奶牛场废水处理技术应用研究 63页

华中科技大学硕士学位论文摘要本文以湖北省宜昌市京都奶牛场为研究背景，主要研究奶牛场废水这种高浓度有机含氮废水的处理。目的：为京都奶牛场研制出一套低投入、低成本运行、处理效果好的废水达标处理工艺，对其中需要解决的问题提出一整套解决方案。方法：（1）分析各种废水处理技术，针对奶牛场废水水质特点选择适合的处理技术；（2）运用人工神经网络对序批式活性污泥法（SBR）处理奶牛场废水建立数学模型；（3）通过现场废水生物处理调试对工艺的厌氧处理单元提出改进措施；（4）对奶牛场废水处理工程做经济分析。结果：（1）通过计算得出当前的废水处理规模为12吨/天。选择“厌氧－好氧－稳定塘联合处理”作为奶牛场废水处理方案；（2）BP神经网络模型能有效地用于模拟SBR工艺处理奶牛场废水，模型预测出水COD值平均误差2.16%，预测出水NH3-N值平均误差3.85%；（3）通过现场废水生物处理调试，使SBR池能稳定运行，但由于工艺厌氧处理单元工作不正常导致出水水质不能达标，就此提出在工艺中增设格栅除污机，并选择UBF厌氧反应器替代现在的水压式沼气池；（4）经估算，宜昌市京都奶牛场废水处理工程建设投资为72.24万元，年运行成本为2.1万元，单位运行成本4.8元/吨。结论：本文研究的“厌氧－好氧－稳定塘联合处理”方案可应用于中小型奶牛场废水处理。关键词：奶牛场废水人工神经网络现场调试经济分析In华中科技大学硕士学位论文AbstractBasedresearchbackgroundonJingduDiaryofYichangCity,HubeiProvince.Diarywastewaterwhichincludeshighorganicmattersandammonianitrogenwasstudiedintheessay.Purpose:Asetoftreatmenttechnicswhichremovespollutantsefficientlyandlowcostfordevelopmentandoperationthatreachtheemissionstandardshouldbedeveloped.Variousproblemswhichmayriseintheresearchshouldbesolved.Method:(1)Optimaltreatmenttechnicsshouldberaisedthoughanalysemanykindsofwastewatertreatmenttechnicscombinethepropertiesofdiarywastewater;(2)HysteresisModelofSequnsingBatchReactor(SBR)shouldbesetupinuseofArtificialNeuralNetworks;(3)ImprovementmeasuresonAnaerobicunitshouldberaisedthoughfielddebug;(4)Economyanalysisofdiarywastewatertreatmentprogram.Results:(1)Accordingtoresultsofanalysis,accertainthedailywastewatertreatmentstreamis12ton.Choose“Anaerobic-Aerobic-StablePondCraftProcess”asdiarywastewatertreatmenttechnics.(2)BPNeuralNetworksmodelscanbeusedtosimulateeffluentquality.Theresultsofsimulation,averageerrorofCODis2.16%,averageerrorofNH3-Nis3.85%.(3)Throughfielddebug,SBRpondopratestably,buttheeffluentqualitycan’treachemissionstandardbecauseAnaerobicunitrunningimproper.ImprovementmeasuretobeaddinggridandUBFreactorintowholeprocessinsteadofhydraulicpressuremethanetank.(4)TheinvestmentofJingdudiarywastewatertreatmentprogramis￥722,400,annualoperationcostis￥21,000,unitoperationcostis￥4.8perton.Conclusion:“Anaerobic-Aerobic-StablePondCraftProcess”whichwasdevelopedintheessaycanbeappliedtomiddle-and-smalldairy.Keywords:Diarywastewater;ArtificialNeuralNetworks;Fielddebug;EconomyanalysisIIn独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密囗，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日n华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题来源本研究课题来源于湖北省科技攻关计划招标项目“畜禽场废弃物处理与利用技术研究”之课题二“牛场废弃物处理与利用技术研究”。研究的主要对象是奶牛场废水这种高浓度有机含氮废水。1.2课题研究的背景、目的及意义湖北省宜昌市京都奶牛场是本课题研究的参与方之一，也是课题研究成果的受益者。宜昌市京都奶牛场位于宜昌市夷陵区小溪塔街办尤家河，占地约165亩，目前奶牛存栏数345头，其中成年奶牛280头。课题研究的目的是为京都奶牛场研制出一套低投入、低成本运行、处理效果好的废水达标处理工艺，对其中需要解决的一些问题提出一整套解决方案。废水排放水质达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596－2001）。近几年，我国奶制品产业发展势头迅猛，截至2004年底，奶牛存栏达到1100万头，奶类产量达到2368万吨。但与此同时，奶牛养殖产生的大量固体废弃物和[1]有机废水已成为一些地区特别是大中城市郊区的主要污染源之一。奶牛场的粪尿、废水未经有效处理而直接排放，是造成地表水、地下水污染的主要污染途径。由于奶牛粪尿的淋溶性很强，粪尿中的氮、磷及BOD等的淋溶量很大，如不妥善处理，就会通过地表径流进入水体，或是渗透进入地下水层，或在土壤中积累，造成土壤污染。规模化奶牛养殖场作为污染大户，必须对其生产过程中产生的污染物进行治理。而从经济上考虑，奶牛养殖业是一种微利产业，不可能拿出大量的资金来处理[2]收益很小的粪尿废水。研制出一套适宜的奶牛场废水无害化处理设施并在其它奶牛场中推广，将大大降低有机污染物和氮、磷的排放，减轻对环境的污染。1n华中科技大学硕士学位论文1.3畜禽业废水的污染现状及危害改革开放以来我国农村采取了一系列改革的政策和措施，特别是进行了畜禽养殖业经济体制改革，极大地推动了畜禽养殖业生产的快速发展。我国的畜禽养殖业已实现了连续20多年突飞猛进的发展，肉类、禽蛋、奶类产量均以每年10%左右的速度递增。至2002年，全国肉类、禽蛋和奶类产量均比1949年增长了数十倍。1980～1998年，全国肉、蛋、奶产量年平均增长率分别为8.7%、12.1%和9.9%，人均占有水平也进一步提高。1985年和1990年，我国的禽蛋和肉类产量先后跃居世界第一位。1999年我国人均占有肉类47.3kg，超过世界平均占有水平；禽蛋16.5kg，超过发达国家平均占有水平。畜牧业畜禽养殖业目前已经成为我国农业经济的一个独立的、重[3]要的产业。禽畜养殖业的发展极大地丰富了市场消费，满足了人民生活的需求，同[2]时也带来了不容忽视的环境污染问题。我国畜禽粪便产生量很大。统计年鉴数字显示，2001年，全国畜禽的饲养量分别为猪45743万头、牛12824.2万头、羊29826.4万只、鸡377148.5万羽，鸭63587.4万羽，参照国家环保总局推荐的排泄系数（见表1－1），可以计算出2001年全国畜禽粪便的产生总量为217121.13万吨，污染物BOD5为3757.5万吨，COD为4536.6万吨，NH3-N为434.8万吨，TP为220.8万吨，TN为1059.1万吨，畜禽养殖业所产生的固体废[2]弃物和废水COD已经超过工业和城镇生活排污，成为不可忽视的重大污染源。表1－1国家环保总局推荐的畜禽排泄系数/[Kg/(头·a)]畜禽名称粪尿BOD5CODCrNH3-NTPTN牛73003650193.7248.225.1510.0761.1猪398656.725.9826.612.071.74.51羊950—2.74.40.570.452.28家禽26.3—1.0151.1650.1250.1150.275规模化养殖场废水如未加妥善处理，高浓度有机污水排入江河湖泊地表水体中，可使水中悬浮固体物(SS)、化学耗氧量(COD)、五日生化耗氧量(BOD5)、N、P和微生物含量升高，虽然水体可通过稀释、扩散、沉淀、吸附、光化学分解、生物降解等作用，使无机污染物减少、有机污染物分解、病原微生物被杀灭，使水体得到自然净化，但当污染物超过水体自净能力时，就会改变水体的物理、化学和生物群落组成，对有机物污染敏感的水生物种群将逐渐消失，而对污染适应性强的种群数量2n华中科技大学硕士学位论文增加，水质不断恶化。废水中含有的大量有机物，在水中微生物对其进行分解的过程中，消耗水中大量的溶解氧（DO），废水中的氮、磷等营养元素又会促进低等水生植物大量繁衍，导致水体富营养化，有机物和水生植物的生物降解，最后将水中溶解氧耗尽，使水体变黑发臭，这种水体的原有生态系统将不能再得到恢复。此外，废水中含有大量的病原微生物（据测定，畜禽场内及周围水体内微生物的含量是其它良好水体的30倍以上），不能被自净过程杀灭，而直接通过水体或通过水生动植物进行扩散和传播，危害人和动物的健康。这种废水直接用于鱼塘(据测定，当畜禽场粪水流入池塘而使水中氨含量达到0.2mg/L时就会对鱼产生毒性)，会威[5]胁鱼类、贝类、藻类的生存，危害水产业，并影响沿岸的生态环境。大量有机物、氮、磷渗入地下，使地下水中硝态氮、硬度和细菌总数超标，地下水源含氧量减少，水质变臭，失去饮用价值。废水不经无害化处理直接进入土壤，污水中的蛋白质、脂肪、糖等有机质将被土壤微生物分解，其中含氮有机物被分解为氨、胺和硝酸盐，氨和胺可被硝化细菌氧化为亚硝酸盐和硝酸盐；糖和脂肪、类脂等含碳有机物，最终被微生物降解为CO2和H2O，从而使土壤得到自然净化。如果污染物排放量超过了土壤本身的自净能力，便会出现降解不完全和厌氧腐解，产生恶臭物质和亚硝酸盐等有害物质，引起土壤的组成和性状发生改变，破坏其原有的基本功能，导致土壤孔隙堵塞，造成土壤透气、透水性下降及板结；此外，土壤虽对各种病原微生物有一定的自净能力，但进程较慢，且有些微生物还可生成芽抱，更增加了净化难度，故也常造成生物污染和疫病传播。