猪场废水厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺特征分析及应用研究

【摘要】：规模化猪场废水是一种高含氮的有机废水,经过厌氧消化处理后的出水氨氮不但没有减少,反而增加。厌氧氨氧化耦合反硝化甲烷化是一种新型的去碳脱氮工艺。本研究探讨将厌氧氨氧化菌、产甲烷菌和反硝化菌培养富集在UASBB反应器中的可行性,从运行性能、影响因素、微生物学、动力模型等多方面研究厌氧氨氧化反硝化甲烷化机理和工艺,并应用于猪场实际废水的去碳脱氮,旨在为进一步开发高氨氮的有机废水处理工艺及其应用提供理论依据。主要研究内容及结论如下： 1.研究了UASBB耦合厌氧氨氧化反硝化甲烷化工艺的实现。通过接种厌氧污泥和反硝化污泥,UASBB反应器经过48d的快速启动后,有机容积负荷达到0.76kg COD/(m3 d)),去除率稳定在95%以上。加入含有NH4Cl和NaNO2的实验用水,稳定运行90 d左右,逐步实现同步厌氧氨氧化反硝化甲烷化,COD的去除率达80%-90%,总氮去除率为50-60%,氨氮的去除率为8-24%。当有机物进水浓度降低到100 mg/L时,氨氮去除率由负值提高到41.2%；污泥样品经分子生物学检测,厌氧氨氧化菌与目前已鉴定出的淡水自养厌氧氨氧化菌Candidatus Brocadia同源性达94%,反硝化菌与目前已鉴定出的假单胞菌Pseudomonas sp.同源性达100%。 2.探讨了猪场废水中Cu2+、Zn2+对污泥活性的影响。Cu2+、Zn2+单独作用于污泥时,重金属离子对污泥的厌氧氨氧化活性、反硝化活性和甲烷化活性有抑制性,Zn2+对污泥的反硝化活性、甲烷化活性的抑制大于Cu2+,对污泥的厌氧氨氧化活性的抑制小于Cu2+。Cu2+、Zn2+同时作用于污泥时,对污泥的反硝化活性、甲烷化活性产生拮抗作用,对污泥厌氧氨氧化活性产生协同作用。 3.揭示了厌氧氨氧化反硝化甲烷化反应动力学参数。根据Haldane模型和厌氧氨氧化活性试验数据,通过Matlab软件拟合,得到：氨氮半饱和常数(Ks,nh)为34.03 mg/L,氨氮抑制常数(KI,nh)为1274 mg/L；亚硝酸盐氮半饱和常数(Ks,NO2-)为42.31 mg/L,亚硝酸盐氮抑制常数(Kl,NO2-)159.03 mg/L,最大基质反应速率(qmax)为1.55 mg/(g h)。由Monod方程和甲烷化活性试验数据,通过线性拟合,得到甲烷化的最大比降解速率Vmax为122 mg/(g·h),Ks为124mg//L,甲烷产率系数(y)为0.29 mL/mg,其与理论值0.35 mL/mg相比,大约为理论值的82.8%,进一步验证了厌氧颗粒污泥中产甲烷菌的甲烷化能力受到了反硝化菌和厌氧氨氧化菌的影响；根据COD浓度和相应的反硝化速率,用直线进行拟合,得到有机物半饱和常数Ks,COD为3.03 mg/L；根据亚硝酸氮浓度和相应的反硝化速率,得到最大反硝化反应速率qmax为25.25 mg/(g·h),亚硝酸氮半饱和常数Ks,NO2-为1.1 mg/L。 4.研究了UASBB-生物接触氧化池组合的可行性及工艺参数。UASBB与生物接触氧化池组合实现了厌氧氨氧化、甲烷化和短程硝化反硝化的集成,确定了最佳外回流比为300%,系统平均氨氮去除率为81.3%,COD去除率为95.2%,总氮去除率为77.6%。 5.利用UASBB-生物接触氧化池工艺处理实际猪场废水。厌氧氨氧化反硝化甲烷化复合工艺处理猪场实际废水共运行60d,其中进二级沼液、一级沼液各15 d,进原水30 d, COD负荷最高达到3 kg/(m3·d),复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的COD平均去除率达到94.4%、94%、97%;TN负荷最高达到0.51kg/(m3·d),复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的的TN平均去除效果达到83.8%、82.5%、84.2%；氨氮负荷最高达到0.3kg/m3d,复合工艺对二级沼液、一级沼液、原水的NH4+-N平均去除率达到91%、91.9%、88.2%；工艺出水水质优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB 18596-2001)要求,以处理猪场原水为例,厌氧氨氧化反硝化甲烷化化同传统的活性污泥比较,节约0.52kg O2/(m3 d),节约0.838kgCOD/(m3 d),回收40.51L CH4/(m3 d),工艺取得了良好的环境和社会效益。