餐廚廢水成分復(fù)雜，有機(jī)污染物及營養(yǎng)物質(zhì)含量高。當(dāng)前針對(duì)餐飲廢水處理還未引起足夠的重視，處理手段簡單，處置效果不理想。而餐廚廢水中的高含量有機(jī)物含有大量的能量，有效的處理會(huì)獲得很高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境社會(huì)效益。因此，減量化、無害化和能源化處置，是實(shí)現(xiàn)高濃餐廚廢水處理可持續(xù)發(fā)展的必要技術(shù)手段。
近年來，國際上已對(duì)餐廚廢水的治理方法進(jìn)行了大量的研究，處理工藝多集中在生物處理和強(qiáng)化物化處理方法的研究。例如，英國學(xué)者采用厭氧接觸工藝處理含食用油的餐廚廢水，其BOD5去除率可達(dá)99%；日本及歐美等發(fā)達(dá)國家采用電絮凝、厭氧MBR以及透析法等技術(shù)降解高濃餐廚廢水。目前國內(nèi)餐廚廢水處理領(lǐng)域也呈現(xiàn)了多元化發(fā)展，MBR、生物接觸氧化、生物滴濾池、厭氧消化、微電解、氣浮和高級(jí)氧化等技術(shù)均有報(bào)道。但是，單純的利用厭氧或好氧工藝很難達(dá)到理想的處理效果。采用厭氧和好氧綜合整治技術(shù)處理高濃餐廚廢水，不僅能夠降解高含量有機(jī)物，回收利用生物能源，而且可以將污染物徹底礦化，有效去除廢水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，提高出水水質(zhì)。
基于此，結(jié)合國內(nèi)外餐廚廢水處理案例經(jīng)驗(yàn)，從廢水資源化、無害化和可持續(xù)的角度出發(fā)，開發(fā)了上流式厭氧污泥床（UASB）-A2/O-MBR組合工藝并進(jìn)行工程研究，探討該系統(tǒng)對(duì)餐廚廢水處理效果以及不同污染物在各工藝段的演變過程，并進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。研究結(jié)果可為城市高濃餐廚廢水處理，提供一種新型穩(wěn)定可持續(xù)的解決方案，并為餐廚廢水工程化處置提供借鑒。
1、工程概況
1.1 工藝流程
工程實(shí)驗(yàn)裝置處理水量為22m3/d，工藝流程如圖1所示。
餐廚廢水經(jīng)由格柵井進(jìn)入調(diào)節(jié)池，進(jìn)行水量水質(zhì)調(diào)節(jié)后經(jīng)由潛水泵送入氣浮池。采用氣浮一體機(jī)去除餐廚廢水中的油類和膠體類污染物，以減輕對(duì)后續(xù)生物處理工藝的壓力。氣浮池出水經(jīng)由離心泵送入UASB厭氧反應(yīng)器，出水自流進(jìn)入A2/O生物處理單元，最后經(jīng)MBR膜分離后出水排出。
反應(yīng)器均采用防腐碳鋼結(jié)構(gòu)。UASB有效容積為22m3，水力停留時(shí)間（HRT）24h。A2/O裝置內(nèi)裝有O型填料，總HRT為52h（厭氧18h、兼性14h、好氧20h）。MBR池有效容積13m3，HRT為14h，采用浸沒式聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜，膜孔徑為0.1μm，DO的質(zhì)量濃度控制在3～4mg/L。MBR出水方式為運(yùn)行7min、反沖洗1min，MLSS的質(zhì)量濃度控制在8～10g/L，混合液回流體積比為300%。
設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到DB44/26－2001規(guī)定中第二時(shí)段三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 廢水與污泥接種
餐廚廢水由深圳市某餐廚廢棄物循環(huán)利用示范園收集，并摻雜少量生活污水。該廢水經(jīng)由調(diào)節(jié)池、氣浮除油預(yù)處理后的COD為1.5～5.0g/L，BOD5為0.65～1.0g/L，NH4+-N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為100～310、180～430、80～180mg/L，鹽的質(zhì)量濃度為1.0～1.2g/L。
