肉類屠宰廠產生的廢水包含圈欄內糞便沖洗水、屠宰車間內的含血廢水及褪毛高溫廢水，主要含有大分子有機物、動物油脂等，以及類大腸桿菌等細菌，且伴有腥臭味。屠宰廢水中COD、氨氮和總氮分別約為600~3000mg·L−1、50~320mg·L−1、80~354mg·L−1。屠宰廢水生化處理技術比較成熟，多采用“水解酸化+生物接觸氧化”或“UASB+SBR”等組合工藝。然而，UASB等工藝的基建難度較大、成本較高，并不適用于小型污水處理廠。傳統生物法基建難度小、成本低，但其脫氮效率不理想且存在脫氮除磷過程中聚磷菌和硝化細菌污泥齡矛盾的問題。以傳統A2/O工藝為基礎的UCT工藝對COD、總氮和總磷的去除率較高，還可解決SBR、UASB、A2/O等傳統工藝在脫氮除磷時存在的問題。
將UCT工藝進行回流模式的改良，可提高除磷效果，并解決傳統活性污泥法中污泥易流失的問題。改良方法為將二沉池污泥直接回流至接觸好氧池前端。其中，硝化細菌污泥齡較短，在進入好氧池后曝氣量充足的情況下，會較快地適應好氧環境，然后快速增長繁殖，并降解水體中有機物及氨氮；而反硝化細菌污泥齡較長，好氧污泥進入厭氧環境后，適應期較長，優勢菌種難在短時間內增長繁殖。因此，將二沉池污泥直接回流至好氧系統前端，在一定程度上可減少好氧污泥和厭氧污泥間的更替，使大部分硝化菌和反硝化細菌處于適宜生長環境下，從而解決硝化菌與反硝化菌在污泥齡上的矛盾問題，更有利于菌種培養。另一方面，聚磷菌厭氧釋磷條件是絕對厭氧狀態，污泥回流混合液中含有大量硝態氮及游離氧，若回流至厭氧池會破壞厭氧環境，使得厭氧池內優先發生反硝化作用，且厭氧段磷釋放的有效容積減少而硝態氮也會抑制磷的釋放，導致除磷效果較差。因此，通過將二沉池污泥直接回流至接觸好氧池前端，可從源頭上減少厭氧段內游離氧及硝態氮含量，從而提高除磷效果。
本案例以《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準(征求意見稿)》的間接排放標準為廢水處理目標，基于傳統生化工藝設計出一套基建難度小且能滿足生產需求的改良回流模式UCT工藝。根據出水水質情況及污泥掛膜情況，調整曝氣量、硝化混合液回流比、缺氧混合液回流比及污泥回流比，以完成現場運行調試，并核算改造成本與運行成本，以期為同類小型高氮屠宰廢水的處理工程的設計或運行改造提供參考。
1、工程概況及工藝特點
1.1 工程概況
廢水主要由屠宰生產過程中產生的各類廢水組成。由于每日屠宰量隨市場需求變化，故屠宰廢水產生量不同。夏秋兩季屠宰廢水產生量為40~50m3·d−1，春冬兩季屠宰廢水產生量則高達180~200m3·d−1。原有污水處理設施采用傳統A2/O工藝，其日處理量僅為60m3，且原污水處理設施厭氧池與缺氧池內無攪拌裝置，極易造成污泥沉積與池體堵塞。同時，接觸好氧池內曝氣管道腐蝕穿孔，曝氣不均勻，處理效果不佳，故需建造新污水處理設施以保證屠宰場正常生產運行。由于屠宰廢水屬于間歇式用水且用水量的時變化系數較大，因此峰值排放量按照200m3·d−1設計。目前，該屠宰廠所在區域鄉鎮污水管網已覆蓋，利用原有污水處理設施的污水管道進行新設施的修建，設計規模為200m3·d−1。出水水質執行《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準(征求意見稿)》標準。設計進、出水水質如表1所示。
1.2 工藝設計要點
