一种畜禽粪废水处理方法转让专利
申请号 : CN201110129177.8
文献号 : CN102276106B
文献日 : 2012-09-05
发明人 : 彭绪亚 , 刘国涛 , 何清明 , 李治阳 , 袁荣焕
申请人 : 重庆大学
摘要 :
本发明公开了一种畜禽粪废水处理方法，其特征在于，先采用CSTR反应器进行同时产甲烷反硝化处理，再采用MSBR反应池进行硝化反硝化处理。本发明实现产甲烷反硝化于一体，联合MSBR短程硝化反硝化同时实现废水COD、亚硝氮、氨氮的同时去除并可以节省40%的碳源、25%需氧量和300%的污泥产量。
权利要求 :
1.一种畜禽粪废水处理方法，其特征在于，先采用CSTR反应器进行同时产甲烷反硝化处理，再采用MSBR反应池进行硝化反硝化处理，该方法采用一个CSTR反应器、一个竖流式沉淀池和一个MSBR反应池实施，其中所述CSTR反应器下端设置废水进口，上端设置废水出口并连接到竖流式沉淀池，竖流式沉淀池下端排泥口采用带泵机的管道连接到CSTR反应器下端的废水进口处，竖流式沉淀池上端溢流堰出口连接到MSBR反应池；本方法实施时，CSTR反应器接种已驯化的产甲烷反硝化污泥，畜禽粪废水进入CSTR反应器后进行同时-3 -1 —产甲烷反硝化运行，控制COD进水负荷低于4.0kgCOD·m ·d ，控制NO2 N进水负荷低于-3 -1
0.25kg·m ·d ；控制CSTR反应器内的pH为7.5，温度为30～35℃，CSTR反应器搅拌规律为每次搅拌20分钟，每隔4小时搅拌一次，搅拌频率30 r/min，CSTR反应器废水处理停留时间为10天，CSTR反应器内反应结束后，废水经竖流式沉淀池沉淀后进入到MSBR反应池进行处理，MSBR反应池处理时，采用2个SBR池子交替出水，同时控制SBR池的反应时间为缺氧搅拌1 h，曝气8 h，沉淀时间1 h；控制主曝气池DO为0.5～1.5 mg/l；MSBR反应池出水处设置回流管连接至CSTR反应器废水进口处稀释进水、提高进水pH并提供亚硝氮防止反应器酸化，回流比为1:1。
说明书 :
一种畜禽粪废水处理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种畜禽粪水处理技术，尤其是基于CSTR产甲烷反硝化联合MSBR硝化反硝化工艺实现畜禽粪废水COD、亚硝氮、氨氮的去除。
背景技术
[0002] 重庆三峡库区众多的畜禽养殖场建在次级支流沿岸，畜禽排放物大多未经处理直接排入水体，畜禽粪液已成为三峡水库的主要污染源之一，严重威胁三峡库区水环境安全。且随着经济的增长，在未来较长时期内，养殖业必将进一步发展，其畜禽粪液必定会对环境造成更严重的影响。针对三峡库区次级支流沿岸畜禽养殖业严重污染次级河流、且经济适用技术严重缺乏、管理体制不健全等突出问题，结合三峡库区村镇社会、经济和自然地理条件特点，有必要通过关键技术攻关与技术的试验示范，建立畜禽养殖废弃物的高效生物处理技术体系，为畜禽养殖废弃物的污染控制及污染负荷削减提供经济适用的技术模式。而畜禽粪废水具有高氨氮、高有机物浓度的特点，采用常规的污水处理方式处理后，仍然存在可生化性差、C/N比小、好氧后处理系统反硝化碳源不足、处理效果差等问题，因此，开发高效经济的畜禽粪液处理技术，减少污染物对环境的污染具有必要性和迫切性。
发明内容
[0003] 针对上述现有技术不足，本发明是要解决现有畜禽粪废水处理技术存在可生化性差、C/N比小、好氧后处理系统反硝化碳源不足、处理效果差的问题，而提供一种处理效果好的畜禽粪废水处理方法。
[0004] 本申请中涉及的技术术语解释如下：
[0005] 畜禽粪废水，是指由于畜禽粪堆积而流出的夹杂着大量畜禽粪液的废水，具有高氨氮、高有机物浓度的特点。
