MSBR-UASB组合工艺处理低C/N比养殖废水*

李治阳 华佳

(1.无锡环境科学与工程研究中心 江苏无锡214153; 2.无锡城市职业技术学院 江苏无锡 214153)

0 引言

基于对太湖水质的长期监测与治理，设立省太湖水污染防治办公室，统一部署江苏太湖水污染治理任务，提出2020年实现太湖无锡水域水质总体达到Ⅲ类水平。引起太湖水体富营养化的因素很多，畜禽养殖废水也是城市近郊氮、磷污染物主要来源之一，畜禽养殖废水含有机物、氮和磷，且成分复杂[1-3]，因此，开展湖区养殖废水脱氮除磷技术研究具有实践价值。

近年，已有学者针对养殖废水的特点，进行了处理技术的研究报道，多是对废水有机质和氮的去除研究，而对磷的去除效果不佳。王刚等[4-5]使用UASB- SBBR组合工艺对畜禽养殖废水COD和 TN有较好的去除效果，但对于正磷酸盐、有机磷因缺乏足够碳源而难以实现高效去除。何志明等[6]对改良型SBR工艺技术处理畜禽养殖废水的可行性进行讨论研究，有一定的去除效果。王欢等[7]应用短程硝化反硝化和厌氧氨氧化联合工艺处理低有机质猪场废水，废水有机质和氮有较好的去除效果。Yamamoto等[8]应用短程硝化—厌氧氨氧化联合工艺处理自配低有机质屠宰废水，其氮的去除率达0.22 kg/(m3·d)。康爱彬等[9]应用不同工艺技术进行了养殖废水污染物的去除研究，对有机质和氮有较高的去除效果。前期的研究过程中存在传统硝化反硝化需外加碳源、化学处理产生二次污染及工艺对氮、磷去除率低的问题。本文创新提出应用MSBR-UASB组合工艺对养殖废水有机质、氮、磷进行处理并评价其去除效果。MSBR工艺属于A2O工艺与SBR工艺的结合，可实现不同功能菌群的分区富集，使各功能菌保持最佳生长条件，实现对废水各污染物同时去除。UASB工艺能够承受高负荷氮、有较长的污泥停留时间，且厌氧氨氧化工艺属于高效、节能型自养生物脱氮工艺。因此，MSBR-UASB组合工艺具有良好的应用前景。

1 材料与方法

1.1 废水特点

废水为太湖流域某养殖企业养殖场废水，包括冲洗废水和畜禽尿液，成分指标见表1，工艺处理过程中其进水分别为1∶1废水、1∶2废水和原废水，研究不同进水浓度条件下工艺系统对废水氮、磷及有机质的处理效果。

表1 养殖废水成分指标 mg/L(pH值除外)

1.2 装置与方法

联合工艺示意图如图1所示，MSBR，UASB反应器有效容积各为8 L左右，处理量约为15 L/d。组合工艺运行前，分别完成了MSBR和UASB反应器的启动。组合工艺运行过程中，依据MSBR工艺前期的试验运行效果，选择控制MSBR曝气池DO为1.5 mg/L左右，控制曝气池和SBR池硝化过程FA为10～20 mg/L，最大程度实现短程硝化反硝化，MSBR运行过程中SBR池沉淀出水前曝气反应2 h，为后续UASB反应器提供合适NO2-/NH4+比，通过添加Na2CO3溶液调节系统pH值为8.0，反应温度为室内温度，约为20～35 ℃，厌氧氨氧化反应器用布包裹避光，避免光照对微生物活性的影响。运行过程中根据厌氧氨氧化反应器出水水质，确定耦合工艺是否需要回流处理，并确定合理的回流比，使系统有高的去除效果。

图1 联合工艺示意

1.3 分析方法

NH4+-N：纳氏试剂比色法；NO3--N：紫外分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)乙二胺比色法；TN：过硫酸钾法紫外分光光度法；TP：钼酸铵分光光度法；COD：HACH替代试剂比色法、重铬酸钾法；MLSS和MLVSS：标准重量法；DO：溶氧仪法；pH值：玻璃电极法。

2 结果与讨论

2.1 COD去除效果分析

废水联合处理运行40 d，运行过程中，前10 d处理废水为稀释2倍废水，第11～20 d处理废水为稀释1倍废水，第21～30 d处理废水为原废水，因其去除效果有所降低，故第31～40 d，处理原废水条件下增加系统回流，控制系统回流率为100%，可更好的提高系统的去除效果。

图2是系统对COD的去除效果。由图可知，进水COD约从800 mg/L逐渐升高到3 000 mg/L，出水COD主要在30～80 mgL之间，当进水浓度提高后，出水浓度增加，COD约为200 mg/L，故后期运行过程中，设置100%的回流比，出水COD浓度逐渐降低，基本在80 mg/L以下，工艺对COD去除率在96%以上，有机质去除效果好。根据工艺运行特点分析，系统对COD的去除途径有厌氧池的产甲烷反应、缺氧池的反硝化脱氮反应、曝气池好氧降解等，因此工艺中COD的去除主要在MSBR工艺中实现。UASB厌氧氨氧化反应器内主要进行的是自养脱氮，无需有机质参与，反应器内有少量有机质的消耗，其原因是反应器内存在少量异养反硝化脱氮过程。

