山西市沁源县屠宰污水处理设备

时间：2020-01-05

养殖场所产生的废水具有**物、氨氮和悬浮物浓度高等特点，处理难度较大，如不经过处理直接排放或农用将引起严重污染［1 ～ 3］。目前，厌氧技术能够有效处理养殖废水，并可回收沼气和沼液等资源［4］。该技术主要包括**式厌氧污泥床、厌氧膨胀颗粒污泥床和厌氧流化床等高效厌氧反应器。但上述反应器用于处理养殖废水时，易出现污泥颗粒化困难和堵塞等现象［5］。近年来，厌氧膜生物反应器因其自身的优势及应用潜力而逐渐受到关注，但膜污染是制约其发展的主要问题。因此，有研究者将可旋转的膜组件引入厌氧膜生物反应器中，以达到强化膜表面剪切力，控制膜污染的目的［6 ～ 8］。但是，目前采用厌氧旋转膜生物反应器（ AnＲMBＲ）处理畜禽养殖废水尚未有相关报道。

笔者采用AnＲMBＲ系统处理畜禽养殖废水（以养猪废水为代表），考察其对实际养猪废水的处理效果，并分析膜过滤性能和反应器内的厌氧污泥特性，旨在为AnＲMBＲ系统处理畜禽养殖废水的实际应用提供参考。

1 材料和方法

1. 1 试验装置及运行方案

图1 为AnＲMBＲ工艺流程。

AnＲMBＲ系统主要由进水罐、厌氧反应罐、外置式旋转膜组件和恒温水浴箱组成。厌氧反应罐的有效容积为100 L。10 张盘式聚醚砜平板膜平行固定于旋转膜组件内部，其中心在滤液集水管的中心传动轴上。膜的截留分子质量为150 ku，总过滤面积为0． 12 m2。膜组件上方旋转电机可带动中心传动轴来实现膜片的往复式旋转（正反向交替式旋转）以强化膜表面剪切力。膜片的旋转速度为150r /min，往复式旋转周期为0． 5 h。养猪废水经进水泵输送至厌氧反应罐进行厌氧生物降解，反应罐内的厌氧污泥混合液经循环泵先进入恒温水浴箱加热，以保证反应罐内的温度为（ 33 ± 2） ℃，再进入旋转膜组件，经膜截留的污泥浓缩液返回至厌氧反应罐。膜过滤出水则通过出水泵抽吸排出，抽吸频率为间隔10 min 抽吸8 min。

试验用水取自厦门市某养猪场排放的养猪废水。厌氧反应器内接种的污泥来自于厦门市某饮料企业污水处理站的厌氧污泥。采用PLC 控制系统的运行，具体运行参数见表1。

AnＲMBＲ系统启动期间，通过逐步提高出水泵抽吸水量即提高运行的膜通量来缩短HＲT，以增加运行负荷，并根据实际膜过滤性能及废水处理效果对运行参数进行适时调整。在工况6 和7 条件下，养猪废水因混入较多的猪粪，悬浮物和COD 浓度较高，导致系统容积负荷大幅度提高。

1. 2 分析方法

pH 值采用pH 计测定，COD 采用重铬酸钾法测定，产气量采用湿式流量计测定，污泥浓度采用减重法测定。污泥粒径采用激光粒度仪进行分析，膜过滤性能采用膜过滤阻力来表征。根据Darcy 定律，膜过滤阻力按式（ 1）计算。

Ｒ = ΔP/μJ（ 1）

式中，Ｒ为膜过滤阻力，m － 1 ； ΔP 为跨膜压差，Pa； J 为膜通量，m3 /（ m2·s）； μ 为滤液粘度，Pa·s。

2 结果与讨论

2. 1 AnＲMBＲ系统对废水的处理效果

在厌氧生物处理过程中，较适宜pH 值为6． 8 ～7． 2。若pH 值持续过低，说明反应器内可能出现了酸化现象，此时容积负荷过高。在AnＲMBＲ系统启动初期，即使在较低的容积负荷下，反应器内上清液仍频繁出现pH 值＜ 6． 8 的情况。这可能是由于此时接种的厌氧微生物尚未适应环境。随着系统运行，容积负荷逐步提高，反应器内的pH 值逐渐升高。在工况6 条件下，当平均容积负荷达到6． 25kgCOD/（ m3·d）时，虽然反应器内上清液曾在*64天和*65 天出现pH 值分别为6． 4 和6． 6，但此后pH 值迅速恢复至7． 0 以上，表明系统可耐受高容积负荷。但是，此时系统运行的膜通量高达28． 5L /（ m2·h），膜组件出现了严重的膜污染。因此，考虑膜过滤性能，将*71 天后的膜通量回调至25． 0L /（ m2·h）。在此后的约1 个月内，上清液pH 值在7． 0 ～ 8． 2 范围内波动，表明反应器内未出现酸化现象，可适应5． 68 kgCOD/（ m3·d）的容积负荷。

AnＲMBＲ系统中COD 的变化如图2 所示。

由图2 可以看出，由于膜组件对**物的截留作用及吸附作用，出水COD 浓度均低于反应器内上清液的COD 浓度。随着反应器的运行，容积负荷逐渐升高，出水COD 总体呈上升趋势，从34． 5 mg /L上升至629． 6 mg /L。但是，容积负荷的提高对COD去除率的影响并不显着。工况1 ～ 6 条件下，COD平均去除率分别为93． 7%、94． 8%、96． 1%、95． 1%、91． 0% 和96． 3%。AnＲMBＲ系统对养猪废水中COD 的去除主要通过厌氧微生物降解作用和旋转膜的物理截留作用来实现。从图2 还可知，膜的截留功能使得系统整体运行效果相对稳定。在工况7条件下，出水COD 可控制在296． 3 ～ 629． 6 mg /L 范围内，去除率为91． 5% ～ 96． 4%，均**90%。相较于文献［9］、［10］，本试验的AnＲMBＲ系统对养猪废水中COD 的去除率高，处理效果较好。

