畜禽养殖废水处理中同步硝化反硝化技术运用分析应用研究

摘 要：畜禽养殖业作为我国重要的农业产业，在规模化发展进程中，会产生大量污染元素较多的有机废水，不利于当地生态环境的健康发展，而同步硝化反硝化技术，在畜禽养殖废水处理中，展现出了较强的优势和作用。基于此，本文结合某畜禽废水处理工程的实际情况，针对处理过程中存在的进水碳氮失调严重、现场池容不足等问题，探讨了同步硝化反硝化的机理、处理流程、控制方式和核心装置设备的选型与应用，旨在提高畜禽养殖废水处理质量和效率。

关键词：畜禽养殖；废水处理工程；同步硝化反硝化；生态环境工程

引言：

随着畜禽养殖业的快速发展，其产生的废水对环境的影响日益凸显。畜禽养殖废水含有大量的有机物、氮、磷污染物，若未经有效处理便直接排放，将对生态环境造成严重污染。同步硝化反硝化作为新型生物脱氮工艺的代表，其创新之处在于允许硝化和反硝化过程在同一反应器中同时进行，不仅节省了反应器体积，缩短了反应时间，还省略了酸碱中和的步骤，为生物脱氮新工艺的开发提供了新的思路。近年来，国内外学者对同步硝化反硝化技术展开了深入研究，并取得了一系列进展，其中，匡文等人详细阐述了同步硝化与反硝化在畜禽养殖污水处理中的运用，指出该技术能够有效提高脱氮效率，减少环境污染[1]。刘冰杰等人则探讨了养殖废水处理工艺，强调了不同处理工艺的优缺点及适用条件[2]。需要注意的是，尽管同步硝化反硝化技术在理论层面具有诸多优势，但在实际应用时仍面临诸多挑战。故而，深层次分析并研究同步硝化反硝化技术在畜禽养殖废水处理工程中的应用方法，对于我国畜禽养殖业以及生态环境的可持续健康发展，具有深远的意义。

1 工程概况

本文研究适用于大型规模化畜禽养殖场、中小型畜禽养殖场、综合性畜禽养殖园区以及生态循环农业项目。某国家级奶牛核心育种场，奶牛现存栏量在5000头左右，现有800m3/d的污水处理站，其中高浓度水日处理量与低浓度水日处理量分别为300m3/d、500m3/d，主要排放到廊下污水处理厂，出水水质符合《污水排入城镇下水道水质标准（DB31/445-2009）》，但存在进水浓度超标的问题，导致污水处理量＜500m3/d，远远低于800m3/d，未能满足现行污水处理站的运行负荷。对此，养殖场提出要改造升级污水处理站，其中污水处理扩容设备的采购与安装，是改造升级的重点内容。为达成理想的改造升级目标，需要在充分掌握同步硝化反硝化技术原理的前提下，深层次挖掘改造难点，再制定科学合理的解决措施，实现对污水处理扩容设备的高质量安装，为畜禽养殖废水工程的高效运行夯实基础。

2 同步硝化反硝化技术原理

同步硝化反硝化技术[1]（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND），是一种以反应器为依托，促进硝化与反硝化同步反应的技术，其生物学机制为：由于氧传递的限制，因此，活性污泥的絮体表面至内核的不同层次上，氧的浓度分布并不均匀。微生物絮体外表面氧的浓度较高，内层浓度较低。在生物絮体颗粒尺寸足够大的情况下，可以在菌胶团内部形成缺氧区。絮体外层好氧硝化菌占优势，主要进行硝化反应，内层为异样反硝化菌占优势，负责反硝化反应。除活性污泥絮凝体外，生物膜内同样存在溶氧梯度，能够形成缺氧微环境。在该技术中，“硝化”指的是对氨氮进行氧化后，获得硝酸盐以及亚硝酸盐；反硝化主要是通过还原反应，对硝酸盐与亚硝酸盐进行还原后获得氮气。当一个反应器，同步发生硝化与反硝化反应后，可实现对废水内氨氮的有效去除，确保废水的达标排放。

