近年来我国工厂化的养殖业发展迅速, 养殖规模也在不断扩大。大多数养殖场畜禽排放的粪尿与养殖场废水未经妥善回收利用和处理便直接排放, 对很多城乡区域的环境造成严重污染。养殖废水属于高浓度有机废水, 悬浮物和氨氮含量很高, 而且含有大量的病原微生物, 一旦排入自然水体后, 会改变水体的物理、化学和生物群落组成, 使水质恶化, 进而危害人畜健康。目前对养殖废水的处理, 以生化和生态处理相结合的技术为主, 但由于废水中COD、氮、磷等污染负荷过高, 简单的工艺组合处理养殖废水很难实现达标排放^[1,2], 因此, 需要分阶段采用不同技术逐步降解污染物, 从而保证后续工艺在较为理想的环境中实现稳定运行。本文采用UASB—曝气吹脱—五段Bardenpho^[2,3]工艺处理养猪废水, 进而考察该组合工艺对养殖废水的去除效果。

　　 某新建养猪场位于重庆市, 是本地区养殖业中规模最大的专业养猪企业, 目前拥有猪舍60栋, 年出栏生猪50 000头。养猪场采用干清粪工艺, 粪便回收后用于堆肥产沼气发电, 产生废水量为500m³/天。本场养殖废水处理工程总投资760万, 包括废水构筑物、综合办公楼、配电中控室、加药间及其他辅助构筑物的设计和建造, 以及废水处理站内设备、废水污泥管道的设计、安装和调试等。

　　 根据养殖行业废水特征以及本企业生产工艺和排污现状, 可知养殖废水水质具有以下特点: (1) 污染物种类较多, 成分较复杂。主要含有COD、NH₃-N、悬浮物、TP、粪大肠杆菌、猪粪等; (2) SS、COD高。废水中含有清理不完全的猪粪, 废水中的SS高达0.1%~0.3% (1 000~3 000mg/L) , 去除废水中猪粪后的COD在5 000~8 000mg/L, 属于高COD废水; (3) 氮、磷污染物浓度高。废水中的氨氮浓度一般在200~300mg/L, 总氮浓度高达300~800mg/L, 同时采用干清粪工艺使得废水TP浓度在30~50mg/L; (4) C/N基本能满足废水生物脱氮的要求。养猪废水经过滤厌氧处理后废水中的COD=1 200~2 000 mg/L, 氨氮浓度为400~700 mg/L, C/N=1.5~3, 基本能满足生物脱氮的要求。但是直接采用生物脱氮, 耗氧量、耗碱量较大, 运行费用较高; (5) 厌氧处理后的废水中悬浮物不易沉降。此废水经厌氧反应器处理后含有的悬浮物多为沼气池内流失的厌氧菌种, 厌氧菌消耗废水中COD从而产生沼气附着在悬浮物的表面, 使悬浮物不易沉降。

　　 根据《环境影响评价报告书》内容, 以及业主提供的猪场现有存栏数量及相关数据, 确定本工程废水处理设计水量为500m³/d即20.83m³/h。同时根据养猪废水处理行业的工程经验, 以及养猪场日常相关水质检测报告, 可确定本工程的进水水质。由于《畜禽养殖业污染物排放标准》 (GB 18596-2001) 已经发行近15年的时间, 修订征求意见稿已完成, 为避免建设单位建造后短时间内再次改造增加投资及运行费用, 本次设计出水水质应达到《畜禽养殖业污染物排放标准》 (征求意见稿) 中规定的标准, 并满足对本废水处理工程的出水水质要求。具体设计水质见表1所示。

　　 (1) 废水有机物降解分析。本项目的废水有机物浓度较高 (初沉池沉淀粪便后COD高达7 000mg/L) 且易于生化处理, 可选择厌氧+好氧生物处理工艺, 项目厌氧采用有机负荷高、构造简明、工程造价低、运行稳定的UASB反应器^[4]作为厌氧反应阶段的主体工艺。好氧阶段采用五段Bardenpho工艺^[5] (厌氧池+缺氧1池+好氧1池+缺氧2池+好氧2池) , 它具有抗负荷冲击能力强, COD、BOD₅去除率高的特点。

