屠宰废水脱氮处理工艺
随着人们生活水平的不断提高，屠宰行业得到迅速发展，产生的废水排放量也越来越大，成为有机污染尤其是氮污染的最大工业污染源之一〔1〕。屠宰加工废水中含有大量血污、油脂质、内脏杂物、未消化的食料、粪便等污染物，其有机物浓度高，成分复杂，污染物中所含有的蛋白质、尿素、尿酸、脂肪和碳水化合物会通过厌氧、好氧微生物的氨化作用进一步转化为高浓度的氨氮，高浓度的屠宰加工废水经传统SBR工艺处理后氨氮指标往往难以达到排放标准。经分析认为，关键在于没有根据实际水质对SBR处理工艺采取切实可行的调控措施〔2〕。
传统的SBR工艺分为进水、曝气、沉淀、排水和闲置等五个阶段，其中曝气阶段通常采用连续曝气的方式。笔者从调整曝气方式着手，通过采用曝气（好氧）/搅拌（缺氧）循环交替的间断曝气方式，探讨对有机物、氨氮和TN的去除效果的影响。通过分析有机物、氨氮和TN等污染指标逐时降解特性和pH变化〔3〕，确定了好氧/缺氧循环SBR工艺运行模式和控制参数，最终获得了一种进一步提高传统SBR工艺脱氮率的方法，以期为传统SBR工艺改造和好氧/缺氧循环SBR工艺的工程应用提供参考。
1材料与方法
1.1试验装置
试验采用的SBR反应器内径为200mm、高度500mm，有效容积为10L。试验过程中充水比为50%。反应器的气源为ACO电磁式空气压缩机，采用空气流量计控制曝气量和DO浓度。好氧时采用砂芯曝气头曝气充氧，缺氧时进行机械搅拌。反应器按照进水、好氧/缺氧、沉淀和排水方式运行。利用可编程序时间控制器控制好氧和缺氧循环，还可根据需要设定各段的运行时刻。利用在线pH仪监测反应过程pH变化，利用便携式DO仪定时测定DO。试验过程均在室温下进行。SBR装置见图1。
图1SBR试验装置
1.2废水来源
试验用水取自江门市某肉类联合加工厂污水处理站经厌氧处理后出水。试验进水COD为327~766mg/L，氨氮为61~130mg/L，pH为6.5~7.5，碱度（以CaCO3计）为590~680mg/L。
1.3污泥驯化和试验方案
接种污泥取自该肉联厂污水站活性污泥沉淀池，取回后将污泥加入SBR反应器中进行培养驯化约2周后，按照好氧/缺氧单循环SBR模式运行，运行条件为HRT=13h，其中好氧曝气10h、缺氧搅拌2h、沉淀排水1h，DO维持在3~4mg/L。经过半个月的培养、驯化，出水COD和氨氮无降低趋势，出水各项指标维持稳定，至此可认为污泥驯化结束，开始投入试验。此时污泥沉降比为25%~35%，MLSS为4~5g/L。
在好氧/缺氧单循环SBR模式下运行一定周期之后，连续对其中多个周期进行逐时采样，分析污染物逐时变化情况。在获得可靠数据后，将SBR运行模式调整为好氧/缺氧多循环模式，根据COD、氨氮和pH等参数逐时变化曲线确定循环次数及好氧段和缺氧段历时，最后在确定好氧/缺氧阶段历时、循环次数等参数的基础上运行多个周期以验证该工艺的可靠性。
1.4检测分析项目
pH：KOMMA200在线pH仪；溶解氧：雷磁便携式溶解氧测定仪；SV：量筒法；MLSS：滤纸重量法；水温：水银温度计。COD、氨氮、TN、TKN、NO3--N等采用国家标准测定方法测定〔4〕。
2结果与讨论
2.1好氧/缺氧单循环SBR工艺试验结果分析
好氧/缺氧单循环SBR工艺处理屠宰加工废水过程中，根据逐时采样数据绘制一个反应周期内COD和氨氮的逐时去除曲线，见图2。试验进水COD、氨氮和TN平均质量浓度分别为519、107、142mg/L，反应初始MLSS为4300mg/L，水温24~26℃，进水碱度645mg/L。
图2单循环SBR工艺运行方式下的试验结果
