王彥雋，閆永利，楊海燕，岳志芳，賈辛慧，韓 珍

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109)

中國(guó)是世界上肉類生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國(guó)，2018年我國(guó)肉類總產(chǎn)量達(dá)8 517萬(wàn)t，產(chǎn)生廢水約8.2億t[1]。屠宰廢水是一種有機(jī)物、總氮和總磷含量都很高的廢水，可生化性能好[2]。氮、磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[3]，其中亞硝酸鹽具有強(qiáng)致癌作用,可能會(huì)導(dǎo)致人或動(dòng)物體內(nèi)發(fā)生畸形、突變， 產(chǎn)生較大的健康風(fēng)險(xiǎn)[4]。屠宰及肉食加工行業(yè)

目前具備脫氮除磷能力的污水處理工藝有A2/O工藝[6]、氧化溝工藝[7-8]、SBR工藝和Bardenpho工藝[3]等。A2/O工藝因硝化菌和除磷菌所需污泥齡的矛盾，造成釋磷和反硝化過(guò)程對(duì)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)，難以保證對(duì)廢水同時(shí)達(dá)到高效脫氮除磷的效果；氧化溝工藝與A2/O工藝類似；SBR工藝在去除有機(jī)物方面有較好的效果，但實(shí)際運(yùn)行中去除氮、磷的效果并不理想[9]；Bardenpho工藝?yán)碚撋峡稍谌コ袡C(jī)物的同時(shí)，達(dá)到高效同步脫氮除磷的目的，相關(guān)研究[10-11]表明，Bardenpho工藝在處理養(yǎng)豬廢水和垃圾滲濾液的過(guò)程中取得了良好的脫氮除磷效果。

本文針對(duì)屠宰廢水的特征，在前期詳細(xì)調(diào)研和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定采用具有較好脫氮除磷能力的Bardenpho工藝作為主體工藝對(duì)屠宰廢水進(jìn)行處理，并增加氣浮[12]和UASB工藝，分別用來(lái)去除廢水中的油脂和高濃度有機(jī)物。通過(guò)采用氣浮+UASB+Bandepho工藝對(duì)某屠宰廠生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理，運(yùn)行結(jié)果表明：該組合工藝在屠宰廢水處理過(guò)程中具有很好的脫氮除磷能力，且工藝運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。

1 工程概況

1. 1 廢水水量

內(nèi)蒙古某屠宰廠是一家主要以屠宰羊及羊的副產(chǎn)品加工為主的企業(yè)，日宰殺量為4 000頭左右，每天屠宰廢水排水量為800～1 200 t，年運(yùn)行時(shí)間為11個(gè)月。每天在進(jìn)行羊的宰殺、解體、內(nèi)臟處理、整理和洗凈等工段都會(huì)產(chǎn)生大量的屠宰廢水，廢水排放時(shí)間主要集中在每日上午8時(shí)至下午2時(shí)，該時(shí)段廢水排放量占日排放量的80%。工藝設(shè)計(jì)廢水處理能力為1 000 t/d，24 h運(yùn)行。

1. 2 進(jìn)、出水水質(zhì)

屠宰廢水中含有動(dòng)物未消化的飼料、糞便、血液、內(nèi)臟、碎肉組織、骨渣等，富含蛋白質(zhì)、脂肪、纖維和碳水化合物，顏色呈紅褐色，懸浮物多，氣味腥臭。通過(guò)測(cè)定屠宰廢水中COD、BOD5、SS、氨氮、總氮和總磷等水質(zhì)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)其含量均較高[13]，動(dòng)植物油和細(xì)菌學(xué)指標(biāo)等都不同程度地超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。屠宰廢水中氮的主要存在形式是有機(jī)物或銨鹽，而磷主要以磷酸鹽的形式存在[14]，且屠宰廢水中BOD5/COD>0.5，可生化性能好，但其中高濃度有機(jī)質(zhì)的處理難度較大。屠宰廢水出水水質(zhì)參考《肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13457—1992)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《屠宰與肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》征求意見(jiàn)稿的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1。各水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定[15]。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)、出水水質(zhì)(單位：mg/L)

2 處理工藝選擇與設(shè)計(jì)

