屠宰废水处理反应沉淀一体式矩形环流生物反应器
屠宰废水含有较高浓度的有机物(CODCr)、总氮(TN)和悬浮物(SS)，相比生活污水处理难度较大。华润肉类食品(深圳)有限公司龙岗分公司原有2500m3/d屠宰废水处理设施，采用A2/O工艺，目前处理水量已接近饱和。因扩大生产规模的需要，该厂急需新增约1500m3/d的废水处理设施，而目前厂区内空地面积有限，需要选择一种占地少而又能保证处理效果的工艺进行扩容。
反应沉淀一体式矩形环流生物反应器(RPIR反应器)是笔者单位前期开发的产品，该反应器基于经典化工传质理论和前人基础研究，内部设置巧妙的导流板结构，提高了氧传质效率，促进空气、微生物(活性污泥)和水体三相的接触反应，同时又为活性污泥和水体的分离提供了良好的条件。RPIR反应器集反应区和沉淀区于一体，有效微生物被截留下来，使生化池中能够保持较高的活性污泥浓度，因此具备水力停留时间短、占地面积小、运行成本低等特点。
本研究是首次将RPIR反应器应用于屠宰废水的处理，新建一条处理规模为1500m3/d的废水处理设施，并结合运行数据分析RPIR反应器对屠宰废水的处理效果。
1、工艺设计与方法
1.1 设计进出水水质
根据深圳市对屠宰场废水的排放要求，并结合GB13457―1992《肉类加工工业水污染物排放标准》的三级标准，设计进出水水质如表1所示。
1.2 试验装置
本设计的核心技术为RPIR好氧反应器。RPIR好氧反应器原理如图1所示。RPIR好氧反应器通过设置导流装置，将生化废水处理技术中的生化反应区和污泥沉淀区整合，并在底部设置污泥斗。废水由反应器底部进入，经环流运动与反应器内活性污泥充分混合，之后在两侧沉淀区进行泥水分离，最终上清液由沉淀区上部溢流排出，污泥自动沉降至反应区，剩余污泥经污泥斗定期排出。反应区下部设有微孔曝气器，由罗茨风机供气用于提供溶解氧及反应器内液体循环流动的动力。RPIR厌氧反应器的原理、结构与好氧反应器类似，无曝气功能，且外形设计为圆筒形。
1.3 处理工艺
新系统工艺流程如图2所示。
RPIR厌氧反应器设置2座，每座尺寸为6.0m×10.5m，有效容积为282.6m3，废水停留时间为9.0h，提升泵将废水分别提升至RPIR厌氧反应器1和RPIR厌氧反应器2。在厌氧反应器出水管口设置PAC除磷添加点，PAC与废水一同进入有效容积为1000m3的RPIR好氧反应器，废水在池内完成好氧过程，停留时间为16h，保持污泥浓度在6000mg/L左右。选择流量为43.9m3/h、功率为75kW的罗茨风机充氧。各构筑物的停留时间如表2所示。
1.4 生化池调试方法
采用临时泵从现有污泥浓缩池中抽取污泥至生化池。采用清水稀释污泥后，RPIR好氧反应器首先闷曝2d，第3天进水量从小到大逐渐增加，连续运行数天后活性污泥开始逐渐增多，为了加快这一进程，再分批投加污泥，在污泥驯化初期，合理控制曝气量。RPIR厌氧反应器的污泥驯化较为简单，污泥接种后，直接闷罐发酵2d，当液面出现浮泥时，及时清扫，然后再投加污泥，由于厌氧过程污泥生长极为缓慢，因此，污泥投加量较多。
1.5 分析方法
CODCr采用重铬酸盐法测定，NH3-N采用纳式试剂分光光度法测定，TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，MLSS采用文献的方法。每10天进行6次水质采样及测定，并统计10d内各水质参数的平均值。
2、结果与讨论
2.1 CODCr去除效果分析
CODCr浓度变化及去除率如图3所示。进水CODCr的质量浓度为496.5~4480mg/L，经RPIR好氧反应器处理后，出水CODCr平均质量浓度为110.8mg/L(远低于排放限值280mg/L)，总平均去除率达94.1%，其中RPIR好氧反应器对CODCr的平均去除率达86.5%，起主要作用。尽管RPIR好氧反应器的停留时间仅有16h，但是由于氧传质作用强，有益微生物较多，微生物能高效降解含碳有机物，新系统对CODCr的年削减量为970.9t。
2.2 NH3-N去除效果分析
新系统对NH3-N的去除效果如图4所示。总进水NH3-N质量浓度较高，平均值为163.3mg/L。废水经过气浮池、RPIR厌氧反应器1、RPIR厌氧反应器2和RPIR好氧反应器处理后，出水NH3-N质量浓度为16.0mg/L。新系统对NH3-N的总去除率为82.4%~95.9%，平均去除率为90.1%，年削减量为80.6t。RPIR好氧反应器去除NH3-N的能力强，主要在于它的结构设计，能够高效截流有益菌体，创造有利于污泥龄较长的微生物生存的环境。结合理论指导及现场运行情况，在确保NH3-N得到高效降解的前提下，通过调控风机频率保证RPIR好氧反应器的溶解氧质量浓度维持在2.0mg/L即可，充分实现节能、环保。
2.3 TN去除效果分析
