[关键词]同步硝化反硝化(SND)；规模畜禽养殖；养殖废水处理；脱氮除碳

                     1 前言

                    惠州市某规模养殖厂采用楼房养殖模式，养殖面积为 5万平方米，年存栏 7200 头能繁母猪，年出栏仔猪 15 万头，配套新建一座污水处理站，设计处理规模为 350 m3/d，主要处理养殖过程中产生的粪污，清粪工艺为水泡粪，处理后的废水达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准后排放。经过多年的快速发展，规模畜禽养殖业已经成为我国农村经济发展的支柱产业之一[1]，但所带来的环境污染问题也日益严重[2]。据第二次全国污染源普查公告显示，畜禽养殖业 CODCr和 NH3-N 排放量分别占农业源排放量的 93.8 %和 51.3 %，分别占全国排放量 46.7 %和 11.5 %[3]，畜禽养殖废水已成为农业面污染的主要污染源。畜禽养殖废水中含有大量有机质、氮(N)、磷(P)、重金属、残留兽药以及大量致病微生物，其中CODCr 可达 46800 mg/L，NH3-N 可达 1780 mg/L，TP 可达 200 mg/L[4]，悬浮物含量高达标准值的 10 倍以上[5]。未经处理的畜禽废水直接排放会严重污染大气、土壤及水体，甚至严重威胁人体健康。

                     现今关于畜禽养殖废水的处理，国内外均进行大量的研究，大致可归为物理化学处理技术、生物处理技术以及自然生态处理技术，另外还有兼顾不同处理技术和工艺的组合[6]。近年来，国内有较多环保公司采用两级 A/O 工艺处理猪场废水[7]，均存在脱氮效果不佳，总氮超标等问题[8]。根据传统生物脱氮理论，脱氮途径一般包括硝化反应和反硝化反应两个过程，分别在不同的空间条件下进行：硝化反应是在在好氧的条件下，自养型的硝化细菌硝化首先将 NH4+氧化成 NO2-，然后再将NO2-氧化成 NO3-的过程；反硝化反应是缺氧条件下，在异养型反硝化菌的作用下，将 NO2-氧化成 NO3-还原成气态氮 N2 或 N2O、NO，两个过程串联，完成生物脱氮过程。而同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification and Dinitrification,SND)是指硝化反应与反硝化反应同时在相同操作条件下和同一反应器中实现[9]。

                     目前，同步硝化反硝化在养殖废水高效脱氮除碳源方面的研究与应用很少。我们以惠州市某规模养殖场为例，应用同步硝化反硝化处理养殖废水，研究同步硝化反硝化技术工艺路线、核心设备、池型结构以及系统控制方式，以实现养殖废水高效脱氮除碳目的。

                    2 工程背景

                       自上世纪 80 年代以来，研究人员在一些没有明显厌氧及缺氧段的活性污泥法工艺中，多次观察到氮的非同化损失现象，即存在低氧情况下的硝化反应，有氧情况下的反硝化反应。目前，研究及应用较多的活性污泥法，如流化床反应器[10]、SBR、氧化沟、CAST、生物转盘[11]、MBR 等工艺中均发现有氮的非同化损失现象。畜禽养殖废水氨氮浓度高，如何高效脱氮是畜禽养殖废水处理的关键，也是难点之一。同步硝化反硝化脱氮与物理、化学及传统生物脱氮技术相比较，具有经济、高效、彻底和无二次污染的优势，在高氮废水处理领域，如畜禽养殖废水，正受到越来越多的关注[12]。

                      3 工程介绍

                     3.1 进水水质

                    项目进水主要指标实测值按《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中 5.5 测定方法测定。项目进水主要指标设计值按养殖废水一般经验值设计，具体如表 1 所示。