2. 1 處理工藝選擇

目前國(guó)際上有多種屠宰廢水處理工藝，比如電凝、膜分離、高級(jí)氧化、物理化學(xué)過(guò)程、生物處理等工藝[16-20]。國(guó)內(nèi)以厭氧和好氧生物處理及其組合工藝為主，如UASB 工藝[21]、AO工藝[22]、SBR工藝[23-24]、UASB+CASS工藝[25]、生物接觸氧化工藝[26]、AO+好氧接觸氧化法工藝[27]等。厭氧生物處理及其組合工藝有Chávez等[28]的上流式厭氧污泥床(UASB)，其在處理家禽屠宰廢水且在有機(jī)負(fù)荷高達(dá)31 kg BOD5/(m3·d)的情況下，家禽屠宰廢水中BOD5的去除率達(dá)到95%；蔣彬等[29]采用UASB+A/O組合工藝對(duì)屠宰廢水進(jìn)行處理，其出水水質(zhì)達(dá)到GB 13457—1992的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)；程永偉等[30]采用UASB+生物接觸氧化法處理山東某屠宰廠廢水，其出水水質(zhì)達(dá)到《南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 37/599—2006) 的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。好氧生物處理及其組合工藝國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是SBR工藝[31]，田葳等[32]采用2段SBR為主體工藝處理生豬屠宰廢水，其出水水質(zhì)達(dá)到 《遼寧省污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 21/1627—2008)的要求；周明俊等[33]研究了UASB與SBR耦合工藝處理屠宰廢水，其出水水質(zhì)較好。但是，SBR工藝對(duì)屠宰廢水中氮、磷的去除效果并不理想[9]。

屠宰廢水處理工藝的選擇要考慮國(guó)家和地方對(duì)廢水排放的要求以及廢水的再生回用，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廢水排放中總氮和總磷指標(biāo)提出的新要求，需要選用一種同時(shí)具備脫氮除磷能力的處理工藝。Bardenpho工藝是1975年由James Barnard在南非首次提出，是一種用于強(qiáng)化脫氮的污水處理工藝，其運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)具有很好的除磷效果[34],該工藝已被廣泛應(yīng)用于南非、加拿大和美國(guó)等國(guó)家[35]，但在我國(guó)因其管理單元多、水力停留時(shí)間長(zhǎng)[36]、運(yùn)行管理難度較大、運(yùn)行費(fèi)用較高等原因而在實(shí)際工程中應(yīng)用不多，相關(guān)的研究成果也較少。近年來(lái)，在我國(guó)節(jié)能減排的大背景下Bardenpho工藝已得到了更多的關(guān)注。經(jīng)過(guò)分析論證，本研究擬采用UASB+Bardenpho工藝[10]對(duì)某屠宰廢水進(jìn)行處理。

2. 2 處理工藝流程

處理系統(tǒng)既要能穩(wěn)定、可靠地降低廢水中各項(xiàng)指標(biāo)的含量，尤其是要將廢水中各項(xiàng)指標(biāo)的含量降至國(guó)家允許的排放標(biāo)準(zhǔn)，又要做到操作管理方便、運(yùn)行費(fèi)用盡可能低。因此，針對(duì)屠宰廢水固體懸浮物、油脂含量高的特點(diǎn)，綜合考慮各種現(xiàn)實(shí)因素，確定屠宰廢水處理工藝流程見(jiàn)圖1。該處理系統(tǒng)由PLC主機(jī)控制自動(dòng)運(yùn)行。

圖1 屠宰廢水處理工藝流程圖 Fig.1 Flow chart of slaughter wastewater treatment process

2. 3 主要設(shè)備和構(gòu)筑物

該屠宰廢水處理系統(tǒng)的主要設(shè)備和構(gòu)筑物如下：

(1) 格柵：設(shè)置中、細(xì)格柵各一道，柵條間距分別為8 mm和3 mm，中、細(xì)格柵均采用鏈條回轉(zhuǎn)式格柵，電機(jī)功率均為1.5 kW。格柵可攔截廢水中產(chǎn)生的體積較大的雜物，主要是動(dòng)物內(nèi)臟、肉皮和部分毛發(fā)等。

關(guān)鍵詞是論文的核心是作者對(duì)文章主題進(jìn)行精煉之后得到的結(jié)果，有著很強(qiáng)的代表性[3]。研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，通常可以用頻次高的關(guān)鍵詞來(lái)確定并且中心性超過(guò)0.1的關(guān)鍵詞，則被認(rèn)為具有較強(qiáng)的影響力，通過(guò)該點(diǎn)展開(kāi)的研究較多[4]。由于不同的人對(duì)同一內(nèi)容有不同的理解方式，導(dǎo)致命名的關(guān)鍵詞不一致[5]。因此，本研究將含義相同、相近或存在包含與被包含關(guān)系的關(guān)鍵詞進(jìn)行合并最后重新運(yùn)行軟件，得到圖2。高中心性關(guān)鍵詞(＞=0.1)有大鼠、腫瘤、護(hù)理、糖尿病、教育、教學(xué)、慢性肝病、帕金森病、凋亡、治療、糖尿病、腎病、小鼠十二個(gè)高中心度詞。

