间歇式厌氧折流板反应器处理分散养猪冲洗水的影响因素

沈志强，马晓蕾，董婧，肖宇，周岳溪，武福平

1.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 3.中国标准化研究院 4.北京市环境保护科学研究院 5.兰州交通大学环境与市政工程学院

尽管集约化是我国畜禽养殖业的发展趋势，但是分散养殖仍占养殖规模的近一半[1]。我国是猪肉消费大国，生猪蓄养量大。养猪废水具有污染物浓度高，水质、水量波动大等特征，而且分散养猪户技术、维护、管理水平低，难以直接采用规模化养猪废水的工艺处理。分散养猪废水主要采用沼气池等简单厌氧工艺处理后排放，造成严重的环境污染。因此，废水处理已成为制约分散养猪业发展的关键问题。

厌氧折流板反应器(ABR)用折流板将反应器隔成多个相对独立的空间，便于形成有差异性的微生物群落结构[2]，使污染物厌氧去除过程具有相分离优势，且其耐水力和水质冲击，因此在养殖废水处理领域受到广泛关注[3-7]。通常，ABR在养殖废水处理领域都是连续式运行。但是，分散养猪废水具有间歇产生的特点，ABR以间歇方式运行，其后续可耦合潮汐流方式运行的人工湿地[1,8]，从而在高差合适的地区，实现分散养猪废水的零动力处理。

前期研究已证实了间歇式ABR处理分散养猪废水的可行性[9]。分散养猪排放的废水受诸多因素的影响，包括冲洗次数、冲洗水量、冲洗时间等;ABR作为厌氧生物装置，其运行性能必然受温度的影响。为此，考察COD负荷、进水次数、进水时间、温度对间歇式ABR性能的影响，以期为其应用于实际分散养猪废水处理提技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

经过固液分离(漏粪地板，分离猪粪与液体)和液液分离(分开收集猪尿与冲洗废水)的实际分散养猪冲洗水为原水。接种污泥取自长沙红星冷库上流式厌氧污泥床(UASB)，污泥的悬浮物(SS)浓度为21.65 g/L，挥发性悬浮物(VSS)/SS为65%。

1.2 试验装置

ABR采用有机玻璃制作，装置如图1所示。ABR的长×宽×高为75 cm×20 cm×50 cm，从进水口至出水口依次为第一格、第二格和第三格，每格长度分别为35、20、20 cm，有效水深为40 cm，有效容积为60 L[9]。

图1 试验装置示意Fig.1 Chart of test facility

1.3 试验方法

平行运行2套ABR，其中装置A连续进水(对照组)，装置B间歇进水(每天09：00进水1 h，其余时间静置)。分别将37.5 L污泥加入反应器，以逐步增加进水量(10、20和40 L/d)的方式启动，以COD去除率稳定在60%以上为启动成功的标志[9]。在启动末期(第95天～第138天)装置A和装置B的COD负荷为1.43 kg/(m3·d)，装置A和装置B出水COD分别为398和683 mg/L，对应的COD去除率分别为80.8%和67.7%[9]。分散养猪冲洗水具有间歇产生的特点，为此在启动后，分别考察COD负荷、进水次数(装置B进水次数由1次改为2次)、进水时间(装置B进水时间由1 h延长至2 h)和温度对装置B处理性能的影响。考察COD负荷影响时，通过减少猪舍冲洗水量，使进水COD升高，通过排泥控制反应器内污泥浓度为20 g/L。不同COD负荷时的ABR工况见表1。

表1 不同COD负荷时的ABR工况Table 1 ABR operation parameters at different COD load

1.4 分析方法

水样的COD、pH和总磷浓度直接测定；氨氮浓度需先经0.45 μm滤膜过滤后再测定。氨氮和总磷浓度分别采用纳氏试剂分光光度法和钼锑抗分光光度法测定(UNIC UV-2100分光光度计)[10]；COD采用快速消解法(华通CTL-12化学需氧量速测仪)测定；pH采用pH计(PHS-25，meter)测定。

2 结果与讨论

2.1 COD负荷

装置B在启动末期(COD约为2 000 mg/L，进水量为40 L/d)对COD的去除率虽低于装置A，但仍高于60%[9]。由于分散养猪通常采用人工方式冲洗猪舍，冲洗水量具有较大的随机性。冲洗水量大时，污染物浓度较低；冲洗水量小时，污染物浓度较高。ABR是厌氧反应器，由于厌氧微生物的活动特性，进出水水质的变化主要体现在有机物和氨氮浓度上。

