木质框架土壤渗滤系统处理养猪废水厌氧消化液的效能

赵博玮，李建政，邓凯文，孟佳

（哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090）

引 言

生猪养殖的规模化发展，导致了养猪废水的集中排放，对环境安全造成了很大威胁[1]。厌氧消化技术已广泛应用于养猪废水的处理，其工艺比较成熟，而如何进一步有效处理厌氧消化液则是该研究方向的难点和热点问题[2]。经厌氧处理的养猪废水，仍然有着较高的污染物浓度，如不妥善处理将带来水体富营养化，人畜共患病传播等危害[1]。养猪废水厌氧消化液是典型的高氨氮(-N)、低碳氮比有机废水，其高效脱氮是处理中的重点和难点。现有的脱氮工艺，如A/O、SBR 传统技术，在处理高-N 低碳氮比(C/N＜1.5)养猪废水厌氧消化液时一般需要外加碳源，这无疑会提高处理成本和运行管理的复杂性。而新兴的OLAND、CANON 和SHARON-ANAMMOX 等技术，虽然减少了曝气技术的使用，可以降低处理成本，但目前尚不成熟[2-3]。土地渗滤是一种传统的低成本废水处理方法[4-6]。它充分利用了土壤的自净能力，具有基建投资低、运行费用少、抗冲击负荷强、操作管理简便等优点[7]。Lei 等[8]利用一种两阶段土壤渗滤系统处理养猪废水厌氧消化液取得了良好的效果，但该系统的表面水力负荷(SHL)仅为0.05 m3·m-2·d-1。如何进一步提高水力负荷和处理效能，以减少设施用地和运行费用，是现有土壤渗滤工艺亟待突破的一个技术问题。

利用木质框架构建土壤渗滤床是一种提高土壤渗滤系统水力负荷和处理效果的有效方法[9]。它在形式上融合了土壤渗滤和生物滴滤池两种工艺的优点，与传统土壤渗滤系统相比，具有传质效率更加高效、微环境更加多样、为异养反硝化提供缓释碳源等优点[6]。在前期探讨木质框架土壤渗滤系统(WFSI)处理养猪废水厌氧消化液的有效性和微生物学特性的基础上[9]，本研究通过改变进水COD、-N 浓度及SHL，考察了WFSI 的运行特性和处理效能，以期为进一步的工程应用提供工艺设计和运行控制参数。

1 材料与方法

1.1 处理装置

图1 所示为WFSI 处理装置，主体反应器由有机玻璃圆柱制成。滤床有效高度1.2 m，直径15 cm，有效体积21.1 L，下方连有一个体积为1 L 的锥形收集斗。废水由反应器顶部的喷洒至滤料表面，底部出水。在锥形收集斗上缘同一平面上，对称分布有2 个直径为2 cm 的通气口，自然通风。在滤床的侧壁上的不同高度设有取样口。滤床中作为框架的木条长3～5 cm，宽2～3 cm，厚0.5～0.8 cm。土壤为经过160 目筛分的苗圃内腐殖土。木条浸湿后与干土壤混拌以粘挂一定厚度的土壤，木条与土壤在滤床中的堆积体积比为2:1。渗滤柱填装后通过重力压实，其空隙率约为35%。

图1 木质框架土壤渗滤系统装置示意图Fig.1 Schematic diagram of WFSI

表1 WFSI 的调控运行时期与运行参数Table 1 Stages and operating parameters of WFSI

1.2 试验废水

试验废水为本实验室长期运行的一个UASB 的出水，UASB 的进水是取自哈尔滨市郊一家养猪场。如表1 所示，UASB 的出水水质随着运行阶段的不同有所变化。其中-N、TN 和TKN 十分接近，说明废水中的TN 主要是由-N 构成，而废水的COD/TN 介于0.5～0.8 之间，是一种典型的低C/N比有机废水。

1.3 处理装置的启动与控制运行

WFSI 在室温(18～23℃)下运行，共计379 d。如表1 所示，依照进水浓度和SHL 的不同，装置的运行划分为启动、调整进水浓度和调整SHL 3 个时期。处理装置在SHL 0.2 m3·m-2·d-1，进水COD和-N 分别为323、534.9 mg·L-1左右的条件下启动。启动完成后，固定SHL 为0.2 m3·m-2·d-1，分3 个阶段改变进水COD 浓度(-N 等浓度随之改变)运行。在调整SHL 时期，进水COD 浓度维持在260 mg·L-1(-N 等浓度随之改变) 左右，分阶段将SHL 分别调控为0.08 和0.32 m3·m-2·d-1运行。