(2) 隔油沉淀池：隔油沉淀池用于隔除部分漂浮的油脂，去除比例約為40%～50%，可去除羊糞便、未消化的飼料，并清洗場(chǎng)地的泥沙等，表面負(fù)荷為0.83 m3/(m2·h)。

(3) 調(diào)節(jié)池：調(diào)節(jié)池用于調(diào)節(jié)屠宰廠在不同時(shí)間排放不均勻的水量和水質(zhì)，體積為600 m3，分兩格，鋼混結(jié)構(gòu)，池底設(shè)穿孔管進(jìn)行預(yù)曝氣，防止懸浮物沉淀，同時(shí)使池內(nèi)廢水混勻。提升泵流量Q為60 m3/h，揚(yáng)程H為16 m，電機(jī)功率N為5.5 kW，共兩臺(tái)，一用一備。由PLC控制主機(jī)收集電磁流量計(jì)和超聲波液位計(jì)數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制水泵啟停。

(4) 氣浮池：氣浮池的主要作用是去除大部分油脂和懸浮物，如不預(yù)先降低其濃度將不利于后續(xù)生物處理。油脂中含有高濃度的長(zhǎng)鏈脂肪酸(LCFA)，可能會(huì)吸附在細(xì)胞膜表面，阻斷有機(jī)物進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的通道，阻止氨氮與氨氧化菌群的接觸[37]，從而降低生物處理效率。油脂在厭氧消化過(guò)程中會(huì)形成大量的LCFA、揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和乙酸，對(duì)厭氧發(fā)酵定向產(chǎn)酸有抑制作用[38]。同時(shí)，LCFA對(duì)產(chǎn)甲烷菌也有很強(qiáng)的毒性[39]，不利于產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。因此，在進(jìn)入U(xiǎn)ASB工藝之前須采用氣浮工藝去除大部分油脂。氣浮池配氣浮空壓機(jī)1臺(tái)，排氣量Q為0.52 Nm3/min，排氣壓力P為1.6 MPa，電機(jī)功率N為7.5 kW；配氣浮循環(huán)泵1臺(tái)，流量Q為6.3 m3/h，揚(yáng)程H為50 m，電機(jī)功率N為4.0 kW；配加藥裝置2套,裝機(jī)功率為1.5 kW。運(yùn)行中氣浮溶氣水回流比控制為20%～30%。

(5) UASB(升流式厭氧污泥床)工藝：UASB工藝由兩個(gè)Q235B鋼板焊接制成的罐體組成，內(nèi)部采用環(huán)氧煤瀝青漆防腐。UASB工藝的作用一方面是通過(guò)厭氧產(chǎn)甲烷作用去除部分易生物降解的有機(jī)物[40]，降低后續(xù)單元的有機(jī)負(fù)荷；另一方面厭氧微生物可將大分子有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物[41]，大量動(dòng)物蛋白被水解為短肽和氨基酸等[42]，提高廢水的BOD5/COD值，從而提高廢水的可生化性[43]。UASB反應(yīng)器內(nèi)還可通過(guò)厭氧氨氧化作用進(jìn)行脫氮[44-45]，其對(duì)總氮和血色均有很好的去除作用[46]。

(6) Bardenpho工藝：Bardenpho工藝是一種A2/O工藝的改進(jìn)工藝，主要用于強(qiáng)化脫氮除磷效果[47]。UASB工藝出水進(jìn)入Bardenpho工藝缺氧段時(shí)BOD5/TN=6.5>5,說(shuō)明系統(tǒng)碳源充足，無(wú)需外加碳源。Bardenpho工藝包括兩段缺氧好氧，缺氧池1的主要功能是反硝化脫氮和吸收磷，使異養(yǎng)型兼性厭氧的反硝化菌進(jìn)行厭氧呼吸，硝酸氮和亞硝酸氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮而脫氮；沉淀池回流的污泥中的聚磷菌PAO釋放磷的同時(shí)反硝化聚磷菌(DPB)過(guò)量吸收磷[48]。好氧池1的主要作用是降解有機(jī)物、硝化脫氮和聚磷菌吸收磷，由于BOD5較高，自養(yǎng)型硝化菌的生長(zhǎng)受到抑制，硝化反應(yīng)效果不好。缺氧池2的主要作用是脫氮，同時(shí)釋放磷。好氧池2的主要作用是使聚磷菌吸收磷更徹底，同時(shí)進(jìn)一步去除BOD5，硝化脫氮。硝化液回流比設(shè)置為300%，污泥回流比設(shè)置為75%，剩余污泥含磷量約為5%?；旌弦夯亓鞅貌捎秒x心泵，流量Q為160 m3/h，揚(yáng)程H為10 m，電機(jī)功率N為15 kW，共兩臺(tái)，一用一備。污泥回流泵采用螺桿泵，流量Q為5 m3/h，揚(yáng)程H為60 m，電機(jī)功率N為2.2 kW，共兩臺(tái)，一用一備。 好氧池底安裝平板式微孔曝氣頭，氣源由3臺(tái)HDSR150型羅茨鼓風(fēng)機(jī)供給，兩用一備，風(fēng)量Q為10.26 m3/min，電機(jī)功率N為18.5 kW，變頻控制。好氧池溶解氧(DO)控制為3～5 mg/L，缺氧池溶解氧控制為0.2～0.5 mg/L。因過(guò)長(zhǎng)的水力停留時(shí)間(HRT)會(huì)降低除磷效率[49-50],故二沉池污泥HRT設(shè)置為3.0 h。