1)預處理設計。該處理系統原水B/C為0.75>0.3，可生化性好。由于廢水中含有大量動物油脂、動物毛發及屠宰過程中產生的肉類碎屑，故保留原有前端預處理設備。在預處理階段，廢水會經過固液分離、隔油池和格柵去除掉大宗雜物和浮渣，然后進入混凝氣浮，使動植物油、懸浮物和部分有機物得到有效去除。預處理后的廢水進入改造后的調節池，并利用成一體化溶氣式氣浮機，去除其中的小粒徑懸浮物。
2)生化工藝設計。考慮到該屠宰廢水氨氮指標較高，而在堿性條件下，曝氣量對氨氮去除效果的影響較大，故選用風量為1000m3·h−1的變頻風機，為理論曝氣量的134%。由于生化系統進水COD較高，直接采用接觸氧化等工藝，所需生化池容積較大，基建成本過高，故先利用水解酸化對有機物進行預降解，利用厭氧微生物去除廢水中的有機物并使含氮有機物氨化，以提高污水的可生化性。然后設置缺氧池使厭氧池出水與富含硝態氮的好氧池回流液混合，并在缺氧池內進行反硝化反應。反硝化反應過程中產生的堿度可為好氧池中硝化反應創造有利條件。缺氧池出水經過絮凝沉淀后，厭氧污泥一部分回流至厭氧池，以加強厭氧—缺氧的交替，另一部分排入污泥池，上清液進入接觸好氧池，并在好氧池前端主要進行碳化反應以去除好氧有機物(以COD計)；后端主要進行硝化反應，使氨態氮變為硝態氮。最后，混合液在二沉池進行泥水分離后，污泥部分回流至接觸好氧池前端，部分排入污泥池，上清液達標排放。
3)回流工藝設計。為避免好氧系統內溶解氧會對厭氧環境造成破壞，將二沉池污泥直接回流至好氧系統前端，好氧系統內僅設置硝化混合液回流至缺氧段。由于缺氧段布設潛流推進器會導致缺氧段污泥部分流失，故缺氧段后設置混凝沉淀池并將污泥部分回流至厭氧段，以加強脫氮效果并保證整個生化系統內的厭氧菌和好氧菌在絕大程度上處于各自適應的生長環境條件下，從而減少其轉換周期，有利于污泥培養。
4)固廢的處理。預處理階段的殘渣產生量較多，再加上生化系統所產生性質穩定的活性污泥，可將該處理系統產生的固廢直接進行收集、貯存，再通過疊螺機進行壓濾處理。
1.3 工藝流程及優化內容
綜合考慮該廠原有污水處理設施的實際運行情況、處理成本、進水水質及出水要求確定了廢水處理工藝流程(圖1)。
圖1 廢水處理工藝流程
1)預處理系統。預處理系統利用該廠原有設施，如斜篩式干濕分離機、隔油池及格柵等。在運行過程中，為避免殘渣在調節池內沉積，先利用斜篩式干濕分離機將廢水中殘渣分離，而后通過隔油池和格柵去除動物油脂及部分懸浮物。出水含渣量較少可減少對管道及提升泵的磨損，預處理后的污水進入新處理系統調節池內，再泵入溶氣式氣浮機內去除剩余懸浮物及部分總磷。預處理系統出水較清澈但有異味。
2)生化處理系統。該系統為新建設施，主要包括厭氧池、缺氧池、絮凝沉淀池、生物接觸氧化池及二沉池。為保證該系統容積得到充分利用，其水流采用下進上出式。絮凝沉淀池與二沉池均為澆筑后磚砌泥斗。由于泥斗坡度較小，在正常運行過程中，沉淀池內泥層較厚，但不影響出水濁度。而厭氧池、缺氧池及生物接觸池內均裝有組合生物填料，為細菌生長提供附著物，可有效避免污泥流失。
3)污泥處理系統。該系統亦為新建設施，主要包括污泥濃縮池和疊螺機。由于氣浮機前期運行出現故障產渣量較多，二沉池泥斗建造坡度較小、水力沖擊負荷較大，在運行過程中需要經常性排泥，故該系統前期運行較為頻繁。當氣浮機和生化系統運行穩定后，產渣量和產泥量大幅度減少，運行時間也隨之減少。濃縮污泥在疊螺機前端絮凝反應池內與陽離子型聚丙烯酰胺絮凝成大顆粒絮體，并通過疊螺機進行泥水分離。脫水后污泥進行集中處理，壓濾液排至調節池內進行再處理。
1.4 主體構筑物及設計參數
