干清粪养猪场废水两级SBR处理系统的构建与调控运行

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干清粪工艺是规模化养猪场普遍采用的猪舍清粪模式,在这一模式下,由猪舍清洗产生的废水即为干清粪废水。养猪场干清粪废水均具有高氨氮、低碳氮比(C/N)的特征,采用传统的硝化反硝化生物脱氮工艺对其处理很难获得良好的总氮去除效果。针对这一难题,课题组基于自养生物脱氮理论,提出了好氧-微氧两级SBR工艺,并通过实验确证了将其用于处理干清粪养猪场废水的技术可行性。该新工艺的基本原理是:通过一级好氧SBR调控去除部分COD,进一步降低废水的C/N,以便在二级微氧SBR中实现部分硝化与厌氧氨氧化的耦合(PN/A途径),进而通过一级和二级SBR的串联实现干清粪养猪场废水的碳氮同步去除。然而,如何对启动过程和连续运行过程加以调控,以进一步提高好氧-微氧两级SBR系统的处理效能,尚未予以研究。本文通过好氧SBR和微氧SBR的分别启动和调控运行构建了好氧-微氧两级SBR系统,研究了二级微氧SBR在曝气反应时间缩短及温度降低影响下的运行特征,并从微生物群落结构和生物脱氮途径等方面探讨了两级SBR系统碳氮磷同步去除机制。研究表明,以COD去除为主要目的的好氧SBR,在污泥接种量4.2 g/L(以MLVSS计)、28℃、曝气反应时间5.0 h(DO 4 mg/L左右)、换水比0.5等条件下,可在19 d内启动成功,出水COD/TN维持在0.8左右。在随后的持续运行中,根据干清粪废水的COD浓度,对曝气反应时间在2.0~3.3 h之间进行调控,可将出水COD/TN控制在0.5左右,COD、NH4+-N和TN去除率分别平均为47.7%、7.2%和7.1%,出水浓度分别为47.7、580.7、585.3 mg/L左右,为微氧SBR的部分硝化和厌氧氨氧化提供了适宜的水质条件。以稀释的一级SBR出水为进水(NH4+-N浓度为300.0 mg/L左右),微氧SBR在MLVSS 3.8 g/L、28℃、反应时间7.0 h,DO 0.0~0.4 mg/L、换水比0.5等条件下启动,可在40 d左右达到相对稳定状态。在终止运行40 d后重新启动时,其处理效能在19 d后可以得到恢复,COD、NH4+-N和TN去除率分别平均为53.4%、96.6%和84.2%,出水浓度分别为90.6、6.9和68.1 mg/L左右。将启动成功后的好氧和微氧SBR串联,成功构建了好氧-微氧两级SBR干清粪养猪场废水处理系统,并分阶段考察了温度和反应时间对两级SBR系统处理效能的影响。结果表明,在废水温度由28℃降低到23℃后,对两级SBR系统的处理效能未造成显著影响。在23℃、一级SBR反应时间2.0~3.3 h和二级SBR曝气反应时间6.0 h条件下,两级SBR系统对干清粪废水COD、NH4+-N、TN和TP的去除率分别达到83.1%、90.4%、82.4%和55.2%左右,出水浓度分别平均为101.0、50.1、92.9和4.2 mg/L,完全满足《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的要求。物料衡算结果表明,一级SBR和二级SBR对干清粪废水COD去除负荷的贡献率分别为51.4%和48.6%左右,对TN去除负荷的贡献率分别为8.9%和91.1%左右。可见二级SBR是干清粪养猪场废水生物脱氮的主要功能单元。基于高通量测序的微生物群落结构解析结果表明,反硝化菌属OLB8、亚硝化菌属Nitrosomonas和厌氧氨氧化菌属Candidatus Brocadia均为微氧SBR中的优势菌群,说明在微氧SBR中建立了以短程硝化反硝化和厌氧氨氧化为主的生物脱氮机制。化学计量学计算结果表明,PN/A途径对微氧SBR总氮去除率的贡献最低也达到了66.7%。综上所述,通过干清粪养猪场废水两级SBR处理系统的构建与调控运行研究,不仅再次证明了采用好氧-微氧两级SBR系统处理干清粪养猪场废水的可行性,而且在保障出水达标排放和优良生物脱氮效能的前提下,显著缩短了微氧SBR的曝气反应时间、大幅降低了反应温度,进一步提升了好氧-微氧两级SBR系统的技术经济性,展现出了良好的推广应用前景。
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