　　 (2) 废水除氮分析。通过进水水质特点分析, 本工程易采用物化+生物法对废水进行脱氮处理。按照预计的UASB反应器出水水质特点 (pH=6~8, COD≤1 500mg/L, NH₃-N≤600mg/L) , 本方案采用吹脱池+生物法对废水进行脱氮处理。吹脱池采用投加生石灰调节废水的pH至10.5~12, 经吹脱池吹脱后废水的pH降至8~9, 然后进入后续的生物脱氮系统, 调高的废水pH能补充生物脱氮产生的酸, 从而达到平衡。吹脱后氨氮降低至300mg/L左右, 随后生化工艺可设计较低的反硝化负荷, 使后续生物脱氮更彻底、出水总氮浓度更低, 避免二沉池发生反硝化污泥上浮现象, 造成出水悬浮物增高。生物脱氮同样依靠五段Bardenpho工艺。

　　 (3) 废水生物除磷分析。由于本工程废水中的总磷浓度高达40mg/L, 单独采用生物除磷工艺不能保障废水中总磷的达标排放, 需要对废水中总磷进行预处理降低浓度后进行生物除磷, 所以本工程采用化学除磷和生物除磷相结合的工艺对废水中的总磷进行去除。本工程的除磷工艺为:石灰除磷+生物除磷。在吹脱池内投加石灰乳调节废水的pH=10.5~12, 废水中的磷和石灰反应生成羟基磷灰石沉淀物;进行氨氮吹脱后废水pH降至8~9, 然后提升至混凝沉淀池, 废水中的悬浮物及生成的羟基磷灰石沉淀物在此沉淀去除, 从而达到除磷的目的。生物除磷同样主要在五段Bardenpho工艺完成, 本工艺保证了聚磷菌对磷的有效释放, 提高了聚磷菌在好氧段的吸磷效果;此外它在有效降解有机物的同时, 保证了聚磷菌和反硝化菌的营养环境, 使系统达到同步除磷脱氮的目的。

　　 根据本项目生产废水的水质特征, 并结合目前国内外同类型废水处理工程实例以及废水处理实践经验, 确定了本工程主体工艺为UASB—曝气吹脱—混凝—五段Bardenpho, 具体工艺流程如图1所示。

　　 养殖废水通过管网进入细格栅, 拦截废水中的大颗粒物质及纤维状污染物。出水自流进入调节池调节水质水量。随后进入初沉池, 沉淀废水中的粪便及泥砂等杂物, 避免在后续UASB反应器中产生淤积。上清液自留进入中间水池1#, 沉淀的粪便及泥砂经自压排泥至污泥储池。中间水池1#储存初沉池上清液并提升至UASB反应器。UASB反应器利用反应器内培养的厌氧菌种降解废水中的COD、氨氮, 转化有机氮为氨氮, 提高废水的生化性。UASB反应器产生的沼气经水封罐、脱硫系统收集至沼气柜以备沼气发电。UASB反应器出水自流进入吹脱调节池后, 投加石灰调节废水的pH至10.5~12, 并进行曝气吹脱降低废水中的氨氮, 使废水中的磷和石灰形成羟基磷灰石沉淀物, 利于在后续混凝沉沉池进行沉淀。随后出水流至混凝沉淀池用以沉淀废水中的厌氧菌种、石灰渣、羟基磷灰石沉淀物及其他悬浮物等杂物, 同时污泥靠水自压排至污泥储池, 上清液自流排至生化综合池。本工程所用生化综合池为五段Bardenpho, 其中厌氧池主要进行聚磷菌的释磷;好氧池主要进行氨化反应和硝化反应, 同时降解部分有机物;好氧1池内设置内循环硝化液回流泵, 回流硝化液至缺氧1池, 缺氧1池主要进行反硝化反应去除氨氮;好氧1池完成了大部分的脱氮反应, 其泥水混合物自流进入缺氧2池;缺氧2池继续进行反硝化脱氮, 增加总氮的去除率;缺氧2池内的泥水混合物进入到好氧2池, 继续氧化废水中残留的COD, 从而确保废水的氨氮及COD全部达标排放。好氧2池的泥水混合物自流进入二沉池, 二沉池对前段生化综合池内的泥水混合物进行泥水分离, 一部分剩余污泥回流至生化综合池的首端厌氧池内, 其余污泥排至污泥储池。二沉池出水自流进入接触消毒池进行消毒最终达标排放。