                     3.2 处理工艺

                     养殖废水经格栅井分离大颗粒残渣后进入水解酸化池，将难生物降解的大分子物质转化为极其容易生物降解的小分子物质，然后通过提升泵进入固液分离机去除废水中的小型颗粒猪粪、猪毛等悬浮物，再进入调节池，均化日进水水质，存盈补缺。再经提升泵至涡凹气浮池，投加 PAC、PAM，去除细小颗粒物、胶体、降低 COD、SS 和 TP 后进入同步硝化反硝化池。在同步硝化反硝化池内发生同步硝化反硝化反应，完成COD、NH3 的去除后自流进入溶气气浮池，投加 PAC、PAM，进一步去除 TP 和 SS，出水再经沉淀池沉淀，上清液经消毒池消毒后排放。同步硝化反硝化池产生的剩余污泥泵入污泥池，经叠螺机脱水后，脱水污泥外运处置，滤液返回至同步硝化反硝化池。

                   3.3 核心设备

                   采用独特的高效毯式曝气技术，曝气软管均匀分布在池底，6 m 清水测试时氧传质效率高达 50 %。曝气软管采用特种复合聚氨酯(TPU)材质，通过特殊打孔技术高密度均匀布孔，在低通气量的条件下，能在曝气管表层产生平均直径 1 mm的微小气泡，小且均匀的气泡在水中停留时间长，有足够时间与水体接触，极大提高氧传质效率；均布水流杜绝曝气盲区，混合效果得到全面、有效的提高，细小气泡改善微观环境的传质，从而改进微生物絮体状态。本核心设备具有如下特点：

                    3.3.1 氧传递效率高

                    采用专有的特殊打孔技术，曝气管上布孔均匀且密度高，所产生的气泡平均直径 1 mm 左右。均匀、微小、慢速上升的气泡增加了与污水的接触面积，减少了聚并的机会，因此达到高效的氧传质效能。

                     3.3.2 氧利用率恒定

                     通过定期清洗，避免了因污泥沉积带来的堵塞，使用寿命期内气孔直径变化很小，氧利用率基本不衰退。

                     3.3.3 运行能耗低

                      特殊材质和布孔技术使得曝气管内空气阻力损失小，相比常规曝气装置，所需配置的风机功率小，从而节能显著，降低运行成本。

                   3.3.4 在线清洗

                   曝气管可实现简单在线清洗，并在不影响生化池运行的情况下进行维护。通过定期清洗，曝气管氧传质的高效和稳定得到有效保证。

                   3.3.5 使用寿命长

                   所选材质为一种弹性聚合物，具有较高的抗变形性及抗撕裂指数，对酸碱有较好的耐腐能力，设计使用寿命 10 年以上。

                 3.4 同步硝化反硝化池结构

                  同步硝化反硝化池设计为一体化池型，包括气提区、同步硝化反硝化区、澄清区三部分，一体化池及各单元平面布置如下图所示。

                    气提区与同步硝化反硝化区头部联通，同步硝化反硝化区尾部与澄清区进水端联通，澄清区回水端与气提区联通，形成循环整体。气提区布置有布水器和气提曝气管，经涡凹气浮池处理后的废水自流入布水器，依托气提曝气管产生的“水头”，将原水经布水器均匀输送至同步硝化反硝化区，并推动废水在气提区、同步硝化反硝化区、澄清区循环流动。同步硝化反硝化区底部布置有均匀排列的可提拉曝气软管模块，提拉曝气软管模块由曝气软管、限位支架、提升立杆、限位器、分布器以及牵引绳等组成，可实现不清池条件下，曝气软管的在线提拉。

澄清区中部布置有专有填料，液面处布置有出水围堰，泥水混合物经过填料过程中形成动态的悬浮泥渣层，上层清液经出水围堰自流至溶气气浮池，进一步处理。部分泥水混合物经澄清区回水端返回气提区，与新进废水均匀气提至同步硝化反硝化区。

