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养殖废水

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一、养殖废水来源

规模化养殖场的发展,不仅为人们带来了丰富的肉、禽、蛋、奶类食品,还带来了严重的环境污染问题。规模化养殖场产生的高浓度、高氨氮、高悬浮物的“三高”类畜禽废水,处理难度较大,成为污染水体的重要污染源。畜禽养殖早已成为农业污染的第一大污染源。养殖场污水由畜禽尿液、饲料残渣、残余粪便、冲洗水等构成。有的养殖场污水还包括生产处理过程中产生的和人工生活产生的两部分,前者是主要部分,尿液和冲洗水占了绝大部分。养殖场污水的产生量主要受养殖场的规模、动植物的饮水方式、人工管理水平等多种因素的影响。研究表明不同的养殖场由于清粪方式的不同,用水量和污水排放量差异很大。

畜禽养殖废水主要包含养殖冲洗时的粪、尿、残余药剂混合水以及部分生活污水,水质水量变化大,悬浮物多、有机物浓度高、氨氮浓度高、含有重金属、致病菌并有恶臭。大量悬浮物沉淀,会使土壤孔隙堵塞,造成土壤透气、透水性下降;高浓度有机物及氨氮,会使土壤养分失衡,导致土壤板结、盐化,消耗水体溶解氧,会引起水体发黑、变臭;畜禽饲料常有的锌、铜等重金属则易在土壤中积累,导致土壤重金属超标,影响作物生长;畜禽粪尿排泄物带有的致病微生物、寄生虫卵通过水源或蚊蝇传播,易引起感染,甚至引发疫情;畜禽粪尿排泄物伴有的H2SNH3等气体,会产生胺、硫等恶臭气体,严重影响周边环境。

二、养殖废水水质

以养猪场水泡粪的清粪方式为例,污水主要来源主要猪尿、部分猪粪和猪舍冲洗水,属高浓度有机污水。

根据我司以往的工程经验,设计污水进水水质如下:

表:设计进水水质                               单位:mg/LpH除外)

项目

CODcr

BOD5

氨氮

总磷

pH

SS

浓度

12000

5000

1200

100

7.08.5

4000

出水标准按《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的一级标准为例,具体参数如下表。

表:污水站出水标准                               单位: mg/LpH除外)

项目

CODCr

BOD5

氨氮

总磷

pH

SS

出水标准

100

≤20

≤15

≤0.5

69

≤70

三、处理工艺

根据对污水产生来源及污染物的调查分析,该类污水水质特点是CODBOD5NH3-NPSS较高,是一种较高浓度的有机污水。由于BOD5/COD>0.3,可达到0.4以上,属于易生物降解,该类污水可生化性好,采用生化处理方法能达到理想的处理效果。

固液分离是猪场污水处理的基础。由于SS较高,故需要在生化前设置预处理工艺,去除大部分的猪粪,以降低后续处理的负荷。

主体处理工艺采用固液分离机物化反应1—USR反应器—一级AO—二级AO—物化反应2—臭氧催化氧化—MBBR处理—氧化塘”工艺,以确保各种污染因子的稳定达标。

1、工艺流程如下:

 


2、工艺流程叙述:

2.1 预处理工艺

2.1.1 隔渣

该项目污水中,还有含有大量的猪粪和猪毛等悬浮物,为保证主工艺-生化系统的正常运行,需要对其进行预处理。否则,悬浮物过多将造成生化系统处理效率下降,严重时有可能会引起生化系统的瘫痪。污水预处理主要是为了去除悬浮物,以提高污水处理的整体效果,确保整个处理系统的稳定性,因此隔渣预处理在污水处理中具有重要的地位。

2.1.2 固液分离机

由于本污水中含有大量的猪粪和猪毛,这些物质会对水泵造成损害,同时对主体生化处理造成影响,因此在进入泵及主体构筑物之前采用全自动固液分离机进行拦截。

2.2 厌氧处理工艺

2.2.1 厌氧设施

固液分离器出水进入USR,进行厌氧生化处理。厌氧工艺对于猪场污水的高有机污染物能起到非常有效的去除作用;

