气浮+UASB+Bardenpho工艺处理屠宰厂废水

王彦隽，闫永利，杨海燕，岳志芳，贾辛慧，韩 珍

(内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109)

中国是世界上肉类生产和消费的第一大国，2018年我国肉类总产量达8 517万t，产生废水约8.2亿t[1]。屠宰废水是一种有机物、总氮和总磷含量都很高的废水，可生化性能好[2]。氮、磷是导致水体富营养化的重要营养物质[3]，其中亚硝酸盐具有强致癌作用,可能会导致人或动物体内发生畸形、突变， 产生较大的健康风险[4]。屠宰及肉食加工行业

目前具备脱氮除磷能力的污水处理工艺有A2/O工艺[6]、氧化沟工艺[7-8]、SBR工艺和Bardenpho工艺[3]等。A2/O工艺因硝化菌和除磷菌所需污泥龄的矛盾，造成释磷和反硝化过程对基质的竞争，难以保证对废水同时达到高效脱氮除磷的效果；氧化沟工艺与A2/O工艺类似；SBR工艺在去除有机物方面有较好的效果，但实际运行中去除氮、磷的效果并不理想[9]；Bardenpho工艺理论上可在去除有机物的同时，达到高效同步脱氮除磷的目的，相关研究[10-11]表明，Bardenpho工艺在处理养猪废水和垃圾渗滤液的过程中取得了良好的脱氮除磷效果。

本文针对屠宰废水的特征，在前期详细调研和试验的基础上，确定采用具有较好脱氮除磷能力的Bardenpho工艺作为主体工艺对屠宰废水进行处理，并增加气浮[12]和UASB工艺，分别用来去除废水中的油脂和高浓度有机物。通过采用气浮+UASB+Bandepho工艺对某屠宰厂生产废水进行处理，运行结果表明：该组合工艺在屠宰废水处理过程中具有很好的脱氮除磷能力，且工艺运行可靠、稳定。

1 工程概况

1. 1 废水水量

内蒙古某屠宰厂是一家主要以屠宰羊及羊的副产品加工为主的企业，日宰杀量为4 000头左右，每天屠宰废水排水量为800～1 200 t，年运行时间为11个月。每天在进行羊的宰杀、解体、内脏处理、整理和洗净等工段都会产生大量的屠宰废水，废水排放时间主要集中在每日上午8时至下午2时，该时段废水排放量占日排放量的80%。工艺设计废水处理能力为1 000 t/d，24 h运行。

1. 2 进、出水水质

屠宰废水中含有动物未消化的饲料、粪便、血液、内脏、碎肉组织、骨渣等，富含蛋白质、脂肪、纤维和碳水化合物，颜色呈红褐色，悬浮物多，气味腥臭。通过测定屠宰废水中COD、BOD5、SS、氨氮、总氮和总磷等水质指标，发现其含量均较高[13]，动植物油和细菌学指标等都不同程度地超过了国家规定的排放标准[3]。屠宰废水中氮的主要存在形式是有机物或铵盐，而磷主要以磷酸盐的形式存在[14]，且屠宰废水中BOD5/COD>0.5，可生化性能好，但其中高浓度有机质的处理难度较大。屠宰废水出水水质参考《肉类加工工业水污染物排放标准》(GB 13457—1992)的一级标准和《屠宰与肉类加工工业水污染物排放标准》征求意见稿的要求，系统设计的进、出水水质见表1。各水质指标均采用国标法测定[15]。

表1 系统设计的进、出水水质(单位：mg/L)

2 处理工艺选择与设计

2. 1 处理工艺选择

目前国际上有多种屠宰废水处理工艺，比如电凝、膜分离、高级氧化、物理化学过程、生物处理等工艺[16-20]。国内以厌氧和好氧生物处理及其组合工艺为主，如UASB 工艺[21]、AO工艺[22]、SBR工艺[23-24]、UASB+CASS工艺[25]、生物接触氧化工艺[26]、AO+好氧接触氧化法工艺[27]等。厌氧生物处理及其组合工艺有Chávez等[28]的上流式厌氧污泥床(UASB)，其在处理家禽屠宰废水且在有机负荷高达31 kg BOD5/(m3·d)的情况下，家禽屠宰废水中BOD5的去除率达到95%；蒋彬等[29]采用UASB+A/O组合工艺对屠宰废水进行处理，其出水水质达到GB 13457—1992的一级排放标准；程永伟等[30]采用UASB+生物接触氧化法处理山东某屠宰厂废水，其出水水质达到《南水北调沿线水污染物综合排放标准》(DB 37/599—2006) 的一级排放标准。好氧生物处理及其组合工艺国内应用最多的是SBR工艺[31]，田葳等[32]采用2段SBR为主体工艺处理生猪屠宰废水，其出水水质达到 《辽宁省污水综合排放标准》(DB 21/1627—2008)的要求；周明俊等[33]研究了UASB与SBR耦合工艺处理屠宰废水，其出水水质较好。但是，SBR工艺对屠宰废水中氮、磷的去除效果并不理想[9]。