考察启动后COD负荷对装置B处理性能的影响，以装置A为对照，不同工况下对COD和氨氮的去除效果如图2和图3所示。由图2可知，在4个运行阶段，装置A的平均COD负荷分别为1.37、2.75、2.79和3.63 kg/(m3·d)，对应的平均COD去除率分别为84.7%、87.2%、91.1%和91.1%；装置B的平均COD负荷分别为1.03、2.06、1.39和1.82 kg/(m3·d)，对应的平均COD去除率分别为76.2%、77.3%、86.0%和85.4%。尽管装置A的COD负荷比装置B高，但其出水COD均比装置B低。装置A连续运行，COD负荷随时间均匀分布，因此微生物降解有机物的效率更高。

图2 COD负荷对COD去除效果的影响Fig.2 Effect of COD load on COD removal

图3 COD负荷对氨氮去除效果的影响Fig.3 Effect of COD load on ammonia nitrogen removal

在R1工况下，装置B的负荷由启动末期的1.43 kg/(m3·d)降至1.03 kg/(m3·d)，出水平均COD由683 mg/L[9]降至485 mg/L，COD去除率由67.7%[9]升至76.2%；R2工况下，升高进水COD，使负荷升至2.06 kg/(m3·d)，出水平均COD升至936 mg/L，COD去除率升至77.3%；R3工况下，COD负荷为1.39 kg/(m3·d)，与启动末期相当，但出水平均COD仅为584 mg/L，COD去除率为86.0%。在R2和R3工况下，负荷均比启动末期的高(均是进水COD比启动末期高，进水量比其低)，但COD去除率均比启动末期高，表明进水量对装置B的影响比进水COD大。

养猪冲洗水中总氮主要包括氨氮和有机氮，在ABR中，有机氮通过氨化作用转化为氨氮，同时还有部分氨氮通过同化作用被去除。在4个运行工况下，氨化作用产生的氨氮超过同化作用去除的氨氮，导致出水氨氮浓度比进水高(图3)。

由于养猪冲洗水的水质比较复杂，进水pH为7.3～8.8。在厌氧反应过程中，pH存在先降后升的过程，而且如果系统没有足够的碱来中和所产生的有机酸，反应器将会有酸化的趋势[11]。装置A和装置B在4个工况下出水pH分别在7.6～8.1和7.5～8.0之间波动，表明均没有过度酸化。ABR对总磷的去除效果不明显，R1工况下，进水总磷浓度为21.8～60.3 mg/L，装置A和装置B对总磷的平均去除率均为20.8%，可能是因为进水中悬浮态总磷浓度较高，在ABR中通过沉淀去除所致。

2.2 进水次数

单个进水周期内，间歇式ABR对COD去除率在进水后12 h时就已经趋于稳定[9]。养殖户在夏天会多次冲水以帮助猪场降温，但在实际操作过程中，分散养猪户每天冲水次数超过2次的概率较低。经过长期监测发现，经源分离后的分散养猪冲洗水的COD为2 000 mg/L左右。因此，将装置B每天进水次数由1次改为2次，每次进水量为20 L/d，进水间隔为12 h，装置A作为对照，其进水量为40 L/d，对COD和氨氮的去除效果如图4所示。

注：装置B出水COD为2次出水的平均值。图4 进水次数对COD、氨氮去除效果的影响Fig.4 Effect of influent times on COD and ammonia nitrogen removal

由图4可以看出，装置B对COD的平均去除率为80.8%，与装置A(85.4%)相近，而且显著高于启动末期(每天进水1次)的67.7%[9]。每天进水2次单个进水周期内装置B的COD负荷只有每天进水1次时的1/2，进水时的COD负荷未超过装置B的处理能力，因此其对COD的去除率不仅显著高于每日进水1次时，而且只稍弱于装置A。潮汐流人工湿地被证实是处理养猪废水厌氧消化液的高效、低成本工艺[1,8]。在有合适高差的分散养猪户猪舍外，间歇式ABR可以耦合潮汐流人工湿地，利用自然高差(1～2 m)，实现养猪冲洗水的零动力处理。