2. 2 产气性能

图3 为AnＲMBＲ系统的产气量变化。可知，随着AnＲMBＲ系统的运行，进水容积负荷增加，每日产气量总体呈现上升趋势。*97 天，当容积负荷为6． 67 kgCOD/（ m3·d）时，产气量达到较高值（ 445L /d）。Song 等人［10］在处理养猪废水的研究中也发现了类似规律，即沼气产量与进水容积负荷存在线性关系，产气量在一定程度上会随着容积负荷的增加而增大。在工况7 条件下，虽然进水水质不稳定导致了产气量有所波动，但是AnＲMBＲ系统在该阶段的产气量较高，平均值为140 L /d，即平均容积产气率为1． 4 m3 /（ m3·d），其产气性能与赵青玲［11］采用UASB 处理养猪废水的产气性能类似。

2. 3 膜过滤性能

图4 为AnＲMBＲ系统运行期间的膜过滤阻力。可以看出，在工况1 ～ 4 期间，除了*10 天膜过滤阻力突然小幅上升至4． 27 × 1012 m － 1 以外，该阶段的膜过滤阻力相对稳定，均能控制在1． 78 × 1012 m － 1以下。这表明AnＲMBＲ系统在该阶段并未发生严重的膜污染，膜过滤性能良好。但是，在工况5 期间，当膜通量从25． 0 L /（ m2·h）上升至32． 5 L /（ m2·h）时，膜过滤阻力急剧上升，*51 天上升至17． 9 × 1012 m － 1，说明膜污染严重。为了控制膜污染的发展，在*52 天（工况6）将膜通量降低至28． 5L /（ m2·h），但是此工况下的膜过滤阻力仍呈现上升趋势，甚至*65 天上升至82． 0 × 1012 m － 1。

在工况5 和6 条件下，为保证系统的正常运行，在*51、58、65、71 天分别对膜组件进行离线水洗以恢复膜通量。基于工况5 和6 下膜组件的运行情况，在*71 天将系统运行的膜通量恢复至25． 0 L /（ m2·h），此后膜过滤阻力相对稳定，可控制在3． 3× 1012 m － 1以下。可以看出，本试验中当膜通量≤25． 0 L /（ m2·h）时，AnＲMBＲ系统的膜组件可以通过自身的往复式旋转来强化膜表面的水力剪切力，从而控制膜污染的发展。因此，该系统在处理养猪废水时，为保证系统的稳定运行，膜通量可维持在25． 0 L /（ m2·h），此膜通量数值与白玲等人［6］采用浸没式厌氧双轴旋转膜生物反应器处理模拟啤酒废水的膜通量水平相同。

2. 4 厌氧污泥特性

图5 为AnＲMBＲ系统运行期间污泥浓度及颗粒粒径的变化。

从图5 可以看出，随着系统的运行，污泥浓度逐渐上升，由初始的5． 9 g /L 上升至30． 7 g /L。An-ＲMBＲ系统启动运行初期，污泥体积平均粒径随着微生物的驯化生长而逐渐增大，但33 d 后则呈现下降的趋势，由154． 8 μm 逐渐减小至91． 2 μm。膜组件长期往复式旋转的剪切作用和进水悬浮物的增多可能是导致污泥粒径减小的原因。此外，反应器内重金属的累积也可能是污泥粒径减小的另一诱因。马明海等人［12］发现，重金属Zn、Cu 和Pb 的投加会导致部分好氧颗粒污泥解体，污泥粒径显着减小。该AnＲMBＲ系统处理的废水为养殖废水，含有Zn、Cu、Pb 和Cd 等重金属［13］，因此随着系统的运行，由于膜截留作用和污泥吸附作用，重金属在反应器内逐渐累积，可能导致了污泥颗粒变小。

Kornboonraksa 等人［2］在采用膜生物反应器处理养猪废水时发现，与其他污泥性质相比，污泥浓度和粒径对膜过滤性能具有显着影响。污泥浓度的增加和粒径的减小会加剧膜污染。当AnＲMBＲ系统运行至中后期，在污泥浓度上升和污泥粒径减小的情况下，膜过滤性能受到了潜在威胁，此时膜通量的提高将会加大严重膜污染发生的概率。这可能是47 ～ 70 d，当膜通量由25． 0 L /（ m2·h）分别增加至32． 5 和28． 5 L /（ m2·h）时膜过滤阻力迅速上升的原因。因此，基于污泥特性的变化情况，膜通量的提高应受到限制。在本试验过程中，为了保证良好的膜过滤性能，膜通量较终应控制在25． 0 L /（ m2·h）以下。

3 结论

① 采用AnＲMBＲ系统处理以养猪废水为代表的畜禽养殖废水，在5． 68 kgCOD/（ m3·d）的容积负荷条件下，AnＲMBＲ系统对COD 的平均去除率为94． 7%，平均容积产气率为1． 4 m3 /（ m3·d），除污效果和产气性能较好。

② 当AnＲMBＲ系统的膜通量为25． 0 L /（ m2·h）时，膜过滤阻力在3． 3 × 1012 m － 1 以下，表明系统有效控制了膜污染，运行性能稳定。综上所述，AnＲMBＲ系统能够处理以养猪废水为代表的畜禽养殖废水。

③ 在AnＲMBＲ系统运行的中后期，污泥浓度上升，颗粒粒径减小，限制了膜通量的提高。

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