　　 本工艺中的初沉池、UASB反应器、混凝沉淀池产生的污泥自压排至污泥储池, 二沉池产生的污泥经污泥回流泵排至污泥储池进行污泥脱水, 脱水后的污泥泥饼外运堆肥, 污泥脱水产生的滤液收集回流至调节池内重新进行处理。

　　 本工艺流程特点: (1) 本系统总共2次提升 (调节池提升1次、中间水池1#提升1次) , 提升次数较少, 电耗降低; (2) 采用五段Bardenpho工艺, COD、氨氮、总氮、总磷去除率高, 二沉池内不发生反硝化污泥上浮现象, 二沉池沉降效果好; (3) 本工程针对用电量最大的罗茨鼓风机选用变频风机, 根据好氧池溶解氧调节风机频率, 最大限度节省运行费用, 避免浪费, 可调空间较大;投加的石灰乳采用高纯氢氧化钙粉进行溶解制得, 不但降低运行费用并且产生废渣相对较少; (4) 设计工艺采用自动控制, 减少操作工人的劳动量, 可操作性强。

　　 (1) 机械细格栅。1座, 布置于调节池内, 尺寸L×B×H=2.5m×0.6m×1.5m;设计水量Q=500 m³/d=20.83 m³/h;来水时变化系数K_h=1.92。配置机械回转格栅1台, 型号HZGS-500, 栅宽500mm, 栅隙5mm, 栅高2.5m, N=0.55kW。

　　 (2) 调节池。1座, 尺寸L×B×H=10.06m×8.5m×3.3m, 有效水深2.3m, 有效容积168.5m³;停留时间8h;污泥脱水滤液回流量Q₂=48.85m³/d。配有潜水提升泵2台 (1用1备) , 型号65QW30-10-2.2, 规格Q=30m³/h, H=10m, N=2.2kW;浮球液位控制器2个;低转速潜水推进器2台, 型号QJB0.85/8-260/3-740/C, 规格N=0.85kW, 叶轮直径D=260mm, 叶轮转速740r/min;pH监测系统1套。

　　 (3) 初沉池。1座, 尺寸L×B×H=5m×5m×5.5m, 有效水深5.3m, 其中泥斗深度1.8m, 有效水层3.5 m;沉淀时间2.92h;表面负荷q=1.2m³/ (m²·h) 。配有中心布水系统1套;锯齿形出水堰1套;出水挡渣板1套。

　　 (4) 中间水池1#。1座, 尺寸L×B×H=5m×3.2m×5.5m, 有效水深5m, 有效容积80m³;停留时间3.84h。配有潜水提升泵2台 (1用1备) , 型号50QW25-25-4, 规格Q=25m³/h, H=25m, N=4kW;浮球液位控制器2个;pH监测系统1套。

　　 (5) UASB反应器。2座, 工艺尺寸×H=7.4m×12m, 总水深11m, 总容积945.7m³;总停留时间45.4h;COD容积负荷3.70kg/ (m³·d) ;上部上升流速v=0.48m/h, 中下部上升流速v=2.34m/h。每座各配有内循环泵1台, 型号100WL80-7-3, 规格为单台流量Q=100m³/h, H=7m, N=3kW;每座反应器内配置三项分离器1套;出水系统1套;布水系统1套;排泥系统1套;挡渣板1套;水封罐1套;阻燃器1个。