土壤污染还容易引起地下水的污染。直接用于灌溉，将使土壤养分浓度过高，使作物徒长、倒伏、晚熟或不熟，造成减产、甚至毒害作物出现大面积腐烂。并且在未经处理的废水中，含有大量病原[6]微生物和寄生虫卵，危害人的身体健康。1.4畜禽养殖场废水的水质特点养殖场废水主要由尿液、部分残余的或全部粪便和饲料残渣（不同清粪方式）、冲洗水组成。其中冲洗水占了绝大部分。我国规模化养殖场目前存在的主要清粪工艺有三种：水冲粪、水泡粪（自流式）和干清粪工艺。水冲粪的方法是粪尿污水混合进入缝隙地板下的粪沟，每天数次从沟端的水喷3n华中科技大学硕士学位论文头放水冲洗。当冲洗水由喷头以很大的速度喷射时，积存在粪沟内的粪尿物质受高压水的冲击作用，顺粪沟而流入横向粪便干沟，然后自流进入地下贮粪池或用泵抽吸到地面贮粪池。这种清粪方式劳动强度小，劳动效率高，但是耗水量大，污染浓度高。水泡粪清粪工艺是在水冲粪工艺的基础上改造而来的，是在猪舍内的排粪沟中注入一定量的水，粪尿、冲洗和饲养管理用水一并排入缝隙地板下的粪沟中，储存一定时间后，待粪沟装满，拨开出口的闸门，将沟中粪水排出。这种工艺虽然较水冲粪工艺节省了水，但是，粪水混合物的污染物浓度更高，后处理也更加困难。干清粪工艺是粪便一经产生便分流，干粪由机械或人工收集、清扫、集中、运走，尿及污水则从下水道流出，分别进行处理。这种工艺固态粪污含水量低，粪中营养成分损失小，肥料价值高。产生的污水量少，且其中的污染物含量低，易于净[3]化处理，是目前比较理想的清粪工艺。养猪场三种清粪工艺水量消耗和水质情况如表1－2。对于奶牛场，其规模可将奶牛的养殖量换算成猪的养殖量，换算比例为：1头奶牛折算成10头猪。[4]表1－2养猪场三种清粪工艺水量消耗和水质情况表项目水冲粪水泡粪干清粪平均每头(L/d)35～4020～2510～15水量3万头猪场(m/d)210～240120～15060～90BOD55000～60008000～10000302，1000，—水质指标CODCr11000～130008000～24000989，1476，1255(mg/L)SS17000～2000028000～35000340，—，132注：其中水冲和水泡清粪的污水水质按每日每头排放CODCr量为448g，BOD5量为200g，悬浮固体为700g计算得出；干清粪的3组数据为3个猪场的实测结果。由此可见，畜禽养殖场排放的量大而集中的粪尿与废水已成为许多城市的新型大污染源，是造成目前一些城市和流域环境污染的主要原因之一。1.5奶牛场废水处理工艺综述1.5.1国内外规模化奶牛场废水处理情况国外许多经济发达国家，早在六、七十年代就开展了畜禽场粪尿污染治理工作，许多畜牧业发达国家将畜禽粪尿污染作为一门科学（Coproology）开展深入研究。畜禽粪尿的沼气发酵、好氧生化处理、生物转化、氧化沟法等常见的废水处理方法为4n华中科技大学硕士学位论文欧美大陆的许多国家所采用。我国畜禽粪便的治理利用工作起步较晚，约有10年污染防治历史，畜禽粪便对环境的污染只是在北京、天津、广州、上海等大城市及深[7]圳特区才逐渐引起政府的重视。据1999年度上海119家畜禽养殖基地市政府限期治[8]理项目调查，污水经治理后，氨氮去除率普遍较低，不能达到80mg/L的排放标准。目前我国有很多规模化奶牛场开展了奶牛场废水的处理工作，其所采用的技术路线主要有3种：厌氧处理工艺(水压式沼气池)、厌氧处理+好氧处理工艺、好氧处理工艺(曝气氧化塘+生物稳定塘工艺)。其中采用得最多的是厌氧处理(厌氧发酵法)。厌氧发酵是在厌氧条件下，通过微生物作用降解粪污中的有机物产生可实现循环利用的生物质能——沼气，处理后的沼液和沼渣作为肥料或鱼类的部分饲料使用，无污染、无废弃物，使规模化奶牛场生产过程中产生的粪污实现资源化利用。厌氧发酵多采用普通消化池等传统厌氧技术。由于规模化奶牛场多建于城镇郊区，因此解决了该工艺流程中产生的沼液沼渣的出路问题，并将猪场和周边环境、作物形态有机联系在一起，形成一个生态系统。不仅有效解决了环境保护问题，变废为资源，使整个生产过程实现“零排放”，而且工程造价低，投资省，经济、环境效益好，符合我国国情。但该工艺流程存在缺陷：（1）由于规模化奶牛场传统清粪方式多采用水冲清粪，且粪水中悬浮物浓度高时可达10000mg/L，增大了处理量，造成消化池池容过大，投资增加；（2）普通消化池为完全混合式，产酸菌和产甲烷菌均不在最佳环境条件下生存，因此其活性受到抑制，降低处理效率；（3）普通消化池不能随较高的有机负荷，粪污水力停留时间长，因此消化池体积较大。由于水压式沼气池和氧化塘处理工艺有很多缺点，近年来有越来越多的规模化奶牛场采用高效厌氧反应器（UASB）作为厌氧处理单元，COD去除率可达70%～80%，并采用活性污泥或生物接触氧化法作为好氧处理单元，COD去除率可达50%～60%，最后采用氧化塘作为最终出水修饰单元，经这种组合工艺处理后基本能达到国[9]家三级排放标准，如果要想达到国家一级排放标准，尚需增加一段好氧处理或缺氧脱氮处理单元，这无疑会增加基建投资和运行费用，但对其处理出水的受纳水体是敏感水体的规模化奶牛场则必须采用更完善的组合处理工艺。可是，我国目前规模化奶牛场的废水处理出水水质绝大部分尚未达到国家一级排放标准，远不及工业废5n华中科技大学硕士学位论文水处理达标率的一半。1.5.2国内外规模化奶牛场废水处理组合工艺国内外有关奶牛场废水的厌养处理、好氧处理以及自然净化处理工艺研究等方面都有大量文献报道，但这些报道中的绝大部分都是小试或中试试验结果，实际规模运行的研究结果并不多，而且能形成独具特色的奶牛场废水组合处理工艺的研究报道更不多见。根据收集的国内外文献，将国内外规模化奶牛场废水处理组合工艺[10～14]分列如下：1）厌氧塘－兼性塘－好氧塘工艺澳大利亚昆土兰州的一个奶牛场利用3个大的单元塘贮存1000头奶牛废水并作为循环使用。第1个塘是厌氧条件，第2个塘是兼氧条件，第3个塘是好氧条件。每天从贮存塘提取250吨水用于冲洗牛粪。冲洗排出水通过狭窄的、平行的地下水槽进人厌氧塘，废水在每一个塘中停留200天，出水通过贮水池收集，作为循环用水。2）初级沉淀池－厌氧消化池－厌氧塘工艺新加坡的一个工业化奶牛场2.5万头奶牛的废水采用初级沉淀池—兼性塘—好氧塘工艺处理。该处理工艺所确定的设计和运行参数是COD达到250mg/L，其次是循环和利用废水用于奶牛场运行以重新获得有用的物质和能源。该工艺的厌氧消化器接受初沉池的沉降固体，厌氧塘接纳沉降的原生废水和消化器的排出液。尽管COD的去除率几乎高达80%，但还需进一步的处理才能达到废水COD的排放标准。3）生物固定膜和水生植物系统一体化工艺为了使高浓度牛粪/废水的厌氧处理一体化，在热带和土地缺乏的美国夏威夷州，一种用于处理冲洗牛粪的原生污水和厌氧消化排出液的生物固定膜和水生植物(CBFFAP)组合处理工艺被系统地进行观察和研究。结果发现CBFFAP工艺能去除90%以上的总COD，95%的总有机氮和99%的总悬浮固体物。几乎不需任何能量输入就能维持系统的运转，节约了很多能量。4）曝气塘－序批操作反应器(SBR)工艺香港理工大学利用好氧序批操作反应器(SBR)处理接纳奶牛场废水的曝气塘出水。SBR进水中BOD和SS浓度分别为2881mg/L和14181mg/L，出水平均BOD和SS浓度分别为18.7mg/L和12.3mg/L。除了较高的基建投资和运行费用外，简便的操作、较高去除率和低的土地面积需求是其优点，尤其是在土地缺乏和地价昂贵的条件下，6n华中科技大学硕士学位论文[14]SBR工艺是比曝气塘更具有吸引力的一种选择。5）两段生物净化－农田灌溉工艺在德国对综合奶牛场污水与城市污水混合物进行生物净化法试验，澄清的城市污水的BOD5为150～200mg/L，奶牛场粪水的BOD5为5000～12000mg/L。研究目的是测定这两种污水的最适比例及其处理方法(一段和两段净化)。结果发现，如果原混合物的BOD5为1500mg/L时，即使是长时间曝气，也难以使其降到50mg/L。两段生物净化比一段生物净化要好，因为能够提高单位容积中的最低负荷，并在净化的第一阶段消除了污染物浓度的变化，因而稳定了第二阶段的净化能力。混合污水在沉淀池中的停留时间不能少于4h，负荷不能高于0.5m/h。城市污水与奶牛场污水混合净化的基建投资，比分别处理下降14%，运行费用下降47%，能源消耗下降34%，劳动量下[15]降50%。但是污水生物净化后，应当含有生物成分，再用于农田灌溉。6）一段厌氧甲烷发酵与多段氧化沟(池)工艺从1987年以来，台湾省1000多个奶牛场的粪便废物采用三段系统组成的处理系统净化处理。这三段系统包括固液分离、一个厌氧阶段和一个好氧阶段，处理后出水达到排放标准，固体副产物用于制作堆肥，生物气进行利用。对小型奶牛场适用的低成本的粪便床系统已被研究开发出来。7）沉淀池－UASB－曝气池－气浮池－三级氧化塘工艺3广东省东莞市某规模化奶牛场4万头奶牛日排放废水达600m以上，原污水COD浓度高达6000～8000mg/L。中国科学院广州能源所采用固液分离－UASB－生物曝气池－气浮池－三级氧化塘工艺处理该规模化奶牛场废水，厌氧处理和曝气池出水COD分别为1300mg/L和730mg/L，总出水COD达150～200mg/L，NH3-N达31mg/L，处理出水水质达到国家二级排放标准，但由于该规模化奶牛场地处当地居民生活饮用水源上游，应执行国家一级排放标准，为此该规模化奶牛场尚需进行其废水处理[14]工程的改造。8）初沉池－UASB－生物接触氧化池－二沉池－缺氧池－人工土快滤池工艺华南农业大学崔理华等人最近研究开发出一种规模化奶牛场废水组合处理工2艺，该工艺以A/O工艺为基础，结合规模化奶牛场废水的特点，在尽量节省能耗和占地面积的前提下，研究开发出规模化奶牛场废水厌氧－好氧－缺氧－自然好氧(Al－Ol－A2－O2)处理组合工艺。该工艺既具有去除有机物质，同时还具有脱氮除磷等功能，处理出水水质COD小于110mg/L，NH3-N小于10mg/L，并能达到国家一级排放7n华中科技大学硕士学位论文标准；处理能耗和处理成本低，仅只需一段人工曝气处理，且接触氧化时间不超过8h，后段采用人工土快滤池自然好氧处理。该工艺也可用于己有厌氧处理单元而无[16]完善的好氧处理单元(有氧化塘而无曝气池)的规模化奶牛场废水处理工程的改造上。1.5.3我国规模化奶牛场废水污染治理的一些思考（1）规模化奶牛养殖场在建设前应进行系统规划，合理布局，保证养殖场与居民点、水源、旅游景点有一定的间距。要根据当地的消纳粪污能力及粪污处理水平，控制养殖规模，做到能就地消纳养殖场产生的粪便和污水。（2）实行农牧结合、畜禽粪尿用作肥料，既可避免环境污染，又可提高土壤肥力。（3）建立健全养殖场建设环保审批制度、排污申报制度和排污许可证制度。排污工程执行“三同时”政策，养殖场粪污处理工程应与主建筑同时设计、同时施工和同时使用。