1.4 分析方法

2 结果与讨论

2.1 处理系统的启动

WFSI 在SHL 0.2 m3·m-2·d-1，进水COD、-N 浓度分别为323 和534.9 mg·L-1左右的条件下启动，经过57 d 的运行，其出水水质达到了相对稳定，具有了良好的COD、-N 和总氮去除效率（图2），标志着WFSI 的启动成功。

如图2（a）所示，在WFSI 启动的前5 d，其出水COD 高于进水，这可能是土壤原有的一部分有机物被冲刷出滤床所致。5 d 后，出水COD 逐渐下降，并在第33 d 后达到相对稳定。在第33～65 d的稳定期，系统出水的平均COD 为121 mg·L-1，去除率达到60.3%左右。

图2 WFSI 的启动运行Fig.2 Performance of WFSI during setup period

在启动期的前13 d 内，WFSI 出水TN 浓度逐渐提高，至第17 d 进出水TN 浓度基本相当，之后出水TN 浓度又逐步降低，至57 d 后基本稳定[图2 (d)]。在第57～65 d，WFSI出水平均TN浓度为284.4 mg·L-1，去除率为47.4%。分析认为，在启动运行的前17 d，TN 的去除可能主要是由铵离子被吸附所导致的，而后续TN 去除能力的再次提高则主要依赖于微生物的硝化和反硝化能力的不断加强[9]。

2.2 进水浓度对处理效果的影响

WFSI 启动成功后，通过保持SHL 不变、分阶段提高进水COD 浓度的方法(表1)，考察了进水浓度对系统处理效果的影响，结果如图3 所示。

在COD 去除方面，WFSI 对进水水质变化具有较强的适应能力。如图3(a)所示，在阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ(表1)初期改变进水浓度后，WFSI 出水的COD浓度均能在10 d 内重新达到稳定。随着进水COD浓度的阶段性提高，WFSI 对COD 的去除率随之提高，但出水COD 浓度也相应升高。在阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的稳定运行期间，系统出水COD 浓度分别平均为73、137 和163 mg·L-1，去除率分别为52.3%、58.0%和61.2%左右。与Rajagopal 等[13]的报道比较，WFSI 对养猪废水厌氧消化液的COD 去除率并不算高。分析认为，养猪废水经厌氧消化后，其可生化性大幅降低，而作为缓释碳源的填料木条在逐渐酸化腐败过程中也可释放出一些难降解有机物并随水流出，导致出水COD 的升高，但足以满足《畜禽养殖业污染物排放标准》中有关养猪废水的排放标准[14]。如图3(b)所示，在阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的稳定运行期，其进水pH 分别为7.9、8.3 和8.5 左右，而出水pH 则分别在4.6、5.8 和6.2 左右。中性偏酸的环境，有利于降解木质纤维素的真菌的滋生，可为异养反硝化提供碳源，这将有利于系统脱氮效能的提高[15]。

图3 进水浓度对WFSI 处理效果的影响Fig.3 Effect of influent concentration on performance of WFSI

土壤渗滤系统对TN 的去除机制包括物化作用和生化作用两大类[11]。如前文所述，WFSI 对TN去除的物化作用，主要表现为铵离子的吸附脱除，这一过程在WFSI 启动初期较为显著，而在后续运行中则转变为以生物转化为主。生物转化作用又可分为异养反硝化、自养反硝化、生物同化和厌氧氨氧化等过程[2,16-17]。尽管这些生化作用的强度存在差异，但都可能在WFSI 内存在[9]。滤床中木条的腐败可为异养反硝化作用提供碳源，而土壤中的缺氧区域则为反硝化能力提供了必要还原条件[18]。因此，WFSI 表现出了良好的TN 去除效能。如图3(d)所示，阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的进水TN 分别为175.5、568.7和788.7 mg·L-1左右，在出水稳定期间的平均去除率分别为28.6%、43.5%和33.5%。

2.3 SHL 对处理效果的影响

为测试SHL 对WFSI 处理效果的影响，将进水COD 浓度调控为266 mg·L-1左右(-N 浓度约为467.7 mg·L-1)，分两个阶段将SHL 控制为0.08和0.32 m3·m-2·d-1，运行结果如图4 所示。