　　 (6) 吹脱调节池。1座, 尺寸L×B×H=8.5m×6m×5.5m, 有效水深5.2m, 有效容积265.2m³;停留时间12.73h。配有200 m曝气软管, 型号65, 供气量Q=1.5~2.5 m³/ (h·m) ;pH监测系统1套。

　　 (7) 混凝沉淀池。1座, 尺寸L×B×H=6m×6m×5.5m, 有效水深5.1m, 其中泥斗深度2m, 有效水层3m。配有中心布水系统1套;锯齿形出水堰1套;出水挡渣板1套;200 m微孔曝气管道, 型号HA65, 服务面积0.4~0.6m²/m, 供气能力Q=1.5~2.5m³/h;氢氧化钙加药设备1套 (包含加药泵、流量计、搅拌机) , 配置功率3kW。

　　 (8) 五段Bardenpho。包括厌氧池、缺氧1池、好氧1池;缺氧2池、好氧2池。生化综合池水温15~35℃;污泥浓度4 000mg/L;污泥沉降比30%~35%, 硝化液回流比384%, 污泥回流比100%;硝化负荷为0.039kgNH₃-N/ (kgMLSS·d) , 反硝化负荷0.066 kgNO_x-N/ (kgMLSS·d) ;总池容1590.25m³;总水力停留时间76.33d。

　　 厌氧池1座, 尺寸L×B×H=5m×2.25m×5.5m, 有效水深5m, 有效容积56.25m³, 停留时间2.7h;缺氧1池2座, 尺寸均为L×B×H=8m×5m×5.5m, 有效水深H=5m, 有效容积400m³, 停留时间19.2h;好氧1池1座, 尺寸L×B×H=10m×4.5m×5.5m, 分4格, 有效水深4.9m, 有效容积882m³, 停留时间HRT=36.75h;缺氧2池1座, 尺寸L×B×H=10m×3.5m×5.5m, 共1格, 有效水深4.8 m, 有效容积168 m³, 停留时间8.06h;好氧2池1座, 尺寸L×B×H=5 m×3.5m×5.5m, 共1格, 有效水深4.8m, 有效容积84m³, 停留时间4.03h。

　　 配有低转速潜水推进器8台, 厌氧池1台, 缺氧1池4台, 缺氧2池2台, 好氧2池1台;型号均为QJB0.85/8-260/3-740/C, 规格均为N=0.85kW, 叶轮直径D=260mm, 叶轮转速740r/min;罗茨鼓风机器2台 (1用1备) , 属于变频风机, 兼顾中间水池搅拌混合, 型号NSR175, 出口口径175mm, 风机风量Q=19.8m³/min, 电机功率N=30kW, 转速970r/min, 升压58.8kPa;硝化液内循环回流泵2台 (1用1备) , 型号100WQ80-7-3, 规格单台Q=80m³/h, H=7m, N=3kW;400m微孔曝气管道, 型号HA65, 服务面积0.4~0.6m²/m, 供气能力Q=1.5~2.5m³/h, 增强化纤PVC材质。

　　 (9) 二沉池。2座, 尺寸均为L×B×H=6m×6m×5.5m, 有效水深:4.7m, 泥斗深度2m, 沉淀水层高度2.7 m, 沉淀时间4.58h;设计表面负荷0.59m³/ (m²·h) , 沉淀池污泥浓度8 000mg/L, 堰负荷0.6L/ (m·s) , 污泥回流比80%。配有污泥回流泵2台 (1用1备) , 型号50ZW20-12-2.2, 单台流量Q=20 m³/h, 扬程H=12 m, 单台功率N=2.2kW;中心布水系统1套;锯齿形出水堰1套;出水挡渣板1套。

　　 (10) 接触消毒池。1座, 工艺尺寸L×B×H=6m×1.2 m×5.5 m, 有效水深4.5 m, 有效容积32.4m³;消毒时间1.56h;投加二氧化氯剂量C=14.4mg/L。配有二氧化氯发生器1台, 二氧化氯产量300g/h有效氯, 配置功率N=0.80kW;穿孔曝气管道15m, 型号63, UPVC材质。

