CN103723892B - 一种畜禽废水处理系统及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种畜禽废水处理系统及其处理方法，属于畜禽养殖废水的处理领域。它包括依次串联的水量调节池、EGSB厌氧反应器和塔式生物滤池，所述的EGSB厌氧反应器内中设置有机械搅拌器，所述的EGSB厌氧反应器的部分出水通过泵抽送至该EGSB厌氧反应器底部进行内回流，通过控制阀门的启闭及开启度控制回流水，回流水经过机械搅拌器推动叶轮转动后接入EGSB厌氧反应器底部与布水器连接的布水管。采用本发明的系统和方法，处理后的废水不仅能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596-2001）的标准，而且废水处理的基建和运行成本更低。
Description
技术领域
本发明属于畜禽养殖废水的处理领域，更具体地说，是一种畜禽废水处理的系统和方法。
背景技术
近几年，经济的发展加速了畜禽养殖业的发展。畜禽养殖业产生的污染物，特别是养殖场废水，造成的环境污染问题也日渐突出。养猪场废水中除了含有大量的冲洗水外，还含有尿液、粪便残渣、饲料残渣等，有机物及悬浮物浓度高，成分复杂，属于典型的“三高”废水，即高有机物浓度、高悬浮物、高氮磷浓度，给达标处理造成了很大的难度。据有关研究显示，猪粪尿的COD高达20000-30000mg/L，排放废水的BOD5高达2000-8000mg/L，其中的氮、磷浓度是生活污水的20～50倍。
厌氧-好氧组合工艺是近几年普遍应用于畜禽养殖污水处理的工艺。目前国内外多数采用SBR工艺作为厌氧阶段的后处理，杨虹等(杨虹，李道棠，朱章玉，等.集约化养猪场冲栏水的达标处理[J].上海交通大学学报，2000，34(4)：550-560.)小试中发现：如果不外添加碱，处理效果往往不理想，NH4 +-N的去除率小于60％，出水中NH4 +-N的浓度为600mg/L左右。Bernet等采用了类似于A/O工艺的厌氧SBR-好氧SBR组合工艺处理猪场废水，TOC去除率81％-91％，NH4 +-N去除率97％，TN去除率仅有58.5％，效果不理想，并且需要将好氧SBR出水回流至厌氧SBR，水力停留时间(HRT)长达22-30天。邓良伟等采用水解-SBR-活性炭吸附工艺处理规模化猪场粪污，但处理的费用太高，难以大规模推广。杨朝晖等(杨朝晖，曾光明，高锋.固液分离-UASB-SBR工艺处理养猪场废水的试验研究[J].湖南大学学报，2002，29(6)95-99.)采用固液分离-UASB-SBR组合工艺处理养猪场废水。但该工艺流程复杂，稳定性较差。上述研究集中于组合工艺对养殖废水处理的水质净化，忽略了厌氧过程产生的CH4污染控制。而CH4是一种重要的温室气体，对全球变暖的温室效应仅次于CO2，其全球百年增温潜势是CO2的25倍。
EGSB反应器和塔式生物滤池在处理畜禽废水方面已经有一定的应用。中国专利申请号：CN201210596235.2，公开日：2013年04月24日的专利申请文件，公开一种微氧膨胀颗粒污泥床-钢渣生物滤池污水处理系统，用以解决好氧活性污泥法占地面积大、曝气能耗高和剩余污泥产量大的问题。该系统由微氧膨胀颗粒污泥床反应器和钢渣生物滤池串联组合而成。其不足之处在于：1)钢渣填料的成本较高，仅原料成本就为3000-4000元/吨，而矿化垃圾、炉渣的这类生物填料的成本低于400元/吨(主要包 括：电费，运输费，劳务费等)。石磊按照快滤系统设计原则构建的示范工程，处理规模50t/d，吨处理成本仅为5.1元(钱小青,牛东杰,楼紫阳,等.填埋场矿化垃圾资源综合利用研究进展[J].