矿化垃圾生物反应床处理畜禽废水的研究

申海虹

(上海民航新时代机场设计研究院有限公司建筑分院 上海 200335)

0 引言

我国目前规模化奶牛场的废水处理大部分未达到国家一级排放标准，远不及工业废水处理达标率的一半。而且，因为好氧处理运行费用较高，大部分规模化奶牛场并未投资建设，只有厌氧系统[1-3]。

充分利用矿化垃圾的吸附和生物活性，建立AFB处理系统，可实现消纳利用填埋垃圾，同时达到处理高难有机废水的效果，具有以废制废、成本低的优势，因此具有很好的现实意义和应用前景[4-6]。

1 实验材料和方法

1.1 实验水质

实验用畜禽废水取自上海某乳品公司奶牛场经预曝气后的污水，其水质状况见表1。

表1 反应床进水水质 mg/L(pH值除外)

1.2 小试装置与方法

AFB实验装置(图1)采用4个内径为40 cm的塑料圆桶制成，有效总高度为160 cm，内装填埋10 a的矿化垃圾(最大粒径16 mm)，来自上海老港垃圾填埋场。

图1 实验装置

反应床底端设有碎石层，高度为10 cm，下设孔径10 mm的PVC板。

水力负荷周期为3 h淹水21 h落干、6 h淹水18 h落干、8 h淹水16 h落干，其湿干比(淹水时间∶落干时间)均小于1。

1.3 中试装置与方法

图2是AFB中试装置结构，采用两个串联的反应床，有效总高度为3 000 mm，垃圾总重量为240 t。每个反应床尺寸为：长×宽×高=5 m×7 m×3 m。底端设架空式钢管支架，其上依次铺设一层不锈钢丝网、竹排和土工布，以利于反应床通风。反应床中矿化垃圾填料最大粒径20 mm。垃圾底部铺设HDPE膜用于收集经处理的废水。进水流量由蠕动泵控制，采用PVC管钻两排孔径0.2 mm的小孔，喷洒装置采用多孔板使进水尽可能均匀洒在填料表面上。

图2 处理畜禽废水的矿化垃圾生物反应床构造

AFB处理畜禽废水工艺流程见图3。

图3 矿化垃圾生物反应床处理畜禽废水工艺流程

2 结果与讨论

2.1 AFB处理系统的效果

试验结果(表2)表明，AFB系统处理畜禽废水效果显著且稳定。出水呈中性，处理出水中DO的含量超过了渔业用水的DO含量标准，COD、BOD5、NH4-N、总磷的平均去除率分别为75.33%、88.71%、94.55%、99.83%。色度达到污水排放一级标准(GB 8978—1996)，SS达到污水排放二级标准，出水水质得到明显改善。

表2 系统处理出水水质状况 mg/L(pH值除外)

2.2 有机污染物的去除

尽管进水COD和BOD5值波动较大，但出水BOD5值基本稳定在4.06～56.9 mg/L，平均去除率为88.71%。进水COD值在1 000 mg/L以下，出水COD值基本稳定在30～280 mg/L。说明该系统对COD处理能力具有一定的浓度限制(小于1 000 mg/L)。系统在运行90 d后，系统处理效果基本稳定在91.8%以上。

研究表明，该系统对有机污染物的去除主要是生化作用，由生长于介质表面的生物膜的生物降解来完成。在淹水期，污水流经系统时，有机污染物除部分由厌氧生物降解过程去除外，大部分吸附于介质表面；在落干期，吸附于介质表面的有机质由好氧生物降解过程去除，并腾出吸附空间。在系统运转初期，存在微生物的培养期。

2.3 氮、磷的去除

系统稳定后，尽管进水NH4-N浓度波动较大，但出水质量浓度基本稳定在小于10 mg/L，处理效果非常好。矿化垃圾具有较高的阳离子交换容量(67.9 meq/100 g)，对NH4-N的吸附容量很大；同时，落干期间的硝化作用对NH4-N的转化是充分的，没有在系统内形成NH4-N的累积。

