設計案例 | 多工藝組合對奶牛養殖廢水的處理實例
近年來，隨著農業產業結構的推進，規模化、集約化畜禽養殖業迅速發展，由此所帶來環境污染問題也日益嚴重。污染源普查動態更新調查數據表明，2010年，全國畜禽養殖業的化學需氧量和氨氮排放量分別達到1184萬t和65萬t，占全國排放總量的45%和25%，占農業源的95%和79%。同時，據國家環保總局在對全國23個省市調查發現，90%的規模化畜禽養殖場未進行環境評價，60%的養殖場缺乏必要的污染防治措施。畜禽養殖污染已經成為繼生活污水和工業廢水后更大的污染源。
養殖廢水主要包括尿液、殘余糞便、圈舍沖洗水及飼料殘渣等，其處理模式可分為: 還田、自然處理以及工業化三種處理模式。其中工業化處理模式是目前最受關注的一種處理技術。現階段國內外工業化治理畜禽養殖廢水的工藝大致相同，各工藝組合方式較多，但市場上投入生產運行的治理設施鮮少有總氮、氨氮排放達標的。本文以廣東省某奶牛養殖場為研究對象，介紹一種出水能穩定達標排放的“UASB—兩級AO—化學除磷—穩定塘—人工濕地”氧化塘組合工藝，有效減少養殖廢水對周邊生態環境的污染。
1 工程概述
廣東省某奶牛養殖場存欄奶牛規模為3000頭，嚴格實行清潔生產，采用干清糞工藝，即清污分離，將糞便與牛尿、沖洗水分開處理。糞便直接外運作為農用肥料，牛尿、沖洗水及擠奶洗乳廢水和少量生活污水等統一收集后進入廢水處理系統，系統進水水質如表1所示。
該養殖場污水處理站設計處理規模為400 m3/d，每天運行24 h，約17 m3/h。出水水質參照廣東省《水污染物排放限值》（DB 44/26—2001）第二時段一級標準和《畜禽養殖業污染物排放標準》（DB 44/613—2009）兩者中較嚴格的標準來執行。具體設計進、出水水質值如表1所示。
2 處理工藝選擇
2.1 水質分析
養殖廢水污染物濃度高，含有大量的病原微生物并有惡臭，屬于難處理廢水，分析該養殖場廢水組成，其具有以下特征：
水量水質變化較大，沖擊負荷大；
廢水固液混雜，懸浮物多，有機物濃度高，可生化性強；
廢水氨氮濃度高，碳氮比易失調，氣味重，屬難處理廢水；
廢水中糞大腸菌群數高，出水段需進行消毒處理；
廢水處理過程中產生的污泥、廢氣可綜合利用。
2.2 處理工藝選擇
國內外對于畜禽養殖業廢水所用的處理工藝大致相同，即固液分離+厭氧技術+好氧技術，其中固液分離技術一般包括：離心、過濾、氣浮、絮凝、沉淀等工藝；常用的厭氧工藝主要有：上流式厭氧污泥床（UASB）、厭氧折流板反應器（ABR）、升流式污泥床反應器（USR）、厭氧生物濾池以及兩段厭氧消化法等；而好氧處理工藝主要有：氧化溝、序批式活性污泥法（SBR）、生物轉盤、生物接觸氧化法、厭氧/好氧（AO）以及兩級AO等。
根據本工程的特點，兼顧耐沖擊負荷強、處理效果好、運行穩定等要求，最終定為“沉降固液分離+UASB+兩級AO+化學除磷+穩定塘+人工濕地”+氧化塘聯合治理工藝。
UASB反應器耐沖擊性能強；無需混合攪拌設備，靠水流和發酵過程中產生沼氣的上升運動，不僅使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態，而且利于有機物的降解；采用改良后的氣、固、液三相分離器，能強化顆粒污泥的回流。UASB進水中SS需要適當控制，以防止對處理效果的影響。由于養殖廢水SS濃度較高，故在進入厭氧系統之前需采取一定的預處理措施，本工程采用機械粗格柵和專用的牛糞廢水固液分離機去除懸浮固體和糞渣，本工程采用粗格柵和斜篩攔截廢水中粗大的漂浮、懸浮固體和糞渣，而后采用沉淀法將重于水的懸浮物從水中分離出來，濾出的糞渣干化后可作為肥料回收利用。
兩級AO，即Bardenpho工藝（前置AO和后置AO），是一種硝化/反硝化工藝。前置缺氧池利用回流混合液中的硝酸鹽氮和原污水中的有機質進行反硝化，出水進入前置好氧池后，有機質被氧化、含氮有機物氨化、氨氮發生硝化作用，同時前置反硝化產生N2在此好氧池經曝氣吹脫釋放。前置好氧池出水進入后置缺氧池進行內源反硝化脫氮，產生的N2在后置好氧池經曝氣吹脫，同時內源代謝產生的氨氮在后置好氧池得到硝化。如此經過多次的碳氧化-硝化-反硝化過程，廢水中的有機物和氨氮大部分被轉化為無機物從水中去除，小部分則轉化為細胞物質，通過定期排泥排出系統。由于廢水中碳氮比較低，在運行過程中定期添加乙醇以補充碳源，保證工藝的脫氮該工藝脫氮率能高達90% ~ 95%。