2.2.2 厌氧工艺的优缺点

与污水的好氧生物处理工艺相比,污水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点:

1)生物除磷。在污水生物除磷工艺中,通过厌氧段和好氧段的交替操作,利用活性污泥的超量磷吸收现象,使细胞含磷量相当高的细菌群体能在处理系统的基质竞争中取得优势,剩余污泥的含磷量可达到3%-7%,进入剩余污泥的总磷量增大,处理出水的磷浓度明显降低。

2)能耗大大降低,而且还可以回收生物能(沼气)。因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气,所以不需要鼓风曝气,减少了能耗,而且厌氧生物处理工艺在大量降低污水中的有机物的同时,还会产生大量的沼气,其中主要的有效成分是甲烷,是一种可以燃烧的气体,具有很高的利用价值,可以用于锅炉燃烧或发电;

3)污泥产量很低。这是由于在厌氧生物处理过程中污水中的大部分有机污染物都被用来产生沼气——甲烷和二氧化碳了,用于细胞合成的有机物相对来说要少得多;同时,厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多,产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kg

COD,产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右,而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。

4)厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解;因此,对于某些含有难降解有机物的污水,利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果,或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺,可以提高污水的可生化性,提高后续好氧处理工艺的处理效果。

2.2.3 厌氧过程的阶段

厌氧生物处理法按照厌氧程度分为酸化水解法和深度厌氧法。深度厌氧法将有机物分解为甲烷,分解有机物和去除有机物的程度和效果上均优于酸化水解法。

在污水的厌氧生物处理过程中,污水中的有机物经大量微生物的共同作用,被最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。在此过程中,不同的微生物的代谢过程相互影响、制约,形成复杂的生态系统。有机物在污水中以悬浮物或胶体的形式存在,它们的厌氧降解过程可分为四个阶段:

1)水解阶段,微生物利用酶将大分子切割成小分子;

2)发酵(或酸化)阶段,小分子有机物被发酵菌利用,在细胞内转化为简单的化合物,这一阶段的主要产物有挥发酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨和硫化氢等;

3)产乙酸阶段,此阶段中上一阶段的产物被进一步转化为乙酸等物质;

4)产甲烷阶段,在此阶段产甲烷菌把乙酸、氢气、CO2等转化为甲烷。

上述四个阶段的进行,大分子有机物被转化为无机物,水质变好,同时微生物得到了生长。

2.2.4 升流式固体厌氧反应器(USR)

升流式固体厌氧反应器(USR),是一种结构简单、适用于高悬浮固体有机物原料的反应器。原料从底部进入消化器内,与消化器里的活性污泥接触,使原料得到快速消化。未消化的有机物固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内,上清液从消化器上部溢出,这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期(SRT)和微生物滞留期(MRT),从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。在当前畜禽养殖行业粪污资源化利用方面,有较多的应用。许多大中型沼气工程,均采用该工艺。

经过USR处理后产生的沼液属于高浓度有机污水。该污水具有有机物浓度高、可生化性好、易降解的特点,不能达到排放标准,剩余沼液须回流至集水池,经过好氧处理后达标回用或排放。

2.3 缺氧生物处理工艺

2.3.1 生物脱氮的原理

污水生物脱氮的基本原理是在好氧条件下通过硝化反应先将氨氮氧化为硝酸盐,再通过缺氧条件下(溶解氧不存在或浓度很低)的反硝化反应将硝酸盐异化还原成气态氮从水中除去。因此所有的生物脱氮工艺都包含缺氧段和好氧段池。

生物脱氮的反应过程是:

1、氨化与硝化
在未经处理的新鲜污水中,含氮化合物存在的主要形式有:
①有机氮:如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等;
②氨态氮(NH3NH4+),一般以前者为主。
含氮化合物在微生物作用下,相继产生下列反应:
1)氨化反应:有机氮化合物,在氨化菌的作用下,分解、转化为氨态氮,这一过程称之为“氨化反应”。
2)硝化反应:在硝化菌的作用下,氨态氮进一步分解氧化,就此分两个阶段进行,首先在硝化菌的作用下,使氨(NH4)转化为亚硝酸氨,继之,亚硝酸氨在硝酸菌的作用下,进一步转化为硝酸氨。

