随着养殖业规模的日益壮大, 养猪场产生的粪便、废水等废弃物对环境的污染也越来越大^[1]。养猪场废水主要来自猪粪便、猪尿及猪圈冲洗水, 具有高有机质、高氨氮和高悬浮物等特点, 是一种高浓度的有机废水^[2], 若直接排放会对水体或农田造成严重的危害^[3], 因此需对该类废水进行有效处理。基于国内外许多学者对养猪场废水处理工艺的集成研究^[4~10], 并结合养猪场的实际情况, 江西某养猪场采用UASB—两级A/O—生态塘组合工艺处理猪场废水, 使最终出水COD、BOD₅、SS、NH₃-N、TP能满足《污水综合排放标准》 (GB 8978—1996) 表4中二级标准要求, 即pH为6~9、COD≤150mg/L、BOD₅≤30 mg/L、SS≤150 mg/L、NH₃-N≤25mg/L和TP≤1.0mg/L。

　　 江西省某养猪场建于2014年7月, 废水产生量为60m³/d, 之前已建有1座沼气池, 后续处理设施为2座生态塘。大量猪场粪污经泵提升至沼气池中, 由于含固量太大, 消解不完全, 因此沼气池有效容积减少, 导致产气量下降;粪渣及废水进入生态塘后, 没有即时清理, 生态塘中含有大量粪渣, 导致最终出水水质不达标。为解决排水不达标问题, 猪场采用UASB-两级A/O-生态塘组合工艺对其进行处理, 并使得其出水水质达到《污水综合排放标准》表4中二级标准。

　　 该养猪场采用干清粪工艺, 废水主要来源于猪舍冲洗水和猪粪尿等, 具体水质如表1所示。

　　 废水处理站处理水量为60 m³/d, 具体的处理工艺流程如图1所示。

　　 废水经收集后进入集污池, 通过废水提升泵提升至脱水机, 降低废水中的SS浓度;经脱水后的废水流入沼气池, 在厌氧微生物作用下去除废水中大部分的有机污染物后进入沼液暂存池, 通过废水提升泵提升至UASB反应器中, 废水从反应器主体底部进入反应器布水区, 通过布水支管释放孔下等距排列的反射锥后被反射从而达到均匀分布的目的, 均匀上升水流中的污染物在污泥悬浮区与具有良好沉淀和凝聚性能的厌氧污泥充分接触, 在此过程中, 废水中的有机污染物被厌氧颗粒污泥充分吸收和降解, 转化成甲烷 (沼气) 、二氧化碳和水。携带沼气的污泥混合液上升至三相分离器进行“固、液、气”三相分离;经厌氧处理后, 废水中COD和BOD₅去除率高达70%~80%, UASB反应器出水自流进入好氧生化处理系统 (兼氧池Ⅰ+好氧池Ⅰ+兼氧池Ⅱ+好氧池Ⅱ, 内部各自设置回流装置) , 经生化处理降低NH₃-N、TP浓度后的废水自流进入絮凝反应池Ⅰ, 按1%的投加浓度投加PAC和PAM, 使废水中的悬浮物形成絮体, 然后在二沉池中进行固液分离。上层清液进入絮凝反应池Ⅱ后, 投加石灰浆液物化加药除磷后, 经终沉池进行固液分离后上清液进入pH调整池, 调节pH后废水自流进入一级和二级的生态塘进行深度处理, 最终符合要求达标排放。

　　 沼气池和UASB反应器产生的沼气经气水分离后, 接入贮气池供企业利用。

　　 二沉池、终沉池产生的污泥通过静水压力作用排入污泥干化池, 污泥经过滤和阳光照射等自然干化后外运安全处置。污泥干化池滤液自流回沼液暂存池再进入系统进行处理。

　　 原有集污池2座, 进水流量按60m³/d设计。用以收集自流进入的废水, 均匀水质、水量, 改进工艺后在集污池内增设脱水机, 便于后续脱水处理。单座池子尺寸为3.5 m×3.5m, 总有效容积60m³, 采用地下式钢筋混凝土结构, 并对其进行防腐处理。

　　 原有沼气池1座, 进水流量按60m³/d设计。利用厌氧微生物中的甲烷菌分解废水中的有机污染物, 产生沼气。池体尺寸为10 m×10 m, 有效容积700m³, 采用地下式钢筋混凝土结构, 并对其进行防腐处理。

　　 沼液暂存池1座, 进水流量按60 m³/d设计。用以收集沼气池的出水, 调节废水的水质、水量, 便于后续处理。设计尺寸16m×6m×3m, 有效容积250m³, 采用地下式钢筋混凝土结构, 并对其进行防腐处理。

