餐廚廢水成分復雜，有機污染物及營(yíng)養物質(zhì)含量高。當前針對餐飲廢水處理還未引起足夠的重視，處理手段簡(jiǎn)單，處置效果不理想。而餐廚廢水中的高含量有機物含有大量的能量，有效的處理會(huì )獲得很高經(jīng)濟效益和環(huán)境社會(huì )效益。因此，減量化、無(wú)害化和能源化處置，是實(shí)現高濃餐廚廢水處理可持續發(fā)展的必要技術(shù)手段。
近年來(lái)，國際上已對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99%；日本及歐美等發(fā)達國家采用電絮凝、厭氧MBR以及透析法等技術(shù)降解高濃餐廚廢水。目前國內餐廚廢水處理領(lǐng)域也呈現了多元化發(fā)展，MBR、生物接觸氧化、生物滴濾池、厭氧消化、微電解、氣浮和高級氧化等技術(shù)均有報道。但是，單純的利用厭氧或好氧工藝很難達到理想的處理效果。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(yíng)養物質(zhì)，提高出水水質(zhì)。
基于此，結合國內外餐廚廢水處理案例經(jīng)驗，從廢水資源化、無(wú)害化和可持續的角度出發(fā)，開(kāi)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，探討該系統對餐廚廢水處理效果以及不同污染物在各工藝段的演變過(guò)程，并進(jìn)行系統穩定性分析。研究結果可為城市高濃餐廚廢水處理，提供一種新型穩定可持續的解決方案，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)入調節池，進(jìn)行水量水質(zhì)調節后經(jīng)由潛水泵送入氣浮池。采用氣浮一體機去除餐廚廢水中的油類(lèi)和膠體類(lèi)污染物，以減輕對后續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。
反應器均采用防腐碳鋼結構。UASB有效容積為22m3，水力停留時(shí)間（HRT）24h。A2/O裝置內裝有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(méi)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%。
設計出水水質(zhì)達到DB44/26－2001規定中第二時(shí)段三級排放標準。
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)由調節池、氣浮除油預處理后的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反應器內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器內。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系統接種污泥取自深圳某污水廠(chǎng)二沉池污泥。系統接種后，經(jīng)過(guò)約45d的啟動(dòng)期，表現出COD去除率趨于恒定，此時(shí)認為組合工藝啟動(dòng)成功，進(jìn)入實(shí)驗階段。
1.3 分析方法
在實(shí)驗過(guò)程中，對水質(zhì)的測定采用標準方法測定。COD采用重鉻酸鉀法，TN含量采用過(guò)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、結果與討論
2.1 污染物去除效果
2.1.1 COD
餐廚廢水有機負荷較高，成分復雜，水質(zhì)水量波動(dòng)較大。系統運行66d，對COD去除效果見(jiàn)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(guò)組合工藝處理后，出水COD穩定在一個(gè)較低的水平，出水平均為76.7mg/L，去除率逐漸穩定在90%以上，COD平均去除率高達96.8%。該結果明顯好于國內同類(lèi)研究的去除效果（86%～90%）。表明UASB-A2/O-MBR組合工藝對COD的去除能力保持在了一個(gè)較高的水平，也具有較強的抗負荷沖擊能力。實(shí)驗中，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)等有機氮在UASB中的氨化菌的作用下通過(guò)水解轉化為NH4+-N，進(jìn)水所夾帶的和系統中所產(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輸過(guò)程延長(cháng)，部分氨化作用導致。出水NH4+-N的質(zhì)量濃度穩定在11mg/L以下，NH4+-N的平均去除率為96.4%。隨著(zhù)實(shí)驗的進(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。造成這一結果的主要原因是UASB消耗大量有機物，致使反硝化系統的C/N過(guò)低，沒(méi)有足夠的有機碳源為反硝化細菌提供電子供體，反硝化作用無(wú)法正常進(jìn)行，NO3--N滯留在系統中無(wú)法去除，從而導致TN去除不徹底。通過(guò)增加外加有機碳源裝置，可以提高系統的TN去除能力。
2.1.3 TP
圖4為組合工藝的對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TP的去除率維持在80%以上，最高可達96%。組合工藝對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果。