环境卫生工程,2006,14(2):62-64.)；2)钢渣填料的主要依靠吸附作用去除污染物，滤料堵塞或达到吸附饱和后，更换滤料或者再生都会增加运行成本和人工作业时间，而矿化垃圾作为生物滤料主要依靠表面附着了数量庞大、种类繁多、代谢能力极强的微生物群落进行生物降解，通过在矿化垃圾中增加蚯蚓，可以在不借助人工作业的情况下的增加填料的透水性能，提高处理效果和过滤周期；3)没有对EGSB反应器产生的沼气进行充分利用；4)EGSB反应器仅依靠多孔布水板布水能增加垂直方向上的扰动，但对水平方向上的扰动作用较小，对泥水之间的接触面积的增加效果有限，以至泥水接触不充分。
此外，采用矿化垃圾等固体废弃物作为填料的塔式生物滤池虽然运行成本较低，但在实际应用中存在着滤料堵塞的问题。
发明内容
1、发明目的
针对现有技术中畜禽废水处理中厌氧处理过程CH4气体无序排放，EGSB反应器存在颗粒污泥床与废水接触不充分，反应器底部负荷过重，塔式生物滤池滤料堵塞的问题，本发明提供了一种畜禽废水处理系统及其处理方法，处理后的废水不仅能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的标准，而且废水处理的基建和运行成本更低。
2、技术方案
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下。
一种畜禽废水处理系统，它包括依次串联的水量调节池(1)、EGSB厌氧反应器(2)和塔式生物滤池(3)，其特征在于：
所述的EGSB厌氧反应器(2)内中设置有机械搅拌器(21)，所述的EGSB厌氧反应器(2)的部分出水通过泵抽送至该EGSB厌氧反应器(2)底部进行内回流，通过控制阀门的启闭及开启度控制回流水，回流水经过机械搅拌器(21)推动叶轮(22)转动后接入EGSB厌氧反应器(2)底部与布水器(25)连接的布水管，所述布水器(25)同时接入来自水量调节池(1)的废水；
所述塔式生物滤池(3)从顶部向下依次设置有高位水箱(31)、旋转布水器(32)、滤料层和集水箱(33)，所述EGSB厌氧反应器(2)处理后的出水通过上部管道自流到塔式生物滤池(3)顶部的高位水箱(31)中，经旋转布水器(32)均匀布水，再由滤 料层流出后由集水箱(33)收集；
所述的滤料层包括三级，从上到下依次为矿化垃圾、矿化垃圾和煤渣，液固比为1:10～1:15，其中，第二级滤料层中蚯蚓和矿化垃圾的质量比为1:5～1:10。
优选地，该系统还包括氧化塘(4)和潜流式人工湿地(5)，经塔式生物滤池(3)处理的出水依次流经氧化塘(4)、潜流式人工湿地(5)进行处理。
优选地，所述的EGSB厌氧反应器(2)的顶部设置有气体收集管道(23)，气体收集管道(23)与氧化塘(4)表面设置的曝气机(41)连接。
优选地，进入到氧化塘(4)的废水由安装在氧化塘(4)底部的布水器(25)进行均匀布水。
优选地，所述的潜流式人工湿地(5)从上到下依次设置四级填料层，分别为细沙、粘土、碎石和碎砖，所述潜流式人工湿地(5)表层种植的植物为芦苇、香蒲、水葫芦、水芹菜、美人蕉、苦草、软水草中的一种或几种。
优选地，所述的EGSB厌氧反应器(2)的高径比为5:1～8:1，叶轮(22)的直径为EGSB厌氧反应器(2)直径的3/5～4/5，机械搅拌器(21)上沿机械搅拌器(21)的搅拌轴均匀分布的叶轮(22)有4～6片，转速为120-180r/min，EGSB厌氧反应器(2)回流流量为进水流量的3～5倍。
一种畜禽废水的处理方法，其步骤为：
(A)畜禽废水经水量调节池(1)调节水量后由提升泵提升至EGSB厌氧反应器(2)，由安装在EGSB厌氧反应器(2)底部的布水器(25)进行均匀布水，废水中的有机物充分与EGSB厌氧反应器(2)底部的污泥接触，大部分被处理吸收；