新系统对TN的去除效果如图5所示。总进水TN平均质量浓度为258.3mg/L。原水经气浮池、RPIR厌氧反应器1、RPIR厌氧反应器2和RPIR好氧反应器处理后，出水TN质量浓度为24.9~119.5mg/L，平均值为81.5mg/L。新系统对TN的平均去除率为68.4%，年削减量为94.9t。通常，生化反应去除TN的机理是由NH3-N转换的硝态氮在缺氧环境下再转换为氮气。RPIR好氧反应器前端并无缺氧过程，因此，推测脱氮效果主要为RPIR好氧反应器的生化反应。类似观点在前人的研究中已有所表述，刘长青等研究AmOn一体式工艺与RPIR反应器结构类似，导流板的作用也将反应器分隔为好氧硝化区和缺氧反硝化区；方芳等提倡间歇式曝气创造出有氧-缺氧的环境，类似于RPIR的曝气区和沉淀区的更新交替，可以加强硝化和反硝化作用。
2.4 TP去除效果分析
新系统对TP的去除效果如图6所示。系统进水的TP质量浓度为20.8~54.4mg/L，平均值为28.8mg/L。为了提高除磷效果，本工艺在RPIR厌氧反应器出水管口设置化学药剂除磷点，经厌氧反应器处理后，废水与药剂一同混合进入RPIR好氧反应器，最终出水TP质量浓度为2.3~9.9mg/L，平均值为3.8mg/L，TP去除率达78.0%~92.2%，平均去除率达85.9%。经计算，本系统对TP的年削减量达13.7t。结合实际运行情况，可发现本系统的TP去除效果与进水TP浓度及RPIR好氧反应器的排泥频率有密切的相关性。
2.5 SS去除效果分析
RPIR好氧反应器的出水SS质量浓度如图7所示。出水SS质量浓度远低于设计值100mg/L，分布在10~29mg/L之间，平均值为17mg/L。通常情况下，废水经过好氧处理后，后端需要具有足够大的沉淀池或较长的废水停留时间才能保证出水具有较低的SS值。RPIR的沉淀区具有特殊的导流板，使环流混合液在沉淀区能够静置下来，省去了沉淀池等构筑物，大大节省了占地空间。在系统运行过程中，出水SS浓度受好氧区污泥浓度和溶解氧的影响较大，污泥浓度越高(现场测定7500mg/L以上)，出水SS浓度随之增高；溶解氧的质量浓度越高(高于4.0mg/L)，产生的泡沫导致污泥上浮，出水的SS浓度也会增高。因此，在系统运行中，保持污泥浓度为6000mg/L，溶解氧的质量浓度为2.0mg/L，对出水SS浓度具有重要的意义。
2.6 新系统运行稳定性分析
每10天监测RPIR好氧反应器的MLSS、MLVSS和SV30，连续监测7个月，结果如图8所示。RPIR好氧反应器内MLSS与MLVSS的质量浓度分别为6000、3650mg/L左右，SV30处于35%~45%之间。其中，第7次监测到MLSS的质量浓度为7100mg/L，SV30达56%，明显偏高，其原因是此次取样前后几天内，RPIR好氧反应器曝气区内溶解氧质量浓度高达4.4mg/L，导致好氧微生物大量繁殖，污泥浓度增加。第13次监测到MLSS的质量浓度为3421mg/L，SV30只有16%，这是因为该段时间新系统进水中含大量的猪血，有机物大分子浓度显著增高，系统在短时间内受到冲击，部分污泥失去活性，但10d后污泥活性即恢复正常。可见，RPIR工艺具有较强的抗冲击能力，但在实际运行中，仍需避免血水等高分子有机物大量进入系统。
3、系统运行经济性分析
A2O工艺是处理屠宰废水的主流工艺之一，本厂原有系统采用此工艺，生化池的有效容积为2350m3，生化区吨水占地面积为0.29m2。A2O工艺对CODCr、NH3-N的去除效果可以达90%以上，但其硝化液回流需要耗费较高的能量，且后续的沉淀池增加了占地面积，并不适用于用地面积紧张的废水处理厂的扩容改造。
相比于原有系统，新系统生化区吨水占地面积为0.16m2，针对1500m3/d的废水处理规模，可节约建设面积212.75m2，直接节省投资160万。原有系统和新系统的生化池耗电量分别为1.4、1.1kW•h/t。新系统采用RPIR技术，在保证CODCr、NH3-N、TN、TP和SS处理效果的前提下，省去了沉淀池，生化区的吨水占地面积大大减小；并且由于RPIR反应器污泥进行内循环，无需回流泵工作，同时可节约电耗。
对比除磷剂PAC的投加量可知，原系统与新系统的投加量均分布在90~100mg/L之间，新工艺的生化除磷效果与原系统的生化除磷效果相似，新系统的优势主要在于RPIR好氧反应器能高效去除NH3-N、CODCr。
4、结论
(1)RPIR反应器对屠宰废水具有较好的处理能力，对CODCr、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别达94.1%、90.1%、68.4%和85.9%，出水平均质量浓度分别为110.8、16.0、81.5、3.8mg/L。出水SS平均质量浓度为17mg/L。其中，出水CODCr、NH3-N、SS优于GB13457―1992二级标准。RPIR曝气反应区MLSS的质量浓度可以稳定维持在6000mg/L左右，SV30保持在35%~45%之间。
(2)与原有废水处理系统(A2O)相比，新系统的优势主要在于节约建设面积212.75m2，生化区处理单位废水占地面积仅为0.16m2，RPIR好氧反应器的废水停留时间仅有16h。
(3)RPIR反应器具有简化废水处理流程、节能的显著优势。将反应区和沉淀区巧妙地整合一起，利用环流效应，省去污泥回流泵，可节约能耗，而将反应器分割成硝化和反硝化区域，强化了反应器去除NH3-N和TN能力。(来源：深圳市清研环境科技有限公司，深圳清华大学研究院，华润肉类食品(深圳)有限公司龙岗分公司)