　　 UASB反应器1座, 进水流量按60m³/d设计。为解决传统UASB反应器存在的布水不均匀及布水滤头易堵塞等问题, 该工艺对传统UASB反应器进行了改进, 在反应器主体底部的布水区设置了等距排列的反射锥, 反射锥均位于布水支管释放孔下方, 锥顶正投影角度为30°, 废水由释放孔喷射出来的成股水柱正中心撞击在反射锥顶部, 水柱即沿反射锥表面快速扩散, 并冲刷反应器底部形成漩涡, 搅动沉积在反应器底部的厌氧污泥, 均匀布水的同时保证废水与厌氧污泥充分接触。利用厌氧微生物去除废水中大部分的有机污染物, 同时产生沼气;UASB反应器对COD的去除效率70%~85%, 确保废水中有机污染物COD降至好氧生化池可接受范围, 减轻后续好氧生化处理的负荷, 有利于后续好氧处理。设计尺寸2.5m×12m, 有效水深9m, 有效容积39 m³, HRT 15.7h, 容积负荷1.82kgCOD/ (m³·d) , 采用地上式钢结构。

　　 采用两级A/O成套设备, 进水流量按60m³/d设计。利用兼氧微生物和好氧微生物的交替作用分解有机物, 去除水中的COD和BOD₅, 并在硝化与反硝化作用下去除废水中的氨氮。采用地上式钢结构。

　　 兼氧池Ⅰ1座, 设计尺寸为4m×2m×4.5m, 有效水深4m, 有效容积32m³, HRT 12.8h。

　　 好氧池Ⅰ1座, 设计尺寸6m×2m×4.5m, 有效水深4m, 有效容积48m³, HRT 19.2h, 溶解氧2~4mg/L, 容积负荷0.125kgCOD/ (m³·d) 。

　　 兼氧池Ⅱ1座, 设计尺寸6m×1.5m×4.5m, 有效水深4m, 有效容积36m³, HRT 14.4h。

　　 好氧池Ⅱ1座, 设计尺寸6m×2.5m×4.5m, 有效水深4m, 有效容积60m³, HRT 24h, 溶解氧2~4mg/L, 容积负荷0.06kgCOD/ (m³·d) 。

　　 絮凝反应池Ⅰ2格, 进水流量按60m³/d设计。向废水中投加PAC及PAM高分子絮凝剂产生絮凝体有助于沉淀反应。单格尺寸1 m×1 m×4.5m, 有效水深4 m, 总有效容积8 m³, HRT1.6h。采用地上式钢结构。

　　 二沉池1座, 进水流量按60 m³/d设计。主要将絮凝反应池Ⅰ出水进行固液分离, 澄清水质。设计尺寸2m×2m×4.5m, 有效水深1m, 有效容积4m³, HRT 1.6h, 表面负荷0.625m³/ (m²·h) 。采用地上式钢结构。

　　 絮凝反应池Ⅱ1格, 进水流量按60m³/d设计。通过向废水中投加石灰浆液进行物化加药除磷。单格尺寸1m×1m×4.5m, 有效水深4m, 有效容积4m³, HRT 1.6h。采用地上式钢结构。

　　 终沉池1座, 进水流量按60 m³/d设计。主要将絮凝反应池Ⅱ出水进行固液分离, 澄清水质。设计尺寸2m×2m×4.5m, 有效水深1m, 有效容积4m³, HRT 1.6h, 表面负荷0.625m³/ (m²·h) 。采用地上式钢结构。

　　 pH调整池1座, 进水流量按60 m³/d设计。主要对终沉池出水进行pH调整。设计尺寸1 m×1 m×4.5 m, 有效水深4 m, 有效容积4 m³, HRT 1.6h。采用地上式钢结构, 为一体化结构。

　　 原有一级生态塘1座, 进水流量按60m³/d设计。选用的植物种类为狐尾藻 (沉水植物, 种植密度3~5株/m²) 、水芹菜 (浮水植物, 种植密度3~9株/m²) 以及美人蕉 (挺水植物, 种植密度9~15株/m²) 。这些具有观赏价值的水生植物, 为满足自身的生长代谢而大量摄取并转化利用无机态氮磷等水体中的营养物质, 同时附着在沉水植物表面的微生物菌群进一步降解水体中未被分解的有机质, 从而达到深度净化水体的目的^[11,12]。塘体利旧[尺寸为 (17m+20m) /2×37m×3m]。