（4）集约化、规模化的提高，使众多畜禽养殖场采用水冲清粪方式，以减轻清粪的工作量，从而使畜禽养殖场的污水产生量大大增加。结果，不仅极大地浪费了水资源，而且增加了污水处理的难度及治理费用。因此，从保护环境和节约用水的[3]观点看，以干清粪方式代替水冲粪方式势在必行。（5）对于新建和已建而未有废水处理系统的规模化奶牛场的废水处理一定要采用新的厌氧发酵工艺技术，并对厌氧消化液进行好氧处理后，才能排入水生植物塘或养鱼塘，以减轻对地表水和地下水环境的污染，同时要开展资源的多层次利用，以期获得较好的环境、能源和经济效益。（6）对于已建废水处理工程而未达到排放标准的规模化奶牛场，视其所在地区的环境容量和环境敏感程度，采用限期治理达标排放手段，促使此类规模化奶牛场[14]加快其废水处理工程的改造，使其处理出水COD和NH3-N达到国家排放标准。1.6人工神经网络简介1.6.1人工神经网络概述人工神经网络(ArtificialNeuralNetworks，ANN)是人工智能领域中的一个重要分支，它借鉴人脑的结构和特点，由大量简单神经元广泛互连，组成大规模并行分布式信息和非线性动力学系统。具有高度并行性、结构可变性、容错性、高度非线性、8n华中科技大学硕士学位论文自学习性和自组织性等特点。因此能解决常规信息处理方法难以解决或无法解决的问题，尤其属于那些思维(形象思维)、推理及意识方面的问题。人工神经网络可以说是从常规信息处理到实现电子人脑的一种中间过渡。一方面，人工神经网络的基本机理是模拟人脑的部分认知原理;另一面又加入了对人脑的许多假设，并采用数学的、物理的方法达到信息处理的目的。神经网络反映了人脑对于信息的处理、知识与信息的存储、学习和识别及联想记忆等功能的相似特性。神经网络的应用己经渗透到各个领域，如智能控制、模式识别、信号处理、计算机视觉和工程设计等。人工神经网络是近年来的热点研究领域，涉及到电子科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、电气工程、控制科学与技术等诸多学科，其应用领域包[17]括：建模、时间序列分析、模式识别和控制等，并在不断地拓展。1.6.2人工神经网络的特性（1）强大的非线性映射特征。已经证明，给定相应的网络结构，经过足够的训练，神经网络能通过学习过程给出任何连续非线性映射的任意闭合形式的近似。神经网络能用学习算法从历史训练数据中自动吸收系统特性，对系统不需或需要很少了解，因而易于建立非线性系统模型，且易于实现在线运算。（2）良好的容错性与联想记忆特性。人工神经网络的信息以分布形式存储在联接权系数中，网络具有很高容错性。（3）自适应自学习特性。人工神经网络可以通过样本训练和学习来获得网络的权值与结构，使之能成功的用于有噪声干扰的问题上。（4）高度并行处理及综合信息的特性。人工神经网络是并行拓扑结构、具有并行处理信息的能力，因此信息处理量和处理速度很高。神经网络种类很多，其中最重要、应用最广泛的是BP多层前馈网络，它是复杂非线性系统建模的有利工具。1.6.3神经网络结构神经网络在结构上由一个输入层、隐含层和一个输出层组成，其中隐含层的层数是待定的。确定神经网络的结构就是确定隐含层的层数、每一层（包括输入层和输出层）神经元的个数、神经元之间的连接方式等。神经网络结构的主要几种形式有：前馈网络、有跨越连接的网络有有序反馈的网络、有无定型反馈连接的网络、9n华中科技大学硕士学位论文侧向连接的网络。神经网络的结构的选择是一个较复杂的问题，由于问题性质不同，使用场合和要求也不一样，“最佳”结构并没有一个统一的标准。规模大些的网络学习时收敛较快，容错性强，不易陷入局部最小。规模小些的网络则推广能力好，易于理解和抽取规则和知识，利于硬件实现。下面以一个输入层、二个隐含层和一个输出层的前馈形神经网络结构，来说明网络结构运算方式。如图1－1的神经网络拓扑结构图。图1－1神经网络拓扑结构图每个输入层神经元对应一个输入变量，此神经元将此输入分配输出至下一层的每一个神经元，隐含层将前一层的各个神经元的输入按一定的权重求和，然后按照激励函数将此值计算后并分配到下一层和它连接的神经元；每个输出层神经元对应[18]一个输出变量，每个输出变量是将上一层的输出按照一定的权重求和得到的。1.6.4BP学习算法在神经网络中，最常用的学习算法有竞争学习算法、Hebb学习算法和BP学习算法。而目前使用最多也最成熟的是BP学习算法。BP学习过程可以描述如下：（1）工作信号正向传播：输入信号从输入层经隐含层，侧向输出层，在输出端产生输出信号，这是工作信号的正向传播。在信号的向前传递过程中网络的权值是固定不变的，每一层神经元的状态只影响下一层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转入误差信号反向传播。10n华中科技大学硕士学位论文（2）误差信号反向传播：网络的实际输出与期望输出之间差值即为误差信号，误差信号由输出端开始逐层向前传播，这是误差信号的反向传播。在误差信号反向传播的过程中，网络的权值由误差反馈进行调节。通过权值的不断修正使网络的实[17]际输出更接近期望输出。1.6.5人工神经网络在污水处理中的应用人工神经网络属于黑箱模型，它可实现n维空间到m维空间的高度非线性映射，通过训练样本的学习，将研究系统的特征记忆存储到网络权值中，可实现对系统的[19]精确模拟。经过近几年的发展，它的应用领域不断扩大，在污水处理中应用的也越来越多。如S.G.E.Sahely&DavidM.Bagley利用ANN神经网络作为一个诊断工具，输入参数有进水COD浓度、进水碱度、MLVSS、水力停留时间，输出参数有pH值、COD去除率、甲烷产率，通过改变输入参数的值，来分析哪些参数对COD去除率影响较大，以便在实际应用中遇到COD去除率较低的情况，为操作者提供一个可供参考的[20]控制方案。JOOHwaTay&XiyueZhang通过对UASB反应器建立神经网络，输入参数有HLR、OLR、ALR（alkalinityloadingrate），输出参数有VMP和TOC浓度。原始数据主要来自Camos的论文，其数据通过三个UASB实验模型连续18个月的稳态运行下的获得的，最后观测到模型的VMP和TOC的相关系数分别为0.985和0.959，显[21]示神经网络运行良好，很好的模拟了VMP和TOC的值。总结现有研究成果，神经网络已广泛应用于污水处理中，其中有许多成功的案例。可见，把神经网络作为污水操作过程的一个分析工具是可行的，它能够对污水处理进行较好模拟和预测。1.7本文的研究思路和内容随着我国畜禽养殖业的迅猛发展，畜禽养殖产生的污染已经成为我国农村面源污染的主要来源。在一些地区，畜禽粪尿污染已超过居民生活、农业、乡镇工业和餐饮业对环境的影响，是造成许多重要水源地、江、河、湖泊严重污染的主要原因之一。因此，治理畜禽养殖污染刻不容缓。以畜禽污染为主的农村面源污染防治将成为下一步环保工作的重点。本文以湖北省宜昌市京都奶牛场废水为研究对象。废水主要由牛尿液、部分残11n华中科技大学硕士学位论文余的粪便和饲料残渣、牛舍冲洗水、奶瓶清洗水组成，其水质水量变化不大，主要污染物指标变化范围为：COD=8000～10000mg/L、BOD5=4000～8000mg/L、NH3-N=250～500mg/L，可生化性能好。本文通过研究，对奶牛场废水处理工艺的单元技术环节做出一些前期研究工作，获取有益的经验、方法和数据。本文的主要内容及结构如下：第一章：绪论。介绍论文的课题来源，分析畜禽养殖业的发展和给环境造成的影响，综述国内外规模化奶牛场废水处理工艺，介绍人工神经网络的原理和方法，提出本文的研究的主要内容第二章：奶牛场废水处理工艺选择。通过比较主要的废水处理技术，确定适合奶牛场的废水处理方案，确定适用的好氧处理工艺。第三章：神经网络对SBR工艺处理奶牛场废水建模的研究。采用SBR工艺处理奶牛场废水厌氧消化液，通过建立人工神经网络模型，把进水COD、进水NH3-N、曝气结束时的DO值和pH值作为网络的输入参数，出水COD、出水NH3-N作为网络的输出参数，预测出水水质，从而得出系统运行的最佳曝气量和最合适的pH值。第四章：奶牛场废水处理现场调试、工艺改进及经济分析。对奶牛场废水处理工程进行生物处理调试，发现目前存在的问题，提出厌氧处理单元的改造措施。第五章：总结全文，分析本文不足与下一步主要研究工作。12n华中科技大学硕士学位论文2奶牛场废水处理工艺选择2.1宜昌市京都奶牛场概况宜昌市京都奶牛良种示范场位于宜昌市夷陵区小溪塔街办尤家河，占地约165亩，主要从事奶牛养殖与繁育、鲜牛奶销售、饲草加工等农业综合开发产业。该场已完成一期项目建设，实际投资1200多万元。建双列式轻钢双层隔热屋面牛舍4栋2800平方米，建青贮窖2个，容量为2000立方米，建奶牛运动场4个5000平方米，完成了配套供水、供热、供电设施，绿化面积2960平方米，道路硬化1320米。目前奶牛存栏数345头，其中成年奶牛280头。场方计划在5年内将奶牛存栏数扩大到1000头。场区平面布置见图2－1。图2－1宜昌市京都奶牛场平面布置示意图3场方已建好水压式沼气池4组，每2组分别串连，总容积240m；浮水植物净化池1座，占地约1.5亩。产生的废水依次流入沼气池、浮水植物净化池和后续的两个养鱼生态净化塘进行处理，处理后的废水出水达标。由于奶牛场发展的需要，拟在两个养鱼生态净化塘的位置新建牛舍。所以必须对浮水植物净化池进行改造，将其分隔13n华中科技大学硕士学位论文成几个部分，每个部分成为一个处理单元，强化废水处理，使出水水质达标。另外需考虑将来奶牛场规模扩大，处理量增加的问题。2.2奶牛场废水水量与水质京都奶牛场采用干清粪工艺，废水主要由尿液、部分残余的粪便和饲料残渣、冲洗水组成，其中冲洗水占了绝大部分，另外还有少量奶瓶洗瓶水。由于奶牛场中废水采用的是地埋式暗管排放，雨水与污水分流，故不考虑雨水带来的污水水量变化。根据农业出版社出版的《农业技术经济手册》，成年奶牛的排泄指数为：粪20kg/(头·d)，尿10kg/(头·d)。通过干清粪工艺，基本上可以清除90%的粪便，残余的[3]粪便和饲料残渣用的水冲洗。由此确定奶牛单位废水产生量取25kg/(头·d)，奶瓶洗瓶水取1吨/天。考虑一定的处理能力余量，最终确定当前的废水处理规模为12吨/天。根据京都奶牛场环境监测报告书，奶牛场废水水质见表2－1。表2－1京都奶牛场废水监测报告表监测项目pH值SS(mg/L)CODCr(mg/L)BOD5(mg/L)氨氮(mg/L)1号牛舍7.725432838041103082号牛舍7.70673695104480323沼气池出水7.8419019701040371氧化塘7.2423328212279.9排放标准6～920040015080由上表可以看出京都奶牛场废水有以下特点：（1）奶牛场废水的各种污染物浓度很高，CODCr浓度为10000mg/L左右，氨氮浓度为350mg/L左右。属于高浓度有机含氮废水；（2）沼气池出水的SS很低，说明废水的沉降性能好；（3）废水的BOD5/CODCr值为0.5，可生化性较好；（4）由于需常使用生石灰（CaO）和纯碱（NaHCO3）对牛舍进行消毒，所以废水的pH值呈弱碱性；（5）沼气池出水氨氮浓度比原水略高，可能是由于沼气池中厌氧氨化作用的结果。