷扫作用使胶体凝聚，再通过沉淀分离将磷去除。铁盐最佳使用pH在8左右。猪场污水pH值为7左右，采用混凝方法进行预处理可取得较好的效果。

图4，TP的混凝去除效果

3.2MBR的去除效果

MBR对于混凝出水的COD去除效果如图5所示。混凝出水CODcr在1513~2993mg/L之间（均值为1886mg/L），出水CODcr在147~213mg/L之间（均值为174mg/L），运行期间MBR平均容积负荷高达2.5kg（COD）/（m3d），是普通活性污泥法0.4~0.8kg/（m3d）的3~6倍，COD去除率稳定在87.1%~93.4%，平均去除率达90.4%，在容积负荷高达4.0kg（COD）/（m3d）的情况下，对COD的去除仍有很好的效果，去除率达93.3%，显示了良好的稳定性，说明该反应器在较短的水力停留时间下仍可以保持较好的去除效果，并获得更高的去除负荷。

图5，MBR中COD的去除效果

图6所示为MBR对于NH3-N的去除效果。混凝出水NHz-N在190~253mg/L之间（均值219mg/L），出水NH3-N在26~41mg/L之间（均值为35mg/L），去除率为79.1%~88.7%，平均去除率为84.0%。MBR利用膜组件的高效固液分离作用防止世代周期长的硝化细菌流失，保持反应器内高浓度硝化细菌，强化了生化反应的功能，弥补了传统活性污泥法的不足，从而能有效去除废水中的氨氮。

图6，MBR中NH3-N的去除效果

MBR对于混凝出水的TP去除效果如图7所示。混凝出水的TP在45~65mg/L之间（均值为55mg/L），出水在5~8mg/L（均值为7mg/L），去除率在84.4~90.3%之间，平均去除率为87.5%。聚磷菌（PAOs）在厌氧状态下将其细胞体内的聚磷分解转化为无机磷并释放出来，释磷过程产生的能量一部分供PAOs生存，另一部分供PAOs主动摄取废水中的有机物并以PHB（聚p羟基丁酸）的形式存储于细胞体内。PAOs在好氧状态下将细胞体内的PHB进行好氧分解，所产生的能量一部分供PAOs增殖，另一部分供PAOs主动吸收废水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内，形成高磷污泥，通过排泥将磷酸盐从液相中去除。本试验SRT=10d，较短的污泥龄使系统取得了较好的除磷效果。

图7，MBR中TP的去除效果

猪场污水原水SS在600-3800mg/L之间，在膜出水SS末检出，去除率为100%，这是由于膜的高过滤精度，保证了出水清澈透明，得到高质量的产水。

四、运行成本分析

系统自动运行，不需专人维护，运行成本分为动力费用和药剂费用。

①动力费用

膜生物反应器的耗电量主要为风机和泵的电耗。连续运行的设备为2台鼓风机、1台回流泵，功率分别为1.5kW、0.75kW、0.75kW，1台产水泵按开8min停2min周期运行，功率为0.55kW，2台提升泵、2台排泥泵均为1.5kW，4台每天共运行约3h，则折算总电耗为3.63kWh/h，实际运行计量耗电量为3.26kWh/h，实际处理量为1.28m3/h，系统处理1m3废水耗电量为2.55kWh，按电费0.6元/kWh计算，则处理污水所需要电费为1.53元/m。

②药剂费用

药剂费用主要为混凝剂及化学清洗药剂费用。工业级聚铁的价格约为2500元/t，按照200mg/L的投加量，混凝剂费用为0.5元/m3；按运行周期为3周计算，化学清洗药剂费用为0.05元/m3，药剂费用合计0.55元/m3。

③运行费用

系统运行费用共计2.08元/m3。由于水力停留时间短，处理成本低于常规的A/O、SBR等工艺，并且随着膜制造技术的进步，膜成本的降低，膜组件的投资有望减少，则该系统用于实际工程，在固定投资方面越来越有竞争力。

在本课题的研究中采用MBR系统对猪场污水进行处理，出水达到了行业排放标准，运行费用为2.08元/吨，存栏万头猪场每天废水产生量约为120t，每天处理费用为249.6元，年处理费用为91104元，具有良好的经济可行性。

结束语

通过于猪场污水厌氧消化液和猪场污水原水的混凝和膜生物反应器处理试验研究，得出以下结论：

工程实践表明，投加200mg/L的聚合硫酸铁（PFS）混凝预处理猪场污水，COD、NH3-N、TP平均去除率分别为44.7%、9.8%、31.8%，有效地降低了后续MBR的有机负荷。

在进水COD波动大，COD容积负荷平均为2.9kg（COD）/（m3d）的情况下，猪场污水厌氧消化液经MBR处理后，出水COD比较稳定，平均去除率为89.7%，随着容积负荷的提高，去除率却比较稳定，并且在HRT=28h，容积负荷达5.5kg（COD）/（m3d）的情况下，对COD的去除仍具有很好的效果，去除率达91%，显示了该MBR系统的高效稳定。MBR对猪场污水厌氧消化液高浓度氨氮的平均去除率为37.3%，单独的好氧膜生物反应器对于高浓度氨氮废水的氨氮去除率较低。

参考文献

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