                      3.5 自控方式

                      在同步硝化反硝化区尾部布置有检测 DO、氨氮/硝态氮、pH 的自动监测传感器。本系统采用 AES 智能控制系统，根据一定的时间顺序和逻辑关系控制设备启停，对反应空间、指示指标和微生物总量，具体包括进水泵、风机、DO、氨氮/硝态氮、pH、MLSS 以及污泥泵，进行综合动态控制，以实现同步脱氮、除碳、除磷的功能，同时维持系统稳定。在时间程序的基础上，可根据设定同步硝化反硝化区内 DO 范围，自动调整设备运行时间，实现节能的目的。

                   4 工程运行情况

                  4.1 单元去除率

                   经对各单元出水主要指标检测、分析，结果显示，CODCr、NH3-N、SS 及 TP 总去除率分别 99.62 %、98.73 %、99.80 %和 99.53 %，主要指标去除效果显著。对同步硝化反硝化池去除率分析表明，同步硝化反硝化对总磷的去除效果不是特别理想，仅为 66.67 %，主要原因可能是在同步硝化反硝化条件下，无法达到理想的除磷环境，在厌氧区内基本不存在硝态氮(理论上)，在缺氧区基本不存在碳源(理论上)，因此，除磷效率不高，同时，本工艺污泥浓度较高，泥龄一般较长，剩余污泥排放量较少，也影响到除磷效率。

                    4.2 出水效果

                    废水处理站于 2020 年调试运行，至今已稳定运行近 2 年，累计处理水量已超过 10 万 m3。项目最终出水水质如图 6 所示，由图可知，出水透亮、悬浮物少，无异味，观感较佳。

                     5 工艺特点

                     通过对本案例分析，同步硝化反硝化工艺特点如下：

                    (1)卓越脱氮除碳处理效果，维持同步硝化反硝化的微生物环境，系统运行稳定后出水 COD≤100 mg/L、NH3-N≤10 mg/L。

                    (2)一体化池型设计，占地面积小，且最大限度扩大容积利用率，整个生化系统可节省占地 20 %~40 %。

                    (3)电耗低，运行成本低，特殊池体结构设计，无需回流泵即可实现大回流循环，辅助高效曝气技术，与传统工艺相比系统能耗降低约 35 %。
                     (4)精确曝气，氧传质效率高，全池满布曝气装置，清水 6 m水深可达 50 %供氧率，由自控系统智能调控风机启停实现低溶氧控制，同时通过巧妙设计，实现曝气软管在线提拉。

                    (5)抗冲击负荷，运行稳定，全池接近完全混合状态，抵抗来水水质水量波动。

                    (6)活性污泥浓度高，污泥龄长，污泥浓度高达 8000 mg/L，通过生物选择和富集技术获得的长污泥龄   微生物。 

                    (7)高度自动化，控制模块集成风机、加药系统、进水模块、水质监测系统，以及软硬件、多功能模块和远程控制 APP于一体，大大降低低运维管理成本，真正实现点源式污水处理无人值守和自动化运行。

                     6 结语

                     惠州市某规模养殖场养殖污水处理站工程，针对养殖废水“五高”特点，特别是高氨氮、高 COD，采用同步硝化反硝化工艺对其进行脱氮除碳处理，系统运行稳定后，各项指标均达到国家综排一级标准，出水效果较好，有效地保护当地生态环境，为畜禽养殖业可持续发展提供可靠保障，可为其他类似项目提供一定的理论依据和应用参考。在同步硝化反硝化技术应用过程中，我们发现，系统对原水 C/N 要求较高，除磷效果不佳，系统产泥量大，后续加药成本加高等问题，有待进一步研究、改进。

                      综上所述，在养殖废水处理中应用同步硝化反硝化技术脱氮除碳具有诸多优势，如工艺流程短、占地面积省、脱氮除碳效率高、能耗低等等，同步硝化反硝化技术将成为未来生物脱氮除碳的重要途径之一。

                     原标题：同步硝化反硝化技术在养殖废水处理中的应用

                     原作者：匡文，王旭伟，熊刚，陈莎，朱世龙