UASB反應(yīng)器內(nèi)的厭氧顆粒污泥取自江西省某生產(chǎn)檸檬酸企業(yè)處理廢水的厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)。污泥呈黑色，球形或橢球形，粒徑為0.8～1.5mm，TSS的質(zhì)量濃度大于60g/L，VSS的質(zhì)量濃度47.3g/L。A2/O-MBR系統(tǒng)接種污泥取自深圳某污水廠二沉池污泥。系統(tǒng)接種后，經(jīng)過約45d的啟動(dòng)期，表現(xiàn)出COD去除率趨于恒定，此時(shí)認(rèn)為組合工藝啟動(dòng)成功，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。
1.3 分析方法
在實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)水質(zhì)的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法測定。COD采用重鉻酸鉀法，TN含量采用過硫酸鉀消解紫外分光亮度法，NH4+-N含量采用水楊酸-次氯酸鹽法，NO2--N含量采用鹽酸萘乙二胺法，NO3--N含量采用酚二磺酸分光光度計(jì)法，TP含量采用鉬酸銨分光光度法，pH和DO含量采用便攜式測定儀測量，VFA含量采用蒸餾滴定法。
2、結(jié)果與討論
2.1 污染物去除效果
2.1.1 COD
餐廚廢水有機(jī)負(fù)荷較高，成分復(fù)雜，水質(zhì)水量波動(dòng)較大。系統(tǒng)運(yùn)行66d，對(duì)COD去除效果見圖2。
由圖2可知，進(jìn)水COD在1.5～5.0g/L，波動(dòng)較大。經(jīng)過組合工藝處理后，出水COD穩(wěn)定在一個(gè)較低的水平，出水平均為76.7mg/L，去除率逐漸穩(wěn)定在90%以上，COD平均去除率高達(dá)96.8%。該結(jié)果明顯好于國內(nèi)同類研究的去除效果（86%～90%）。表明UASB-A2/O-MBR組合工藝對(duì)COD的去除能力保持在了一個(gè)較高的水平，也具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力。實(shí)驗(yàn)中，UASB沼氣產(chǎn)量一直保持在10.8～35.3m3/d。
2.1.2 N
餐廚廢水中的氨基酸、蛋白質(zhì)等有機(jī)氮在UASB中的氨化菌的作用下通過水解轉(zhuǎn)化為NH4+-N，進(jìn)水所夾帶的和系統(tǒng)中所產(chǎn)生的NH4+-N主要經(jīng)由A2/OMBR組合工藝被去除。圖3為組合工藝的脫氮性能。
由圖3可知，系統(tǒng)進(jìn)水NH4+-N的質(zhì)量濃度在110～310mg/L變化且逐漸升高。分析原因是廢水收集運(yùn)輸過程延長，部分氨化作用導(dǎo)致。出水NH4+-N的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在11mg/L以下，NH4+-N的平均去除率為96.4%。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，TN的去除率逐漸升高至70%左右，但出水TN含量仍然維持在較高水平。造成這一結(jié)果的主要原因是UASB消耗大量有機(jī)物，致使反硝化系統(tǒng)的C/N過低，沒有足夠的有機(jī)碳源為反硝化細(xì)菌提供電子供體，反硝化作用無法正常進(jìn)行，NO3--N滯留在系統(tǒng)中無法去除，從而導(dǎo)致TN去除不徹底。通過增加外加有機(jī)碳源裝置，可以提高系統(tǒng)的TN去除能力。
2.1.3 TP
圖4為組合工藝的對(duì)TP的去除。
由圖4可知，進(jìn)水TP的質(zhì)量濃度在80～180mg/L波動(dòng)，出水TP的質(zhì)量濃度平均為13mg/L，對(duì)TP的去除率維持在80%以上，最高可達(dá)96%。組合工藝對(duì)TP的去除效果良好，主要是污泥的吸附截留，生物除磷以及MBR膜分離三者共同作用的結(jié)果。
