奶牛場(chǎng)廢水處理短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)全年豬、牛、羊、禽肉產(chǎn)量約為7649萬(wàn)t，其中牛肉產(chǎn)量和牛奶產(chǎn)量分別為667萬(wàn)t和320萬(wàn)t，同比2018年增長(zhǎng)了3.6%和4.1%。畜禽養(yǎng)殖業(yè)日漸趨向規(guī)模化、集約化和現(xiàn)代化發(fā)展，截至2018年全國(guó)有將近90000個(gè)集約化規(guī)模養(yǎng)殖場(chǎng)。規(guī)?；B(yǎng)殖廢水中含有高濃度氮和磷，是農(nóng)業(yè)污染源之一。隨著畜禽養(yǎng)殖廢水量的不斷增加，畜禽養(yǎng)殖業(yè)與生態(tài)環(huán)境的矛盾日益凸顯，如何治理畜禽養(yǎng)殖廢水成為養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一大難題。物化法、自然生態(tài)法、生物法等傳統(tǒng)處理技術(shù)存在處理成本高、二次污染、出水氨氮或總氮含量無(wú)法達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。研究結(jié)果表明，短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝可以實(shí)現(xiàn)高濃度氨氮廢水的達(dá)標(biāo)排放，且運(yùn)行費(fèi)用低廉。
福建省某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)采用機(jī)械刮板干清糞工藝，將刮出的牛糞作為堆肥原料，牛尿、沖欄水以及轉(zhuǎn)盤(pán)式擠奶機(jī)的洗滌水收集后排入污水站處理；污水站原來(lái)采用沼氣池+氧化塘的處理方式，但是難以承受高密度養(yǎng)殖帶來(lái)的過(guò)量有機(jī)負(fù)荷，糞污資源化利用效率較低，糞污的污染問(wèn)題比較突出，不能完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)養(yǎng)殖場(chǎng)的環(huán)境治理需求。本研究擬采用短程硝化與厭氧氨氧化組合工藝優(yōu)化處理該奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣池出水，使出水滿(mǎn)足《農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084―2005)，同時(shí)為該組合工藝在養(yǎng)殖廢水處理中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。
1、福建省某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣池出水的水質(zhì)情況介紹
試驗(yàn)于2018年3月份在福建省某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)污水主要來(lái)源于該奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)的牛尿、沖欄水以及轉(zhuǎn)盤(pán)式擠奶機(jī)的洗滌用水等，總水量為40m3/d。試驗(yàn)污水經(jīng)集糞池、固液分離、沼氣池處理后其化學(xué)需氧量(COD)、氨氮（NH4+-N)、亞硝酸鹽氮（NO2--N)、硝酸鹽氮（NO3--N)、總氮(TN)水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。
2、沼氣池出水處理工藝
2.1 處理工藝流程
奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣池出水經(jīng)預(yù)處理、短程硝化-厭氧氨氧化耦合反應(yīng)、化學(xué)除磷、臭氧氧化消毒處理后排放到儲(chǔ)液池，具體工藝流程見(jiàn)圖1。
預(yù)處理即調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，降低后續(xù)處理的沖擊負(fù)荷；短程硝化-厭氧氨氧化耦合發(fā)應(yīng)即對(duì)廢水進(jìn)行脫氮處理，降低水中的總氮濃度并進(jìn)一步降解水中的有機(jī)物質(zhì)；化學(xué)除磷即降低廢水中磷含量，確保達(dá)到廢水排放指標(biāo)；臭氧氧化消毒即利用臭氧反應(yīng)罐對(duì)廢水進(jìn)行脫色、除臭、消毒，消毒后的廢水進(jìn)人儲(chǔ)液池儲(chǔ)存排放或用于灌溉奶牛場(chǎng)配套的牧草種植地。
2.2 各處理中的?筑物設(shè)計(jì)參數(shù)
2.2.1 預(yù)處理
格柵：大小為1.0m(長(zhǎng)）x2.0m(寬）x1.5m(高），磚混結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)池1：1座，大小為5.0m(長(zhǎng)）x6.0m(寬）x4.5m(高），設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間24h，鋼砼結(jié)構(gòu)。
2.2.2 短程硝化-厭氧氨氧化耦合反應(yīng)