(7) 消毒池:消毒池埋地下，采用二氧化氯(ClO2)發(fā)生器產(chǎn)生的ClO2作為消毒劑，具有很強(qiáng)的氧化和殺菌能力，用以保證出水的細(xì)菌學(xué)指標(biāo)合格。

2. 4 主要構(gòu)筑物規(guī)模

屠宰廢水處理系統(tǒng)主要構(gòu)筑物的規(guī)格尺寸、有效容積和水力停留時(shí)間(HRT)見(jiàn)表2。

表2 屠宰廢水處理系統(tǒng)主要構(gòu)筑物與設(shè)計(jì)參數(shù)

3 工藝運(yùn)行情況與處理效果分析

經(jīng)過(guò)近一年的調(diào)試與運(yùn)行，該處理系統(tǒng)中各單元均可穩(wěn)定運(yùn)行，總氮和總磷指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，工藝技術(shù)對(duì)各污染指標(biāo)的去除能力較強(qiáng)。

3. 1 階段性運(yùn)行指標(biāo)分析

在 2018 年6月22日至7月31日共40 d運(yùn)行期間，該處理系統(tǒng)實(shí)際進(jìn)水量在700～800 t/d之間，略低于設(shè)計(jì)水量。Bardenpho工藝段出水COD和TN濃度及其去除率，見(jiàn)圖2。

圖2 Bardenpho工藝段水COD和TN濃度及其去除率Fig.2 COD and TN removal rate of influent and effluent in Bardenpho stage

由圖2可見(jiàn)，Bardenpho工藝段出水COD和TN的濃度分別在402.00～597.00 mg/L和25.19～58.39之間，對(duì)應(yīng)的COD去除率在87.08%～94.75%之間，TN去除率在76.15%～87.03%之間[51]。

通過(guò)對(duì)Bardenpho工藝段COD和TN去除率與氣溫的相關(guān)性進(jìn)行分析，得到氣溫對(duì)Bardenpho工藝段COD和TN去除率的影響，見(jiàn)圖3。

圖3 氣溫對(duì)Bardenpho工藝段COD和TN去除率的 影響Fig.3 Influence of temperature on COD and TN removal rate in Bardenpho stage

由圖3可見(jiàn)，日平均氣溫在14.6℃～25.8℃范圍內(nèi)變化時(shí)，Bardenpho工藝段出水COD和TN去除率均隨氣溫升高而上升，與氣溫呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)性。

3. 2 工藝最佳運(yùn)行效果分析

2018年6月28日該處理系統(tǒng)處理效果最好，各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表3。此時(shí)COD去除率高，可能與氣溫較高、水力停留時(shí)間長(zhǎng)有關(guān)。

表3 處理系統(tǒng)主要單元處理效果

4 工藝運(yùn)行成本分析

該處理系統(tǒng)運(yùn)行成本主要包括電費(fèi)、藥劑費(fèi)用和人工費(fèi)用，見(jiàn)表4。

表4 處理系統(tǒng)運(yùn)行成本估算

由表4可見(jiàn)，該屠宰廠廢水處理量為1 000 m3/d，日均費(fèi)用為1 595元，則單位處理費(fèi)用為1.60元/m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

某屠宰廠生產(chǎn)廢水處理工程實(shí)踐表明：采用氣浮+UASB+Bardenpho工藝具有很好的處理效果，出水各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于《肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13457—1992)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且總氮、總磷和油脂排放指標(biāo)可達(dá)到《屠宰與肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》征求意見(jiàn)稿的相關(guān)要求。該組合工藝對(duì)屠宰廢水中污染物的去除能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定，由于采用全自動(dòng)運(yùn)行，管理難度小，處理每噸污水的耗電量為1.80 kW·h，單位處理費(fèi)用僅為1.60元/m3，比目前主流處理工藝略高，但相信在實(shí)踐中經(jīng)過(guò)多年完善后，預(yù)計(jì)能耗和運(yùn)行費(fèi)用均會(huì)下降，具有一定的市場(chǎng)前景。