目前，我国每年的畜禽养殖废水排放量已经超过了100亿吨，远超过全国生活废水与工业废水的排放量总和。养殖业废水属于高浓度有机废水，含有大量病原体，随着雨水径流进入水体，会导致地表水或地下水水质的严重恶化，是威胁饮用水水源安全的重要因素之一。如今，养殖业废水的处理技术主要存在处理效率低、管理运行成本高等问题。为有效减少畜禽养殖废水对环境的污染，建设美丽城乡生态环境，研究开发畜禽废水高效、低成本的处理技术迫在眉睫。
低能耗复合膜生物反应器是通过向生物反应器内投加载体填料，在填料上形成生物膜，具有更高的处理效率、抗负荷冲击能力强、减缓膜污染等优点。同时控制曝气管路交错曝气有利于减少能耗，获得较好的脱氮除磷效果。采用低能耗复合膜生物反应器处理畜禽养殖废水，旨在探讨其综合处理效能。
1、材料与方法
1.1 试验装置
试验装置如图1所示。处理水量30L/h，反应器主体尺寸为60cm×40cm×100cm，有效容积为200L，装置包括进水系统、生物反应器主体、膜组件、曝气系统。其中，膜组件位于生物反应器主体内部下方，用导流板分割成两个对称区域，即填料区和膜区。填料区采用半软性填料，挂膜密度40%。膜区采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料的中空纤维膜组件，膜丝公称过滤孔径为0.02μm，单个膜组件膜面积0.5m2，总膜面积2m2，设计膜瞬时过滤通量为15L/(m3·h)。膜组件及挂膜区底部分别设置穿孔曝气器，通过自动阀门实现切换。反应器内污泥混合液在自吸泵的负压抽吸下经过超滤膜出水，设置运行过滤9min，停歇1min，曝气阀门切换间隔为30s。
1.2 实验用水
实验原水取自某畜禽养殖厂沼气池出水，其具体水质如表1所示。
1.3 分析项目及方法
分析项目及方法参照国家环保局的水和废水标准监测分析方法，各项水质指标及研究方法如表2所示。
2、结果与分析
2.1 对CODCr的去除效果
图2是低能耗复合膜生物反应器对CODCr的去除效果。
进入复合膜生物反应器的是经过调节池调节后的沼气池出水，进水CODCr范围在800～1200mg/L，平均浓度为1000mg/L。从图2可知，畜禽养殖废水经过低能耗复合膜生物反应器处理后，出水CODCr平均在100mg/L左右，优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596—2001)中低于400mg/L的要求，平均去除率约为89%。出水CODCr下降明显且较稳定，去除效果良好。分析认为，一方面养殖废水有机物浓度高，可生化性较好，接种的微生物在营养物质充足的条件下，于复合膜生物反应器内实现快速生长繁殖，所以污泥浓度也在逐渐升高;另一方面，浸没式超滤膜的截留作用，进一步减少了污泥流失，而且污泥浓度始终保持在较高水平;第三方面，实验期间水温在15～20℃，也有利于微生物的新陈代谢，进一步降低了出水的CODCr。
2.2 对氨氮的去除效果
图3显示的是低能耗复合膜生物反应器对氨氮的去除效果。从图3中可知，在设备的稳定运行期间，进水氨氮值保持在200～250mg/L，而出水氨氮始终稳定在15mg/L以下，平均去除率达到94.5%，出水氨氮值优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596—2001)中80mg/L的规定。低能耗复合膜生物反应器对氨氮的去除效果较好，原因归结于3点：①超滤膜的高效截留作用会有效减少微生物随出水的流失，这使得硝化菌在复合膜生物反应器内富集成为优势菌种;②反应器内部的水温在20℃左右，为硝化菌最适生长温度，有效避免了温度对硝化菌生长的阻碍;③在复合膜生物反应器内保持着较高的污泥浓度，F/M值也会减小，进而减弱了异养菌对DO的竞争，更有利于硝化反应的进行。
2.3 TP的去除效果
图4显示的是低能耗复合膜生物反应器对总磷的去除效果。如图4所示，出水总磷的浓度在3～8mg/L，稳定后出水总磷的浓度在4～6mg/L，平均去除率为78%，对总磷去除效果较好，基本达到了《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596—2001)中低于8mg/L的要求。设备对总磷的去除效果在前期波动较大，而在后期相对比较稳定。这主要是因为，一方面受进水水质总磷浓度变化的影响，由图4可见，设备进水在开始的前20d总磷数值出现比较大的变化，而设备出水总磷数据也相应出现明显的波动，在20d后进水总磷基本稳定，出水也进一步稳定;另一方面，随着设备的逐步稳定，复合膜反应器内的污泥总量和污泥浓度随着运行天数的增加而进一步增加，同时反应器内部污泥中对去除总磷有重要作用的微生物数量也不断增加，所以随着时间的拉长，总磷的去除效果更加稳定。
2.4 对SS的去除效果
复合膜生物反应器采用膜分离技术实现泥水分离，由于膜组件的膜孔径为超滤级0.02μm，故可将反应器内全部的悬浮物和污泥较好地截留，还能够截留绝大部分细菌、微生物、病毒等。图5是对SS的去除效果。由图可知，超滤处理后出水SS浓度低于5mg/L，去除率基本保持在99%以上，远远优于一般传统的污水处理工艺。即使进水SS出现波动时，设备出水SS依然低于5mg/L，运行效果非常稳定，具备较强的抗冲击负荷能力。
2.5 膜污染控制及恢复
低能耗膜生物反应器对膜污染的控制，主要来源于非连续的短时曝气吹扫以及膜区絮流冲刷产生的表面错流，测试运行以恒流量运行，期间未进行日常的药剂清洗及水力反洗。用跨膜压差表征膜污染程度的实验结果表明，在反应器初期运行的7d，跨膜压差增长显著，跨膜压差日均增长0.45kPa，由初始-6kPa增至-10kPa，之后随着生化系统的稳定，跨膜压差趋于稳定而缓慢地增长，日均增长在0.25kPa。测试期间，膜运行整体比较稳定，最高运行跨膜压差为-25kPa，在正常运行-30kPa以内。测试期60d后，采用质量分数1.5g/L的次氯酸钠对膜组件进行浸泡清洗10h，经清洗后测试发现，跨膜压差恢复率达到95%以上，可见，造成膜污染的原因主要是微生物的代谢产物在膜表面形成的凝胶层，以及膜面和膜孔内微生物的滋生。
3、结论
1)采用低能耗复合膜生物反应器处理畜禽养殖废水，在进水CODCr为800～1200mg/L、NH3-N为200～250mg/L、TP为15～30mg/L、SS为1000～1200mg/L时，出水CODCr为100mg/L左右、NH3-N为15mg/L以内、TP为4～6mg/L、SS为0～5mg/L，优于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596—2001)，且已经达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)。
2)低能耗膜生物反应器通过物理作用可以有效控制膜污染，微生物生长代谢的溶解性有机物及微生物滋生是造成跨膜压差增长的主要原因，通过一定浓度的次氯酸钠浸泡可有效恢复膜性能，跨膜压差恢复率达到95%以上。(来源：光大环保技术装备(常州)有限公司，立升净水科技有限公司)