14n华中科技大学硕士学位论文2.3奶牛场废水处理技术比选2.3.1厌氧生物处理厌氧消化过程是指无溶解氧的情况下，由多种微生物的共同作用，将有机物分[22～24]解为CO2、CH4、H2O、H2S和NH3的过程。在厌氧消化过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复杂的生态系统。人们对厌氧消化过程理论的研究经历了几个阶段：首先足在二十世纪30年代发[25，26]展起来的两阶段理论，该理论将厌氧消化过程划分为产酸阶段和产甲烷阶段，相应地把微生物分为产酸菌和产甲烷菌两类，即产酸菌参与酸化反应，将复杂的有机物降解为有机酸、醇类、CO2和H2等，产甲烷菌利用产生的有机酸等生成甲烷，两阶段理论第一次将厌氧消化过程模型化，为厌氧消化过程的研究打开了思路，但两阶段理论并没有全面地反映厌氧消化过程的本质；随着厌氧消化理论的发展和人们[27]对它理解的深入，在1979年Bryant根据微生物的不同生物类群提出三阶段理论，该理论突出了产氢产乙酸菌(HydrogenProducingAcetogenicBacteria)的作用，认为它在水解与发酵细菌及产甲烷菌之间存在共生关系，起到了桥梁作用。产氢产乙酸菌不[28]断为产甲烷菌提供H2作为能源的同时，也为还原CO2生成CH4提供电子供体。Zeikus[30]等提出了厌氧消化的四类群理论，将复杂有机物的厌氧降解分为如图2－1所示的四个典型阶段，该理论是当前较为公认的理论模式。（1）水解阶段：高分子有机物因相对分子质量大，不能通过细胞膜，不能为细菌直接利用。因此它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子物质。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖与葡萄糖，蛋白质被蛋白质酶水解为短肽、氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。（2）发酵(或酸化)阶段：在这一阶段，上述小分子的化合物在发酵细菌(即酸化菌)的细胞内转化为更为简单的化合物并分泌到细胞外，这一阶段的产物主要有挥发性脂肪酸(简写作VFA)、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废水厌氧处理时产生更多的剩余污泥。（3）产乙酸阶段：在此阶段，上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。15n华中科技大学硕士学位论文（4）产甲烷阶段：这一阶段，产甲烷细菌通过两个途径之一，将乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。其一是在二氧化碳[29]存在时利用氢气生成甲烷；其二是利用乙酸生产甲烷。1－发酵细菌；2－产氢产乙酸菌；3－同型产乙酸菌；4－利用H2和CO2的产甲烷菌；5－分解乙酸的产甲烷菌图2－2有机物厌氧分解过程当然，厌氧消化是个极其复杂的过程，人们对他的了解是不完全的，甚至有些问题还存在较大的争论，随着微生物学和生物化学技术的进展，厌氧消化过程必将[31]得到更加深入的研究。厌氧处理技术是特别适合养殖业废水处理、符合我国国情的处理技术。其产物可以被积极利用而产生经济价值。例如处理后的废水可用于池塘养鱼、灌溉或施肥；产生的沼气可作为能源回收；剩余污泥可以作为肥料施用农田，并且有良好的土壤改良效果。考虑到我国作为发展中国家和目前污染的现状，养殖业废水处理优先选择厌氧处理技术较其他处理技术具有明显的优势：①养殖业废水厌氧处理，可作为环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的技术，具有较好的环境和经济效益；②厌氧废水处理技术是非常经济的技术，在废水处理成本上比好氧处理及其他处理方法要低廉得多，特别是对高浓度的养殖业废水更是如此；③厌氧处理能产生大量的能源；④厌氧废水处理设备负荷高，占地少；⑤厌氧方法产生的剩余污泥量比好氧法少得多，且剩余污泥脱水性能好，浓缩时可不使用脱水剂，因此剩余污泥处理要容易得多；⑥厌氧系统设备简单，易于制作，规模可灵活控制；⑦厌氧处16n华中科技大学硕士学位论文理较好氧处理所需的营养盐少；⑧可以季节性、间歇性运转，厌氧污泥可以长期贮存；⑨与好氧处理相比，厌氧处理可以直接处理高浓度的有机废水，不需要大量的稀释水；⑩可对一些好氧处理难于降解的物质进行降解。厌氧处理也存在一些不足，为其应用带来不便：①虽然厌氧方法处理污染负荷高，去除有机物的绝对量高，允许高浓度进液，但其出水浓度高于好氧处理，不能满足排放要求，原则上仍需一定的后处理才能达到相应排放标准；②厌氧处理污泥增殖缓慢，因而装置启动周期长，第一次启动需要8～12周的时间；③厌氧系统操作控制因素较为复杂，初次启动操作，要求操作人员进行一定的培训；④厌氧处理构筑物由于缺氧，且产生的沼气易燃，容易发生安全事故，必须采取相应的预防措施。厌氧生物处理多用于高浓度有机废水和难降解有机废水的处理，低浓度废水很少选用。这一特点特别适合于本类废水的处理。由于畜禽养殖场废水属高浓度有机废水，所以几乎所有的养殖场均选择厌氧生物工艺作为其处理养殖场废水的主要方法之一。2.3.2好氧生物处理好氧生物处理主要分活性污泥法和生物膜法（主要为接触氧化法）两大类，接[32]触氧化法和活性污泥法各有优缺点。1）活性污泥法的净化反应过程活性污泥法的净化过程一般包括絮凝吸附、生物代谢、泥水分离等阶段，絮凝吸附：一方面，在正常发育的活性污泥微生物体内，存在着由蛋白质、碳水化合物和核酸组成的生物聚合物，且这些生物聚合物有些是带有电荷的电介质。因此，由微生物形成的生物絮凝体具有生理、物理、化学等作用产生的吸附作用和凝聚沉淀作用。微生物与废水中呈悬浮状或部分可溶性的有机物接触后，能够使后者失稳、凝聚，并被其吸附在表面；另一方面由微生物组成的活性污泥具有较大的表面积，因此，在较短的时间内(15～30min)就能够通过吸附作用去除废水中大量的有机污染物。生物代谢：被吸附在微生物细胞表面的小分子有机污染物能够直接在透膜酶催化作用下，透过细胞壁而被摄人到微生物体内，但大分子有机污染物则需在微生物体外水解酶的作用下水解成小分子，再被摄人体内。活性污泥中的微生物将有机污染物摄人体17n华中科技大学硕士学位论文内后，以其作为营养物质加以代谢，从而使污染物得以去除，另外一部分污染物被吸附在微生物细胞表面通过剩余污泥排放的形式去除。泥水分离：在二沉池内进行的泥水分离是活性污泥处理系统的关键步骤。良好的絮凝、沉淀与浓缩性能是正常活性污泥所具有的特性。活性污泥在二沉池内的沉降，经历絮凝沉淀、成层沉淀与压缩沉淀等过程，最后在沉淀池的污泥区形成浓度较高的浓缩污泥层。2）生物膜法的基本原理生物膜法是一种高效的废水处理方法，具有污泥量少，不会引起污泥膨胀，对废水的水质和水量的变动具有较好的适应能力，运行管理简单等特点。生物膜法是使微生物附着在载体表面上并形成生物膜，当污水流经载体表面时，污水中的有机物及溶解氧向生物膜内部扩散。膜内微生物在有氧存在的情况下对有机物进行分解代谢和机体合成代谢，同时分解的代谢产物从生物膜扩散到水相和空气中，从而使废水中的有机物得以降解。活性污泥法和生物膜法的区别不仅仅是微生物的悬浮与附着之分，更重要的是扩散过程在生物膜处理系统中是一个必须考虑的因素。在生物膜反应器中，有机污染物、溶解氧及各种必须的营养物质首先要从液相扩散到生物膜表面，进而进到生物膜内部，只有扩散到生物膜表面或内部的污染物才有可能被生物膜内微生物分解与转化，最终形成各种代谢产物。另外，在生物膜反应器中，由于微生物被固定在载体上，从而实现了SRT（污泥龄）与HRT（水力停留时间）的分离，使得增殖速率慢的微生物也能生长繁殖。因此，生物膜是一稳定的、多样的微生物生态系统。2.3.3物化处理1）化学氧化（臭氧，H2O2，紫外线）该工艺用在好氧生物预处理之后，用来氧化去除那些被生物不能或难以降解的COD和部分的有毒物质。化学氧化过程一般不产生需再处置的剩余物。2）絮凝和沉降通过絮凝和沉降去除那些难生物降解的COD、重金属、聚合物和氢氧化钙。如果使用三价金属盐类和前面的pH值降低到4～4.5时，这个工艺可以被优化。3）活性炭吸附18n华中科技大学硕士学位论文也可去除废水中的有机物。一般用于对於出水要求极高的后续处理，但会导致运行费用增加，如使用过的活性炭不处理再生及重复使用，就成为固体剩余物。4）膜工艺近年来，许多新技术应用于污水处理，取得了迅速的发展。其中发展最成功和目前应用趋势最好的一类是膜技术的应用，包括超滤、纳滤和反渗透等。其中微滤（MF）孔径范围一般为0.05～10µm，超滤（UF）筛分孔径为0.01～0.1µm，均不能截留渗沥液中所含盐份，只能用来将微生物菌体、沉淀物从废水中分离出来，压力量在0.2～7bar之间。近来微滤和超滤在与好氧生物工艺处理组合应用，即所谓膜生化反应器（MBR）技术。近年来物化处理越来越多的应用于水处理中，虽然其处理效果很好，但是没有最终解决污染物的降解问题。而且物化处理设备造价昂贵，是处于微利行业之列的奶牛场无法承受的。2.3.4自然处理法1）稳定塘工艺稳定塘是一种利用天然的或轻人工修整的池塘处理废水的构筑物。稳定塘对废水的净化过程和天然水体的净化工程很接近，它是一个菌藻共生的生态系统。稳定塘处理废水时，废水在塘内的停留时间很长，污染物通过水中的生物的代谢作用而降解。废水进入池中，水中的溶解性有机物为好氧细菌所氧化分解，所需的氧除通过大气扩散进入水体或通过人工曝气加以补充外，相当一部分由藻类和水生植物在光合作用中所释放，而藻类光合作用所需的CO2则由细菌在分解有机物的过程中产生。稳定塘是一种简单、有效而经济的废水处理方法，能有效地去除氮、磷和有机物。2）人工湿地系统人工湿地系统是一种由人工建造和监督控制的、与沼泽地类似的地面，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化作用。这种系统是在一定长宽比及底面坡度的洼地中，由土壤和按一定坡度填充一定级别的填料（如砾石）混合结构的填料床组成，废水可以在填料床床体的填料缝隙中流动，或在床体的表面流动，并在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观及具有经济价值的水生植物，形成一个独特的植物生态环境，从19n华中科技大学硕士学位论文而实现对废水的处理。2.3.5宜昌市京都奶牛场适合采用的废水处理技术根据以上的分析，活性污泥等好氧处理法，其COD、BOD5、SS去除率较高，可达到排放标准，但氨、磷去除率低，且工程投资大，运行费用高；自然处理法，其COD、BOD5、SS、N、P去除率较高，可达到排放标准。且成本低，但占地面积太大，周期太长，使其在土地紧缺的地方难以推广；厌氧生物法可处理高浓度有机质的污水，自身耗能少，运行费用低，且产生能源，但京都奶牛场产生的高浓度有机废水经厌氧处理后，水中的BOD5尚有1000mg/L以上，难以达到现行的排放标准。