[0006] CSTR(continuous stirred tank reactor)或CSTR反应器，是一种连续搅拌反应器系统。CSTR工艺的原理为在一个密闭罐体装置内完成料液的发酵、甲烷产生的过程。装置内安装有搅拌机构，使发酵原料和微生物处于完全混合状态。投料方式采用恒温连续投料或半连续投料运行。新进入的原料由于搅拌作用很快与装置内的全部发酵液菌种混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。属于现有技术。
[0007] MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）为改良型序批式活性污泥法的简称，A2/O法与SBR法相结合得到，其中A2/O法即为厌氧-缺氧-好氧法,是较为常用的生物脱氮除磷工艺，SBR法是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，也属于现有工艺。MSBR工艺在MSBR系统中实施，MSBR系统（或MSBR反应池）包括厌氧池、两个缺氧池、主曝气池、SBR池和泥水分离池，MSBR工艺流程为，污水进入厌氧池，与从第一缺氧池中用泥污回流泵打回的回流污泥混合，使回流污泥中的磷得以充分释放；混合液流入第二缺氧池，再与由回流泵从主曝气池打入的回流液混合在反硝化菌作用下脱氮；然后进入主曝气池，经好氧处理对污水中有机物进行降解，同时进行硝化作用；然后流入SBR池，污水中有机物在此进一步降解，同时完成沉淀分离，上层清水排出，沉淀污泥部分周期性地由污泥泵打入泥水分离池进一步澄清，剩余污泥由SBR池排出；泥水分离池中上清液排入主曝气池，下部污泥进入第一缺氧池，进一步消耗其中的溶解氧，为下一步污泥中磷的充分释放创造良好条件。污水中氮主要在缺氧池去除，碳主要在主曝气池和SBR池去除，磷通过污泥在厌氧池中充分释放，在SBR池中聚磷，污泥的循环使磷富集，随剩余污泥排出，使污水得到净化。
[0008] COD，化学需氧量，是在一定的条件下，采用强氧化剂处理水样时，所消耗的氧化剂量。用于表示水中还原性物质多少的一个指标。
[0009] DO，(dissolved oxygen)是指溶解在水里氧的量，用每升水里氧气的毫克数表示。
[0010] 竖流式沉淀池，又称立式沉淀池，是池中废水竖向流动的沉淀池。池体平面图形为圆形或方形，水由设在池中心的进水管自上而下进入池内（管中流速应小于30mm/s），管下设伞形挡板使废水在池中均匀分布后沿整个过水断面缓慢上升，悬浮物沉降进入池底锥形沉泥斗中，澄清水从池四周沿周边溢流堰流出。堰前设挡板及浮渣槽以截留浮渣保证出水水质。池的一边靠池壁设排泥管靠静水压将泥定期排出。
[0011] 本发明采用了如下的技术方案：
[0012] 一种畜禽粪废水处理方法，其特点在于，先采用CSTR反应器进行同时产甲烷反硝化处理，再采用MSBR反应池进行硝化反硝化处理。
[0013] 具体地说，本方法采用一个CSTR反应器、一个竖流式沉淀池和一个MSBR反应池实施，其中所述CSTR反应器下端设置废水进口，上端设置废水出口并连接到竖流式沉淀池，竖流式沉淀池下端排泥口采用带泵机的管道连接到CSTR反应器下端的废水进口处，竖流式沉淀池上端溢流堰出口连接到MSBR反应池；本方法实施时，CSTR反应器接种已驯化的产甲烷反硝化污泥，畜禽粪废水进入CSTR反应器后进行同时产甲烷反硝化运行，控制COD进-3 -1 — -3 -1水负荷低于4.0kgCOD·m ·d ，控制NO2 N进水负荷低于0.25kg·m ·d ；控制CSTR反应器内的pH为7.5，温度为30～35℃，CSTR反应器搅拌规律为每次搅拌20分钟，每隔4小时搅拌一次，搅拌频率30 r/min，CSTR反应器废水处理停留时间为10天，CSTR反应器内反应结束后，废水经竖流式沉淀池沉淀后进入到MSBR反应池进行处理，MSBR反应池处理时，采用2个SBR池子交替出水，同时控制SBR池的反应时间为缺氧搅拌1 h，曝气8 h，沉淀时间1 h；控制主曝气池DO为0.5～1.5 mg/l；MSBR反应池出水处设置回流管连接至CSTR反应器废水进口处稀释进水、提高进水pH并提供亚硝氮防止反应器酸化，回流比为1:1。