　　 (11) 污泥储池。1座, 工艺尺寸L×B×H=3.2m×3.2 m×3.3 m, 有效水深3 m, 有效容积30.72m³, 停留时间12.9h;SS污泥转化率70%;COD产生污泥量0.5kgMLSS/ (kgCOD·d) , 污泥内源呼吸污泥衰减率0.04d^-1, 脱水后的泥饼含水率为80%。配有旋混曝气器36个, 型号215, 过气量Q=1.5~2.5m³/h;污泥泵2台 (1用1备) , 型号G30-1, 规格Q=5m³/h, H=60m, N=2.2kW;离心式污泥脱水机1套, 型号WL350, 直径D=350mm, 处理能力1.5t/h, 电机功率N=15kW;PAM (+) 加药设备1套, 和叠螺脱水机配套, 配置功率2.2kW。

　　 养猪废水处理工程于2016年6月试运营, 运行至今工艺设备比较稳定, 没有出现故障停运现象。处理量维持在420~460m³/d, 平均流量450m³/d。本项目在2016年9月完成了环保部门的验收, 验收期间的监测数据如表2所示。

　　 经过本项目废水处理站日常监测数据和环保验收数据可知, 在养猪废水量为450m³/d, 系统COD、BOD₅、氨氮、TN、SS、TP进水浓度分别为9 900mg/L、4 000 mg/L、288.03 mg/L、671.54 mg/L、1 875mg/L、37.2 mg/L时, 相应指标的总去除率均达到了90%以上, 而系统出水水质所有指标均满足本工程设计标准, 且远低于《畜禽养殖业污染物排放标准》 (征求意见稿) 中规定的标准。通过各单元水质的净化效果可知, 曝气吹脱+混凝阶段对氮和磷的去除比重占原水水质的50%左右, 显著降低了后续综合生物池的处理压力;而五段Bardenpho池对有机物、氮、SS、磷的去除效果十分显著, 实现了同步脱氮除磷和降解有机物的目的, 可作为生物处理的最后阶段工艺。可见曝气吹脱+混凝+五段Bardenpho的组合工艺对养殖废水的去除具有很强的适用性。

　　 (1) 电耗。总装机容量为118.8kW, 最大运行功率70.4kW, 日消耗电能约为1 446kW·h, 电价0.60元/ (kW·h) , 实际用电系数为0.85。则电耗为:1 446×0.6×0.85/500=1.47 (元/m³) 。

　　 (2) 药剂费用。 (1) 阳离子聚丙烯酰胺 (PAM) 单价为30 000元/t, 阳离子PAM投加量为4kg/kg污泥, 每天投加量为PAM (阳) 为6.36kg。所以PAM (阳) 每天药剂费为6.36×30=190.8 (元/d) , 污泥脱水药剂费:190.8/500=0.38 (元/m³) ; (2) 碱液投加费用:投加96%的氢氧化钙粉补充碱度, 投加量为0.50t/d, 价格为800元/t, 所以投碱费用为0.80 (元/m³) ; (3) 二氧化氯消毒费用:每生产1g的有效氯需要氯酸钠0.6g, 盐酸1.2g, 折合人民币0.003 5元, 则二氧化氯每天投加费用为300×0.003 5×24=25.2 (元/d) , 费用为25.2÷500=0.050 4 (元/m³) ;药剂费用合计:0.38+0.80+0.05=1.23元/m³。

　　 (3) 总运行费用:合计总运行直接费1.47+1.23=2.70 (元/m³) 。

　　 本工程采用UASB+曝气吹脱+混凝+五段Bardenpho工艺处理养猪废水, 全面解决了由于养猪废水进水氮、磷负荷过高而导致的去除效果不佳的难题。不仅工艺运行稳定、去除效果理想, 而且投资成本小, 运行管理简便, 可广泛适用于养殖废水工程领域。