此外，在厌氧处理过程中，有机氮转化为氨氮，硫化物转化为硫化氢，使处理后的污水仍具有一定的臭味，也要求做进一步的好氧生物处理。而厌氧－好氧联合处理，既克服了好氧处理能耗大或土地面积紧缺的不足，又克服了厌氧处理达不到要求的缺陷，具有投资少，运行费用低，净化效果好，能源环境综合效益高等优点，适合[3]产生高浓度有机废水的奶牛场的废水处理。京都奶牛场废水产量不大，但氨氮含量较高，而且经过沼气池厌氧处理后，氨氮浓度上升。所以需要优选后续处理方案，有效去除氨氮。根据奶牛场现状，浮水植物净化池所占面积较大，将其分隔改造为一个好氧的脱氮处理单元和多级浮水植物净化池。浮水植物净化池是一种稳定塘工艺，其脱氮效果明显。2.4废水生物脱氮机理传统生物脱氮理论认为在有机氮转化为氨氮的基础上，通过硝化反应将氨氮转化为亚硝态氮、硝态氮，再通过反硝化反应将硝态氮转化为N2从液相中释放出来，[33]达到脱氮目的。因此，完整的生物脱氮过程包括氨化过程、硝化过程和反硝化过程。2.4.1氨化过程有机氮化合物，在氨化菌的作用下，分解、转化为氨态氮的过程。污水中的有机氨主要以蛋白质、氨基酸等形式存在。一般生物废水处理反应器内的微生物都能降解蛋白质、多肽、氨基酸、尿素等含氮化合物以获得生命活动所需能量和其它小分子物质，并生成氨氮，这个过程称为氨化。蛋白质的分解过程如[34]下：20n华中科技大学硕士学位论文蛋白酶蛋白酶肽酶蛋白质→蛋白胨→多肽→氨基酸（2-1）不同微生物所具有的蛋白酶也不尽相同，如枯草杆菌有明胶酶和酪蛋白酶，而大肠杆菌没有这两种酶，因此不能分解明胶和酪蛋白。污水中能分解蛋白质的微生物种类很多，特别是假单胞菌屈、牙孢菌属中某些种均能产生蛋白酶。真菌中的曲霉、毛霉和木霉也能产生蛋白酶分解蛋白质。氨基酸被吸收进入微生物细胞后，有的转化为另一种氨基酸用于合成菌体蛋白质或某些含氮化合物的合成。而另一部分氨基酸的降解主要通过脱氨基和脱羧基两[34]种方式．由于微生物类型、氨基酸种类与环境条件不同，脱氨方式也不同，主要有（1）氧化脱氨：在有氧条件下好氧微生物将氨基酸氧化成酮基酸和氨。（2）还原脱氨：在厌氧条件下，专性厌氧菌和兼性厌氧菌将氨基酸还原成饱和脂肪酸和氨。（3）水解脱氨和减饱和脱氨：不同氨基酸经此两种方式脱氨生成不同的产物。如大肠杆菌及变形杆菌水解色氨酸，生成吲哚、丙酮酸及氨；粪链球菌使精氨酸产生瓜氨酸；大肠杆菌、变形杆菌、枯草杆菌和酵母菌等能将半胱氨酸分解为丙酮酸，氨和硫化氢。2.4.2硝化过程好氧条件下将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程。在硝化菌的作用下，氨态氮的进一步分解氧化分两个阶段进行。首先在亚硝酸菌的作用下，使氨转化为亚硝酸氮，反应式为：+2−+NH+O→NO+HO+2H（2-2）42223继而，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮，其反应式为：−1−NO+O→NO（2-3）2232硝化过程的总反应式为：+−+NH+2O→NO+HO+2H（2-4）4232亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和硝酸球菌属等，硝酸菌有硝酸杆菌、螺菌属和球菌届等，两者都属专性好氧菌。硝化细菌几乎生活在所有污水处理过程中，它们都是革蓝氏染色阴性，具有强烈的好氧性，不能在酸性条件下生长，21n华中科技大学硕士学位论文其生长率低，对环境条件变化较为敏感，温度、溶解氧，污泥龄、pH、有机负荷等环境因素都会对它产生影响。2.4.3反硝化过程在无氧或低氧条件下，硝酸态氮，亚硝酸态氮在反硝化菌的作用下被还原为气态氮（N2）的过程。在反硝化过程中，硝酸氮通过反硝化菌的代谢活动，可能有两种转化途径：同化反硝化（合成），最终形成有机氮化物，成为菌体的组成部分；异化反硝化（分解），最终产物为气态氮。在厌氧条件下，反硝化菌以污水中的有机物为能源和碳源，硝酸盐作为氧化剂被还原为氮气，这是硝酸盐还原的异化过程；在异化过程的同时还有一个将硝酸盐转化为氨氮用于细胞合成的同化过程，但通过同化反硝化去除的氮相对较少。上述传统脱氮理论认为，氨氮的去除是由典型的硝化和反硝化两个过程共同完成的，这两个过程由于所利用的微生物和反应条件的不同，相互独立，不能同时发生．硝化反应需在好氧条件下进行，而反硝化反应在缺氧条件下完成，传统SBR工艺的序批式运行为此创造了良好的条件。然而，最近国内外有不少研究表明：生物脱氮过程还存在同步硝化反硝化（SimultaneousNitrificationandDenitrification，简称SND）以及短程硝化反硝化等途径。同步硝化反硝化即硝化反应和反硝化反应在同一反应器中相同操作的条件下同时发生。其脱氮机理还处于初步探索阶段，目前的研究主要从宏观环境、微观环境[35]及微生物学等角度对其机理进行了探讨。宏观环境理论认为，在生产规模的生物反应器中完全均匀的混合状态并不存在，即使在以好氧条件为主的活性污泥系统中，当采用点源性曝气装置或曝气不均匀时，往往会出现较大范围的局部缺氧的环境，因此在曝气阶段可能出现某种程度的反硝化即同步硝化反硝化的现象。微观环境理论则从物理学角度对其进行了解释，认为由于氧扩散的限制，在微生物絮体或者生物膜内产生溶解氧梯度，即微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧浓度高，以好氧硝化菌为主，深入絮体内部，氧传递受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优，从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。目前，该理论解释同步生物脱氮现象已被广泛接受。而异养硝化细菌和好氧反硝化细菌的发现打破了传统理22n华中科技大学硕士学位论文论认为的硝化反应只能由自养细菌完成、反硝化只能在厌氧条件下进行的观点，形成了其微生物学理论。在同一反应器中实现同步硝化反硝化并达到这两个过程的动----力学平衡，不仅可以节省更多的占地面积，还可避免NO2氧化成NO3及NO3还原成NO2这两个多余的反应，达到简化工艺流程、提高脱氮效率的目的。短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理则是通过反应条件的控制，在氨氮经亚硝---化细菌氧化为NO2-N之后将硝化过程控制在NO2阶段，阻止NO2的进一步硝化，然后直接进行反硝化。与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化不仅可以节省能耗约25％（以氧计），节约碳源40％（以甲醇计），减少污泥生成量，还缩短了反应时间，[36]相应地减少了反应器30％～40％左右容积。日前，该途径还处于研究和探讨阶段，其有效实现、维持及控制已成为生物脱氮技术探索和研究的热点。2.5奶牛场废水好氧处理工艺比选本节给出三种可以考虑的奶牛场废水好氧处理反应器，并通过分析，确定最适合宜昌京都奶牛场的工艺。2.5.1SBR工艺SBR工艺（SequencingBatchReactor），亦称序批式活性污泥法或间歇式活性污泥法，是一种利用微生物在反应器内按照一定的时间顺序间歇式操作的污水处理技术。该技术集曝气池、测淀池于一体，不需设置二沉池及污泥回流设备，也无需设初沉池。典型的SBR系统分为进水、曝气、沉淀、排水、静置五个阶段。1）进水工序在污水注入之前，反应器处于5道工序中最后的闲置阶段，处理以后的废水已排放，器内残存高浓度的活性污泥混合液。2）曝气工序污水注入预定高度后，即开始曝气操作，根据污水处理的目的如COD去除，硝化、反硝化等，采取不同的曝气时间。根据开始曝气的时间与进水过程时序的不同，可以分为三种不同的曝气方式。即非限量曝气（一边充水一边曝气）、限量曝气（一充水完毕后开始曝气）、半限量曝气（在充水阶段的后期开始曝气）。3）沉淀工序23n华中科技大学硕士学位论文停止曝气和搅拌，混合液处于静止状态，使活性污泥沉降。4）排放工序经过沉淀后产生的上清夜，作为处理水排放。5）静置工序也称闲置工序，即在处理水排放后，反应器处于停滞状态，等待下一个操作周期开始的阶段。[2]这样五个工序依次反复进行，便构成了序批式处理工艺。运行工序简图如图3－1。图2－3SBR反应器运行工序简图SBR工艺脱氮主要是通过曝气装置的开关，使反应器中好氧与缺氧的交替，通过微生物硝化和反硝化作用脱氮。另外，近年来出现了许多对SBR工艺同步硝化反硝化生物脱氮技术和短程硝化反硝化的研究，该技术也成为目前生物脱氮的重要发展方向之一。SBR工艺具有许多优点：①工艺简单，占地面积小，工程造价低；②时间上具有理想的推流式反应器的特性；③运行方式灵活，处理效果好；④具有良好的污泥沉降性能；⑤对进水水质的波动具有较好的适应性。2.5.2缺氧/好氧工艺（A/O工艺）根据生物脱氮的原理，在20世纪80年代初开创了A/O工艺，其工艺流程如图2－4所示。该工艺将反硝化反应器放置在系统之前，所以又称为前置反硝化生物脱氮系统。在反硝化缺氧池中，回流污泥中的反硝化菌利用原污水中的有机物作为碳源，--将回流混合液中的大量硝态氮（NO2-N或NO3-N）还原成N2，而达到脱氮的目的，然后再在后续的好氧池中进行有机物的生物氧化、有机氮的氨化和氨氮的硝化等生[37]化反应，A/O工艺具有以下主要优点：（1）流程简单、构筑物少，只有一个污泥回流系统相混合液回流系统，基建费24n华中科技大学硕士学位论文用可大大节省；（2）反硝化池不需外加碳源，降低了运行费用。（3）A/O工艺的好氧池在缺氧池之后，可以使反硝化残留的有机污染物得到进一步去除，提高出水水质。（4）缺氧池在前，污水中的有机碳被反硝化菌所利用，可减轻其后好氧池的有机负荷。同时缺氧池中进行的反硝化反应产生的碱度可以补偿好氧池中进行硝化反应对碱度的需求。图2－4A/O工艺流程图A/O工艺的主要缺点是脱氮效率不高，最多为70％～80％，此外，如果沉淀池运行不当，会在沉淀池内发生反硝化反应，造成污泥上浮，使处理水水质恶化。尽管如此，A/O工艺仍以它的突出特点，而受到重视，该工艺是目前采用比较广泛的脱氮工艺。2.5.3曝气生物滤池（BAF）曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解[38]作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的生物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。其构造结构见图2－5。BAF反应器为周期运行，从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。具体过程如下：经预处理的污水与经硝化的滤池出水按一定回流比混合后进入滤池底部。在滤层中进行曝气，曝气系统将滤池分为好氧和缺氧两部分。在缺氧区，一方面反-硝化菌利用进水中的有机物作为碳源，将滤池中的NO3-N转化为N2，实现反硝化。