同时，EGSB厌氧反应器(2)的部分出水通过管道送至EGSB厌氧反应器(2)底部进行回流，用于推动EGSB厌氧反应器(2)内机械搅拌器(21)的叶轮(22)转动并接入EGSB厌氧反应器(2)底部的布水器(25)进行布水；
EGSB厌氧反应器(2)厌氧产生的甲烷通过气体收集管道(23)收集；
(B)EGSB厌氧反应器(2)处理后的出水自流到塔式生物滤池(3)；
(C)塔式生物滤池(3)处理后的出水自流到氧化塘(4)底部，由安装在氧化塘(4)底部的布水器(25)进行均匀布水，氧化塘(4)表面曝气机(41)利用该步骤(A)中的收集气和空气的混合气体进行曝气，塘内处于厌氧和好氧交替；
(D)氧化塘(4)处理后的出水通过管道自流入潜流式人工湿地(5)；
(E)经过潜流式人工湿地(5)处理后的出水通过管道排入就近的河流(6)中。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)EGSB厌氧反应器的一部分出水通过泵抽送至反应器底部进行内回流，通过控制阀门的启闭及开启度控制回流水，回流水经过机械搅拌器推动叶轮的转动后接入布水管，通过叶轮的搅动作用和随之产生的上升流速，增加了泥水在水平方向上和垂直方向上的扰动，颗粒污泥完全达到流化状态，一方面增加了泥水之间的接触面积，使生化反应速率明显提高，从而大大提高了反应器去除有机物的能力，另一方面固体的流化状态可以减轻反应器底部负荷过重的状况，从而增加了反应器对有机负荷的承受能力；同时由于回流水的稀释作用，增加了颗粒污泥的抗冲击负荷能力；此外，EGSB厌氧反应器的内部通过设置机械搅拌器，机械搅拌器依靠水流的流动驱动，减少了电机设备的使用，从而降低了基建和运行成本；
(2)塔式生物滤池的第二级滤料层中通过在矿化垃圾滤料中引入蚯蚓，提高了矿化垃圾的透水性能，避免了填料堵塞问题，促进了有机物质分解转化，对氮、磷去除有很大幅度的提高；塔式生物滤池的填料采用矿化垃圾和煤渣，属于废物的再利用，极大地降低了运营成本；
(3)该组合工艺中，后续处理采用氧化塘和潜流式人工湿地，充分利用已有资源，减小了基建投资；EGSB厌氧反应器有较大的高径比，减小了占地面积；
(4)塔式生物滤池出水依靠布水管从氧化塘底部均匀布水，保证了污染物与微生物的良好接触，有效提高了负荷及处理效率；
(5)EGSB厌氧反应器产生的沼气(CH4)气体，通过气体管道接入氧化塘表面的曝气机，和空气混合后对氧化塘进行曝气，利用水体中氨氧化菌对甲烷的同等氧化能力削减了温室气体CH4的排放，减少了二次污染；同时通过控制曝气机对氧化塘进行间歇式曝气，在塘内形成了厌氧和好氧的交替环境，有效地提高了污水中的N、P、有机物的去除率。
附图说明
图1本发明畜禽废水处理系统示意图；
图2本发明畜禽废水处理系统的EGSB厌氧反应器的剖视图；
图3本发明畜禽废水处理系统的塔式生物滤池的剖视图。
图中：1、水量调节池；2、EGSB厌氧反应器；21、机械搅拌器；22、叶轮；23、气体收集管道；24、三相分离器；25、布水器；3、塔式生物滤池；31、高位水箱；32、旋转布水器；33、集水箱；4、氧化塘；41、曝气机；5、潜流式人工湿地；6、河流。
具体实施方式
下面结合具体的实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明。
实施例1
本实施例以猪粪污水(平均水质为COD 3877.4mg/L，TP 39.0mg/L，TN1335.8mg/L，NH4 +-N781.3mg/L，SS 1765mg/L，pH 8.01)为例进行废水处理。
