SBR工艺同步去除屠宰废水高浓度氮磷

贾艳萍，王 莹，张兰河，李 军

（1东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012；2沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

应用技术

SBR工艺同步去除屠宰废水高浓度氮磷

贾艳萍1，2，王 莹1，张兰河1，李 军1

（1东北电力大学化学工程学院，吉林 吉林 132012；2沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

研究了采用序列间歇式活性污泥法（SBR工艺）同步去除屠宰废水中高浓度氮、磷和COD。结果表明，SBR工艺采用分步进水，避免了硝化阶段NO3-N和NO2-N的积累，能够提供生物除磷所需的厌氧环境。在温度为35 ℃、污泥龄为14天的条件下，采用两种成分废水作为原水（预发酵废水和屠宰废水混合），经过3个月的启动，当原水中TP、TN和COD浓度分别为36.5 mg/L、226 mg/L和2615 mg/L时，TP、TN和COD的去除率分别高于96%、95%和95.5%，出水中TP、TN和COD浓度分别低于1.4 mg/L、10.8 mg/L和95 mg/L。

预发酵；序列间歇式活性污泥法；屠宰废水；分步进水

屠宰场排放的废水中含有大量的氮、磷等营养物质，且COD较高。在过去的20年里，屠宰废水中的生物脱氮和COD的去除一直备受人们的关注，而磷的去除则尚未引起人们的重视。有关生物脱氮和COD的同步去除工艺已经进行了系统的研究，并且已成功的应用在屠宰废水的处理上[1-4]。国内外的一些学者已经将序列间歇式活性污泥法（SBR法）成功地应用到了屠宰废水的处理上[5-10]。但是，有关磷的去除仍然只停留在化学法沉淀处理上，屠宰废水中生物除磷主要存在以下两个难题[11-12]：①废水中常含有大量的氨和有机氮，这些氮通过完全的硝化作用产生大量的硝酸盐，磷的去除需要不同的厌氧和需氧/无氧环境，而大量硝酸盐的存在破坏了水体中的厌氧环境，使得系统很难保持厌氧环境，这样对开发一种稳定和可靠的生物除磷工艺是一个障碍；②屠宰废水中富含大量的脂肪、油及油脂，当将其直接添加到活性污泥系统中时会使污泥的可沉降性变差，因此应在生物脱氮之前对其进行预处理。

本研究主要利用序列间歇式活性污泥法（SBR工艺）同时去除屠宰废水中高浓度氮、磷和 COD，通过调整曝气量和进水时间控制好氧、缺氧、厌氧条件，及时去除影响生物除磷效果的硝酸盐，避免硝酸盐的积累。同时在本实验中配备一个预发酵反应器[13-16]，当屠宰废水不能满足碳源需求时，用它提供额外的挥发性脂肪酸（VFA）进行生物脱氮除磷。

1 材料和方法

1.1 废水特点

实验用水取自吉林省某屠宰场废水，废水进入SBR之前进行4天预发酵处理。预发酵过程中不接种微生物，而是利用原屠宰废水中微生物进行发酵，将温度保持在 35 ℃。预发酵过程可降低脂肪、油脂和COD的浓度，同时产生可生物降解的COD，尤其是VFA（VFA的含量是生物除磷的关键）。预发酵的废水与屠宰废水性质的比较见表1。SBR运行期间进水指标的变化如表2所示。

1.2 主要分析项目和检测方法

COD采用重铬酸钾法；NH4-N采用纳氏试剂光度法；NO2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO3-N采用紫外分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；MLSS采用烘干恒重法；溶解氧浓度（DO）采用JYD-1A型溶解氧测定仪测定；pH值采用pHs-2C型pH计测定；磷酸盐采用氯化亚锡还原光度法；挥发性脂肪酸采用碳酸氢盐碱度和挥发性脂肪酸分析的联合滴定法。

1.3 实验装置及运行条件

SBR反应器采用有机玻璃制成，反应器内径为10 cm，有效容积为3.5 L，通过时间继电器控制每一周期的反应时间，通过转子流量计控制曝气泵的进气流量。实验开始阶段，并未接种去除磷的活性污泥。在第60天时，在反应器中接种0.5 L（MLSS 4000 mg/L）含有大量聚磷菌的活性污泥，以提高磷的去除率（接种的聚磷菌污泥来自于实验室取得良好除磷效果的 A/O除磷工艺）。该装置采用温控仪控制温度35 ℃，以7 h（进水→曝气5 h→沉降1 h→静置1 h→排水）作为一个操作循环周期来处理屠宰废水。曝气阶段的溶解氧控制在1.5～2 mg/L。经过沉淀阶段后，反应器中0.5 L上层清液被排掉，水力停留时间为38 h，污泥龄控制在14天，pH值7.5～8.3。该工艺利用ORP（氧化还原电位）控制反应器中缺氧期的硝酸盐浓度，除沉淀、排水和第1次进水外，采用反应器进行搅拌。实验装置见图1。