[0014] 本发明中针对高氨氮、高有机物浓度的畜禽粪便厌氧处理后存在可生化性差、C/N比小、好氧后处理系统反硝化碳源不足、处理效果差等问题，开发畜禽粪便厌氧产甲烷同时脱氮工艺，资源化应用畜禽粪便中所贮存的能源，同时减少污染物对环境的污染。针对反硝化脱氮微生物与产甲烷菌生境条件的差异，研究反应器内功能菌群分布及优势菌群，通过运行条件的控制，实现产甲烷菌与反硝化菌共生藕合，实现有机物降解产甲烷，同时脱氮，解决畜禽粪厌氧发酵液处理的难题。
[0015] 为了保证处理效果，本发明中还优化了工艺参数，发明工艺主要特点和工艺参数优化过程如下：
[0016] （1）在CSTR反应器中，接种有机质垃圾培养的厌氧污泥完成同时产甲烷反硝化的启动并稳定运行。
[0017] 污泥取自重庆大学实验室污泥和前阶段已驯化好的部分产甲烷反硝化污泥，进水为畜禽粪废水，反应器有效容积为15L，反应器内设有搅拌器，用定时器控制搅拌频率，每次搅拌20分钟，每隔4小时搅拌一次，搅拌频率30 r/min，应用循环水加热装置控制温度，温度在30-35℃之间，反应器停留时间为10d，由于甲烷菌适应pH为6.5～7.8，最佳pH为6.8～7.2，短程反硝化适应pH为6.0～8.0，最佳pH为7～8，所以控制CSTR反应器pH为7.5左右，根据反应器负荷加样，采用每天进、出料的方式，进出样体积相同，通过测试进- - +
出水COD、NO2-N、NO3-N、NH4-N、pH值等指标判断反应器运行情况。
出水COD、NO2-N、NO3-N、NH4-N、pH值等指标判断反应器运行情况。
[0018] 畜禽粪废水 COD初始浓度为28778 mg/L，氨氮871 mg/L，硝氮42 mg/L，逐步提高COD负荷和亚硝氮负荷，以5d为一周期，反应器COD负荷从0.5g/L逐步增加到4 g/L，亚硝氮负荷由0.05 g/L增加到0.25 g/L，未实现联合的CSTR单反应器COD去除率基本在67.89%左右，最高可达到76.23%，亚硝氮去除率达到99%以上，产气负荷由初期的0.1 -1 -1 -1 -1L·L ·d 增加至末期的1 L·L ·d ，随着进水负荷增加，产气量不断上升，污泥驯化程度稳步提高，但当进水COD负荷和亚硝氮增长到一定程度时，反硝化细菌对产甲烷菌抑制程度越大，虽然产气量不断升高，但实际上产甲烷量并没有增大，增长的部分是N2。到反应后期，进水COD负荷和亚硝氮负荷增长到一定程度时候，反应器中产甲烷反硝化平衡被打破，-
COD去除率明显下降，可能原因有反硝化反应产能系数比产甲烷反应高,当NOx - N存在时反硝化反应先于产甲烷反应发生,导致反硝化菌大量繁殖成为系统中的优势菌群而产甲-
烷菌被淘汰； NOx - N的存在使反应体系的氧化还原电位升高,对产甲烷菌活性产生抑制-
作用；NOx- N对产甲烷菌可能具有直接毒性。通过观察分析，由于当COD进水负荷达到4
3 3
g/L时，COD去除率已经可以达到70%左右，产气率稳定在1m/(m·d),并且去除率呈现出指数型增长，所以拟定采用进水负荷3 g/L，进水亚硝氮一直保持良好态势去除率一直稳定在99%以上，但过高的亚硝氮会促使反硝化细菌快速生长并抑制产甲烷菌增长，造成系统失衡，为未避免系统在发生反硝化与产甲烷之间的失衡现象，未继续增加反应负荷。