结合图1，图2，将贮存在水量调节池1中的猪粪污水(平均水质为COD 3877.4mg/L，TP 39.0mg/L，TN1335.8mg/L，NH4 +-N781.3mg/L，SS 1765mg/L，pH 8.01)，以1.2m3/h的流量注入EGSB厌氧反应器2，EGSB厌氧反应器2高8m，直径1m，有效容积为24m3，顶部设置三相分离器24，机械搅拌器21沿搅拌轴均匀分布有5片叶轮22，直径0.8m，20h后开始内回流，回流流量为6.0m3/h，通过调节回流控制阀的启闭及开启度，机械搅拌器21中叶轮22的转速为175r/min，EGSB厌氧反应器2内废水的上升流速为3.0m/h，之后保持进水流量为1.5m3/h，回流流量为8.5m3/h，水力停留时间HRT为15h，平均出水水质为COD 969.4mg/L，TP30.0mg/L，TN367.2mg/L，NH4 +-N712.5mg/L，SS 843mg/L，pH 7.55；经EGSB厌氧反应器2处理后的出水通过管道以0.4m3/h的流量注入塔式生物滤池3顶部的高位水箱31(边长均为1m)中，并通过水箱底部的旋转布水器32均匀布水。结合图3，塔式生物滤池3长2m、宽1m、高5m，从上到下设置三级滤料层，滤料依次分别为矿化垃圾、矿化垃圾、煤渣，液固比为1:15，其中，第二级滤料层中蚯蚓和矿化垃圾的质量比为1:5，各级滤料层的高度均为1m，旋转布水器32出水流量为0.4m3/h，塔式生物滤池3的水力负荷为0.4m3/(m3滤料·d)，水力停留时间HRT为15h，平均出水水质为COD 533.7mg/L，TP13.0mg/L，TN157.8mg/L，NH4 +-N208.1mg/L，SS 143mg/L，pH 7.84；
如图1，经塔式生物滤池3处理后的出水由滤池底部的集水箱33收集并通过管道自流到氧化塘4底，氧化塘4深度为5m，池顶长8m、宽5m，池底长6m、宽4m，进水通过底部的布水器25进行均匀布水，进水口距池顶2.5m，布水器25距池顶2m，出水口距水面0.5m；通过表面曝气机41进行间歇曝气，周期为12h，24h内的曝气时间分布为4～8h、12～16h、20～24h；氧化塘4表面曝气机41利用EGSB厌氧反应器2的顶部气体收集管道23的收集气和空气的混合气体，混合比为1:5，水力停留时间HRT为7天，平均出水水质为COD 405.1mg/L，TP8.4mg/L，TN130.1mg/L，NH4 +-N112.5mg/L，SS104mg/L，pH 7.21。
如图1，经氧化塘4处理后的出水通过管道自流入潜流式人工湿地5，潜流式人工湿地5深度为8m、长7m、宽3m，从上到下设置四级填料层，填料依次分别为细沙、粘土、碎石、碎砖，其中细沙层厚度为0.5m，粘土层厚度为1.0m，碎石层厚度为2.5m， 粒径为1～5cm，碎砖层厚度为4.0cm，粒径为5～20cm。潜流式人工湿地5进水口距池底1.5m，出水口距填料层顶部0.5m，；潜流式人工湿地5种植的植物为美人蕉、苦草、软水草和水芹菜，平均出水水质为COD 353.5mg/L，TP6.0mg/L，TN100.5mg/L，NH4 +-N70.1mg/L，SS 84mg/L，pH 7.15，处理后的废水中N、P及有机物量均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的允许值，经过潜流式人工湿地5处理的出水通过管道排入就近的河流6中，排出潜流式人工湿地5处理水的管道与河流历史最高水位高差为0.5m。
实施例2