本研究采用两种进水方法进行对比试验。一种分步进水，每个循环中分3次进水，0.5 L原水分别以0.25 L、0.15 L和0.1 L 3次注入到反应器中（分别在操作周期的0 h、3 h、5 h进水）。另一种一步进水，沉淀后SBR循环周期由一个非曝气期和一个曝气期构成，在非曝气期开始时向SBR系统中加入体积为0.5 L原水。一步进水的曝气期和非曝气期与分步进水的运行时间相等，其它操作过程相同。

表1 不同类型的废水特点

表2 SBR运行过程中进水指标的变化

图1 SBR实验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 SBR系统氮磷的去除

图2表明在分步进水的情况下，SBR工艺6个月的运行过程中进水与出水COD、氮、磷浓度的变化情况。经过2周的培养，COD的去除率高于90%，60天后COD的去除率高于95.5%，如图2（a）所示。从SBR系统出水中NH4-N浓度的减少可以看出，在不到1周的时间已经将硝化过程进行完全，而反硝化过程进行并不完全。在系统运行前30天，反应器中出水的 NOx-N（NO3-N+NO2-N）达到 50 mg/L。为了促进反硝化作用，在第30天时，在进水中添加VFA（即150 mg/L乙酸和60 mg/L丙酸），出水中NOx-N浓度下降为10 mg/L，如图2（b）所示。图2（c）表明，由于循环中硝酸盐的存在和系统中缺乏严格的厌氧环境，在前 60天中磷并未去除，且聚磷菌（PAO）的代谢受到抑制；在第 60天时将富含聚磷菌的0.5 L污泥接种到SBR反应器中，磷的去除率大大提高，并且去除率一直保持稳定。同时，图2表明当磷的去除效果不断提高时，系统中NOx-N重新开始积累（60～80天）。当PAOs与反硝化细菌开始竞争碳源时，反应器中缺少可生物降解COD，将导致NOx-N的积累，大量的NOx-N将破坏 PAOs所需的厌氧环境，从而最终将 PAOs冲刷出系统。在PAOs添加之前，反硝化菌在非曝气阶段将进水中易生物降解的COD全部消耗，导致在这个循环结束时NOx-N的浓度较低。为了进一步增加有利于去除氮和磷所需VFA的量，在第80天时将预发酵的废水量从40%增加到55%，VFA浓度有很大的增加；反硝化作用大大加快，100天后出水中的TN浓度已低于12 mg/L。

图3 表明，系统运行0～120天污泥浓度逐渐降低，在 120天左右 SBR系统运行达到稳定。VSS/MLSS介于0.86～0.90，MISS介于3880～3950 mg/L。由图3中数据也可看出，污泥容积指数（SVI）相对较高，在160～230 mL/gMLSS之间。原因是由于在预发酵废水中仍含有大量的脂肪、油和油脂。表3表明，第120～180天SBR系统中进水与出水指标的变化。SBR系统中COD、TN 和TP的去除率分别达到95.5%、95%和96%。废水中剩余的COD生物可降解性差且仅为进水中初始COD的5%。在每个好氧期结束，NH4-N被完全氧化，少量的NOx-N进入到下一个循环并迅速地在第一个厌氧阶段发生反硝化作用。由于SBR系统中NOx-N的缺失，在第一个非曝气期PAOs将大部分磷释放，而PO4-P在随后的好氧期被逐渐吸收。

图2 进水与出水COD、NH4-N、NO3-N、PO4-P、TP的变化

图3 MLSS与SVI的变化规律

2.2 分步进水实验

图4表明两种不同进水方式下出水的PO4-P与NOx-N浓度。在分步进水中氮和磷的去除率分别达到了95%和96%（图2）。这是因为微生物在降解有机物过程中消耗溶解氧（DO），通过分步投加碳源可以使系统保持低溶解氧状态。同时，DO浓度降低可以使污泥絮体产生溶解氧梯度，有利于提高反硝化的效率。二者共同作用促进反硝化的进行，进而降低出水硝酸盐浓度，提高TN去除效果。与之相比，在一步进水条件下（图4），出水中PO4-P浓度保持在8 mg/L左右，出水中NOx-N浓度高于20 mg/L（分步进水时为2.2 mg/L）。较高的NOx-N去除率不适合PAOs的生长条件，因为 PAOs需要严格的厌氧环境，必须控制水中硝酸盐和亚硝酸盐的积累。屠宰废水中NH4-N浓度较高，氧化后会生成NOx-N，这将影响生物除磷的效果。Kishida等[17]采用SBR工艺同时去除屠宰废水中氮、磷和COD，但是由于大量NOx-N进入厌氧段，从而影响了磷的去除。本实验采用分步进水可以限制NOx-N进入厌氧段的量。如果不采用分步进水方法，在SBR循环结束时就积累了大量的 NOx-N并随之进入到厌氧期从而阻止磷的去除。图4进一步证实由于一次进水导致SBR系统中积累了大量的NOx-N，而使磷的去除变得不完全，而分步进水则可促进生物磷的去除，尽管废水中NH4-N和TN的浓度很高（高于220 mg/L），但是整个循环NOx-N的浓度却低于3 mg/L。因此，分步进水更有利于N和P的去除。