COD去除率明显下降，可能原因有反硝化反应产能系数比产甲烷反应高,当NOx - N存在时反硝化反应先于产甲烷反应发生,导致反硝化菌大量繁殖成为系统中的优势菌群而产甲-
烷菌被淘汰； NOx - N的存在使反应体系的氧化还原电位升高,对产甲烷菌活性产生抑制-
作用；NOx- N对产甲烷菌可能具有直接毒性。通过观察分析，由于当COD进水负荷达到4
3 3
g/L时，COD去除率已经可以达到70%左右，产气率稳定在1m/(m·d),并且去除率呈现出指数型增长，所以拟定采用进水负荷3 g/L，进水亚硝氮一直保持良好态势去除率一直稳定在99%以上，但过高的亚硝氮会促使反硝化细菌快速生长并抑制产甲烷菌增长，造成系统失衡，为未避免系统在发生反硝化与产甲烷之间的失衡现象，未继续增加反应负荷。
[0019] （2）MSBR系统实现硝化反硝化。
[0020] 污泥取自重庆大学实验室UASB与曝气池反应器中颗粒污泥，实验采取连续进水连续出水，SBR池反应时间为缺氧搅拌1 h，曝气8 h，沉淀时间1 h.2个SBR池子交替出水。实时控制主曝气池DO为0.5～1.5 mg/l，初期阶段由于进水氨氮负荷过大，反应器转型等原因造成氨氮去除、短程硝化等结果不好，到第20 d左右，改变进水负荷，采取进水CSTR出水与自来水按照1:1的比例进行混合，并添加一定的NH4Cl保证进水氨氮浓度为413 mg/l，COD浓度为5000～6000 mg/l，反应器迅速达到稳定，去除率有明显提高，可能原因是污泥为已经驯化100天的理想污泥，反应器初期进水氨氮负荷过大，造成处理效率小，但是高氨氮进水负荷对污泥中的氨氧化细菌没有大的影响并可以抑制了其他细菌的生长，这使得在减少氨氮浓度时污泥能够迅速适应新环境。废水经CSTR联合MSBR处理后COD去除率-1 -1
91.25%，回流水亚硝氮去除率95%以上，氨氮去除率达到93%以上，产气率达到1 L·L ·d 。
91.25%，回流水亚硝氮去除率95%以上，氨氮去除率达到93%以上，产气率达到1 L·L ·d 。
[0021] 综上所述，本发明具有以下优点：1、本发明解决了现有畜禽粪废水处理技术存在可生化性差、C/N比小、好氧后处理系统反硝化碳源不足、处理效果差的问题，并首次提出CSTR联合MSBR工艺处理粪水，实现废水COD、亚硝氮、氨氮的同时去除，可使得氨氮去除率93%以上，回流水亚硝氮去除率95%以上，COD去除率达到91.25%以上，产气负荷达稳定在-1 -1
1L·L ·d 左右，具有良好的处理效果。2、本发明中在CSTR联合MSBR工艺过程中，采用了MSBR出水回流至CSTR的技术，稀释进水、提高进水pH并提供亚硝氮防止反应器酸化，并减少后续处理设备压力。3、本发明中，在CSTR之后采用了竖流式沉淀池，可使污泥回流至CSTR，同时使得CSTR联合MSBR处理，获得加成作用，节省了40%的碳源、25%需氧量和300%的污泥产量。4、本发明通过CSTR联合MSBR处理，CSTR和MSBR可以弥补pH过大或过小，稳定反应器的运行，MSBR产生的亚硝氮回流至CSTR反硝化，不仅可以补充CSTR中碱度，还可以防止反应器酸化。
1L·L ·d 左右，具有良好的处理效果。2、本发明中在CSTR联合MSBR工艺过程中，采用了MSBR出水回流至CSTR的技术，稀释进水、提高进水pH并提供亚硝氮防止反应器酸化，并减少后续处理设备压力。3、本发明中，在CSTR之后采用了竖流式沉淀池，可使污泥回流至CSTR，同时使得CSTR联合MSBR处理，获得加成作用，节省了40%的碳源、25%需氧量和300%的污泥产量。4、本发明通过CSTR联合MSBR处理，CSTR和MSBR可以弥补pH过大或过小，稳定反应器的运行，MSBR产生的亚硝氮回流至CSTR反硝化，不仅可以补充CSTR中碱度，还可以防止反应器酸化。