本实施例以猪粪污水(平均水质为COD 2544.8mg/L，TP 35.0mg/L，TN644.7mg/L，NH4 +-N281.3mg/L，SS 1664mg/L，pH 7.53)为例进行废水处理。
结合图1，将贮存在水量调节池1中的猪粪污水(平均水质为COD 2544.8mg/L，T P 35.0mg/L，TN644.7mg/L，NH4 +-N281.3mg/L，SS 1664mg/L，pH 7.53)，以2.0m3/h的流量注入EGSB厌氧反应器2，如图2，EGSB厌氧反应器2高5m、直径1m，有效容积为14m3，顶部设置三相分离器24，机械搅拌器21的搅拌轴上设置有4片叶轮22，直径0.6m，沿竖直方向均匀交错分布，7h后开始内回流，回流流量为6.0m3/h，通过调节回流控制阀的启闭及开启度，机械搅拌器21中叶轮22的转速为125r/min，EGSB厌氧反应器2内废水的上升流速为3.0m/h，之后保持进水流量为1.5m3/h，回流流量为8.5m3/h，水力停留时间HRT为15h，平均出水水质为COD 908.6mg/L，TP28.0mg/L，T N288.7mg/L，NH4 +-N122.5mg/L，SS776.0mg/L，pH 7.44。
结合图1、图3，经EGSB厌氧反应器2处理后的出水通过管道以0.6m3/h的流量注入塔式生物滤池3顶部的高位水箱31(边长均为1m)中，并通过高位水箱31底部的旋转布水器32均匀布水，塔式生物滤池3长2m、宽1m、高5m，从上到下设置三级滤料层，滤料依次分别为矿化垃圾、矿化垃圾、煤渣，液固比为1:10，其中，第二级滤料层中蚯蚓和矿化垃圾的质量比为1:10，滤料层高均为1m，旋转布水器32出水流量为0.4m3/h，塔式生物滤池3的水力负荷为0.6m3/(m3滤料·d)，水力停留时间HRT为10h，平均出水水质为COD 410.4mg/L，TP10.5mg/L，TN124.2mg/L，NH4 +-N80.8mg/L，S S 121mg/L，pH 7.14。
结合图1，经塔式生物滤池3处理后的出水由滤池底部的集水箱33收集并通过管道自流到氧化塘4底部，氧化塘4深度为5m，池顶长8m、宽5m，池底长6m、宽4m，进水通过底部的布水器25进行均匀布水，进水口距池顶2.5m，布水器25距池顶2m，出水口距水面0.5m；通过表面曝气机41进行间歇曝气，周期为12h，24h内的曝气时间 分布为4～8h、12～16h、20～24h；氧化塘4表面曝气机41利用EGSB厌氧反应器2顶部的气体收集管道23收集气和空气的混合气体，混合比为1:5，平均出水水质为COD 371.6mg/L，TP6.1mg/L，TN90.2mg/L，NH4 +-N72.7mg/L，SS 84mg/L，pH 7.09。
经氧化塘4处理后的出水通过管道自流入潜流式人工湿地5，潜流式人工湿地5深度为8m，长7m，宽3m，从上到下设置四级填料层，填料依次分别为细沙、粘土、碎石、碎砖，其中细沙层厚度为0.5m，粘土层厚度为1.0m，碎石层厚度为2.5m，粒径为1～5cm，碎砖层厚度为4.0cm，粒径为5～20cm，潜流式人工湿地5进水口距池底1.5m，出水口距填料层顶部0.5m；潜流式人工湿地5种植的植物为芦苇、香蒲、水葫芦、水芹菜，平均出水水质为COD 303.5mg/L，TP5.5mg/L，TN80.5mg/L，NH4 +-N66.1mg/L，SS77mg/L，pH 7.05，处理后的废水中N、P及有机物量均达到《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)的允许值，经过潜流式人工湿地5处理后的出水通过管道排入就近的河流6中，排出潜流式人工湿地5处理水的管道与河流历史最高水位高差为0.5m。