2、反硝化反应
反硝化反应是指硝酸氮(NO3-N)和亚硝酸氮(NO2-N)在反硝化菌的作用下,被还原为气态氮(N2)的过程。
反硝化菌是属于异养型兼性厌氧菌的细菌。在厌氧菌(缺氧)条件下,以硝酸氮(NO3-N)为电子受体,以有机物(有机碳)为电子供体。在反硝化过程中,硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动,可能有两种转化途径,一种途径是同化反硝化(合成),最终形成有机氮化合物,成为菌体的组成部分,另一种途径是异化反硝化(分解),最终产物是气态氮。

2.3.2 缺氧工艺控制条件

反硝化反应影响因素:

碳源进入缺氧池之污水中,BOD5/TN>3~5,即认为碳源充足,本系统内碳源充足;

pH在6.5~7.5为宜,原本项目污水满足要求;

水中溶解氧<0.5mg/L;

适宜温度20~40℃;

硝化混合液回流率100~400%。

缺氧池回流入大量的曝气池的沉淀污泥,使缺氧池和好氧池组合为A-O工艺,具有较好的脱氮效果;

在缺氧过程中溶解氧控制在0.5mg/L一下,兼性脱氮菌利用进水中的COD作为氢供给体,将好氧池混合液中的硝酸盐及亚硝酸盐还原成氮气排入大气,同时利用厌氧生物处理反应过程中的产酸过程,把一些复杂的大分子稠环化合物分解成低分子有机物。

2.4 好氧生物处理工艺

经缺氧处理的出水含有较多的还原性物质和未充分降解的有机物,需要进一步的处理。好氧生物处理能让缺氧出水稳定的达到排放标准。

好氧生物处理工艺是指利用好氧微生物(包括兼性微生物)在有氧气存在的条件下进行生物代谢以降解有机物,使其稳定、无害化的污水处理工艺。经缺氧处理的出水含有较多的还原性物质和未充分降解的有机物,需要进一步的处理。好氧生物处理能让缺氧出水稳定的达到排放标准。

好氧生化处理根据微生物生存的状态一般可以分为活性污泥法和生物膜法(接触氧化)。

2.4.1 活性污泥法

n 活性污泥法是以活性污泥为主体的污水生物处理的主要方法。活性污泥法是向污水中连续通入空气,经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。其上栖息着以菌胶团为主的微生物群,具有很强的吸附与氧化有机物的能力。该法是在人工充氧条件下,对污水和各种微生物群体进行连续混合培养,形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用,以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离,大部分污泥再回流到曝气池,多余部分则排出活性污泥系统。

n 基本组成:

1、曝气池:反应主体。

2、二沉池: 1)进行泥水分离,保证出水水质;2)保证回流污泥,维持曝气池内的污泥浓度。

3、回流系统: 1)维持曝气池的污泥浓度;2)改变回流比,改变曝气池的运行工况。

4、剩余污泥排放系统: 1)是去除有机物的途径之一;2)维持系统的稳定运行。

5、供氧系统:主要由供氧曝气风机和专用曝气器构成向曝气池内提供足够的溶解氧。

n 运行条件:

