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分步进水序批式反应器处理猪场废水工艺研究

韩志英  
【摘要】: 随着我国畜禽养殖规模不断扩大,削减规模化养殖场废弃物污染负荷已经成遏制农业面源污染的关键。碳氮比例失调是养殖废水生物处理的主要限制因子。分步进水序批式反应器(SFSBR)是一种依靠多步缺氧进水补充反硝化碳源的生物脱氮强化工艺。为促进SFSBR工艺在畜禽养殖场废水处理中的应用和发展,本研究围绕SFSBR生物脱氮问题,以猪场废水为处理对象,通过实验室模拟实验,从污染物变化、污泥性状和氧化还原电位(ORP)、pH、溶解氧(DO)过程控制参数三个方面探明曝气强度、进水负荷、进水碳氮比、进水分配对SFSBR工艺特性的影响,确定SFSBR处理猪场废水生物脱氮最佳工艺参数,探明ORP、pH、DO动态变化特征,论证SFSBR内污泥颗粒化可行性。通过实验研究和理论分析,取得以下主要结果: 有机污染物降解遵循一级反应关系时,去除有机物SFSBR工艺中有机物去除效率是反应时间和进水次数的函数,延长反应时间或增加进水次数有利于提高SFSBR有机物去除率;生物脱氮型SFSBR中各“非曝气—曝气”子循环发生完全反硝化—硝化时,降低最后一步进水体积分数(β)或增加换水量(V_0/V_F)有助于提高SFSBR生物脱氮效率。泥龄相同条件下SFSBR所需反应器容积小于传统A/O型SBR工艺所需容积。 进水负荷、曝气强度、进水体积比、进水碳氮比直接影响进水量递减型SFSBR处理猪场废水工艺特性。两步减量进水SFSBR中,提高有机负荷(进水碳氮比随机变化)SFSBR内生物脱氮过程受到抑制;提高曝气强度利于提高SFSBR曝气阶段硝化速率,缩短硝化时间,改善生物除磷效率;降低进水体积比(>1:1)SFSBR生物脱氮效率提高不显著,而生物除磷过程得到强化。三步减量进水SFSBR中,提高进水氮负荷(进水碳氮比固定),反硝化及生物除磷过程受到限制;提高SFSBR进水碳氮比有助于提高反应器内反硝化效率,强化生物除磷过程。SFSBR因过有机负荷硝化完全停止时和反硝化效率提高时,反应器内ORP和pH变化幅度发生特征性变化。 SFSBR内污泥颗粒化具有可行性。以猪场废水为营养基质,在SFSBR内培养的颗粒污泥呈黄褐色,直径0.5~1.0mm,微生物菌相丰富。进水负荷和进水碳氮比主要影响颗粒污泥胞外多聚物(ECPs)分泌量及颗粒污泥结构,高进水负荷和高进水碳氮比条件下颗粒污泥ECPs增多,颗粒污泥结构致密。污泥微生物聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR—DGGE)检测结果表明,反应器内混合污泥微生物多样性随着进水碳氮比提高而增加。 正交实验结果表明不同工艺参数对颗粒污泥型SFSBR(G-SFSBR)处理猪场废水脱氮效果和污泥性状影响效应不同:氮负荷对出水氮素浓度(氨氮、亚硝态氮与硝酸盐氮浓度总和)影响最大,曝气强度对氮净去除率(NNER)影响最大,进水碳氮比对污泥体积指数(SVI)及颗粒污泥质量分数(f_(0.5mm))影响最大,但进水体积比(>1:1)对颗粒污泥质量分数(f_(0.5mm))影响较小,对反应器生物脱氮效果影响不显著。G-SFSBR处理猪场废水最佳工艺条件为进水碳氮比7.0mgCOD/mgNH_4~+-N,进水体积比3:1,进水氮负荷0.026gNH_4~+-N/(gVSS·d),曝气强度4.2 L/(m~3·s),在该实验条件下出水无机氮浓度最低、氮净去除率最高,分别为21mg/L和72%。污泥微生物PCR-DGGE检测结果表明,G-SFSBR污泥微生物种群结构稳定性较强,而脱氮参数优化对污泥微生物种群和丰度有影响,颗粒污泥及混合污泥微生物种群向优势化菌群方向发展。 进水量递减型SFSBR系统内ORP、pH、DO变化与生物脱氮过程关联度与进水分配相关。SFSBR进水氨氮浓度及硝化时间与曝气强度相匹配时,ORP“氮突破点”可以指示硝化结束,ORP“硝酸盐膝”指示内源代谢显著的反硝化结束。pH“氨谷”可指示硝化结束,但其灵敏性受氨氮初始浓度和硝化时间的限制。另外,非曝气阶段ORP下降幅度及完全硝化过程pH下降幅度均可作为SFSBR工艺进水分配的控制参数。SFSBR系统内硝化过程中ORP及pH变化速率可用于硝化速率估计。DO飙升指示硝化结束,可用于曝气过程控制。 进水量递减型SFSBR处理猪场废水工艺中,生物除磷主要在第1“非曝气—曝气”子循环内发生,后续“非曝气—曝气”子循环内生物除磷过程不明显,SFSBR生物除磷机制有待进一步研究。


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