如图 4(a)所示，在 SHL 为 0.08 和 0.32 m3·m-2·d-1的运行期间，其COD 去除率分别为60.7%和56.5%，说明SHL 的大幅提高并未对系统的COD 去除效能造成严重影响。如图4(b)所示，阶段Ⅳ和Ⅴ进水pH 均为8.3，但阶段Ⅳ出水pH(4.4)显著低于阶段Ⅴ的6.4。这可能是由于低SHL 导致-N 负荷下降，使WFSI 内的硝化过程更加充分而消耗了大量碱度[19]。如图4(c)所示，在SHL 为0.08 m3·m-2·d-1的稳定运行期间，WFSI 的出水-N，和分别平均为94.5、4.2 和247.1 mg·L-1，-N 平均去除率高达80.4%，且无明显的积累现象。进入阶段Ⅴ后，SHL大幅提高到0.32 m3·m-2·d-1，系统的-N 负荷随之大幅增加，出水-N 浓度陡增。随着系统的继续运行出水-N 浓度缓慢下降并在第53 d 后稳定在了217.3 mg·L-1，平均去除率为53.3%。在阶段Ⅴ的前期出现了积累，最高浓度达到56.6 mg·L-1，但这一个积累现象在后续的运行中逐渐消失。以上结果表明，高SHL 会导致-N去除率大幅下降。分析认为，SHL 的大幅提高将显著提高滤床的过水流速，出现更多的短流，导致污染物与滤床内的微生物接触概率下降，进而从总体上降低了WFSI 的-N 氧化能力。

2.4 WFSI 处理效能的综合分析

WFSI 启动成功后的运行依照进水浓度和SHL分为5 个阶段(表1)，各阶段的进水条件及稳定期的特征指标如表2 所示。结果表明，即便是在SHL 0.08m3·m-2·d-1时，WFSI 对-N 和TN 的去除负荷也分别高达22.6 和8.3 g·m-3·d-1，显著高于已报道的用于处理养猪废水厌氧消化液的土壤渗滤工艺[8]。

图4 SHL 对WFSI 处理效果的影响Fig.4 Effect of SHL on performance of WFSI

表2 WFSI 在不同运行条件下的处理效能Table 2 Pollutant removal in WFSI under different conditions

WFSI 所具有的木质框架结构，使系统可以承受较高的SHL 并保持一定的-N 去除效果。用于处理养猪废水厌氧消化液的土壤渗滤系统，目前所报道的最高SHL 为0.05 g·m-3·d-1[8]。如表2所示，本研究所构建的WFSI，即便是在SHL 高达0.32 m3·m-2·d-1的阶段Ⅴ，仍然保持了53.3%的-N 去除率(去除负荷61.2 g·m-3·d-1)和20.9%的TN 去除率(去除负荷24.5 g·m-3·d-1)。传统的土壤渗滤系统中在较高的SHL 下易发生土层塌陷与压实，造成空隙率变小，透水和通气能力同步下降。而在本研究中的WFSI 中，木质框架可很好地阻隔和固定土壤颗粒，避免了滤层的沉降压实，显著提高了系统的抗水力冲击能力。

木质框架填料是一种缓释碳源，保证了WFSI具有一定的脱氮效能。依据和的还原脱氮反应，通过反硝化每去除1 g需要消耗1.71 g 的碳源(以COD 计)，即COD去除/TN去除为1.71；而对于的反硝化脱氮，COD去除/ TN去除为2.86[22]。养猪废水厌氧消化液是典型的低C/N 比有机废水，其COD/TN 介于0.5～0.8 之间(表2)。在WFSI 启动成功后的运行中，其COD去除/ TN去除维持在0.76～1.51 之间，甚至不能满足碳源需求较少的短程硝化反硝化的需求，说明系统中所发生的和的还原脱氮得到了一定的碳源补充，而这一补充碳源最可能是来自滤床木质纤维素的腐解。

此外，具有木质框架结构的WFSI，允许缺氧微环境广泛分布于系统中。在这些缺氧微环境中会富集厌氧氨氧化菌群，催化以-N 作为电子供体、以作为电子受体的自养反硝化作用[15]，这可能是WFSI 相比于传统的土壤渗滤系统，表现出更好-N 氧化和TN 去除的另一个重要原因。

3 结 论

针对养猪废水厌氧消化液的高氨氮、低碳氮比的水质特点，构建了具有缓释碳源特性的WFSI，并通过调控运行探讨了其处理效能。固定SHL 为0.2 m3·m-2·d-1，将进水COD 分别控制为152、326 和421 mg·L-1左右(-N 分别平均为175.5、568.7 和788.7 mg·L-1)时，系统的COD 去除率分别为52.3%、58.0%和61.2%，-N 去除负荷分别为23.0、61.0 和75.5 g·m-3·d-1，TN 去除负荷分别为8.7、39.2 和41.7 g·m-3·d-1；固定进水COD为265 mg·L-1左右(-N 平均为465 mg·L-1)，将SHL 调控为0.08 和0.32 m3·m-2·d-1时，系统的COD 去除率分别平均为60.7%和56.5%，-N平均去除负荷分别为22.6 和61.2 g·m-3·d-1，TN平均去除负荷分别为8.3 和24.5 g·m-3·d-1。木质填料及其附着层形成的-N 浓度梯度，可使系统承受较高的SHL 的同时获得缓释碳源，并保护氨氧化细菌免受自由氨毒性，相比于传统的土壤渗滤系统，表现出了更好的COD、-N 和TN 去除效果。

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