有机氮的氨化反应是一个快速的过程，进水次数的变化对出水氨氮浓度的变化基本不会有影响。装置A和装置B出水氨氮平均浓度均高于进水，表明有机氮的氨化作用大于微生物的同化作用。

2.3 进水时间

进水时间是影响COD负荷分布的关键因素。由于分散养猪户每天冲洗猪舍的持续时间并不固定，因此，将装置B的进水时间由1 h延长至2 h，此时进水量为40 L/d，装置A作为对照，其进水量为40 L/d，对COD和氨氮的去除效果如图5所示。

图5 进水时间对COD和氨氮去除效果的影响Fig.5 Effect of influent time on COD and ammonia nitrogen removal

由图5可以看出，装置B对COD的平均去除率为81.9%，与每天进水2次时相当，且与装置A(88.5%)相近，表明此时的COD负荷仍未超出装置B的处理能力。在进水期，装置B的COD负荷为13.47 kg/(m3·d)。通常，ABR处理养殖废水的COD负荷为3～5 kg/(m3·d)[5-6]。装置B在进水期(较短时间)能耐受如此高的COD负荷，主要与ABR的三格分离结构有关。装置B的有效容积为60 L，其中第一格和第二格的体积之和为44 L，连续进水2 h后，总进水量为40 L，未超过前两格的体积之和。ABR对冲击负荷具有优异的耐受能力[12]。陈俊杰[13]以ABR处理农村生活污水，试验发现其具有较强的抗水力冲击负荷和浓度冲击负荷的能力。装置A和装置B出水氨氮浓度均高于进水。

2.4 温度

11月中旬后，气温开始逐渐下降。通常，低温将导致生化反应器的处理效率降低。因此，将装置A和装置B的进水量均降为20 L/d，装置B的进水时间为1 h，温度降低过程ABR运行性能的变化如图6所示。

图6 温度对ABR运行性能的影响Fig.6 Effect of temperature on ABR performance

从图6(a)可以看出，在第270天～280天时平均室温约为17 ℃，装置B出水COD基本保持稳定，COD平均去除率为75.8%;第280天以后温度降至15 ℃以下，装置B出水COD明显升高，COD平均去除率降至60.0%。低温对装置A的影响不大，COD去除率均在80%以上。装置A和装置B在低温条件下运行性能的差异，主要是由于装置A以连续进水方式运行，进水对系统的冲击小，使得泥水接触更加均匀，混合效果较好，而且COD负荷分布均匀，即使温度降低减弱了微生物的活性，但是在较低的COD负荷下运行仍能得到较好的处理效果。随着温度逐渐降低，装置A和装置B依然保持了较高的氨化效率〔图6(b)〕，氨氮浓度分别升高了20.3%和15.3%。Nachaiyasit等[14]发现温度对ABR运行有明显影响，温度降至15 ℃后COD去除率下降20%。Langenhoff等[15]发现温度由35 ℃降至10 ℃时，ABR对COD的去除率由80%降至60%。

从图6(c)可以看出，装置A和装置B出水的pH基本低于进水，这与温度大于25 ℃时明显不同。根据厌氧三阶段理论，在厌氧反应过程中将产生有机酸，导致pH降低；随后的产甲烷过程中，随着有机酸的消耗，pH增大。通常，与水解和酸化细菌相比，产甲烷细菌对低温更敏感[16]。这是随着温度降低，ABR出水pH比进水低的主要原因。

3 结论

(1)针对分散养猪冲洗水间歇产生的特点，结合后续潮汐流人工湿地的特征，对ABR可采用间歇进水方式运行，从而根据猪舍和处理设施间的高程差，实现养猪冲洗废水的零动力处理。

(2)与进水COD相比，装置B对进水量更敏感。装置B的平均COD负荷分别为1.03、2.06、1.39和1.82 kg/(m3·d)时，对应的COD平均去除率分别为76.2%、77.3%、86.0%和85.4%。增加进水次数至每天2次，有利于提升装置B的处理能力。延长进水时间至2 h(进水量为40 L)，对装置B的处理性能没有影响。

(3)低温严重影响ABR的性能，温度降至15 ℃以下时，装置B对COD的平均去除率由17 ℃时的75.8%降至60.0%，而且低温对产甲烷菌的影响比对水解酸化菌的大，导致ABR出水pH比进水低。