經生化處理后的廢水中磷和氨氮含量仍然較高，為了達到穩定出水標準，采用化學除磷強氧化和強氧化化學除磷來滿足要求，化學除磷藥劑采用石灰和絮凝劑PAM，出水通過強氧化劑漂白水將污廢水中的NH4+氧化成N2，同時可能殺滅污水中的絕大多數病原微生物，防止有害微生物的污染。由于除磷后出水呈弱堿性，化學除磷藥劑采用石灰和絮凝劑PAM，出水需加酸調節pH。由于該出水仍不滿足環保局規定的排放標準，還需進一步處理，根據業主單位提供現有場地，將現有的水塘改造成穩定塘和人工濕地，穩定塘和人工濕地均屬于污水的土地處理系統，一般由菌藻、各種微生物、水生動植物、魚類等部分組成，各部分共同作用，構成一個復雜的自然生物處理系統。污水在該生態系統內通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收、微生物降解等途徑進一步的物化和生物處理凈化，有效實現了污水站的節能減排。出水可達標排放或回用來沖洗牛舍等。具體工藝流程見圖1。
本工藝固液分離機和初沉池糞渣輸送至污泥干化場地進行干化，作為肥料回收利用。后續沉淀池產生的剩余污泥通過濃縮加藥調理后，進入污泥脫水機脫水處理，脫水后的泥餅外運處置。具體工藝流程如圖1所示。
3 主要構筑物與設計參數
奶牛養殖廢水處理工藝流程如圖1所示。
格柵槽：1座，鋼砼結構，鋼筋混凝土結構，尺寸為5.0 m×3.0 m×1.0 m，內置2臺格柵，柵間隙為5 mm；設有2臺不銹鋼斜篩。
初沉池：1座，鋼砼結構，尺寸為5.0 m×6.0 m×4.0 m，表面負荷0.86 m3/(m2·h)；設有1臺潛污泵，單臺功率0.75 kW。
調節池：1座，鋼砼結構，尺寸為8.5 m×6.0 m×4.0 m，有效容積180 m3，停留時間為10.8 h；設有1套水下推流器；2臺潛污泵（1用1備），功率2.9 kW。
改良型UASB：2座，鋼砼結構，單池尺寸為10.0 m×10.0 m×6.0 m，有效容積540 m3，設有32套三相分離器；設計容積負荷：5.0 kg COD/(m3·d)，SRT=2.7 d。
兩級AO池：2座，鋼砼結構，尺寸為15 m×10 m×4.0 m，有效容積525 m3；設有4套水下推流器，單臺功率0.85 kW；900套微孔曝氣器；3臺AS16-2CB混合液回流泵，功率1.6 kW；設有2臺BR200羅茨鼓風機，單臺功率：22 kW，風壓：10 kPa，分量：22.66 m3/min。
二沉池：1座，鋼砼結構，尺寸4.5 m×4.0 m×4.0 m，表面負荷約為1.0 m3/(m2·h)，采用豎流式；設有1臺污泥回流泵，功率1.1 kW。
除磷反應池：1座，包括反應池和終沉池，其中反應池尺寸2.5 m×4.0 m×4.0 m，設有1套除磷加藥裝置，1套PAM加藥裝置和混合攪拌裝置；終沉池尺寸6.0 m×4.0 m×4.0 m，設有2臺污泥泵，功率0.75 kW。
強氧化池：1座，尺寸2.76 m×2.5 m×4.0 m，配消毒裝置1臺。
pH回調池：1座，尺寸2.0 m×4.0 m×4.0 m，設有1套混合及加藥裝置，1套在線pH儀。
污泥處理單元：濃縮池，2座，尺寸4.0 m×3.0 m×3.0 m，有效停留時間t≥12 h；污泥脫水機，1臺。
自然生物處理系統：穩定塘，1座，面積6000 m2；潛流式人工濕地，1座，面積3000 m2。
4 處理效果
本組合工藝24 h運行。出水能滿足廣東省《水污染排放限值》（DB 44/26—2001）指標要求，并通過相關部門的驗收。各單元的平均處理結果如表2所示。
5 運行成本估算
該養殖廢水處理工程運行成本估算如表3所示。由表可知，直接運行成本為每噸廢水5.32元，在全國典型養殖廢水處理設施中處于中等偏下偏低水平。
6 結語
采用“沉降固液分離+UASB+兩級A/O+化學除磷+氧化塘穩定塘+人工濕地”聯合工藝處理奶牛場養殖廢水，具有良好的處理效果，且系統運行穩定，耐沖擊負荷能力強，運行成本約為每噸水5.32元，在經濟上可行。按正常運行達標排放，每年可減少COD排放量約3640 t，氨氮排放量約100 t，能有效減少了對生態環境和周邊水體的污染；解決了厭氧+好氧組合工藝處理過程中，氨氮達不到排放標準的問題，具有較高的經濟、環境效益，值得推廣。
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