通过对同步硝化反硝化技术的深入分析和研究可知，在实际应用该技术的过程中，受到的影响因素较多，如碳氮比、废水浓度、pH值以及溶解氧浓度等，一旦操作不当，不仅会影响到废水的处理质量和效率，还会加大处理成本。因此，为实现“成本最小化、效益最大化”的废水处理目标，减少不必要的成本支出，应联系畜禽养殖场的现实情况，深入分析同步硝化反硝化技术的应用难点，再采取有针对性的解决措施，例如，采用阶段式曝气运行模式，在不同阶段调整曝气强度和时间，创造有利于同步硝化反硝化的交替好氧、缺氧环境，同时，合理控制水力停留时间和污泥停留时间，确保微生物与污染物充分接触和反应；投加适量碳源或对含氮废水做预处理，控制进水中的碳氮比，使其处于合适范围；选择适合同步硝化反硝化的微生物菌群，并优化微生物生长的环境条件，提供适宜的温度、营养物质，增强微生物的活性和代谢能力，助推同步硝化反硝化工艺的高质量、高效率运行成为现实[2]。

3 畜禽养殖废水处理工程中同步硝化反硝化技术应用现状

在国家级奶牛核心育种场污水处理厂改造升级工作正式开始之前，采用实地勘察、资料解读等多元化的措施，对原有的污水处理厂展开分析和研究，最终的研究成果表明，在应用同步硝化反硝化技术的过程中，还面临着一系列难题和挑战，主要体现在以下几个层面：

3.1 进水碳氮比失调

进水碳氮比指的是有机废水中碳源与氮源之间的比例，不同的废水治理工艺，对进水碳氮比的需求存在较大的差异，主要的计算方法，如公式（1）所示：

在公式（1）中，A代表的是污水处理系统中的碳氮比；BOD5代表的是五日生化需氧量；TN与NH3-N分别代表的是总氮与氨氮。

通过对国家级奶牛核心育种场污水处理站的实地勘察可知，在污水处理系统投入运行的过程中，存在进水碳氮比失调的问题，不仅影响到了生物处理效果，还增加了废水的化学处理成本。常规情况下，应将进水碳氮比控制在5：1—10：1以内，若进水碳氮比过高，会导致硝化菌失活，有机废水中氨态氮含量增加，给脱氮工艺的正常运行造成不良影响，并且过高的进水碳氮比，还会降低溶解氧，抑制硝化反应。反之，若进水碳氮比过低，远远小于规范数值时，就会降低氮的去除效率，致使污水处理系统的运行成本有所上升。因此，如何有效处理进水碳氮比例失调的现象，是该畜禽养殖废水改造工程，亟需解决的问题。

3.2 现场池容不足

国家级奶牛核心育种场污水处理系统改造升级的核心目标为“满足出水总氮达标”，但在具体实践中存在进水碳氮比失调的问题，同时还面临着现场池容不足的难题，导致污水处理系统难以满足反硝化脱氮空间的要求，如表1所示。

通过对表1的观察和分析可知，该畜禽养殖场的污水处理系统的总池容存在不足的问题，给同步硝化反硝化技术的充分反应造成了不良影响。因此，为实现对有机废水的有效处理，在改造优化污水处理系统的过程中，需要在一定的成本内，采取科学有效的措施，扩大池容，以满足反硝化脱氮空间的要求，进一步提高污水处理系统的功能性与可靠性，达成预期的废水处理目标。

4 畜禽养殖废水处理中同步硝化反硝化技术运用策略

4.1 同步硝化反硝化机理

畜禽养殖废水中通常含有大量的NH4+，在好氧环境中，特定的氨氧化菌能够通过生物氧化作用将氨氮转化为NO2-，这一过程称为硝化，随后，亚硝酸盐进一步被氧化为NO3-。与分步硝化和反硝化相比，同步硝化反硝化技术中的反硝化过程则发生在厌氧条件下，即厌氧反硝化菌利用硝酸盐作为电子受体，通过还原反应将其转化为N2，这一过程不仅能够有效消除水中的氮污染，还可以降低废水的氮负荷。现阶段，同步硝化反硝化技术已经得到推广，为畜禽养殖废水的治理提供了有效的解决方案，并有望在农业污水治理中发挥更大的作用。