1、污水中含有足够的可溶性易降解有机物。

2、混合液含有足够的溶解氧。

3、活性污泥在池内呈悬浮状态。

4、活性污泥连续回流、及时排除剩余污泥,使混合液保持一定浓度的活性污泥。

5、无有毒有害的物质流入。

2.4.2 生物膜法

n 生物膜法(biomembrane process)生物膜法又称固定膜法。是与活性污泥法并列的一类污水好氧生物处理技术,是一种固定膜法,主要去除污水中溶解性的和胶体状的有机污染物。生物膜法的主要类别:生物滤池包括、生物转盘法、生物接触氧化法、好氧生物流化床法等。本方案采用生物接触氧化法。

n 生物膜法是利用附着生长于某些固体物表面的微生物(即生物膜)进行有机污水处理的方法。生物膜是由高度密集的好氧菌、厌氧菌、兼性菌、真菌、原生动物以及藻类等组成的生态系统,其附着的固体介质称为滤料或载体。生物膜自滤料向外可分为厌氧层、好氧层、附着水层、运动水层。生物膜法的原理是,生物膜首先吸附附着水层有机物,由好氧层的好氧菌将其分解,再进入厌气层进行厌氧分解,流动水层则将老化的生物膜冲掉以生长新的生物膜,如此往复以达到净化污水的目的。

所以,本设计好氧工艺选用 “活性污泥法”。

本设计中微生物生长所需的氧气由鼓风机供气,并采用氧利用率高、防堵塞的高效球冠型微孔曝气方式供氧,曝气头材质为ABS,膜片材质为进口三元乙丙橡胶(EPDM)。为好氧微生物的新陈代谢提供足够的氧气,同时搅拌污水,使污水与好氧微生物充分接触。

2.4.3 MBBR反应器

MBBR工艺原理是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体,提高反应器中的生物量及生物种类,从而提高反应器的处理效率。由于填料密度接近于水,所以在曝气的时候,与水呈完全混合状态,微生物生长的环境为气、液、固三相。载体在水中的碰撞和剪切作用,使空气气泡更加细小,增加了氧气的利用率。另外,每个载体内外均具有不同的生物种类,内部生长一些厌氧菌或兼氧菌,外部为好养菌,这样每个载体都为一个微型反应器,使硝化反应和反硝化反应同时存在,从而提高了处理效果。

MBBR工艺兼具传统流化床和生物接触氧化法两者的优点,是一种新型高效的污水处理方法,依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使载体处于流化状态,进而形成悬浮生长的活性污泥和附着生长的生物膜,这就使得移动床生物膜使用了整个反应器空间,充分发挥附着相和悬浮相生物两者的优越性,使之扬长避短,相互补充。与以往的填料不同的是,悬浮填料能与污水频繁多次接触因而被称为“移动的生物膜”。

工艺的特点:

1. 容积负荷高,紧凑省地:容积负荷取决于生物填料的有效比表面积。不同填料的比表面积相差很大。

2. 耐冲击性强,性能稳定,运行可靠:冲击负荷以及温度变化对流动床工艺的影响要远远小于对活性污泥法的影响。当污水成分发生变化,或污水毒性增加时,生物膜对此的耐受力很强。

 3. 搅拌和曝气系统操作方便,维护简单:曝气系统采用穿孔曝气管系统,不易堵塞。搅拌器采用具有香蕉型搅拌叶片,外形轮廓线条柔和,不损坏填料。整个搅拌和曝气系统很容易维护管理。

4. 生物池无堵塞,生物池容积得到充分利用,没有死角:由于填料和水流在生物池的整个容积内都能得到混合,从根本上杜绝了生物池的堵塞可能,因此,池容得到完全利用。

5. 灵活方便:工艺的灵活性体现在两方面。一方面,可以采用各种池型(深浅方圆都可),而不影响 工艺的处理效果。另一方面,可以很灵活地选择不同的填料填充率,达到兼顾高效和远期扩大处理规模而无需增大池容的要求。对于原有活性污泥法处理厂的改造和升级,流动床生物膜工艺可以很方便地与原有的工艺有机结合起来,形成活性污泥-生物膜集成工艺或流动床活性污泥组合工艺。   

6. 使用寿命长:优质耐用的生物填料,曝气系统和出水装置可以保证整个系统长期使用而不需要更换,折旧率较低。

2.5 化学除磷工艺

磷是藻类繁殖所需各种成分中的限制性因素之一,水体中磷含量的高低与水体富营养化程度有密切的关系。同时,对于引发水体富营养化而言,磷的作用远大于氮的作用,水体中磷的浓度达到一定数值时就可以引起水体的富营养化。因此,在污水处理中进行除磷是必要的。

