屠宰廢水含有較高濃度的有機(jī)物(CODCr)、總氮(TN)和懸浮物(SS)，相比生活污水處理難度較大。華潤肉類食品(深圳)有限公司龍崗分公司原有2500m3/d屠宰廢水處理設(shè)施，采用A2/O工藝，目前處理水量已接近飽和。因擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的需要，該廠急需新增約1500m3/d的廢水處理設(shè)施，而目前廠區(qū)內(nèi)空地面積有限，需要選擇一種占地少而又能保證處理效果的工藝進(jìn)行擴(kuò)容。
反應(yīng)沉淀一體式矩形環(huán)流生物反應(yīng)器(RPIR反應(yīng)器)是筆者單位前期開發(fā)的產(chǎn)品，該反應(yīng)器基于經(jīng)典化工傳質(zhì)理論和前人基礎(chǔ)研究，內(nèi)部設(shè)置巧妙的導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)，提高了氧傳質(zhì)效率，促進(jìn)空氣、微生物(活性污泥)和水體三相的接觸反應(yīng)，同時又為活性污泥和水體的分離提供了良好的條件。RPIR反應(yīng)器集反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)于一體，有效微生物被截留下來，使生化池中能夠保持較高的活性污泥濃度，因此具備水力停留時間短、占地面積小、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。
本研究是首次將RPIR反應(yīng)器應(yīng)用于屠宰廢水的處理，新建一條處理規(guī)模為1500m3/d的廢水處理設(shè)施，并結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)分析RPIR反應(yīng)器對屠宰廢水的處理效果。
1、工藝設(shè)計(jì)與方法
1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)
根據(jù)深圳市對屠宰場廢水的排放要求，并結(jié)合GB13457—1992《肉類加工工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。
1.2 試驗(yàn)裝置
本設(shè)計(jì)的核心技術(shù)為RPIR好氧反應(yīng)器。RPIR好氧反應(yīng)器原理如圖1所示。RPIR好氧反應(yīng)器通過設(shè)置導(dǎo)流裝置，將生化廢水處理技術(shù)中的生化反應(yīng)區(qū)和污泥沉淀區(qū)整合，并在底部設(shè)置污泥斗。廢水由反應(yīng)器底部進(jìn)入，經(jīng)環(huán)流運(yùn)動與反應(yīng)器內(nèi)活性污泥充分混合，之后在兩側(cè)沉淀區(qū)進(jìn)行泥水分離，最終上清液由沉淀區(qū)上部溢流排出，污泥自動沉降至反應(yīng)區(qū)，剩余污泥經(jīng)污泥斗定期排出。反應(yīng)區(qū)下部設(shè)有微孔曝氣器，由羅茨風(fēng)機(jī)供氣用于提供溶解氧及反應(yīng)器內(nèi)液體循環(huán)流動的動力。RPIR厭氧反應(yīng)器的原理、結(jié)構(gòu)與好氧反應(yīng)器類似，無曝氣功能，且外形設(shè)計(jì)為圓筒形。
1.3 處理工藝
新系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。
RPIR厭氧反應(yīng)器設(shè)置2座，每座尺寸為6.0m×10.5m，有效容積為282.6m3，廢水停留時間為9.0h，提升泵將廢水分別提升至RPIR厭氧反應(yīng)器1和RPIR厭氧反應(yīng)器2。在厭氧反應(yīng)器出水管口設(shè)置PAC除磷添加點(diǎn)，PAC與廢水一同進(jìn)入有效容積為1000m3的RPIR好氧反應(yīng)器，廢水在池內(nèi)完成好氧過程，停留時間為16h，保持污泥濃度在6000mg/L左右。選擇流量為43.9m3/h、功率為75kW的羅茨風(fēng)機(jī)充氧。各構(gòu)筑物的停留時間如表2所示。
1.4 生化池調(diào)試方法
采用臨時泵從現(xiàn)有污泥濃縮池中抽取污泥至生化池。采用清水稀釋污泥后，RPIR好氧反應(yīng)器首先悶曝2d，第3天進(jìn)水量從小到大逐漸增加，連續(xù)運(yùn)行數(shù)天后活性污泥開始逐漸增多，為了加快這一進(jìn)程，再分批投加污泥，在污泥馴化初期，合理控制曝氣量。RPIR厭氧反應(yīng)器的污泥馴化較為簡單，污泥接種后，直接悶罐發(fā)酵2d，當(dāng)液面出現(xiàn)浮泥時，及時清掃，然后再投加污泥，由于厭氧過程污泥生長極為緩慢，因此，污泥投加量較多。
1.5 分析方法
CODCr采用重鉻酸鹽法測定，NH3-N采用納式試劑分光光度法測定，TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定，MLSS采用文獻(xiàn)的方法。每10天進(jìn)行6次水質(zhì)采樣及測定，并統(tǒng)計(jì)10d內(nèi)各水質(zhì)參數(shù)的平均值。