另一方面，填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化产生的氧降解BOD，同时，一部分SS被吸附截留在滤床内，这样便减轻了好氧段的固体负荷。经过缺氧段处理-的污水然后进入好氧段，氧进一步降解BOD，硝化菌将NH3-N氧化为NO3-N，滤床25n华中科技大学硕士学位论文继续截留在缺氧段没有被去除的SS。流出滤层的水经上部滤头排出滤池，出水按需求分为：排出处理系统、按回流比与原水混合进行反硝化、用作反冲洗水。随着过滤的进行，滤层中新产生的生物膜和SS积累不断增加，水头损失与时间成线性正相关。当水头损失达到极限水头损失时，应及时进入反冲洗以恢复滤池的处理能力。图2－5曝气生物滤池构造结构图该工艺具有如下优点：①生物滤池内填料的比表面积大，具有较高的容积负荷；②不设污泥回流系统，也不存在污泥膨胀问题，运行稳定，管理方便；③生物膜与废水接触时间较长，在不同的高度存在着不同的生物相，因此具有较好的去除效果；④采用自然通风，易于在冬天维持塔内水温；⑤出水高度硝化，泡沫很少，较易控制；⑥占地面积少，基建费用省，且运行成本低。由于以上优点，生物滤池比较适于中、小流量废水的处理。曝气生物滤池的主要缺点是：①预处理要求较高；②产泥量相对于活性污泥法稍大，污泥稳定性稍差。2.5.4三种处理工艺比较根据上面的分析，三种处理工艺的比较见表2－2。26n华中科技大学硕士学位论文表2－2SBR、A/O、BAF三种处理工艺比较表项目BAF工艺SBR工艺A/O工艺无需二沉池，池体一般较土建工程无需二沉池，土建量小土建量大深，土建量稍大投资设备及仪设备量少，自控仪表不设备量稍大，自控仪表多设备量少，自控仪表不多费用表多占地占地最小占地较小占地大总投资最小较小较大污泥回流不需污泥回流不需污泥回流污泥回流100%～150%比活性污泥法低30%～运行曝气量较大较大40%费用总运行成较低较低较高本产泥量较活性污泥法稍产泥量产泥量较大产泥量较大大，污泥稳定性稍差污泥膨胀无容易产生容易产生流量变化受过滤速度限制，有一定受沉淀速度限制，有一受容积限制，有一定影响工艺影响影响定影响效果冲击负荷承受冲击负荷能力较可承受日常的冲击负荷承受冲击负荷能力较强影响强温度变化水温波动小，低温运行稳受低温影响受低温影响影响定出水水质好较好较好连续进水可实现供氧量连续进水，可实现供氧自动化程序批式反应，可实现自动和反冲洗的自动调节和量和回流比的自动调度运行控制，自动化程度高节运行设备和管道布置紧密，维曝气头易堵塞，维修较复设备分散，曝气头易堵管理日常维护护简单杂塞，维修较复杂管理操作少少较多人员封闭式，臭味对周围环境敞开式，臭味对周围环境敞开式，臭味对周围环臭气问题环境影响很小影响较大境影响较大问题风机、水泵等设备位于廊噪音问题风机运行时噪音较大风机运行时噪音较大道内，对周围环境影响小未来增加处理全部为成套设备，扩建容池体为砌体结构，扩建相构筑物均需增加，土建扩建量易对容易工程量大分析如下：（1）曝气生物滤池工艺技术较成熟，投资费用和运行费用较低。但国内很少有27n华中科技大学硕士学位论文用于处理畜禽养殖场废水处理的工程实例，难以确定合适的滤料，而滤料是曝气生物滤池的主体,它对生物滤池的净化功能有直接影响。（2）A/O工艺的投资费用和运行维护费用是三种工艺中最高的，出水水质一般，且日后处理量增加构筑物改造难度大。（3）SBR工艺产生的污泥量较大，但是出水水质稳定，运行可靠性高，工艺简单，占地面积小，工程造价低；具有良好的污泥沉降性能；对进水水质的波动具有较好的适应性。可以根据DO值和pH值自动控制启动或停止工作，十分灵活，操作管理方便。综合考虑各种因素，确定选择SBR工艺作为宜昌市京都奶牛场的好氧处理工艺。2.6本章小结（1）目前京都奶牛场废水处理规模为12吨/天。废水中各种污染物浓度都较高，属于高浓度有机含氮废水。（2）通过分析各种废水处理技术，确定京都奶牛场适合采用的废水处理技术为厌氧—好氧—稳定塘联合处理。（3）奶牛场废水中氨氮含量较高，而沼气池出水氨氮含量又有上升。所以应选择能有效去除氨氮的工艺作为后续处理工艺。（4）通过比较SBR工艺、A/O工艺、和BAF工艺确定选用SBR工艺作为京都奶牛场的好氧处理工艺。28n华中科技大学硕士学位论文3神经网络对SBR工艺处理奶牛场废水建模的研究3.1运用神经网络建模的作用SBR法处理污水过程是典型的复杂动态工程系统，具有非线性、时变性和不确定性，该工艺是一个好氧—厌氧不断循环进行的过程。采用神经网络方法可以避开对生化过程的复杂分析。由于神经网络能够根据对象输入、输出的数据直接建立模型，不需要对象的先验知识及复杂的数学公式推导，采用适当的训练算法就可以达到需要目标精度，跳过生化反应动力学和化学计量法对生化过程动力学特征和中间产物的分析，能从宏观上对生化过程控制提供监控。可用于废水处理出水水质预测，是通过DO值和pH值对系统运行进行模糊控制的全新方法。3.2神经网络模型的建立3.2.1参数的选取在SBR工艺的硝化与反硝化过程中，pH值发生变化，这是由于在硝化的过程中-会产生氢离子，使得溶液成偏酸性，pH值有所降低，在反硝化的过程会产生OH离子,而使得混合液成微碱性。但是，如果混合液过酸或过碱都会抑制反硝化的进行，使反硝化进行得不完全,而使出水中积累了大量的硝酸盐,造成脱氮效果不高。因此，混合液中pH的高低是表征脱氮效果的一个重要参数。DO这个参数与COD浓度都有一定的相关关系，尤其当空气量恒定时，COD被降解至难降解浓度时，DO值会迅速的大幅度升高，之后很快趋于平稳，并在某一较高值的特定范围内稳定下来，而当进入厌氧反应阶段由于停止曝气DO迅速下降为零。DO值可以作为在好氧过程优化调节曝气量的参数，而pH值可以给出体系的碱度条件是否适宜以及pH值是否有利于微生物生长。此外，进水的温度、COD值、NH3-N值等都会对COD和NH3-N的去除产生影响，但现场运行的SBR是在常温下进行的，温度无法控制。综合各种条件，确定进水COD值、NH3-N值、曝气阶段结束时的DO值、曝气阶段结束时的pH值四个指标作为BP29n华中科技大学硕士学位论文神经网络输入层的参数变量，出水COD值、NH3-N值指标作为网络输出层变量。3.2.2确定BP网络结构BP神经网络是由一个输入层、一个输出层及隐含层构成。所以整个BP神经网络的结构、层数皆由隐含层的层数来确定，有研究表明，一个隐含层时BP网络就可以得到很高的精度，而过多的隐含层会导致BP网络训练时间增长，精度下降。所以在本论文中对的神经网络结构采用三层BP网络，即采用一个输入层、一个隐含层、一个输出层的三层网络结构。隐含层单数量同BP网络的结构和训练速度、预测精度直接相关。BP网络隐含层数的确定并没有一个明确的公式，参考一些定性结论：（1）隐含层单元数过少，无法产生足够的连接权组合数来满足若干样本对的学习，隐含层单元过多，学习以后网络的泛化能力变差；（2）如果要求逼近的样函数变化剧烈、波动很大，则要求可调整的连接权数多，从而隐含层单元数也应当多一些；（3）如果规定的逼近精度高，则隐含层的单元数也应当多一些；（4）可考虑开始时放入较少的隐含层单元，学习一定次数后，如未学习成功，再逐步增加隐含层单元数。也可以先加足够多隐含层单元，而后把学习中不太起作用的连接权和隐含层单元删掉。根据试验，确定隐含层单元数为四个，这样BP网络结构就确定了，总共有三层，输入层神经元有四个，分别是进水COD值、NH3-N值、曝气阶段结束时的DO值和pH值；隐含层单元数为四个；输出层单元数为二个，分别是出水COD值、NH3-N值。3.2.3激励函数的选取BP学习算法是采用梯度下降法，在权矢量空间求取误差函数值的极小值，能够[39]使误差函数极小化的权值组合即为学习问题的解答。由于这种梯度下降法在计算时必须进行求导运算，故函数选取时必须保证函数的连续可导性，原则上能满足这个条件的函数都可以作为激励函数。在实际运用中，应用最普遍的一类激励函数:Sigmoid函数(或称S形函数)，它是在水处理和其它领域中，利用BP网络处理问题最常用的函数，得到很多成功的验证。其表达式为：1S(x)=（3-1）−cx1+e30n华中科技大学硕士学位论文1其中式中c为常数，可以任意选定不同的c值，本文中取c=1.0即采用S(x)=−x1+e形式。此时其导数为:−xdeS(x)==S(x)[1−S(x)]（3-2）−x2dx1(+e)函数的导数可以用函数本身来表达，这样求导运算时方便简捷，可以大大减少[18]工作量。3.3数据来源用于神经网络学习和验证的数据来源于宜昌市喜旺奶牛场废水处理工程调试数据和宜昌市京都奶牛场废水处理工程调试数据。从所得到的原始数据中剔除一些非正常数据，留下30组数据。30组数据如表3－3。用其中24组数据作为神经网络模型的训练数据，另外6组数据作为神经网络模型的验证数据。表3－3数据表进水进水出水出水曝气结束时曝气结束时序号CODCrNH3-NCODCrNH3-N备注DO值(mg/L)pH值(mg/L)(mg/L)(mg/L)(mg/L)116482564.16.758924218782873.96.660426318562734.06.672123420433043.86.464324523443163.76.665824622573183.86.758726训练720463064.06.459329数据823373393.76.865332924053683.86.8766341022193254.26.3680371119743064.46.3683361222193474.06.5667351320593053.86.768236验证1422873224.16.673540数据1520183014.36.77063531n华中科技大学硕士学位论文1662324112.27.919822331763154022.37.819352451859733672.47.817482161960283992.48.018781982064774052.18.119562462162874132.38.02037224训练2258464042.57.81865203数据2363254162.48.121572122463084252.28.122692272560303862.28.020522072661573972.47.920962192764384231.98.222152432862154062.27.92034235验证2961364132.38.01995227数据3062474042.28.120632293.4神经网络模型的学习与验证3.4.1数据的标准化处理由于Sigmoid函数要求输入值范围在-1～+1之间，这样才能保证网络对样本具有足够的输入敏感性和良好的拟合性，因此样本训练开始前，先要对每一输入节点的输入向量用归一化方法标准化至-1～+1之间，归一化方法选用对数归一化方法及通过除以样本中最大数进行归一。对数标准化的方程为：V=A×lnV+B（3-3）0设向量为V0，标准化后的向量为V，A、B的值由输入范围确定。3.4.2模型的学习本文采用MATLAB中的人工神经网络工具箱进行编程。