系統(tǒng)分別以序批式活性污泥（SBR)池和上流式厭氧污泥床反應(yīng)（UASB)池作為短程硝化反應(yīng)池和厭氧氨氧化反應(yīng)池。SBR池：1座，有效容積為60m3，大小為4.0m(長(zhǎng)）x5.0m(寬）x3.5m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)，進(jìn)水管道安裝換熱器，池頂加蓋，池體采取保溫措施，并監(jiān)控池內(nèi)溶解氧（DO)、PH值、氧化還原電位（0RP)、溫度。調(diào)節(jié)池2：1座，大小為5.0m(長(zhǎng)）x3.0m(寬）x4.5m(高），設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)時(shí)間12h，鋼砼結(jié)構(gòu)。UASB池：1座，有效容積為10m3，大小為1.5m(直徑，φ)x6.5m(高），碳鋼結(jié)構(gòu)，進(jìn)水管道安裝換熱器，池頂加蓋，池體采取保溫措施，并監(jiān)控池內(nèi)pH值、0RP、溫度。沉淀池：大小為1.5m(長(zhǎng)）x2.0m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。
2.2.3 化學(xué)除磷
除磷反應(yīng)池：大小為1.5m(長(zhǎng)）x0.5m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。終沉池：大小為1.5m(長(zhǎng)）x2.0m(寬）x4.0m(高），鋼砼結(jié)構(gòu)。
2.2.4 臭氧氧化消毒
臭氧反應(yīng)罐：有效容積為1.0m3，大小為0.8m(φ)X2.0m(高），不銹鋼結(jié)構(gòu)。
3、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)
分別單獨(dú)調(diào)試SBR池和UASB池，使二者滿(mǎn)足短程硝化和厭氧氨氧化條件，當(dāng)SBR池穩(wěn)定運(yùn)行且出水中NO2--N/NH4+-N比例為1.2~2.0時(shí)，出水直接輸送至調(diào)試穩(wěn)定后的UASB池，穩(wěn)定運(yùn)行45d，每天測(cè)定SBR池和UASB池進(jìn)出水中COD、NO2--N、NH4+-N、TN的含量，計(jì)算TN去除率、NO2--N/NH4+-N、NO2--N累積率、△NO2--N/△NH4+-N(NO2--N和NH4+-N的去除量比值）。水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法均按照國(guó)家生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
短程硝化條件：溫度為（32±1)℃，初始PH值為7.6~8.3，初始游離氨（FA）濃度為5~25mg/L，曝氣量為2.5m3/L，DO為0.2~0.6mg/L。厭氧氨氧化條件：溫度為18?35℃，進(jìn)水PH值為7.0~7.6，水力停留時(shí)間（HRT)為12.2h。如果SBR池和UASB池調(diào)試階段排出的廢水無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，則廢水回流至對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)池。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控SBR池和UASB池內(nèi)溫度、ORP、PH值和DO的變化情況，控制HRT，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
4、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理工藝效果分析
4.1 短程硝化-厭?獍?饣?處理中水質(zhì)指標(biāo)受化情況
結(jié)果見(jiàn)圖2。
由圖2可知：SBR池進(jìn)水中的COD和NH4+-N的濃度范圍分別為650?1125mg/L和210~260mg/L，出水中COD和NH4+-N的濃度范圍分別為240~300mg/L和120~164mg/L，見(jiàn)圖2A、C。SBR池中經(jīng)短程硝化處理后的出水作為UASB池進(jìn)水，UASB池進(jìn)水中COD和NH4+-N濃度與SBR出水中濃度保持一致（見(jiàn)圖2A、B、C、D)。UASB池出水中COD濃度在整個(gè)過(guò)程中較為穩(wěn)定，平均約為48mg/L；而出水中NH4+-N濃度在整個(gè)過(guò)程中呈下降趨勢(shì)，0~11d濃度范圍為35~51mg/L，12~29d濃度范圍為21~30mg/L，之后濃度范圍為6~28mg/L(見(jiàn)圖2C、D)。
SBR池進(jìn)水中NO2--N濃度范圍為125~175mg/L，出水中濃度范圍為182~247mg/L；進(jìn)出水中NO3--N濃度變化不明顯，其中進(jìn)水中的濃度約為6mg/L，出水中的濃度范圍為4.5?5.5mg/L(見(jiàn)圖2E)，結(jié)合圖2B說(shuō)明SBR池中發(fā)生短程硝化反應(yīng)，NO2--N得到了積累。UASB池進(jìn)水中的NO2--N濃度范圍為156~222mg/L，27d后出水中的濃度約為25mg/L；而進(jìn)出水中NO3--N濃度約為6mg/L和25mg/L(見(jiàn)圖2F)，說(shuō)明UASB池中反硝化反應(yīng)受到限制，厭氧氨氧化反應(yīng)起主要的脫氮作用。