UASB-A2/O-MBR組合工藝對(duì)高濃餐廚廢水的處理，降低污染物排放量，出水水質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求達(dá)到DB44/26－2001規(guī)定的第二時(shí)段三級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，減少了對(duì)周邊環(huán)境的污染，同時(shí)將污染物轉(zhuǎn)化為能源，年產(chǎn)沼氣約6606.5m3，約可發(fā)電12.6MW•h，獲得良好的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益.預(yù)計(jì)該餐廚廢水工程每年可削減COD、TN、TP分別為20.1、1.42、0.8t。
2.2 污染物的沿程變化
研究各污染物含量在處理系統(tǒng)各工藝段的沿程變化，可以明確各工藝段對(duì)不同污染物降解的貢獻(xiàn)大小，以及前后工藝之間的相互作用和影響，為日后工藝優(yōu)化和運(yùn)行操作提供理論依據(jù)。
2.2.1 COD
COD的沿程變化結(jié)果如表1所示。
由表1可知，經(jīng)過UASB厭氧消化處理，進(jìn)水中的COD急劇下降，平均去除率達(dá)到91.5%，經(jīng)過A2/O工藝進(jìn)一步處理，進(jìn)入MBR可生化降解的COD有限，經(jīng)過膜分離作用，出水COD進(jìn)一步降至78mg/L以下。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，UASB段存蓄著大量活性較高的厭氧顆粒污泥，具有較大的比表面積和良好的沉淀性能，能夠迅速截留吸附廢水中的大分子有機(jī)物，有機(jī)物在污泥床層被水解和產(chǎn)甲烷菌去除或者被降解為小分子有機(jī)物進(jìn)入下一級(jí)處理系統(tǒng)，降低后續(xù)處理的有機(jī)負(fù)荷。高效的膜分離作用一方面可維持系統(tǒng)內(nèi)較高的污泥濃度和活性；另一方面可以截留殘余的大分子有機(jī)物，并使其在MBR中的停留時(shí)間延長便于生物降解，進(jìn)而使得在A2/O中難以降解的可溶性有機(jī)物進(jìn)一步被去除，最終出水中剩余的COD以溶解性難生物降解有機(jī)物為主。
2.2.2 NH4+-N、TN及TP
NH4+-N、TN及TP3種污染物含量的沿程變化見表2。
由表2可知，由于氨化作用，所以UASB出水NH4+-N平均含量升高，廢水在流經(jīng)A2/O和MBR2個(gè)單元時(shí)NH4+-N含量分別下降了76.23%和88.8%，其中A2/O工藝對(duì)于NH4+-N的去除所做的貢獻(xiàn)占到了組合工藝的76.23%，最終MBR工藝出水NH4+-N平均質(zhì)量濃度降至6.7mg/L。廢水在流經(jīng)前端工藝時(shí)消耗了大量的有機(jī)物，導(dǎo)致MBR進(jìn)水有機(jī)碳源含量低，同時(shí)膜分離作用延長了污泥停留時(shí)間，在這樣的環(huán)境下，異樣菌的競爭優(yōu)勢被削弱；生長緩慢，世代周期長的自養(yǎng)型硝化細(xì)菌的繁殖富集的得到了強(qiáng)化，從而保持MBR較高的硝化活性。
TN和TP平均含量在組合工藝中均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。UASB中的脫氮除磷作用主要由顆粒污泥的吸附截留含氮磷的有機(jī)物。
A2/O作為去除TN的主要工藝單元，通過硝化反硝化作用將NH4+-N以氮?dú)獾男问结尫诺酱髿庵校瑢?duì)脫氮的貢獻(xiàn)率為整個(gè)系統(tǒng)的77.22%。理論上，考慮細(xì)胞合成，還原1gNO3--N需要2.47g甲醇（有機(jī)物），但是還原1gNO3--N所需的有機(jī)碳數(shù)量要比理論量高，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)入A2/O的污水COD/ρ(TN)≈0.91，有機(jī)碳源嚴(yán)重不足，使得反硝化作用不徹底。良好的膜截留作用和同步硝化反硝化可以解釋MBR中TN含量的降低，在實(shí)際工程中由于溶解氧擴(kuò)散不均勻?qū)е路磻?yīng)器內(nèi)部存在好氧區(qū)、缺氧區(qū)以及厭氧區(qū)，這樣就使好氧硝化作用和厭氧反硝化作用可以在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)同時(shí)發(fā)生。