附图说明
[0022] 附图1为本发明工艺路线图。
[0023] 附图2 MSBR反应池的平面图。
[0024] 附图3本发明采用的装置示意简图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实例对本发明作进一步的详细说明。
[0026] 图1为本发明工艺路线图，如其所示，本发明实施时，包括采用CSTR反应器进行产甲烷反硝化、竖流式沉淀池进行沉淀并污泥回流、采用MSBR反应池进行短程硝化反硝化，出水后部分水回流至CSTR反应器等步骤。
[0027] 图2为MSBR反应池的平面图，如其所示，MSBR反应池包括有厌氧池、两个缺氧池、泥水分离池、主曝气池和两个SBR池，单独的MSBR反应池的结构和工作流程属于现有技术，本发明对现有技术的贡献在于采用了MSBR反应池与CSTR联合，并针对处理对象优化了如曝气量等工艺参数条件。
[0028] 附图3本发明工艺流程示意简图，图3中1为CSTR反应器，2为竖流式沉淀池，3为MSBR反应池，4为泵机。该图可以清晰地显示各反应装置进水和出水位置，以及污泥回流和出水回流的位置，如图所示污泥回流和出水回流中均采用泵机进行控制。
[0029] 实例：
[0030] (a)取新鲜猪粪尿废水，经过1mm的双层铁砂网过滤，过滤后的猪粪尿废水主要参+数值COD 20000mg/L，NH4 的浓度为887 mg/L，亚硝氮浓度17 mg/L，硝氮42 mg/L，出水回-3 -1
流比1:1，进水负荷2.6 kgCOD·m ·d 和亚硝氮浓度165mg/l。CSTR反应器有效容积为
15L，控制CSTR反应器内的pH为7.5，加热循环水箱控制温度在30-35℃之间，应用定时器控制搅拌频率，CSTR反应器搅拌规律为每次搅拌20分钟，每隔4小时搅拌一次，搅拌频率
30 r/min，水力停留时间为10d，进出水体积相同。经检测，最终畜禽粪尿的COD去除率基本稳定在75%左右，亚硝态氮去除率在99%以上。
流比1:1，进水负荷2.6 kgCOD·m ·d 和亚硝氮浓度165mg/l。CSTR反应器有效容积为
15L，控制CSTR反应器内的pH为7.5，加热循环水箱控制温度在30-35℃之间，应用定时器控制搅拌频率，CSTR反应器搅拌规律为每次搅拌20分钟，每隔4小时搅拌一次，搅拌频率
30 r/min，水力停留时间为10d，进出水体积相同。经检测，最终畜禽粪尿的COD去除率基本稳定在75%左右，亚硝态氮去除率在99%以上。
[0031] （b）CSTR反应器出水经过竖流式沉淀池沉淀后进入MSBR池，通过计量泵进入MSBR进行短程硝化、硝化或同时硝化反硝化，通过反应器出水中氨氮、硝态氮和亚硝态氮浓度发现部分亚硝氮、硝氮在反应器中发生反硝化而被去除，因此推测反应器中发生了同时硝化反硝化反应。反应时控制SBR池的反应时间为缺氧搅拌1 h，曝气8 h，沉淀时间1 h；控制主曝气池DO为0.5～1.5 mg/l。通过检测，出水氨氮去除率可达99%以上，COD去除率达到65%左右。
[0032] （c）经实例检测证明，猪粪尿废水经过CSTR产甲烷反硝化-MSBR硝化反硝化联合运行后亚硝态氮和硝态氮去除率达到95%以上，氨氮去除率稳定在91.90%，最高可达3 3
99.90%，COD去除率在91.25%以上，产气负荷稳定在1m/（m·d）左右。
99.90%，COD去除率在91.25%以上，产气负荷稳定在1m/（m·d）左右。
[0033] 结论：由于猪为最常见的畜禽种类，猪粪尿在畜禽粪废水中具有代表性，各类畜禽粪废水的成分也大致相同，故可知，对于其它畜禽粪废水本发明同样适用。