1)調節池。半地下式鋼筋混凝土結構，厚混凝土側壁為250mm，有效容積500m3。配套污水提升泵2臺(Q=12m³·h−1，H=20m，P=1.1kW，單價350元·臺−1，一備一用)。電磁流量計1臺。
2)混凝氣浮機。一體式設備，處理能力為10m3·h−1(單價13600元·臺−1)，容量水量為2~3m3·h−1。外形尺寸為5000mm×2500mm×2300mm，有效容積9m3。主機、刮抹機、空壓機功率分別為3kW、0.37kW和1.10kW。
3)厭氧池。半地下式鋼筋混凝土結構，進水方式采用上進下出式。出水處設置混凝土溢流堰，有效容積為50m3，水力停留時間6.25h。池內裝有組合生物填料。
4)缺氧池。半地下式鋼筋混凝土結構，池內設有鋼筋混凝土折板，末端設置鋼筋混凝土溢流堰，其有效容積為83m3，水力停留時間為10h。池體對角設置2臺潛水攪拌機(P=2.2kW，單價2500元·臺−1)，并裝有組合生物填料。
5)絮凝沉淀池。半地下式鋼筋混凝土結構，混凝池有效容積14.72m3，混凝反應池中間隔墻距池底1m處開孔，設計混凝停留時間為1.70h，沉淀池有效容積為45m3，澆筑后磚砌泥斗，設計停留時間為5.40h。混凝池內設有減速攪拌機2臺(其攪拌桿2.0m，P=1.1kW，單價1060元·臺−1)。PAC、PAM加藥設備各1套(10~50L·h−1，PE桶為1000L，單價890元·套−1)。沉淀池內設有提升泵1臺(Q=8m³·h−1，H=10m，P=1.5kW，單價200元·臺−1)。
6)兩段式生物接觸氧化池。半地下鋼筋混凝土結構，池體兩端預埋管徑200mmUPVC管，氧化池前端設置寬為1m的預混合區。預混合區末端墻體下端距池體底部0.40m，以保證水流方向在整個池體處于下進上出狀態。好氧池末端設置寬為0.92m的沉淀區，總有效容積195m3，水力停留時間為24h。池內裝有組合生物填料、曝氣盤。配套風量為1000m3·h−1變頻風機2臺(Q=1000m³·h−1，p=100kPa，P=48kW，單價13000元·臺−1，一備一用)，提升泵2臺(Q=30m³·h−1，H=10m，P=2.5kW，單價700元·臺−1，一備一用)，溶解氧儀1臺(單價1400元·臺−1)。
7)二沉池。半地下式鋼筋混凝土結構，有效容積為45m3，采用中心進水周邊出水式輻流沉淀池，周邊溢流堰采用磚砌結構，末端預埋管徑200mmUPVC管。池體澆筑后磚砌泥斗并布置斜板，池內設有提升泵2臺(Q=15m³·h−1，H=10m，P=2.2kW，單價426元·臺−1，一備一用)。
8)污泥池。半地下鋼筋混凝土結構，總有效容積為60m3，池內設有污泥提升泵1臺，末端設置混凝池，方便后續疊螺機壓泥，其有效容積為9m3。混凝池內設有減速攪拌機2臺(攪拌桿長為2.0m，P=1.1kW，單價1060元·臺−1)，加藥系統1套(流量10~50L·h−1，PE桶容積1000L，單價890元·套−1)，污泥提升泵1臺(Q=8m³·h−1，H=10m，P=1.5kW，單價200元·臺−1)。
1.5 分析項目及檢測方法
化學需氧量采用快速消解分光光度法；氨氮采用納氏試劑分光光度法；總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；總磷采用鉬酸銨分光光度法；SS采用重量法；pH(無量綱)采用玻璃電極法；動植物油采用紅外分光光度法；溶解性有機質(dissolvedorganicmatter，DOM)采用熒光光譜法。
為避免因屠宰廢水中的懸浮物和動物油脂影響COD測定結果，在測定前先用絮凝劑進行混凝沉淀預處理，然后取其上清液進行檢測。
2、工藝運行效果