2、結(jié)果與討論
2.1 CODCr去除效果分析
CODCr濃度變化及去除率如圖3所示。進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度為496.5~4480mg/L，經(jīng)RPIR好氧反應(yīng)器處理后，出水CODCr平均質(zhì)量濃度為110.8mg/L(遠(yuǎn)低于排放限值280mg/L)，總平均去除率達(dá)94.1%，其中RPIR好氧反應(yīng)器對CODCr的平均去除率達(dá)86.5%，起主要作用。盡管RPIR好氧反應(yīng)器的停留時間僅有16h，但是由于氧傳質(zhì)作用強(qiáng)，有益微生物較多，微生物能高效降解含碳有機(jī)物，新系統(tǒng)對CODCr的年削減量為970.9t。
2.2 NH3-N去除效果分析
新系統(tǒng)對NH3-N的去除效果如圖4所示。總進(jìn)水NH3-N質(zhì)量濃度較高，平均值為163.3mg/L。廢水經(jīng)過氣浮池、RPIR厭氧反應(yīng)器1、RPIR厭氧反應(yīng)器2和RPIR好氧反應(yīng)器處理后，出水NH3-N質(zhì)量濃度為16.0mg/L。新系統(tǒng)對NH3-N的總?cè)コ蕿?/span>82.4%~95.9%，平均去除率為90.1%，年削減量為80.6t。RPIR好氧反應(yīng)器去除NH3-N的能力強(qiáng)，主要在于它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠高效截流有益菌體，創(chuàng)造有利于污泥齡較長的微生物生存的環(huán)境。結(jié)合理論指導(dǎo)及現(xiàn)場運(yùn)行情況，在確保NH3-N得到高效降解的前提下，通過調(diào)控風(fēng)機(jī)頻率保證RPIR好氧反應(yīng)器的溶解氧質(zhì)量濃度維持在2.0mg/L即可，充分實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保。
2.3 TN去除效果分析
新系統(tǒng)對TN的去除效果如圖5所示。總進(jìn)水TN平均質(zhì)量濃度為258.3mg/L。原水經(jīng)氣浮池、RPIR厭氧反應(yīng)器1、RPIR厭氧反應(yīng)器2和RPIR好氧反應(yīng)器處理后，出水TN質(zhì)量濃度為24.9~119.5mg/L，平均值為81.5mg/L。新系統(tǒng)對TN的平均去除率為68.4%，年削減量為94.9t。通常，生化反應(yīng)去除TN的機(jī)理是由NH3-N轉(zhuǎn)換的硝態(tài)氮在缺氧環(huán)境下再轉(zhuǎn)換為氮?dú)狻?/span>RPIR好氧反應(yīng)器前端并無缺氧過程，因此，推測脫氮效果主要為RPIR好氧反應(yīng)器的生化反應(yīng)。類似觀點(diǎn)在前人的研究中已有所表述，劉長青等研究AmOn一體式工藝與RPIR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)類似，導(dǎo)流板的作用也將反應(yīng)器分隔為好氧硝化區(qū)和缺氧反硝化區(qū)；方芳等提倡間歇式曝氣創(chuàng)造出有氧-缺氧的環(huán)境，類似于RPIR的曝氣區(qū)和沉淀區(qū)的更新交替，可以加強(qiáng)硝化和反硝化作用。
2.4 TP去除效果分析
新系統(tǒng)對TP的去除效果如圖6所示。系統(tǒng)進(jìn)水的TP質(zhì)量濃度為20.8~54.4mg/L，平均值為28.8mg/L。為了提高除磷效果，本工藝在RPIR厭氧反應(yīng)器出水管口設(shè)置化學(xué)藥劑除磷點(diǎn)，經(jīng)厭氧反應(yīng)器處理后，廢水與藥劑一同混合進(jìn)入RPIR好氧反應(yīng)器，最終出水TP質(zhì)量濃度為2.3~9.9mg/L，平均值為3.8mg/L，TP去除率達(dá)78.0%~92.2%，平均去除率達(dá)85.9%。經(jīng)計(jì)算，本系統(tǒng)對TP的年削減量達(dá)13.7t。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，可發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)的TP去除效果與進(jìn)水TP濃度及RPIR好氧反應(yīng)器的排泥頻率有密切的相關(guān)性。
2.5 SS去除效果分析