污水中的磷可以通过化学和生物两种方法去除。生物除磷是一种相对经济的除磷方法,但由于现阶段生物除磷工艺还无法保证出水总磷稳定达到排放标准的要求,所以常需要采用或辅助以化学除磷措施。

化学除磷主要是通过化学沉析过程完成的,化学沉析是指通过向污水中投加无机金属盐药剂与污水中溶解性的盐类(如磷酸盐)反应生成颗粒状、非溶解性的物质。实际上投加化学药剂后,污水中进行的不仅是沉析反应,同时还发生着化学絮凝作用,即形成的细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的絮凝体。

为了生成非溶解性的磷酸盐化合物,用于化学除磷的化学药剂主要是金属盐药剂和氢氧化钙。许多高价金属离子药剂投加到污水中后都会与污水中的溶解性磷离子结合生成难溶解性的化合物,但出于经济原因考虑,用于磷沉析的金属盐药剂主要是Fe3+盐、Fe2+盐和Al3+盐,这些药剂是以溶液和悬浮液状态使用的。除金属盐药剂外,Ca(OH)2也用作沉析药剂,反应生成不溶于水的磷酸钙。

化学除磷工艺可按化学药剂的投加地点来分类,实际中常采用的有:前置除磷、同步除磷和后置除磷。

2.5.1 前置除磷:

前置除磷工艺的特点是化学药剂投加在沉砂池中、初沉池的进水渠(管)中、或者文丘里渠(利用涡流)中。其一般需要设置产生涡流的装置或者供给能量以满足混合的需要。相应产生的沉析产物(大块状的絮凝体)在初沉池中通过沉淀被分离。如果生物段采用的是生物滤池,则不允许使用铁盐药剂,以防止对填料产生危害(产生黄锈)。
前置除磷工艺由于仅在现有工艺前端增加化学除磷措施,比较适合于现有污水处理厂的改建,通过这一工艺步骤不仅可以除磷,而且可以减少生物处理设施的负荷。常用的化学药剂主要是石灰和金属盐药剂。前置除磷后控制剩余磷酸盐的含量为1.5-2.5mg/L,完全能满足后续生物处理对磷的需要。

2.5.2 同步除磷:

同步除磷是目前使用最广泛的化学除磷工艺,在国外约占所有化学除磷工艺的50%。其工艺是将化学药剂投加在曝气池出水或二沉池进水中,个别情况也有将药剂投加在曝气池进水或回流污泥渠(管)中。目前已确定对于活性污泥法工艺和生物转盘工艺可采用同步化学除磷方法,但对于生物滤池工艺能否将药剂投加在二次沉淀池进水中尚值得探讨。

2.5.3 后置除磷:

后置除磷是将沉析、絮凝以及被絮凝物质的分离在一个与生物处理相分离的设施中进行,因此也叫二段法工艺。一般将化学药剂投加到二沉池后的一个混合池中,并在其后设置絮凝池和沉淀池(或气浮池)。
对于要求不严的受纳水体,在后置除磷工艺中可采用铝盐或钙盐药剂,但必须对出水pH值加以控制。

三种除磷工艺的优缺点汇总见下表:

 各种化学除磷工艺比较

工艺类型

优点

缺点

前置除磷工艺

1)能降低生物处理构筑物负荷,平衡负荷的波动变化,从而降低能耗;

2)与同步除磷相比,活性污泥中有机成分不会增加;

3)现有污水厂易于实施改造。

1)总污泥产量增加;

2)影响反硝化反应(底物分解过多);

3)对改善污泥指数不利。

同步除磷工艺

1)通过污泥回流可以充分利用除磷药剂;

2)如果将药剂投加到曝气池中,可采用价格较便宜的二价铁盐药剂;

3)金属盐药剂会使活性污泥重量增加,从而可以避免污泥膨胀;

4)同步除磷设施的工程量较小。

1)采用同步除磷工艺会增加污泥产量;