它是以人工神经网络理论为基础，用MATLAB语言构造出典型神经网络的激活函数，如：S型、线性、竞争层饱和线性等激活函数。使设计者对所选定网络输出的计算，变成对激活函数的调用。它的全部运算均采用矩阵形式，使其训练既简单,又快速。经过约200次训练，网络输出小于期望误差，网络训练完毕程序输出各种结果参数。训练好的网络中,各节点的连接权值见表3－4，表3－5。32n华中科技大学硕士学位论文表3－4输入层与隐含层之间的连接权值输入层节点隐含层1隐含层2隐含层3隐含层4偏差1-0.23080.57341.1315-0.5457-0.87432-0.7331-1.23250.4479-0.45370.356230.4587-0.93430.37440.23531.055740.5264-0.37460.25890.45490.4345表3－5隐含层与输出层之间的连接权值隐含层节点输出层1输出层2偏差1-0.45571.04350.353920.48370.2729-0.174530.2446-1.0521-0.87194-0.54520.37430.3359确定了BP网络各节点间的连接权值,便建立了SBR工艺的人工神经网络模型。3.4.3模型的验证把表3－3中的验证数据输入学习完成的BP神经网络，将输出结果反标准化运算，与实测值进行比较，验证模型，分析结果见表3－6。表3－6实测结果与预测值对比样本对实测出水预测出水相对实测出水预测出水相对序号CODCr(mg/L)CODCr(mg/L)误差NH3-N(mg/L)NH3-N(mg/L)误差13682703-3.083637-2.78147357192.184043-7.5015706727-2.9735342.862820342059-1.232352263.832919952031-1.80227233-2.6430206320281.702292213.49从结果来看，出水预测值和实测值吻合较好，出水COD平均相对误差为2.16%，出水NH3-N平均相对误差为3.85%。说明模型的构造能较好反映模拟SBR反应器的运行状况，能够较准确的预测系统的出水水质。3.5本章小结（1）BP神经网络模型能有效地用于模拟SBR反应器，模型预测出水COD值平均33n华中科技大学硕士学位论文误差2.16%，预测出水NH3-N值平均误差3.85%，说明采用BP模型对SBR反应器运行过程中DO值、pH值变化进行模拟是可行的。（2）神经网络的学习数据是在反应器稳态运行条件下取样试验得出，以便得到高质量的试验数据，如果学习数据质量不高，或者因果关系不明显，会影响神经网络的预测精度，使预测值与实测值相差比较大。（3）该模型既可以对出水水质进行预测，也可以分析由于系统曝气量等因素改变造成的DO值和pH值变化与出水水质之间的关系。（4）模型预测精度受隐含层数、隐含层单元数、训练次数、激励函数的类型等影响。（5）影响SBR反应器出水水质的因素是很多的，由于调试条件限制，本论文中选取了最重要进水COD值、进水NH3-N值、曝气阶段结束时DO值和曝气阶段结束时pH值的四项指标，作为神经网络的输入参数，在下一步的研究中，应多方面考虑，再加入ORP、碱度等参数。34n华中科技大学硕士学位论文4奶牛场废水处理现场调试、工艺改进及经济分析4.1宜昌市京都奶牛场废水处理工程调试4.1.1工艺流程及说明奶牛场原有占地面积为1.5亩的浮水植物净化池被改造分隔出调节池1座，有效容33积为150m；SBR反应池2座，其中1座现在使用，有效容积为40m，另一座作为将来33废水处理量增加时使用，有效容积为80m；浮水植物净化池4座，有效容积共300m。牛尿和牛舍冲洗水经沟渠排入平流式水解酸化池，然后自然溢流进入水压式沼气池进行厌氧消化。沼气池出水流入调节池，调节池中设潜水泵将废水提升到SBR池，经SBR池反应后上清液滗除。随后，废水再经过后续4个浮水植物净化池漫流，最后出水排放。宜昌市京都奶牛场废水处理工程工艺流程如图4－1所示。图4－1宜昌市京都奶牛场废水处理工程工艺流程图4.1.2调试条件宜昌市京都奶牛场浮水植物净化池已分隔改造施工完毕，各池经过试水无渗漏，设备安装就绪，全部工程经当地工程质量监督部门验收合格，供电、给水均已引到处理场内。由于水解酸化池和沼气池在开始调试前不久才经过清掏，沼气池内厌氧微生物量很少，厌氧消化作用不强，沼气池出水水质较差，给后续各处理单元的调试带来一定影响。经测定，调试工作开始前奶牛场废水水质情况见表4－1。35n华中科技大学硕士学位论文表4－1调试工作开始前奶牛场废水水质情况表监测项目pH值SS(mg/L)CODCr(mg/L)BOD5(mg/L)氨氮(mg/L)牛舍7.84623295104480383沼气池7.6421065743375402排放标准6～9200400150804.1.3调试程序由于废水以溢流方式进入水解酸化池和沼气池，各种条件不可控制。调试工作主要包括：SBR池设备试车、SBR池生物反应启动、SBR池调负荷、浮水植物培养等方面，据初步预计，1个月左右时间内完成菌种培养驯化和调试工作，使处理系统正常运转。调试工作按如下程序进行：（1）各单机设备试车（1天）；（2）系统设备联动试车（1天）；（3）SBR池启动（10天）；（4）SBR池调负荷（20天）；（5）水生植物培养（20天）。其中，（3）～（5）步骤同步进行。4.1.4调试运行[40]1）确定SBR池各工序运行时间－当进水处于厌氧状态时，进水带来了极少量NO3－N，但主要是好氧停止曝气－－后至沉淀及排水工序的缺氧段的反硝化作用不完全而留下的NO3－N。由于NO3－N的存在，会发生反硝化反应脱氮。所以进水阶段不需同时曝气。参考表4－2，确定SBR池各工序运行时间为进水2h，曝气4h，沉淀1h，排水1h。表4－2SBR反应器各工序运行时间分配对处理效果的影响进水运行有机物去N去除搅拌停止搅拌曝气沉淀排水总时间工序除率(%)率(%)(缺氧)(厌氧)1.50.54.01.50.58.080.3—时间1.00.53.01.00.56.071.5—分配1.01.04.01.01.08.09382(h)1.02.03.01.01.08.08092.536n华中科技大学硕士学位论文2）SBR池启动从奶牛场附件的城市生活污水处理厂取脱水活性污泥3吨做为接种污泥投入SBR池，并用经稀释过的COD浓度为1000mg/L的废水将池子注满，开动曝气系统，在不进水的情况下连续曝气2天。此后每天按3个周期运行，每个周期8h。进水量从33开始1m/次逐渐加大到第10天时的2m/次。3）SBR池调负荷3逐渐增加进水水量到3m/次，观察池内微生物生长情况，并投加一定的葡萄糖。池中微生物絮体慢慢形成。随着泥量增加，开动排泥泵将剩余污泥排出。4）水生植物培养从附近水域采来水浮莲500株，菖蒲500株，分别放入各级浮水植物净化池让其自然生长。4.1.5运行控制参数（1）每天测定沼气池出水COD、氨氮、SS、pH值；SBR池中溶解氧、出水COD、氨氮、SS、pH值、悬浮污泥浓度（MLSS）及污泥沉降比（SV）；出水COD、氨氮、SS、pH值。（2）每周测定一次各处理单元出水BOD5值。（3）每周测定一次沼气池出水TN、TP。（4）控制SBR池进水水量，保证水质均匀。（5）SBR池曝气时控制溶解氧浓度为2mg/L左右。（6）经常巡视所有电机、配电设备、管路、管件等，发现问题及时解决，并按说明书和有关规范定期维护。4.1.6调试结果经过1个月的调试，SBR池中微生物生长良好，已能正常运行，但水生植物出现枯黄等现象，出水水质水质不能达到《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596－2001）。调试结果见表4－3。37n华中科技大学硕士学位论文表4－3调试结果情况表监测项目pH值SS(mg/L)CODCr(mg/L)BOD5(mg/L)氨氮(mg/L)1号牛舍7.726032928046103922号牛舍7.76554685874457384沼气池出水7.8424062323354411SBR池出水7.4615019821122233排放口7.261801037474183排放标准6～9200400150804.1.7调试结果分析（1）由于水解酸化池和沼气池运行不正常，沼气池出水污染物浓度过高，SBR池污染负荷高，虽然COD去除率达到68%，出水COD浓度仍有1982mg/L。（2）SBR池中氨氮去除率不高，可能是由于进水有机物浓度过高，抑制了反硝化的进行。（3）SBR池出水污染物浓度高，水生植物不能适应，导致植物叶片发黄。由于水生植物净化池容积较大，对污染物有较强的自然降解作用，排放口COD和BOD5浓度较SBR池出水下降了50%左右，氨氮下降了约30%。（4）奶牛场废水沉降性能好，出水SS达标。大部分SS在水解酸化池和沼气池中沉淀，所以水解酸化池和沼气池很快会被小颗粒固体填满，失去厌氧消化作用。4.2工艺改进措施4.2.1厌氧处理单元存在的问题经过实际的现场调试，发现奶牛场现在的厌氧处理单元存在较大问题。（1）奶牛场废水自然溢流进入沼气池，厌氧反应的关键参数不可控制。（2）奶牛场废水中含有大量残余的粪便和饲料残渣，废水的沉降性能好，由于现有工艺中没有设格栅，废水流入水解酸化池和沼气池很容易将两个池填满，使厌氧处理单元失去作用。（3）水解酸化池和沼气池被小固体颗粒填满只能由人工清掏，经清掏的沼气池中的厌氧微生物要花较长时间培养。（4）由于水压式沼气池中气压反复变化，这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率38n华中科技大学硕士学位论文的稳定与提高都有不利的影响。（5）水压式沼气池由于没有搅拌装置，池内浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低，一般33[41]产气率仅为0.15m/(m·d)左右。4.2.2现有处理工艺改进措施（1）增设格栅除污机，将废水中的大颗粒物质和易沉降的物质大部分去除，再进入厌氧处理单元进行厌氧消化。（2）选用新型的厌氧反应器替代现在的水压式沼气池。4.3格栅除污机的比选4.3.1五种格栅除污机的性能和特点1）爬式格栅除污机爬式格栅是爬式操作的全自动机械清污机。用机械方法从水中清除漂流物和沉积物，可用作粗格栅或细格栅，也可作为顺流或逆流格栅，其清除能力强，可靠性高。它的特点是：①无移动的驱动部件浸入水中；②销钉齿条驱动清污齿耙，爬行平稳；③因没有链条或绳索，无延伸现象，所以不用校准；④清除齿耙不会走斜，也不会卡住。这个特点对细格栅尤为重要；⑤由电机直接驱动的清除耙可在任何部位停下，利于维修；⑥齿耙是沿着整个栅条耙入至栅条间的，可准确无误；⑦因运动中既有电机驱动又有耙的自重，可提高清除能力；⑧在整个清污过程中，电动机和减速器不需改变方向，使设备得到保护。2）耙斗格栅除污机耙斗格栅是由钢丝绳操作，全自动机械清污，主要用作粗格栅，安装在大流量深沟渠里。此格栅特别适用清除水中非常大的污物，可一层层地除去格栅前任何类型污物。由于清洁能力强、运行可靠，故允许大流量通过。