如图2（a）所示，在混合稀释、吸附和氧化降解等作用下〔5〕，COD和氨氮浓度在进水后迅速下降，反应时间2h时，COD和氨氮分别降至118、42mg/L，之后随着时间延长，COD和氨氮降解速率趋于平缓。将好氧硝化时间划分三个时段进行讨论，即0~4h、4~8h、8~10h。结合图2（b）分析，在开始曝气的0~4h内，硝化反应快速进行，氨氮浓度降低较快，pH则先上升到一定值后才开始下降，这是因为开始曝气0.5h内微生物代谢所产生的CO2被吹脱，同时废水中的有机酸也得到去除〔2〕，导致pH在初始阶段上升至7.46。曝气2h以内，由于碱度充足，pH只因硝化反应消耗碱度、产生H+而缓慢下降。随着碱度的消耗，硝化反应促使pH下降加快；曝气4h时，系统中的碱度已低于100mg/L，所以在曝气4~8h期间，碱度不足导致硝化反应进行缓慢，氨氮和pH下降速率逐渐放缓；曝气8~10h期间，氨氮几乎维持在25mg/L，高于排放标准值（≤10mg/L）。此时系统中pH低于6，碱度低于50mg/L，硝化反应无法继续进行。试验中COD在反应8h后即达到排放标准，所以可将硝化时间缩短为8h。在后续进行的2h缺氧反硝化过程中，由于曝气后的混合液中有机物已基本被降解，反硝化反应所需碳源不足而受到抑制，pH也只是略有回升，最终出水TN为56mg/L，去除率较低。
按照理论计算，硝化过程中每氧化1mg/L的氨氮为硝态氮需消耗7.07mg/L的碱度〔6〕。对照试验废水水质，可以计算出进水氨氮完全被氧化所需碱度的理论值为760mg/L，而进水实际碱度只有645mg/L，不能满足硝化过程对碱度的需求。
可见，在原水氨氮浓度较高、碱度相对不足的情况下，想要通过好氧/缺氧单循环SBR工艺后实现氨氮达标排放存在困难。考虑到可以利用硝化和反硝化反应本身特性来平衡碱度需求，对SBR工艺提出交替硝化反硝化运行的改进方式，即循环好氧/缺氧SBR工艺〔7,8〕。
2.2好氧/缺氧双循环SBR工艺试验结果分析
为了实现好氧硝化和缺氧反硝化之间碱度的平衡，首次硝化反应以pH下降0.4~0.5来控制好氧时间，每次缺氧反硝化都根据pH曲线上拐点的出现控制缺氧时间〔9〕。从好氧/缺氧单循环SBR工艺试验检测结果可以看出，在经历最初连续2h曝气后，pH降低幅度恰好符合这一范围，并且此时反应器内剩余有机物含量较高，反硝化反应所需碳源较充足，因此确定首段好氧时间为2h。为确保后续反硝化反应进行彻底和最终有机物被高效去除，初步确定后续缺氧1和好氧2阶段时间分别为3、6h。SBR工艺经调整后的运行模式和工况为：好氧曝气2h+缺氧3h+好氧6h+缺氧1h+沉淀排水1h，即好氧/缺氧双循环SBR工艺。在系统运行稳定后，对1个周期进行逐时采样，绘制出COD、氮含量和pH逐时变化曲线，见图3。为了解反硝化过程中TN的去除情况，定时检测了反硝化过程中TN含量。试验进水COD为566mg/L，氨氮质量浓度为108mg/L，pH=6.96。
图3好氧/缺氧双循环SBR工艺的试验结果
从图3（a）可以看出，与单循环SBR工艺相比，好氧/缺氧双循环SBR工艺的出水水质有了明显提高，氨氮去除率达到86%，较前者提高12%，这主要是由于缺氧1阶段产生的碱度恰好被后续好氧2阶段所利用，弥补了原水碱度不足的弊端。如图3（b）所示，pH在反应初期同样先上升后下降，好氧1阶段结束时pH的降低幅度为0.61，略大于0.4~0.5。进入缺氧1阶段后，随着反硝化反应的进行，pH开始出现回升并在反应4h时趋于稳定，同时TN的下降速率也出现放缓，这表明反应4h时反硝化反应已基本停止，因此可以将缺氧1阶段时间减少为2h。由于反应器内碱度得到补充、pH升高，反应条件再次利于硝化反应的进行，所以氨氮浓度在好氧2阶段初始迅速降低，但随着碱度被消耗，氨氮降低速率很快下降。经过后续反应，最终出水氨氮质量浓度为15.4mg/L，仍不能达到排放标准的要求。究其原因为好氧1阶段历时较短，当其结束时反应器内的硝态氮质量浓度为19mg/L（TN与TKN之差值），可供后续缺氧1阶段反硝化反应的基质含量有限，产生的碱度还不能促进全部氨氮去除。但从单循环SBR工艺试验结果（图2）可知，增加好氧1阶段曝气时间后，剩余有机物含量又会过低，影响反硝化反应的效果。系统内碳源、碱度的平衡被破坏，更加不利于提高脱氮效率。