Claims (7)
1.一种畜禽废水处理系统，它包括依次串联的水量调节池(1)、EGSB厌氧反应器(2)和塔式生物滤池(3)，其特征在于：
所述的EGSB厌氧反应器(2)内中设置有机械搅拌器(21)，所述的EGSB厌氧反应器(2)的部分出水通过泵抽送至该EGSB厌氧反应器(2)底部进行内回流，通过控制阀门的启闭及开启度控制回流水，回流水经过机械搅拌器(21)推动叶轮(22)转动后接入EGSB厌氧反应器(2)底部与布水器(25)连接的布水管，所述布水器(25)同时接入来自水量调节池(1)的废水；
所述塔式生物滤池(3)从顶部向下依次设置有高位水箱(31)、旋转布水器(32)、滤料层和集水箱(33)，所述EGSB厌氧反应器(2)处理后的出水通过上部管道自流到塔式生物滤池(3)顶部的高位水箱(31)中，经旋转布水器(32)均匀布水，再由滤料层流出后由集水箱(33)收集；
所述的滤料层包括三级，从上到下依次为矿化垃圾、矿化垃圾和煤渣，液固比为1:10～1:15，其中，第二级滤料层中蚯蚓和矿化垃圾的质量比为1:5～1:10。
2.根据权利要求1所述的畜禽废水处理系统，其特征在于：该系统还包括氧化塘(4)和潜流式人工湿地(5)，经塔式生物滤池(3)处理的出水依次流经氧化塘(4)、潜流式人工湿地(5)进行处理。
3.根据权利要求2所述的畜禽废水处理系统，其特征在于：所述的EGSB厌氧反应器(2)的顶部设置有气体收集管道(23)，气体收集管道(23)与氧化塘(4)表面设置的曝气机(41)连接。
4.根据权利要求3所述的畜禽废水处理系统，其特征在于：进入到氧化塘(4)的废水由安装在氧化塘(4)底部的布水器(25)进行均匀布水。
5.根据权利要求2所述的畜禽废水处理系统，其特征在于：所述的潜流式人工湿地(5)从上到下依次设置四级填料层，分别为细沙、粘土、碎石和碎砖，所述潜流式人工湿地(5)表层种植的植物为芦苇、香蒲、水葫芦、水芹菜、美人蕉、苦草、软水草中的一种或几种。
6.根据权利要求1-5任一项所述的畜禽废水处理系统，其特征在于：所述的EGSB厌氧反应器(2)的高径比为5:1～8:1，叶轮(22)的直径为EGSB厌氧反应器(2)直径的3/5～4/5，机械搅拌器(21)上沿机械搅拌器(21)的搅拌轴均匀分布的叶轮(22)有4～6片，转速为120-180r/min，EGSB厌氧反应器(2)回流流量为进水流量的3～5倍。
7.一种畜禽废水的处理方法，其步骤为：
(A)畜禽废水经水量调节池(1)调节水量后由提升泵提升至EGSB厌氧反应器(2)，由安装在EGSB厌氧反应器(2)底部的布水器(25)进行均匀布水，废水中的有机物充分与EGSB厌氧反应器(2)底部的污泥接触，大部分被处理吸收；
同时，EGSB厌氧反应器(2)的部分出水通过管道送至EGSB厌氧反应器(2)底部进行回流，用于推动EGSB厌氧反应器(2)内机械搅拌器(21)的叶轮(22)转动并接入EGSB厌氧反应器(2)底部的布水器(25)进行布水；
EGSB厌氧反应器(2)厌氧产生的甲烷通过气体收集管道(23)收集；
(B)EGSB厌氧反应器(2)处理后的出水自流到塔式生物滤池(3)；
(C)塔式生物滤池(3)处理后的出水自流到氧化塘(4)底部，由安装在氧化塘(4)底部的布水器(25)进行均匀布水，氧化塘(4)表面曝气机(41)利用该步骤(A)中的收集气和空气的混合气体进行曝气，塘内处于厌氧和好氧交替；
(D)氧化塘(4)处理后的出水通过管道自流入潜流式人工湿地(5)；
(E)经过潜流式人工湿地(5)处理后的出水通过管道排入就近的河流(6)中。
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