2.1 生物掛膜情況
該污水處理設施建成后，在調試運行過程中對進出水中各項指標進行了連續130d的監測。圖2表明，初期生物填料上生物掛膜量較少，此時的污泥質量濃度為2500mg·L−1；中期生物填料生物掛膜量多，測得污泥質量濃度為6000~7000mg·L−1。這說明污泥濃度與生物掛膜量有明顯增加。
圖2 生物掛膜情況
結合各項污染物指標分析處理效果發現：在系統初期，微生物主要處于適應期，未出現明顯的增長繁殖，生物填料上的掛膜量較少，COD、氨氮、總氮和總磷去除率較低；在系統初期運行時每日投加25kg葡萄糖并每隔2d投加30g磷酸二氫鉀，以補充碳源與微量元素，有利于微生物增長繁殖；由于沉淀池上清液較混濁，將曝氣量由1000m3·h−1調整至700m3·h−1，使得好氧系統內溶解氧保持在2~3mg·L−1，并使污泥回流比由50%提升至70%，以延長好氧污泥在好氧系統的停留時間，為微生物生長創造有利條件；在系統運行中期，污泥濃度與生物掛膜量大大增加，COD、氨氮、總氮和總磷的去除率也隨之提高，并趨于穩定。
2.2 各項污染指標的變化情況
1)COD。在工藝運行過程中，系統對好氧有機物(以COD計)的去除效果見圖3。在運行前期，由于系統內進水量不大，存在稀釋作用，出水COD較低。隨著進水量的增加，出水COD升高。經過污泥培養馴化及運行參數調整階段后，出水COD逐漸降低，好氧有機物(以COD計)去除率逐漸提高，最終實現出水COD穩定達標。當系統運行到第10天時，初期的低負荷污水已排出系統外，隨著進水量的增加，出水COD逐漸增高。通過增強厭氧—缺氧段循環，將缺氧混合液回流比由60%提升至82%，從而延長厭氧污泥在厭氧系統的停留時間；連續運行一段時間后，厭氧/缺氧池污泥濃度有所增加，水解酸化能力增強，好氧有機物(以COD計)去除效率明顯提高，二沉池出水COD逐漸降低。在系統連續運行90d后，出水COD穩定在70~130mg·L−1，平均值為107mg·L−1，好氧有機物(以COD計)去除率穩定在94%~97%。
圖3 好氧有機物(以COD計)的變化情況
2)氨氮。在運行過程中對氨氮的去除效果見圖4。在運行初期，由于廢水進水量不大存在稀釋作用，二沉池出水NH3-N較低。隨著進水量增加，系統NH3-N去除率降低，出水中NH3-N逐漸升高。分析其主要過程為：在運行初期，系統內污泥質量濃度較低，硝化菌數量較少且生物填料上的掛膜量較少(見圖2(a))；系統運行至第10天時，好氧池負荷較低且C:N:P比例失衡，由于硝化細菌污泥齡較短，好氧污泥在好氧系統停留時間過長，好氧污泥自身氧化解體，從而導致二沉池出水渾濁且NH3-N升高；通過減小污泥回流比、增加硝化混合液回流比，減小好氧污泥在好氧池的停留時間，同時在系統運行前期定時向系統中補充適量碳源和微量元素(通常投加磷酸二氫鉀)，以增加負荷和調整碳氮磷比例，使得整個系統更有利于細菌的生長繁殖(在培養污泥過程中可采用此類方法，以減少培養周期)；在運行一段時間后，出水NH3-N逐漸降低，生化系統中的污泥絮體變大且生物填料上掛膜量明顯增加(見圖2(b))，測得污泥質量濃度為6000~7000mg·L−1；在連續運行90d后，出水NH3-N穩定在2~18mg·L−1，平均值為10.16mg·L−1，其去除率穩定在96%~99%。
圖4 NH3-N的變化情況