表3 120～180天进出水指标

图4 不同进水方式下进水、出水PO4-P与NO3-N浓度变化

2.3 预发酵实验

表 4表明预发酵 4天前后废水水质指标的变化。经过预发酵总挥发性脂肪酸的浓度增加1倍。在屠宰废水中可挥发性脂肪酸中含量最多的是乙酸和丙酸，在经过预发酵后，丙酸所占的比例略高于乙酸。表4也反映了预发酵对NH4-N和PO4-P浓度的影响。PO4-P的浓度基本恒定，保持在35mg/L；废水中占TN含量75%的有机氮发生矿化作用，而使NH4-N的浓度双倍增加。

表4 预发酵前后屠宰废水中VFA、PO4-P和NH4-N浓度变化 单位：mg·L－1

系统中有机物的去除主要取决于废水中易生物降解的碳源，尤其是VFA。为了有效地去除屠宰废水中的氮源，必须控制VFA的含量，而高效率的预发酵则是一种既经济又有效的控制 VFA含量的方法。表2显示在反应进行到第80天时，当SBR系统进水中的预发酵废水从 40%增加到 55%时，VFA与TP的比例从11.2%增加到14.5%，这使系统中硝酸盐迅速减少，而磷的去除效果则大大提高。当出水中 VFA含量不足时，高效率的预发酵可为SBR系统去除有机物与氮磷补充必要的VFA，因此必须进行预发酵。

应当指出，原水中屠宰废水的用量应该尽量减少。进水中脂肪、油、油脂含量较高，这样提高屠宰废水的比例会导致污泥的沉降性变差，并且过量的补充碳源也会增加SBR系统中曝气的成本，使系统中产生大量剩余污泥。

3 结 论

SBR工艺可以有效地去除屠宰废水中的氮、磷和COD，与化学法除磷相比，它更加节能环保。该实验得到如下结论。

（1）在TN浓度为206～245 mg/L的屠宰废水中加入0.5 L富含聚磷菌的活性污泥，可以进行有效的生物除磷（＞96%）。

（2）多次分步进水有效防止了硝酸盐和亚硝酸盐的的大量积累，促进了厌氧条件的形成，SBR工艺可以同时进行脱氮除磷。

（3）高效的预发酵对系统中有机物去除非常重要，同时产生的大量VFA，为脱氮除磷提供了充足的碳源。

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Simultanous removal of high concentration nitrogen and phosphorus from abattoir wastewater by using a sequencing batch reactor

JIA Yanping1，2，WANG Ying1，ZHANG Lanhe1，LI Jun1
（1School of Chemical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2School of Food Science，Shenyang Agricultural University，Shenyang 110866，Liaoning，China）

A sequencing batch reactor（SBR）was used to remove high concentration nitrogen，phosphorus and COD in the abattoir wastewater. The results showed that step-feed could avoid high-level build-up of nitrate and nitrite during the nitrification and create anaerobic conditions for biological phosphorus removal. Two types of abattoir wastewater were used as raw wastewater，one was the effluent from abattoir wastewater and the other was the pre-fermentor wastewater. After a 3-month start-up，removal efficiencies of total phosphorus，total nitrogen and COD were higher than 96%，95% and 95.5%，respectively，when total phosphate，total nitrogen and COD in the influent were 36.5 mg/L，226 mg/L and 2615 mg/L，respectively，under the condition of a sludge age of 14 days at 35 ℃.The concentrations of total phosphate，total nitrogen and COD in the effluent were lower than 1.4 mg/L，10.8 mg/L and 95 mg/L，respectively.

pre-fermentation；sequencing batch reactor（SBR）；abattoir wastewater；step-feed

TQ 914.3

A

1000–6613（2011）07–1627–05

2010-12-21；修改稿日期：2011-01-19。

吉林省科技发展计划项目（应用技术研究）（20090599）。

及联系人：贾艳萍（1973—），女，博士，副教授，主要从事废水生物处理理论与工艺的研究。E-mail jiayanping 1111@sina.com。