SBR池出水中NO2--N/NH4+-N基本維持在1.4~20之間，后期(35d后)平均約為1.8(見(jiàn)圖2G)，說(shuō)明污水的硝化反應(yīng)穩(wěn)定；UASB池進(jìn)水中W)[-N/NH4+-N基本在1.23?1.76之間波動(dòng)（見(jiàn)圖2H)。
TN去除率在整個(gè)過(guò)程呈上升趨勢(shì)，去除效率集中在80%~90%之間（見(jiàn)圖2I)。
4.2 短程硝化反應(yīng)中NO2--N累積率及厭氧氨氧化反應(yīng)中△NO2--N/△NH4+-N變化情況
結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。
由圖3和圖4可知：在短程硝化過(guò)程中NO2--N累積率大于94%以上，說(shuō)明SBR池中硝化效果良好。厭氧氨氧化過(guò)程中△NO2--N/△NH4+-N在1.2~1.9之間，結(jié)合NO3--N產(chǎn)生量，說(shuō)明UASB池中還存在亞硝化菌和反硝化菌的作用，因此各氮素的變化符合厭氧氨氧化氮素變化基本規(guī)律。
4.3 短程硝化-厭氧氨?饣?耦合處理的可行性分析
短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理試驗(yàn)?zāi)膛?chǎng)沼氣池出水的可行性分析結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2可知：短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理出水中的平均COD濃度為48mg/L，平均去除率為94.3%；出水中的平均NH4+-N和TN濃度分別為27mg/L和56mg/L，平均去除率為88.4%和85.5%。出水中COD、NH4+-N、TN含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見(jiàn)稿）的要求，說(shuō)明該組合工藝有利于奶牛場(chǎng)養(yǎng)殖廢水的處理，技術(shù)可行，環(huán)境效益良好。
5、短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理沼氣池出水的經(jīng)濟(jì)效益分析
短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理的運(yùn)行成本為電費(fèi)及藥劑費(fèi)。處理每噸廢水用電成本約為1.58元。藥劑主要為短程硝化反應(yīng)中穩(wěn)定PH值添加的燒堿（NaOH)及脫水過(guò)程中使用的聚丙烯酰胺(PAM)，處理每噸廢水燒堿用量為0.050kg，PAM用量為0.025kg，燒堿單價(jià)為3.8元/kg，PAM單價(jià)為10元/kg，則處理每噸廢水藥劑費(fèi)約為0.44元。因此，短程硝化-厭氧氨氧化耦合處理每噸廢水的電費(fèi)和藥劑費(fèi)成本合計(jì)約為2.02元。
目前采用其他工藝處理每噸廢水的電費(fèi)和藥劑費(fèi)成本為4.12~9.67元，與之相比，采用短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝則具有較大的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，主要是因?yàn)槎坛滔趸c厭氧氨氧化工藝特點(diǎn)是使主要生物反應(yīng)過(guò)程集中在厭氧段及缺氧段，對(duì)氧氣需求量明顯減少，因此設(shè)備充氧能耗大幅度下降，使系統(tǒng)整體運(yùn)行費(fèi)用大幅度減少，較傳統(tǒng)生物處理工藝經(jīng)濟(jì)效益好。
6、結(jié)論
通過(guò)SBR池和UASB池實(shí)現(xiàn)短程硝化和厭氧氨氧化耦合，并利用該耦合工藝處理奶牛場(chǎng)沼氣池出水，使用在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)合理控制HRT，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝對(duì)奶牛場(chǎng)沼氣池出水中的COD、NH4+-N、TN去除效果好，平均去除率分別為94.3%、88.4%、85.5%，且出水中平均濃度分別為48，27，56mg/L滿(mǎn)足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見(jiàn)稿）的要求。短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝處理每噸廢水的藥劑和用電成本合計(jì)約為2.02元，較其他處理工藝表現(xiàn)出明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明短程硝化-厭氧氨氧化耦合工藝在處理高氨氮養(yǎng)殖廢水中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。（來(lái)源：武夷學(xué)院生態(tài)與資源工程學(xué)院/福建省生態(tài)產(chǎn)業(yè)綠色技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，.福建省環(huán)境科學(xué)研究院）