屠宰废水处理工艺的选择要考虑国家和地方对废水排放的要求以及废水的再生回用，同时为了应对新的污染物排放标准对废水排放中总氮和总磷指标提出的新要求，需要选用一种同时具备脱氮除磷能力的处理工艺。Bardenpho工艺是1975年由James Barnard在南非首次提出，是一种用于强化脱氮的污水处理工艺，其运行过程中发现具有很好的除磷效果[34],该工艺已被广泛应用于南非、加拿大和美国等国家[35]，但在我国因其管理单元多、水力停留时间长[36]、运行管理难度较大、运行费用较高等原因而在实际工程中应用不多，相关的研究成果也较少。近年来，在我国节能减排的大背景下Bardenpho工艺已得到了更多的关注。经过分析论证，本研究拟采用UASB+Bardenpho工艺[10]对某屠宰废水进行处理。

2. 2 处理工艺流程

处理系统既要能稳定、可靠地降低废水中各项指标的含量，尤其是要将废水中各项指标的含量降至国家允许的排放标准，又要做到操作管理方便、运行费用尽可能低。因此，针对屠宰废水固体悬浮物、油脂含量高的特点，综合考虑各种现实因素，确定屠宰废水处理工艺流程见图1。该处理系统由PLC主机控制自动运行。

图1 屠宰废水处理工艺流程图 Fig.1 Flow chart of slaughter wastewater treatment process

2. 3 主要设备和构筑物

该屠宰废水处理系统的主要设备和构筑物如下：

(1) 格栅：设置中、细格栅各一道，栅条间距分别为8 mm和3 mm，中、细格栅均采用链条回转式格栅，电机功率均为1.5 kW。格栅可拦截废水中产生的体积较大的杂物，主要是动物内脏、肉皮和部分毛发等。

关键词是论文的核心是作者对文章主题进行精炼之后得到的结果，有着很强的代表性[3]。研究领域的热点，通常可以用频次高的关键词来确定并且中心性超过0.1的关键词，则被认为具有较强的影响力，通过该点展开的研究较多[4]。由于不同的人对同一内容有不同的理解方式，导致命名的关键词不一致[5]。因此，本研究将含义相同、相近或存在包含与被包含关系的关键词进行合并最后重新运行软件，得到图2。高中心性关键词(＞=0.1)有大鼠、肿瘤、护理、糖尿病、教育、教学、慢性肝病、帕金森病、凋亡、治疗、糖尿病、肾病、小鼠十二个高中心度词。

(2) 隔油沉淀池：隔油沉淀池用于隔除部分漂浮的油脂，去除比例约为40%～50%，可去除羊粪便、未消化的饲料，并清洗场地的泥沙等，表面负荷为0.83 m3/(m2·h)。

(3) 调节池：调节池用于调节屠宰厂在不同时间排放不均匀的水量和水质，体积为600 m3，分两格，钢混结构，池底设穿孔管进行预曝气，防止悬浮物沉淀，同时使池内废水混匀。提升泵流量Q为60 m3/h，扬程H为16 m，电机功率N为5.5 kW，共两台，一用一备。由PLC控制主机收集电磁流量计和超声波液位计数据，自动控制水泵启停。

(4) 气浮池：气浮池的主要作用是去除大部分油脂和悬浮物，如不预先降低其浓度将不利于后续生物处理。油脂中含有高浓度的长链脂肪酸(LCFA)，可能会吸附在细胞膜表面，阻断有机物进入细胞内的通道，阻止氨氮与氨氧化菌群的接触[37]，从而降低生物处理效率。油脂在厌氧消化过程中会形成大量的LCFA、挥发性脂肪酸(VFA)和乙酸，对厌氧发酵定向产酸有抑制作用[38]。同时，LCFA对产甲烷菌也有很强的毒性[39]，不利于产甲烷菌的生长。因此，在进入UASB工艺之前须采用气浮工艺去除大部分油脂。气浮池配气浮空压机1台，排气量Q为0.52 Nm3/min，排气压力P为1.6 MPa，电机功率N为7.5 kW；配气浮循环泵1台，流量Q为6.3 m3/h，扬程H为50 m，电机功率N为4.0 kW；配加药装置2套,装机功率为1.5 kW。运行中气浮溶气水回流比控制为20%～30%。

(5) UASB(升流式厌氧污泥床)工艺：UASB工艺由两个Q235B钢板焊接制成的罐体组成，内部采用环氧煤沥青漆防腐。UASB工艺的作用一方面是通过厌氧产甲烷作用去除部分易生物降解的有机物[40]，降低后续单元的有机负荷；另一方面厌氧微生物可将大分子有机物降解为小分子有机物[41]，大量动物蛋白被水解为短肽和氨基酸等[42]，提高废水的BOD5/COD值，从而提高废水的可生化性[43]。UASB反应器内还可通过厌氧氨氧化作用进行脱氮[44-45]，其对总氮和血色均有很好的去除作用[46]。