矿化垃圾对磷的吸附能力极强，出水质量浓度平均值为0.079 mg/L，平均去除率达99.83%。经测定绝大多数磷仍积聚在0～25 cm表层内，表明磷在矿化垃圾中的扩散、移动作用极弱，矿化垃圾作为一个“磷库”，具有相当大的贮存能力。

2.4 中试效果

根据表3，AFB对畜禽废水COD、NH4-N去除效果显著，达到《畜禽养殖业污染物排放标准》。AFB经挂膜后正常运行6个月，运行状况比较稳定，采用4 h淹水(早8点至12点)和20 h落干(湿干比为1∶5)，未出现生物膜及气体的阻塞现象，可见生物膜的细菌生长和脱落存在着相对平衡的关系。

表3 矿化垃圾生物反应床处理畜禽废水运行效果记录

3 工程设计及经济分析

3.1 建设与投资分析

畜禽废水处理规模以50 t/d计，设计进水水质为：COD 8 000 mg/L、BOD54 000 mg/L、NH4-N 1 000 mg/L。

(1)预处理设计。设置格栅井和波型网板过滤机(表4)，栅间距为15 mm，网板间隙为0.50 mm，以避免水泵堵塞。

表4 预处理构筑物及设备情况

(2)调节池设计。调节池用于调节水量，调节池构筑物及设备情况见表5。污水提升泵2台(1用1备)，泵流量5 m3/h，扬程15 m，功率0.75 kW。

表5 调节池构筑物及设备情况

(3)初沉池设计。表面负荷为1.0 m3/(m2·h)，有效容积为27 m3，尺寸为4 000 mm×3 500 mm×4 000 mm，污水停留时间为2 h。初沉污泥泵流量10 m3/h，扬程10 m，功率0.75 kW。

(4)厌氧滤池设计。水力停留时间为36 h，厌氧池有效容积为100 m3，池中设挡流墙和搅拌机，使水流呈完全混合态。池内挂组合填料，截留污泥。搅拌机型号：TD1.0/8，共4台。

(5)AFB设计。采用间隙进水方式，每次进水48 min，落干132 min。内填矿化垃圾1 000 t，分成2级。有效容积650 m3，尺寸11 000 mm×20 000 mm×3 000 mm，高度3 m，底部铺有排水管，每天进水6.4 h，落干时间17.6 h。

(6)二沉池设计。

二沉池有效容积为27 m3，水力停留时间为2 h，尺寸4 000 mm×3 500 mm×3 500 mm。污泥泵流量10 m3/h，扬程10 m，功率0.75 kW。

(7)污泥量。约为20～50 kg(含水率98%)。

(8)总投资估算。各阶段投资估算见表6。

表6 工艺设计各阶段土建及设备投资估算 万元

3.2 运行成本估算

(1)电费。选用设备电力负荷见表7。

表7 设备电力负荷

总电力负荷为5.8 kW，工业用电按0.80元/度计，电耗为：5.8×0.80×24/50=2.23元/(日·t)

(2)人工工资。奶牛场污水处理站不需专职工人，仅需兼职1人。每月兼职人员工资为3 000元，3 000/30/50=2.0元/(日·t)。

4 结论

(1)ARB处理畜禽废水小试色度、SS、COD、BOD5及NH3-N、总磷的平均去除率分别为64.7%、54.29%、75.33%、88.71%、94.55%、99.83%；处理出水中COD、BOD5、NH4-N的平均浓度达到了《畜禽养殖业污染物排放标准》中的要求。

(2)ARB处理畜禽废水中试COD、NH4-N去除率分别达到92%和98%以上，矿化垃圾生物反应床运行稳定。

(3)50 t/d规模的ARB畜禽废水处理系统投资估算42.7万元，直接运行费用4.23元/t，具有较好的经济适用性。