RPIR好氧反應(yīng)器的出水SS質(zhì)量濃度如圖7所示。出水SS質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值100mg/L，分布在10~29mg/L之間，平均值為17mg/L。通常情況下，廢水經(jīng)過好氧處理后，后端需要具有足夠大的沉淀池或較長的廢水停留時間才能保證出水具有較低的SS值。RPIR的沉淀區(qū)具有特殊的導(dǎo)流板，使環(huán)流混合液在沉淀區(qū)能夠靜置下來，省去了沉淀池等構(gòu)筑物，大大節(jié)省了占地空間。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，出水SS濃度受好氧區(qū)污泥濃度和溶解氧的影響較大，污泥濃度越高(現(xiàn)場測定7500mg/L以上)，出水SS濃度隨之增高；溶解氧的質(zhì)量濃度越高(高于4.0mg/L)，產(chǎn)生的泡沫導(dǎo)致污泥上浮，出水的SS濃度也會增高。因此，在系統(tǒng)運(yùn)行中，保持污泥濃度為6000mg/L，溶解氧的質(zhì)量濃度為2.0mg/L，對出水SS濃度具有重要的意義。
2.6 新系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析
每10天監(jiān)測RPIR好氧反應(yīng)器的MLSS、MLVSS和SV30，連續(xù)監(jiān)測7個月，結(jié)果如圖8所示。RPIR好氧反應(yīng)器內(nèi)MLSS與MLVSS的質(zhì)量濃度分別為6000、3650mg/L左右，SV30處于35%~45%之間。其中，第7次監(jiān)測到MLSS的質(zhì)量濃度為7100mg/L，SV30達(dá)56%，明顯偏高，其原因是此次取樣前后幾天內(nèi)，RPIR好氧反應(yīng)器曝氣區(qū)內(nèi)溶解氧質(zhì)量濃度高達(dá)4.4mg/L，導(dǎo)致好氧微生物大量繁殖，污泥濃度增加。第13次監(jiān)測到MLSS的質(zhì)量濃度為3421mg/L，SV30只有16%，這是因?yàn)樵摱螘r間新系統(tǒng)進(jìn)水中含大量的豬血，有機(jī)物大分子濃度顯著增高，系統(tǒng)在短時間內(nèi)受到?jīng)_擊，部分污泥失去活性，但10d后污泥活性即恢復(fù)正常。可見，RPIR工藝具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，但在實(shí)際運(yùn)行中，仍需避免血水等高分子有機(jī)物大量進(jìn)入系統(tǒng)。
3、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析
A2O工藝是處理屠宰廢水的主流工藝之一，本廠原有系統(tǒng)采用此工藝，生化池的有效容積為2350m3，生化區(qū)噸水占地面積為0.29m2。A2O工藝對CODCr、NH3-N的去除效果可以達(dá)90%以上，但其硝化液回流需要耗費(fèi)較高的能量，且后續(xù)的沉淀池增加了占地面積，并不適用于用地面積緊張的廢水處理廠的擴(kuò)容改造。
相比于原有系統(tǒng)，新系統(tǒng)生化區(qū)噸水占地面積為0.16m2，針對1500m3/d的廢水處理規(guī)模，可節(jié)約建設(shè)面積212.75m2，直接節(jié)省投資160萬。原有系統(tǒng)和新系統(tǒng)的生化池耗電量分別為1.4、1.1kW•h/t。新系統(tǒng)采用RPIR技術(shù)，在保證CODCr、NH3-N、TN、TP和SS處理效果的前提下，省去了沉淀池，生化區(qū)的噸水占地面積大大減小；并且由于RPIR反應(yīng)器污泥進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，無需回流泵工作，同時可節(jié)約電耗。
對比除磷劑PAC的投加量可知，原系統(tǒng)與新系統(tǒng)的投加量均分布在90~100mg/L之間，新工藝的生化除磷效果與原系統(tǒng)的生化除磷效果相似，新系統(tǒng)的優(yōu)勢主要在于RPIR好氧反應(yīng)器能高效去除NH3-N、CODCr。
4、結(jié)論
(1)RPIR反應(yīng)器對屠宰廢水具有較好的處理能力，對CODCr、NH3-N、TN和TP的平均去除率分別達(dá)94.1%、90.1%、68.4%和85.9%，出水平均質(zhì)量濃度分別為110.8、16.0、81.5、3.8mg/L。出水SS平均質(zhì)量濃度為17mg/L。其中，出水CODCr、NH3-N、SS優(yōu)于GB13457—1992二級標(biāo)準(zhǔn)。RPIR曝氣反應(yīng)區(qū)MLSS的質(zhì)量濃度可以穩(wěn)定維持在6000mg/L左右，SV30保持在35%~45%之間。
(2)與原有廢水處理系統(tǒng)(A2O)相比，新系統(tǒng)的優(yōu)勢主要在于節(jié)約建設(shè)面積212.75m2，生化區(qū)處理單位廢水占地面積僅為0.16m2，RPIR好氧反應(yīng)器的廢水停留時間僅有16h。
(3)RPIR反應(yīng)器具有簡化廢水處理流程、節(jié)能的顯著優(yōu)勢。將反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)巧妙地整合一起，利用環(huán)流效應(yīng)，省去污泥回流泵，可節(jié)約能耗，而將反應(yīng)器分割成硝化和反硝化區(qū)域，強(qiáng)化了反應(yīng)器去除NH3-N和TN能力。(來源：深圳市清研環(huán)境科技有限公司，深圳清華大學(xué)研究院，華潤肉類食品(深圳)有限公司龍崗分公司)