4.2 处理流程及控制方式

4.2.1 处理流程

同步硝化反硝化技术的处理流程如下：第一步，预处理废水，去除大颗粒悬浮物和残渣后进入反应池。在反应池中，废水与活性污泥充分混合，由曝气系统负责提供O2，支持硝化和反硝化过程同时进行。该阶段，氨氮由硝化细菌氧化为亚硝酸盐再转化为硝酸盐。反应池内的缺氧区域为反硝化细菌的生长提供了适宜的环境，反硝化细菌可以利用有机物质将硝酸盐还原为N2，最终以气体的形式释放到大气中，由此达到减少水体氮含量的目的。经过处理的水体通常可以满足排放标准。与其他技术相比，同步硝化反硝化技术不仅提升了处理效率，还降低了工程造价及运行成本，为畜禽养殖业的发展提供了有效支持。

4.2.2 控制方式

控制方式是否合理，通常会直接影响同步硝化反硝化技术的处理效果。控制溶解氧浓度是关键，硝化过程需要较高的氧气含量（通常在2～4 mg/L间），反硝化过程则要求低氧或缺氧环境（通常在0.2～0.5 mg/L间），因此，有关人员需要采用自动化监测系统实时监控溶解氧水平，通过变频风机或曝气系统实现反应池内部实现氧气的动态调节。控制进水流量和负荷同样是确保系统长期可靠的重要因素，这是因为保持废水的流量、水质稳定，有助于微生物的生长和代谢。此外，还要定期对污泥沉降性和活性进行监测，根据监测所掌握的资料判断是否需要进行污泥回流，确保反应池内的微生物始终处于最佳的状态。

4.3 核心装置设备说明

4.3.1 悬浮填料

悬浮填料不仅能够提高反应器的比表面积，还能为微生物提供良好的附着环境，促进其生长繁殖，进而提高硝化和反硝化的效率。现阶段，市场上的悬浮填料种类繁多，包括但不限于聚乙烯、聚丙烯和陶瓷，上述填料均展现出了良好的应用效果。实际工作中，有关人员应视情况做出选择，充分发挥悬浮填料在增加反应器的容积负荷、提升氮的去除效率、避免沉淀和挂膜现象等方面的优点，通过合理设计填料的材质、形状和尺寸，进一步优化微生物的生长环境，使其在反应过程中发挥最佳的代谢能力，实现废水中氮元素的有效转化与去除。

4.3.2 搅拌装置

搅拌装置的主要功能是保持废水中悬浮物的均匀分布，促进微生物的活性及其与废水的充分接触，提高反应效率。根据搅拌原理可以将现有搅拌装置分为机械搅拌、气体搅拌及水流搅拌。其中，机械搅拌装置通常由电动机驱动，通过搅拌桨叶在废水中产生剪切力，使颗粒物质和微生物在反应池中充分混合。气体搅拌需要持续注入空气或其他气体，通过气泡上升时的运动，带动液体流动，实现对废水的搅拌和氧气的引入。水流搅拌则利用泵浦产生的强水流形成环流，由此保证反应体系的均匀性。在同步硝化反硝化过程中，严格控制搅拌强度和停留时间十分重要，搅拌力度过大可能会导致微生物的沉降，力度不足则会降低反应效率[3]。因此，有关人员需要结合实际工况选择搅拌装置，以确保处理效果达到最佳。

4.3.3 曝气软管

曝气软管通常由透气性良好的材质制成，其作用是均匀地将空气或O2输送至反应池，确保硝化和反硝化过程的高效进行。在硝化阶段，细菌会利用石英砂从废水中去除氨氮，转化为亚硝酸盐和硝酸盐，这一过程需要消耗大量O2，才能够保证亚硝酸盐细菌高效繁殖并完成硝化。反硝化阶段，反硝化细菌需要在缺氧条件下将硝酸盐还原为N2，从而减轻水体富营养化现象。实践经验表明，曝气软管的设计和布局直接影响气体的分布均匀性及水流动力学特性，因此，选择合适的管径、孔径和材料至关重要，只有保证材料性能符合要求，管径和孔径合理，才能在持续供氧的同时防止管道堵塞和水流死角的产生，保持系统的正常运行。