3)總氮。運行過程中總氮(TN)去除效果見圖5。在系統運行前30d，出水TN波動較大。初期出水TN較低，隨著總進水量的增加，運行至第10天時，出水TN逐漸升高。分析其主要過程為：進水NH3-N較高，NH3-N經過硝化反應后產生大量NO−3-N，隨硝化混合液回流至缺氧段，缺氧段的反硝化壓力過大，同時反硝化細菌較難培養，數量有限，會導致運行前期出水TN緩慢增加；缺氧池出水NO−3-N為12.63mg·L−1>8mg·L−1，NO−3-N回流至厭氧池會抑制厭氧池內含氮有機物的氨化過程；在好氧系統過度曝氣，二級接觸好氧池內保持較高DO，硝化回流混合液中攜帶了大量氧氣進入缺氧段，過高DO又會抑制反硝化作用的進行。通過調整風機運行時間將曝氣量由400m3·h−1提升至750m3·h−1，并逐級調整硝化混合液回流泵運行時間，將硝化混合液回流比由210%提升至267%。在連續運行30d后，二級接觸好氧池末端DO為2~3.50mg·L−1，缺氧段出水NO−3-N保持在0.12~0.41mg·L−1(<2mg·L−1)，能保證缺氧池內反硝化反應進行及厭氧池中含氮有機物的有效氨化；連續運行90d后，出水TN穩定18~70mg·L−1，平均值為44mg·L−1，TN去除率穩定在89%~95%。林康理等對廣州某屠宰場的舊污水處理設施進行升級，將傳統A/O工藝改造為厭氧—缺氧—接觸氧化工藝，效果明顯，但氨氮去除率僅為84.6%。這表明本工藝對高氮屠宰廢水的處理效果優勢明顯。
圖5 TN的變化情況
4)總磷。運行過程中對總磷(TP)的去除效果見圖6。在運行前期，出水TP較低，運行至第20天時，出水TP逐漸增加。分析其中的過程為：在運行至第10天時，增大了硝化混合液回流比與缺氧混合液回流比，過量NO−3-N進入缺氧段；由于反硝化細菌培養困難，反硝化效果不理想，故缺氧段出水NO−3-N較高，導致過多NO−3-N通過缺氧混合液回流被帶入厭氧段抑制厭氧釋磷，從而使得厭氧釋磷效果較差；通過逐級調整硝化混合液回流比，使得缺氧段出水硝酸鹽低于2mg·L−1，以保證泥缺氧混合液回流中的NO−3-N不會抑制厭氧段的釋磷性能；同時，缺氧混合液回流增強了厭氧—缺氧的交替，加強了系統的反硝化除磷性能，除磷效率隨之提高。在連續運行90d后，出水TP穩定在3~6mg·L−1，平均值為4.50mg·L−1，去除率穩定在85%~92%。
圖6 TP的變化情況
2.3 熒光圖譜分析
取115d內的各工藝段的水樣，用30μm濾膜過濾后，將濾液稀釋至在254nm下吸光度小于0.05A，然后用日立F-7000熒光分光光度計進行檢測。檢測中的參數分別為：激發波長200~450nm；發射波長200~550nm；激發/發射狹縫5nm；光電倍增管負高壓500V；掃描速度1200nm·min−1。共檢測到4個熒光特征峰(圖7)，其具體信息如表2所示。
圖7 屠宰廢水不同工藝段出水熒光光譜
圖7中熒光峰A所代表的色氨酸類蛋白質和熒光峰B所代表的可溶性微生物副產物均為易降解有機物，熒光峰C代表的富里酸類腐殖質為可生物降解有機物，熒光峰D所代表的腐殖酸類腐殖質為難生物降解有機物。其中，色氨酸類蛋白質和可溶性微生物副產物在經過水解酸化后其特征峰熒光強度明顯降低。再經過好氧處理后，圖7(c)中熒光峰A和熒光峰B的特征峰已消失，這說明該工藝對此類有機物具有較好處理效果，且出水中C峰和D峰的熒光強度明顯降低說明該工藝對難生物降解有機物具有一定降解效果。這與圖3中進出水COD變化一致。圖7中熒光峰A的熒光強度變化與圖5進出水TN一致，這表明該工藝對有機氮化合物的降解效果也較為明顯。該工藝穩定出水COD約20mg·L−1，氨氮約2mg·L−1，總氮約18mg·L−1，總磷約2mg·L−1，可達到《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準(征求意見稿)》的間接排放標準。