综合上述分析，好氧/缺氧双循环SBR对氨氮的去除效果较单循环SBR工艺有了明显提高，但处理后的出水氨氮指标仍不能满足现行排放标准。为实现脱氮过程中碳源和碱度的平衡、进一步提高脱氮效率，决定在缺氧1阶段之后再增加一次好氧/缺氧过程，即好氧/缺氧三循环SBR工艺。
2.3好氧/缺氧三循环SBR工艺试验结果分析
参考好氧/缺氧循环SBR工艺的控制策略，如果好氧/缺氧循环次数超过2次，则中间每次硝化的pH下降幅度可选择为0.8~1.0〔9〕。好氧/缺氧双循环SBR工艺试验中好氧2阶段开始2h内的pH降低幅度（1.08）恰好接近此区间，所以初步确定增加的好氧阶段时间为2h。好氧/缺氧三循环SBR工艺的运行条件为：好氧曝气2h+缺氧搅拌2h+好氧2h+缺氧1h+好氧4h+缺氧1h+沉淀排水1h，其余条件保持不变。经过约1周运行后出水效果稳定，同样绘制一个周期内COD、氨氮和pH的逐时变化曲线，见图4。试验进水COD为501mg/L，氨氮质量浓度为119mg/L，pH=7.15。
图4好氧/缺氧三循环SBR工艺的试验结果
由图4（a）可以看出，经过好氧/缺氧三循环SBR工艺处理后出水氨氮质量浓度为5mg/L，氨氮去除率达到96%，低于排放标准值。缺氧1和缺氧2阶段的反硝化反应在碳源充足的环境下产生了大量碱度，促进后续好氧2和好氧3阶段的硝化过程中氨氮下降速率加快，由图4（b）可知相应pH也出现2次回升，均促进硝化反应的进行〔10〕，进而使得氨氮被高效去除。在总缺氧时间不变的情况下，三循环SBR对TN去除率达到76%，与双循环SBR工艺相比，TN去除率提高近15%。
2.4好氧/缺氧三循环SBR工艺稳定运行的处理效果
为验证好氧/缺氧三循环SBR工艺的处理效果，进行了稳定运行试验，运行模式和工况与2.3节完全相同。试验在进水COD332~671mg/L，氨氮99~122mg/L（平均109mg/L）条件下，连续稳定运行3周，处理效果良好并且稳定，氨氮平均去除率达97%，COD平均去除率为90%，出水完全达到广东省《水污染排放限值》（DB44/26—2001）第二时间段一级标准。连续运行结果见图5。
图5好氧/缺氧三循环SBR工艺的处理结果
3结论
采用传统SBR工艺处理屠宰加工废水，由于不能实现系统内碳源、碱度的平衡，处理后出水氨氮指标往往不能满足排放标准的要求。通过采用好氧/缺氧三循环SBR工艺，可以实现SBR系统内碳源和碱度的自身平衡，提高生物脱氮效率，实现氨氮指标达标排放。试验采用好氧/缺氧三循环SBR工艺处理屠宰加工废水，最终COD平均去除率为90%，出水氨氮低于10mg/L，平均去除率为97%，均达到广东省《水污染排放限值》（DB44/26—2001）第二时间段一级标准。当原水氨氮或有机氮含量较高时，通过增加SBR工艺好氧/缺氧循环次数，可以进一步提高脱氮率。由于仅需对SBR工艺过程的好氧（曝气）/缺氧（搅拌）循环进行时序控制，无需增加过多的控制设备，因此本方法对SBR工艺改造有一定的参考价值。
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