A2/O進(jìn)水中的BOD5/ρ(TP)直接影響厭氧釋磷效果，聚磷菌在厭氧段將胞外有機(jī)物合成聚β羥基丁酸（PHB），合成的PHB量越大，好氧條件下釋放的能量越大，攝取磷酸鹽越多。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)BOD5/ρ(TP)高于28.5時(shí)可以獲得較好的生物除磷效果；當(dāng)BOD5/ρ(TC)（TC為總碳）降低時(shí)釋磷菌與反硝化細(xì)菌對(duì)碳源爭奪造成釋磷菌釋磷不足，從而影響了后續(xù)的好氧吸磷效果，本實(shí)驗(yàn)中的A2/O進(jìn)水BOD5/ρ(TP)僅為3.4，有機(jī)碳源不足以徹底去除廢水中的TP。
因此通過添加適量的有機(jī)碳源可以提高工藝脫氮除磷效果。
2.3 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性
采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，選用進(jìn)出水不同污染物的含量以及去除效率作為特征性參數(shù)對(duì)組合工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。通常情況下，若其他運(yùn)行條件不變，進(jìn)水污染物含量波動(dòng)會(huì)直接引起系統(tǒng)處理性能的變化。
由表3和表4可知，進(jìn)水COD變化劇烈，最大相差3360mg/L；出水COD和COD去除率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為20.6%和1.15%，說明該組合工藝具有良好的抗進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)的性能。
組合工藝對(duì)于NH4+-N，TN和TP的處理效率穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，NH4+-N與TP處理效率穩(wěn)定性呈現(xiàn)相似的規(guī)律。兩者的出水質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較高，但是兩者的系統(tǒng)去除率相對(duì)穩(wěn)定，即相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較低，造成這一現(xiàn)象的原因是兩者出水質(zhì)量濃度的較低。綜合分析出水NH4+-N與TP質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)差和去除率相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差可以更真實(shí)的反映系統(tǒng)去除NH4+-N和TP的穩(wěn)定性。系統(tǒng)對(duì)TN去除效果的穩(wěn)定性相比于NH4+-N和TP稍有遜色。
由此可見，系統(tǒng)抗污染物負(fù)荷沖擊的性能依次為COD>NH4+-N>TP>TN。
3、結(jié)論
采用UASB-A2/O-MBR組合工藝對(duì)餐廚廢水的污染物具有很好的去除效果，COD、NH4+-N平均去除率可以達(dá)到96.8%和96.4%，TN、TP去除率分別達(dá)到70%和80%以上，減少了對(duì)周邊環(huán)境的污染，獲得良好的環(huán)境效益，為餐廚廢水的處理提供了一種經(jīng)濟(jì)、可行的方法。
不同污染物在組合工藝中的沿程變化分析表明，UASB對(duì)COD去除貢獻(xiàn)率最大約為94.33%，其次分別為A2/O和MBR；A2/O對(duì)NH4+-N、TN和TP的去除率貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率分別76.23%、77.22%和58.05%。
統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，組合工藝抗進(jìn)水基質(zhì)含量波動(dòng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性高，對(duì)不同污染物的抗沖擊負(fù)荷能力由高到低依次為COD>NH4+-N>TP>TN。（來源：南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，深圳市海川實(shí)業(yè)股份有限公司博士后工作站）