图2 联合工艺COD去除效果

2.2 氮去除效果分析

图3～图4分别是是耦合工艺对废水氨氮和总氮的去除效果分析，其进水氨氮质量浓度由开始的100 mg/L，逐渐提高至400 mg/L，进水总氮质量浓度由160 mg/L逐渐提高至600 mg/L，在回流比为100%的条件下，出水氨氮质量浓度在15 mg/L左右，出水TN在20 ～30 mg/L之间，联合工艺对氨氮和总氮的去除率分别为95%以上和90%以上，工艺对氮有良好的去除效果。氨氮主要通过曝气池好氧硝化和UASB反应器中的厌氧氨氧化实现去除；总氮主要通过缺氧池的反硝化过程和UASB反应器中的厌氧氨氧化实现去除，由此可知，系统中各反应池实现了不同类型微生物的分区富集，且表现了良好的菌群活性，从而使整个工艺系统稳定运行。

图3 氨氮去除效果分析

图4 联合工艺TN去除效果

2.3 磷去除效果分析

图5反映组合工艺对废水TP的去除效果，其进水TP浓度从10 mg/L逐渐提高到45 mg/L，在回流比为100%条件下，其出水TP浓度在4 mg/L以下，第20～30 d出水总磷质量浓度偏高，其原因是此阶段未对出水进行回流处理。系统对磷的去除主要由MSBR工艺实现，包括厌氧池释磷过程、好氧池和缺氧池吸磷过程，最后并通过系统排泥实现磷的去除。

图5 总磷去除效果分析

2.4 系统对氮磷去除贡献分析

通过对运行阶段各反应器进出水TN，TP浓度及污水处理量，计算分析各反应器对废水氮和磷的去除贡献。以下分析的贡献率指MSBR工艺和UASB工艺对各污染物的去除量与系统总去除量的比值。

Mt=(Cin-Cout)×Q/1 000

(1)

式中，Mt为各污染物去除总量，g/d；Cin为各污染物系统进水质量浓度，mg/L；Cout为各污染物系统出水质量浓度，mg/L；Q为废水流量，L/d。

图6反映组合工艺各反应器对COD的去除贡献，由图可知，MSBR去除贡献率在93%以上，UASB对其去除的贡献率在3%～7%之间。分析原因是MSBR反应器有厌氧池、曝气池、缺氧池，可进行厌氧消化、好氧降解及缺氧反硝化反应，均会对有机质进行降解消耗。而UASB厌氧氨氧化反应器内主要进行的是自养脱氮，无需有机质参与，反应器内有少量有机质的消耗，其原因是反应器内存在少量异养反硝化脱氮过程。

图7反映各反应器对TN的去除贡献率，由图可知，MSBR对废水TN的去除贡献率主要在75%～85%，UASB对废水TN去除贡献率在15%～30%之间。MSBR运行期间，连续监测曝气池出水亚硝氮积累率在60%以上，反应器TN主要通过全程硝化反硝化和短程硝化反硝化途径脱氮，UASB主要通过厌氧氨氧化途径及少量的反硝化途径实现氮的去除。第21 d后UASB反应器对氨氮的去除贡献率有所提高，主要原因是进水TN浓度升高，MSBR出水TN浓度随之增加，从而有更多总氮需要到UASB反应器中通过厌氧氨氧化途径去除。

图6 各反应器 COD 去除贡献率

图7 各反应器 TN 去除贡献率

图8反映各反应器对废水氨氮的去除贡献率，由图可知，MSBR对废水氨氮的去除贡献率主要在70%～80%之间，废水中的氨氮主要通过好氧全程硝化和短程硝化途径实现氨氮的去除，UASB对废水氨氮的去除贡献率主要在15%～30%之间，其主要通过厌氧氨氧化途径实现氨氮的去除。后期UASB对废水氨氮去除贡献率升高，其原因是MSBR出水氨氮质量浓度会升高，会有更多的氨氮在UASB反应器内被去除，其去除贡献率会提高。

图8 各反应器 NH4+ 去除贡献率

图9反映组合工艺各反应器对废水磷的去除贡献率，由图可知，MSBR对磷的去除贡献率主要为70%～85%，磷的去除主要通过MSBR工艺中的厌氧池释磷过程、好氧池及缺氧池吸磷过程实现。UASB对废水有10%～20%去除效果，推测反应器内细菌生长繁殖过程需要消耗一定的磷营养成分，并通过排泥的过程实现磷的去除，其次废水中磷的浓度比较低，较少的去除量也会占较高的去除贡献率。

图9 各反应器TP去除贡献率

3 结论

(1)创新提出应用MSBR-UASB工艺实现养殖废水各污染物的去除。

(2)通过调节控制曝气池pH值约为8.0，溶解氧在1.5 mg/L、游离氨10～20 mg/L，可实现亚硝氮积累率在60%以上。

(3)组合工艺对养殖废水COD，NH4+-N，TN的去除率分别达到96%，95%，90%，出水TP在4 mg/L以下。

(4)污染物主要在MSBR反应器内去除，UASB为辅助去除，MSBR对系统COD，TN，TP去除贡献率分别为93%，75%～85%，70%～85，UASB对系统COD，TN，TP去除贡献率分别为3%～7%，15%～30%，10%～20%。