(6) Bardenpho工艺：Bardenpho工艺是一种A2/O工艺的改进工艺，主要用于强化脱氮除磷效果[47]。UASB工艺出水进入Bardenpho工艺缺氧段时BOD5/TN=6.5>5,说明系统碳源充足，无需外加碳源。Bardenpho工艺包括两段缺氧好氧，缺氧池1的主要功能是反硝化脱氮和吸收磷，使异养型兼性厌氧的反硝化菌进行厌氧呼吸，硝酸氮和亚硝酸氮转化为气态氮而脱氮；沉淀池回流的污泥中的聚磷菌PAO释放磷的同时反硝化聚磷菌(DPB)过量吸收磷[48]。好氧池1的主要作用是降解有机物、硝化脱氮和聚磷菌吸收磷，由于BOD5较高，自养型硝化菌的生长受到抑制，硝化反应效果不好。缺氧池2的主要作用是脱氮，同时释放磷。好氧池2的主要作用是使聚磷菌吸收磷更彻底，同时进一步去除BOD5，硝化脱氮。硝化液回流比设置为300%，污泥回流比设置为75%，剩余污泥含磷量约为5%。混合液回流泵采用离心泵，流量Q为160 m3/h，扬程H为10 m，电机功率N为15 kW，共两台，一用一备。污泥回流泵采用螺杆泵，流量Q为5 m3/h，扬程H为60 m，电机功率N为2.2 kW，共两台，一用一备。 好氧池底安装平板式微孔曝气头，气源由3台HDSR150型罗茨鼓风机供给，两用一备，风量Q为10.26 m3/min，电机功率N为18.5 kW，变频控制。好氧池溶解氧(DO)控制为3～5 mg/L，缺氧池溶解氧控制为0.2～0.5 mg/L。因过长的水力停留时间(HRT)会降低除磷效率[49-50],故二沉池污泥HRT设置为3.0 h。

(7) 消毒池:消毒池埋地下，采用二氧化氯(ClO2)发生器产生的ClO2作为消毒剂，具有很强的氧化和杀菌能力，用以保证出水的细菌学指标合格。

2. 4 主要构筑物规模

屠宰废水处理系统主要构筑物的规格尺寸、有效容积和水力停留时间(HRT)见表2。

表2 屠宰废水处理系统主要构筑物与设计参数

3 工艺运行情况与处理效果分析

经过近一年的调试与运行，该处理系统中各单元均可稳定运行，总氮和总磷指标稳定达标，达到工艺设计预期的效果，工艺技术对各污染指标的去除能力较强。

3. 1 阶段性运行指标分析

在 2018 年6月22日至7月31日共40 d运行期间，该处理系统实际进水量在700～800 t/d之间，略低于设计水量。Bardenpho工艺段出水COD和TN浓度及其去除率，见图2。

图2 Bardenpho工艺段水COD和TN浓度及其去除率Fig.2 COD and TN removal rate of influent and effluent in Bardenpho stage

由图2可见，Bardenpho工艺段出水COD和TN的浓度分别在402.00～597.00 mg/L和25.19～58.39之间，对应的COD去除率在87.08%～94.75%之间，TN去除率在76.15%～87.03%之间[51]。

通过对Bardenpho工艺段COD和TN去除率与气温的相关性进行分析，得到气温对Bardenpho工艺段COD和TN去除率的影响，见图3。

图3 气温对Bardenpho工艺段COD和TN去除率的 影响Fig.3 Influence of temperature on COD and TN removal rate in Bardenpho stage

由图3可见，日平均气温在14.6℃～25.8℃范围内变化时，Bardenpho工艺段出水COD和TN去除率均随气温升高而上升，与气温呈现较为明显的正相关性。

3. 2 工艺最佳运行效果分析

2018年6月28日该处理系统处理效果最好，各项指标见表3。此时COD去除率高，可能与气温较高、水力停留时间长有关。

表3 处理系统主要单元处理效果

4 工艺运行成本分析

该处理系统运行成本主要包括电费、药剂费用和人工费用，见表4。

表4 处理系统运行成本估算

由表4可见，该屠宰厂废水处理量为1 000 m3/d，日均费用为1 595元，则单位处理费用为1.60元/m3。

5 结 语

某屠宰厂生产废水处理工程实践表明：采用气浮+UASB+Bardenpho工艺具有很好的处理效果，出水各项指标均优于《肉类加工工业水污染物排放标准》(GB 13457—1992)的一级标准，且总氮、总磷和油脂排放指标可达到《屠宰与肉类加工工业水污染物排放标准》征求意见稿的相关要求。该组合工艺对屠宰废水中污染物的去除能力强，出水水质稳定，由于采用全自动运行，管理难度小，处理每吨污水的耗电量为1.80 kW·h，单位处理费用仅为1.60元/m3，比目前主流处理工艺略高，但相信在实践中经过多年完善后，预计能耗和运行费用均会下降，具有一定的市场前景。