2.4 運行中的問題分析
該系統的調試及運行重點在于污泥的馴化培養。該工藝的生化系統水力停留時間為2~3d。系統運行主要問題有：1)在系統運行初期，生化系統后端負荷較低且碳氮磷比易失衡，每日投加25kg葡萄糖并每隔2d投加30g磷酸二氫鉀來補充碳源和微量元素，使得碳氮磷比例約為100∶5∶1；2)二級接觸好氧池末端的溶解氧探測儀與2臺變頻風機聯用，以此控制風機啟停時間，當氣溫低時，溶解氧設定為1.50~2.50mg·L−1，當氣溫高時設定為2~3mg·L−1，以保證好氧系統溶解氧含量充足；3)厭氧系統要安裝潛流推進器保證污水和污泥處于完全混合流動狀態，使細菌與待降解物質充分接觸；4)在污泥的馴化培養完成后，根據出水水質，在硝化液混合液回流泵、污泥回流泵及缺氧混合液泵流量分別為30、8和15m3·h−1的條件下，通過調整其對應時間控制開關中運行時間來逐級調整硝化混合液回流比、污泥回流比和缺氧混合液回流比分別為267%、70%和82%，以保證出水穩定達標。
2.5 經濟效益分析
1)工程改造費用。本工程總費用為201.50萬元，包括建筑工程費用153萬元、設備購置費及安裝費用45萬元，其他費用3.50萬元。該處理設施由甲方自建，乙方負責設備采購、安裝調試、設備運輸、方案設計和運行維護。主要設備采購價格總計70152元，管道及配套閥門等共計2.7萬元，PLC自動化控制柜費用為3.5萬元。此外，設備運輸費為3000元，運行調試費用為5000元，方案設計費為1.7萬元。
2)運行成本。運行費用主要包括藥劑費和電費，該系統的運行維護主要由廠里工人兼任，無需考慮人工費用。實際核算結果如下：1)藥劑費用為0.47元·m−3，其中26%聚合氯化鋁每噸2400元，其用量為33.30kg·d−1，60萬分子量陰離子型聚丙烯酰胺每噸5840元，其用量為2.50kg·d−1；2)電費為1.11元·m−3，變頻風機、減速攪拌機等設備運行總功率為19kW，當地電價為0.6507元·(kW·h)−1計，夜間電價按白天電價一半計。因此，運行費用總計為1.58元·m−3，僅為厭氧折流板反應器+A/O處理屠宰廢水運行費用的1/3,且低于采用固液分離/渦凹氣浮/水解酸化/接觸氧化工藝處理屠宰廢水運行費用。
3、結論
1)采用改良回流模式的UCT工藝處理屠宰廢水，連續130d的調試運行結果表明，該系統運行穩定且出水水質達到《屠宰與肉類加工工業水污染物排放標準(征求意見稿)》的間接排放標準。好氧有機物(以COD計)、氨氮、總氮和總磷的去除率分別達到97%、98%、95%和92%。
2)該系統運行初期出現污泥老化問題，通過投加25kg·d−1葡萄糖和15g·d−1磷酸二氫鉀補充碳源、微量元素，并根據污泥生長情況，調整風機曝氣量，可有效解決初期污泥老化的問題。
3)在系統運行過程中，出水氨氮過高時，可在曝氣量充足的條件下，將污泥回流比由50%調整為70%，增加水力停留時間，從而提高氨氮去除率；同時，出水中總氮逐漸升高，將硝化混合液回流比由210%逐級調整為267%，并缺氧池混合液回流比由60%提升至82%，可保證回流混合液中硝態氮進行的反硝化反應，以提高脫氮效率；逐級增加進水水量，由4m3·h−1增至9m3·h−1，系統仍能保證運行穩定。
4)改良回流模式的UCT工藝對高氮屠宰廢水處理效果較好，其改造、調試和運行經驗可為同類廢水處理工程提供參考。工藝改造易實現，改造費用較低，且運行成本較傳統工藝較低。（來源：長江大學化學與環境工程學院，荊州市華邁環保科技有限公司）