UASB-A2/O-MBR組合工藝對高濃餐廚廢水的處理，降低污染物排放量，出水水質(zhì)優(yōu)于設計要求達到DB44/26－2001規定的第二時(shí)段三級排放標準，減少了對周邊環(huán)境的污染，同時(shí)將污染物轉化為能源，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)濟效益.預計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各工藝段的沿程變化，可以明確各工藝段對不同污染物降解的貢獻大小，以及前后工藝之間的相互作用和影響，為日后工藝優(yōu)化和運行操作提供理論依據。
2.2.1 COD
COD的沿程變化結果如表1所示。
由表1可知，經(jīng)過(guò)UASB厭氧消化處理，進(jìn)水中的COD急劇下降，平均去除率達到91.5%，經(jīng)過(guò)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(guò)膜分離作用，出水COD進(jìn)一步降至78mg/L以下。
實(shí)驗結果表明，UASB段存蓄著(zhù)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物，有機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物進(jìn)入下一級處理系統，降低后續處理的有機負荷。高效的膜分離作用一方面可維持系統內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物，并使其在MBR中的停留時(shí)間延長(cháng)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(jiàn)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工藝對于NH4+-N的去除所做的貢獻占到了組合工藝的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)消耗了大量的有機物，導致MBR進(jìn)水有機碳源含量低，同時(shí)膜分離作用延長(cháng)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(cháng)緩慢，世代周期長(cháng)的自養型硝化細菌的繁殖富集的得到了強化，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物。
A2/O作為去除TN的主要工藝單元，通過(guò)硝化反硝化作用將NH4+-N以氮氣的形式釋放到大氣中，對脫氮的貢獻率為整個(gè)系統的77.22%。理論上，考慮細胞合成，還原1gNO3--N需要2.47g甲醇（有機物），但是還原1gNO3--N所需的有機碳數量要比理論量高，實(shí)驗過(guò)程中進(jìn)入A2/O的污水COD/ρ(TN)≈0.91，有機碳源嚴重不足，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散不均勻導致反應器內部存在好氧區、缺氧區以及厭氧區，這樣就使好氧硝化作用和厭氧反硝化作用可以在一個(gè)系統內同時(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)現當BOD5/ρ(TP)高于28.5時(shí)可以獲得較好的生物除磷效果；當BOD5/ρ(TC)（TC為總碳）降低時(shí)釋磷菌與反硝化細菌對碳源爭奪造成釋磷菌釋磷不足，從而影響了后續的好氧吸磷效果，本實(shí)驗中的A2/O進(jìn)水BOD5/ρ(TP)僅為3.4，有機碳源不足以徹底去除廢水中的TP。
因此通過(guò)添加適量的有機碳源可以提高工藝脫氮除磷效果。
2.3 系統運行穩定性
采用統計學(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對組合工藝運行的穩定性進(jìn)行分析。通常情況下，若其他運行條件不變，進(jìn)水污染物含量波動(dòng)會(huì )直接引起系統處理性能的變化。
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去除率相對標準差分別為20.6%和1.15%，說(shuō)明該組合工藝具有良好的抗進(jìn)水有機負荷波動(dòng)的性能。
組合工藝對于NH4+-N，TN和TP的處理效率穩定性分析結果表明，NH4+-N與TP處理效率穩定性呈現相似的規律。兩者的出水質(zhì)量濃度相對標準差較高，但是兩者的系統去除率相對穩定，即相對標準差較低，造成這一現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)量濃度標準差和去除率相對標準差可以更真實(shí)的反映系統去除NH4+-N和TP的穩定性。系統對TN去除效果的穩定性相比于NH4+-N和TP稍有遜色。
由此可見(jiàn)，系統抗污染物負荷沖擊的性能依次為COD>NH4+-N>TP>TN。
3、結論
采用UASB-A2/O-MBR組合工藝對餐廚廢水的污染物具有很好的去除效果，COD、NH4+-N平均去除率可以達到96.8%和96.4%，TN、TP去除率分別達到70%和80%以上，減少了對周邊環(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、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COD去除貢獻率最大約為94.33%，其次分別為A2/O和MBR；A2/O對NH4+-N、TN和TP的去除率貢獻最大，貢獻率分別76.23%、77.22%和58.05%。
統計分析結果表明，組合工藝抗進(jìn)水基質(zhì)含量波動(dòng)能力強，系統運行穩定性高，對不同污染物的抗沖擊負荷能力由高到低依次為COD>NH4+-N>TP>TN。（來(lái)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）