4.3.4 同步硝化反硝化池

同步硝化反硝化池主要用于氮的去除。该池可以拆解成三个部分，分别是反应区、沉淀区和排水区。在反应区，污水与活性污泥混合，可以通过调节DO浓度，营造厌氧和好氧交替的环境。好氧环境中，NH4+被硝化细菌氧化为NO2-和NO3-，而在厌氧环境中，NO3-将被反硝化细菌还原为N2，实现氮的脱除。这一过程对环境温度、pH值有严格要求，一般情况下，要保证温度不低于10℃同时不高于30℃，pH值在6.5～8.5之间[4]。沉淀区的作用是分离水中剩余的固体颗粒和沉淀的活性污泥，使清水能够从上部溢出并顺利排出系统。沉淀的污泥部分则由污泥回流泵送回反应区，提升系统的氮去除效率。在设计排水区时，要保证经过处理的水的氮含量达到行业标准。活性污泥去除COD的效果见图1，氮的质量浓度见图2：

通过分析图1、图2能够看出，同步硝化反硝化不仅能够有效去除氮污染物，还能够减少污水处理过程中的能源消耗和二次污染，具有良好的经济与环保效益，未来必将得到大范围的推广及应用。

5 畜禽养殖废水中同步硝化反硝化技术应用成效

针对规模化畜禽养殖废水处理系统存在的碳氮氧比失调、现场池容不足等一系列问题，采取科学有效的措施后，相关问题得以顺利解决，同步硝化反硝化技术的应用质量和效率显著升高，且有效降低废水处理成本，有利于企业的健康发展。实际工作中，有关人员严格调控DO，确保DO始终在1.5～2.5mg/L的范围内，为SND过程的高效进行提供了条件。同时，根据废水水质，动态化调整了有机碳源的投加策略，既保证了反硝化反应的碳源需求，又避免了过量投加造成的成本浪费。此外，有关人员还对处理池进行了扩容改造，增加了20%的池容，延长了废水停留时间，提高了处理效率。经过上述措施的实施，现存问题得以顺利解决，脱氮效率提高到了85%以上，较之前提升了近20个百分点，废水处理成本下降了约15%。总而言之，将同步硝化反硝化用于畜禽养殖废水的处理，提升了废水处理系统的运行稳定性，有效降低了企业的运营成本，有利于企业的健康发展。

6 结论与建议

综上所述，对于规模化畜禽养殖场而言，有机废水的处理涉及到一系列复杂且繁琐的内容，为充分凸显出同步硝化反硝化技术的作用和价值，要结合养殖场的实际情况，采取科学合理的措施，解决碳氮比失调、现场池容不足等一系列问题，促进污水处理站的高水平运行，为畜禽养殖场获取更多的经济效益、社会效益和生态效益。需要特别提出的是，尽管同步硝化反硝化技术具有诸多优势，但在实际应用过程中仍面临着挑战。一方面，DO浓度过高、过低都会影响脱氮效果，需要精确调控，以维持适宜的缺氧环境，另一方面，有关人员需合理投加有机碳源，避免抑制硝化或反硝化反应。未来针对同步硝化反硝化的研究应聚焦于以下几个方面：一是开发更加智能的溶解氧控制系统，实现更精确的DO浓度调控；二是探索低成本、高效的有机碳源材料，降低运行成本；三是优化微生物絮体结构，提高SND效率。只有多管齐下，才能使同步硝化反硝化在畜禽养殖废水处理领域发挥更加重要的作用，为我国畜禽养殖业更好的改造升级废水处理工程，提供科学的指导、指明正确的方向，推动我国农业经济的可持续高质量发展。

参考文献：

[1]匡文，王旭伟，熊刚，等.同步硝化反硝化技术在养殖废水处理中的应用[J].广东化工，2022，49（09）：105-108.

[2]刘冰杰，尚丽君，魏亮亮，等.养殖废水处理工艺探讨[J].农家参谋，2024，（26）：69-71+74.

[3]费卓越.同步硝化反硝化脱氮方法在河水处理中的应用[J].水利技术监督，2024，（06）：283-286.

[4]王帆.同步硝化反硝化好氧颗粒污泥的快速培养研究[J].山西化工，2023，43（11）：213-214+223.