2)采用酸性金属盐药剂会使pH值下降到最佳范围以下,对硝化反应不利;

3)硝酸盐污泥和剩余污泥混合在一起,回收磷酸盐较为困难,此外在厌氧状态下污泥中磷会再释放;

4)回流泵会破坏絮体,但可通过投加高分子絮凝助凝剂减轻这种危害。

后置除磷工艺

1)硝酸盐的沉淀与生物处理过程相分离,互不影响;

2)药剂投加可以按磷负荷的变化进行控制;

3)产生的磷酸盐污泥可以单独排放,并可以加以利用。

后置除磷工艺所需投资大、运行费用高,但当新建污水处理厂时,采用后置除磷工艺可以减小生物处理二沉池的尺寸。

从上表可以看出,本项目属新建污水厂,适合采用后置除磷工艺,除磷剂选用高效经济、广泛易得的铝盐或钙盐。

2.6 臭氧发生器

2.6.1 臭氧氧化

1.臭氧性质

臭氧是一种氧化性极强的不稳定气体,须现场制备使用。臭氧是氧气的同素异形体,含有3个氧原子,呈sp2杂化轨道,成离域π键,形状为V形,极性分子。臭氧在常温常压下为淡蓝色气体,水中的溶解度为9.2mlO3/L,高于氧气(42.87mg/L),水中溶解浓度高于20mg/L时呈紫蓝色。臭氧有很强的氧化性,氧化还原电位为2.07V,单质中仅低于F2(3.06V)。

2.臭氧的氧化机理

臭氧能够氧化大多数有机物,特别是氧化难以降解的物质,效果良好。臭氧在与水中有机物发生反应过程中,通常伴随着直接反应和间接反应两种途径,不同反应途径的氧化产物不同,且受控的反应动力学类型也不同。

1)直接氧化反应

臭氧直接反应是对有机物的直接氧化,反应速率较慢,反应具有选择性,反应速率常数在1.0~103M-1S-1范围内。由于臭氧分子的偶极性、亲电、亲核性,臭氧直接氧化机理包括Criegree机理、亲电反应、亲核反应三种。

2)间接氧化反应。

臭氧间接反应是有自由基参与的氧化反应,过程中产生了•OH,氧化还原电位高达2.80V,自由基作为二次氧化剂使得有机物迅速氧化,属于非选择性瞬时反应,反应速率常数为108~1010M-1S-1,氧化效率大大高于直接反应。此外•OH与有机物发生的反应主要有三种:脱氢反应,亲电加成,转移电子。

3.臭氧氧化法的影响因素

(1)臭氧浓度

由于臭氧在水中的溶解度比较小,提高臭氧的浓度能够提高改变臭氧在水中中的溶解平衡,使水中臭氧的浓度上升,进而提高臭氧氧化的效果。

(2)体系的pH

反应体系的pH对臭氧氧化降解的影响非常大。体系的pH会直接影响以羟基自由基为主的各类自由基的产生。

⑶体系的温度

体系温度对反应速率有明显的影响,温度升高有助于提高臭氧分子在水溶液中自分解产生自由基的浓度,同时温度提高有助于水溶液的污染物分子与臭氧分子或是自由基的平均分子动能,有利于污染物分子与臭氧分子或是自由基的碰撞,从而提高氧化降解的速率。

2.6.2 臭氧消毒

臭氧消毒:臭氧消毒作用是极强的,不管是细菌病毒,还是未萌动的孢子都具有杀灭作用;杀灭速度快,是氯的600-3000倍,在相同的灭菌作用时(灭大肠杆菌率为99.9%)其浓度是氯的0.000048倍。并且臭氧消毒持续时间短,没有二次污染。

2.7 生化塘

生化塘就是用人工筑成水池或沟槽,底面铺设防渗漏隔水层,种植芦苇一类的维管束植物或根系发达的水生植物,污水由生化塘的一端通过布水管渠进入,以推流方式与布满生物膜的介质表面和溶解氧进行充分的植物根区接触而获得净化。

 

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