　　 原有二级生态塘1座, 进水流量按60m³/d设计。为方便后期管理, 二级生态塘内种植的植物与一级生态塘一致, 主要通过水生植物进一步去除水中有机物、氨氮及色度等。塘体利旧[尺寸为 (20m+16m) /2×30m×3m]。

　　 污泥干化池1座, 污泥通过重力沉降和过滤作用减少污泥含水率, 同时借助阳光照射使污泥进一步干化。设计尺寸4 m×4 m×1.5 m, 有效容积16m³。采用地上式砖混结构。

　　 该工艺主要设备及参数如表2所示。

　　 好氧池Ⅰ和好氧池Ⅱ的接种污泥均取自某污水处理厂的污泥浓缩池, 采用160 mm的组合填料与适量接种污泥投入特制桶内中闷曝, 3d后取出, 可见填料上附着有一层手感粘稠的黄褐色生物膜。将填料取出, 装入反应器后启动。启动初期连续进水, 进水流量1.8m³/h, 均采用微孔爆气, 气水比为2∶1。当COD去除率达到70%以上时, 提高进水量和气水比。经过60d的调试运行, 污染物去除效果稳定, 且填料上生物膜连片生长, 镜检发现污泥中含有大量菌胶团, 生物相丰富。沼气池、UASB反应器、兼氧池Ⅰ和兼氧池Ⅱ的接种污泥均取自某污水处理厂厌氧消化池, 接种量为各反应器体积的30%。启动初期, 将猪场废水稀释后作为基质, 启动稳定即当COD去除率达到70%后逐步提高有机负荷。经过60d的同步调试运行, 各反应器污染物去除率较高且出水稳定, 镜检发现大量黑色的颗粒污泥, 其直径集中分布在2~4mm。故认为整个系统的污泥培养驯化成功。

　　 (1) 厌氧反应器采用的是中温调试, 温度为30~40℃, 但调试期为冬季, 当地气温较低, 故废水的水温也较低, 影响了大多数产甲烷菌的生长, 造成调试缓慢。对此, 采用换热器加热废水并对厌氧反应器进行保温, 维持所需温度。

　　 (2) 好氧生化处理系统出现白色泡沫, 粘稠但容易破碎, 色泽为陈旧的白色, 堆积性差, 只有局部堆积。对此, 首先检测溶解氧量 (DO) 与污泥负荷 (F/M) , 确定是否为活性污泥负荷过高, 曝气过量或者外来物质 (表面活性剂) 进入导致, 进而控制污泥负荷或者曝气量并采用喷淋方式有效消泡。

　　 系统调试完成后投入运行。由当地环境保护监测站连续取样测试结果表明, 废水经整套系统处理后, 最终出水水质优于《污水综合排放标准》表4中二级标准, 其中部分水质数据如表3所示。

　　 由表3可知, 预处理工艺及沼气池发酵初步去除废水中大部分有机污染物, 满足后续UASB反应器的进水要求。UASB反应器对COD和BOD₅去除效果较好, 主要是由于厌氧微生物对废水中的有机污染物进行生化降解。反应器布水区新增的反射锥保证反应器内布水均匀的同时充分利用布水区空间, 提升了反应器的容积利用率并提高污染物去除效果。两级A/O工艺除了使有机污染物得到降解, 还充分利用聚磷菌、反硝化菌和硝化菌达到明显的脱氮除磷目的。絮凝反应池对SS的去除效果明显, 且通过投加石灰浆液深度除磷。生态塘的过滤、截留、吸附等作用可进一步去除SS。在生态塘中, 植物的生长需要及微生物生长代谢会消耗氮磷^[13], 且植物的根区环境使根系周围形成了许多好氧、缺氧和厌氧小区域, 相当于许多串联的好氧/兼氧/厌氧 (A²/O) 单元, 故硝化与反硝化同时发生, 使得脱氮效果好。该组合工艺处理猪场废水效果显著, 相关污染物去除率较高, 方便管理且出水水质达标。

　　 该工程运行费用主要包括电费和药剂费, 据统计, 电费以0.60元/ (kW·h) 计, 每天电费103.8元, 即处理废水的电费为1.73元/m³;药剂费含石灰浆液、H₂SO₄、PAC和PAM的使用, 正常情况下处理废水折合药剂费0.05元/m³, 合计运行费1.78元/m³。

　　 针对养猪场产生的高浓度有机废水, 采用UASB-两级A/O-生态塘组合工艺处理, 各单元处理效能均能达到设计要求, 且具有较好的抗冲击负荷能力, 能够有效解决猪场排水不达标问题。工程总投资91.25万元, 运行费1.78元/m³。运行结果表明最终出水水质明显优于《污水综合排放标准》表4中二级标准。