它的特点是：①耙斗清除机构的运行受到强制导向；39n华中科技大学硕士学位论文②耙斗上升清除过程中被强制紧闭，不可能开启；③耙斗承载能力大，这因为清理小车和清除机构相互分开运动；④操作稳定性高，重复清除循环可清除大量漂浮物；⑤清除循环可以在任何位置开始；⑥清理小车带有4只手轮，小车和耙斗运动相互独立，可以保证机构的稳定性和刚度；⑦耙斗清除机构上升和下降的速率不同；⑧耙斗张开的幅度较大。3）钢绳式格栅除污机钢绳式格栅除污机由机架、钢绳驱动及过扭保护装置，3根牵引钢绳和置于中间的一根开闭耙钢绳，导向轮、松绳开关、耙斗开闭装置、耙斗及斗车，格栅、导轨及托渣板、撇渣板、导渣板、电控设备等构成。它的特点是：①结构巧妙、构思新颖，3根钢绳在旋转轴承、悬架、导杆、传感器控制作用下，转向自如，实现取渣、卸渣、翻转方向的全过程自动循环；②适用于深水渠中，一般可在2.8～4.9m深水处工作；③所有运动元件均在水面上，使用寿命长；④前耙抓斗容量大，可用于污物量大的场合；⑤前耙式抓斗可达到渠底，直接挖耙渠底沉积的垃圾；⑥结构所需净空较高链式格栅除污机小，但比连续自动回转式格栅除污机要大；⑦耙斗的提升运作与控制回转的电机各自独立，功能、动作准确可靠；⑧可垂直安装或接近垂直安装，而不影响耙抓垃圾的效果；⑨格栅机带有调整钢绳长度的装置；⑩零件更换不频繁，维护费用低，但造价高。4）高链式格栅除污机高链式格栅除污机各有一圈链条作同步运转，当链条由除污机上部的驱动装置带动后，耙架受链条铰结点和导轨的约束作平面运动，当耙板运动到除渣口部位时，除渣装置在重力作用下，把耙板上的污物铲刮到除渣口。它的特点是：①构造简单，传动装置不随耙架运动，故不会被水淹没；②链条在水上，制造安装要求低，可采用标准件；40n华中科技大学硕士学位论文③传动装置仅为一套，可同时操纵耙齿的上下运动及前后运动；④适用于浅水渠中，通常用于水下栅条1.5～1.8m以下的浅水中，最大水深应不超过2.5m。如深度继续加大，链条咬合部分不可避免地浸在水中，导致腐蚀与磨损，缩短使用寿命；⑤由于耙斗的伸臂较长，故一般前耙齿斗的容量较少；⑥运动元件的维护较困难，甚至可能要抽干水方可维护；⑦链耙不能完全接近渠底，对沉积池底的垃圾清除效果不够理想。5）连续自动回转式格栅除污机回转式格栅包括机架、驱动变速系统、传动导轮、支承轮以及绕其转动的封闭式回转牵引链，齿耙和栅条。在电机减速器的驱动下，回转牵引链由下往上作回转运动，当牵引链上的齿耙运转到栅条的迎水面时，耙齿即插入栅条的缝隙中作清捞动作，将栅条上所截留的杂物挂落耙中。由于耙齿设计成双齿齿耙，双齿间呈一夹角，这样当一齿插入栅条缝隙中清捞时，另一齿则与其形成包围之势将固体杂物包围住，不让其脱漏，清除效率高且彻底。当耙齿运转到机器上部时，耙齿翻转，杂物靠自重自行脱落从而达到清捞目的。它的特点是：①结构所需净空较低；②由链传动驱动耙齿链，可把耙齿装配成一组连续的、等距离的耙齿；③耙齿间距可构成系列，按不同污物的固体粒径大小，选择不同间距；④耙齿链的下部浸入进水沟槽中，在水下工作，故适于在较深水槽中工作；⑤耙齿链运动到设备上方时，由于槽轮和弯轨的导向，大部分固体物质靠重力下落，另一部分靠橡胶板的反向运动将杂物洗刷干净；⑥水下的链啮合，将导致腐蚀与磨损，缩短使用寿命；⑦运动元件的维护较困难；⑧格栅的安装角度太陡或垂直进入，链耙的清理效果将受影响，有部分去除物可能返回渠道；[41]⑨链耙不能完全接近渠底，对沉积池底垃圾的清除效果较差。4.3.2格栅除污机的选择奶牛场废水中的固体颗粒很小，所以要选用细格栅除污机。要求投资低，清除效率高且彻底，能自动机械清污。经过上面的比较，选用连续自动回转式格栅除污41n华中科技大学硕士学位论文机。4.4厌氧反应器的比选本节给出三种可以考虑的奶牛场废水厌氧处理反应器，并通过分析，确定最适合宜昌京都奶牛场的反应器。4.4.1UBF反应器1984年，加拿大学者S.R.Guiot在上流式污泥床（UASB）和厌氧滤池（AF）基[42，43]础上开发出了UBF复合式厌氧反应器。其构造和处理流程如图4－3。图4－3UBF厌氧反应器构造图反应器的下面是高浓度颗粒污泥组成的污泥床，其混合液悬浮固体浓度(MLSS)可达每升数十克，上部是填料及其附着的生物膜组成的滤料层。UBF系统的突出优点是反应器内水流方向与产气上升方向相一致，一方面减少堵塞的机会，另一方面加强了对污泥床层的搅拌作用，有利于微生物同进水基质的充分接触，也有助于形成颗粒污泥。反应器上部空间所架设的填料，不但在其表面生长微生物膜，在其空隙截留悬浮微生物，既利用原有的无效容积增加了生物总量，防止了生物量的突然[44～46]洗出，而且对COD有20%左右的去除率。更重要的是由于填料的存在；夹带污泥的气泡在上升过程中与之发生碰撞，加速了污泥与气泡的分离，从而降低了污泥42n华中科技大学硕士学位论文的流失。由于二者的联合作用，使得UBF反应器的体积可以最大限度的利用，反应器积累微生物的能力大为增强，反应器的有机负荷率(OrganicLoadingRate，简称OLR)[47]更高，因而UBF具有启动速度快，处理效率高，运行稳定等显著特点。4.4.2EGSB反应器EGSB（ExpandedGranularSludgeBed）反应器是UASB反应器的改进，是G.Lettinga教授等人在UASB反应器的基础上通过反应器出水循环回流技术提高反应器内的液体表面升流速度，它实质上是UASB反应器和厌氧生物流化床两种技术的结[48]合。其构造和处理流程如图4－4。图4－4EGSB厌氧反应器构造图EGSB反应器主体部分可分为两个区域，即反应区和气、液、固三相分离区。在反应区下部，是由沉淀性能良好的污泥(颗粒污泥或絮状污泥)形成的厌氧污泥床。当废水通过反应器进水系统进入反应器后，由于水的向上流动和产生的大量沼气上升形成了良好的自然搅拌作用。混合液进入气、液、固三相分离区后，气体首先进入集气室被分离，含有悬浮物的废水进入分离区的沉降室，由于气体已被分离，在沉降室扰动很小，污泥在此沉降，由斜面返回膨胀床区，上清液通过出水管排出反应器。EGSB反应器进水系统的主要作用是将进水均匀的分配到整个反应器的底部，并产生一个均匀的上升流速。与UASB反应器相比，EGSB反应器由于高径比更大，所需要的配水面积较小，同时采用了出水循环，配水孔口的流速更大，因此其配水系43n华中科技大学硕士学位论文[49，50]统更容易保证配水均匀。三相分离器是EGSB反应器最关键的构造，其主要作用是将出水、沼气、污泥三相进行有效分离，使污泥在反应器内有效滞留。出水循环部分是EGSB反应器不同于UASB反应器之处，其主要目的是提高反应器内的液体上升流速，使颗粒污泥床层充分膨胀，污水与微生物之间充分接触，加强传质效果，还可避免反应器内死角和短流的产生。反应器的出水回流位置可根据[51，52]需要确定4.4.3IC反应器内循环厌氧反应器（InternalCirculationReactor，简称IC反应器），是由荷兰PAQUES公司于二十世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功，并在1986年[53]以后应用于生产。目前已在一些工业废水处理中成功运行。IC反应器的工作原理和结构示意图见图4－5。1—进水；2—一级三相分离器；3—沼气提升管；4—气液分离器；5—沼气排出管；6—回流管；7—二级三相分离器；8—集气管；9—沉淀区；10—出水管；11—气封图4－5IC反应器的基本构造示意图IC反应器的工作原理是：污水直接进入反应器的底部，通过布水系统与颗粒污泥混合，在第一级高负荷的厌氧反应区内包含有一个污泥澎胀床，在这里COD的大部分几乎被转化为沼气。沼气被一级三相分离器所收集，由于采用的负荷高，产生的沼气量很大，其在上升的过程中会产生很强的提升能力，迫使污水和部分污泥通44n华中科技大学硕士学位论文过提升管上升到反应器顶部的气液分离器中，在这个分离器中产生的气体离开反应器，而污泥与水的混合液通过下降管回到反应器的底部，从而完成了内循环的过程。从底部第一个反应室内的出水进到上部的第二级厌氧区进行后处理，在此产生的沼气被二级三相分离器所收集，因为COD浓度已经降低很多，所以产生的沼气量降低，因此扰动和提升作用不大，从而出水可以保持较低的悬浮物。IC反应器构造及其工作原理决定了其在控制厌氧处理影响因素方面比其它反应[54～57]器更具有优势。1）容积负荷率高，抗冲击负荷能力强IC反应器由于存在着内循环，污泥浓度高，微生物量大，泥水传质效果好，其进水有机负荷率可超过普通厌氧反应器3倍以上。2）采用分级处理，出水稳定性好IC厌氧反应器实际上是利用二个UASB串联来对废水进行分级处理，分级厌氧处理比单级处理的稳定性好，出水水质较为稳定。3）节省投资和占地面积IC反应器高出普通UASB反应器3倍左右的容积负荷率，则反应器体积只相当于普通反应器的1/4～1/3左右，这样大大降低了反应器的基建投资。而且IC反应器高径比一般为4～8，所以占地面积特别省，非常适合用地紧张的大城市郊区和工矿企业。4）抗低温能力强，具有缓冲pH的能力温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响，IC反应器由于含有大量的微生物，温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重，通常IC反应器厌氧消化可在常温条件(20～25℃)下进行，这样减小了消化保温的困难，节省了能量。5）内部自动循环，不必外加动力普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的，而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力实现棍合液内循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗。6）启动周期短，沼气利用价值高IC反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC反应器启动期一般为1～2个月，而普通UASB启动周期长达4～6个月。反应器产生的生物气纯度高。尽管IC厌氧反应器具有高效、占地少等优点，并在土豆加工、啤酒等废水的处理中都有出色表现，但是，IC反应器仍有不少有待研究改进的地方。如动力消耗问45n华中科技大学硕士学位论文题、应用领域开拓的问题、颗粒污泥的研究问题等。4.4.4三种厌氧反应器比较三种厌氧反应器在结构上有差异，因此，各自的处理范围以及处理能力也不尽相同。现三种反应器的比较如表4－4。表4－4三种厌氧反应器的比较反应器类型特点不足水流与产气上升方向一致，堵塞机会小，有利于进水同微生物充分接触，也有利于形成颗粒污泥反应器上部的填料层既增加了生物总量，又可防止生物量的突然洗出，还可加速污泥与气泡的分离，UBF填料价格较贵降低污泥流失反应器积累微生物能力大为增强，有机负荷更高启动速度快，处理率高，运行稳定高径比较高，一般为5～6较大的高径比，可达到20或更高采用出水循环，更适合处理含悬浮固体和有毒物质的废水极高的上升流速(5～10m/h)和COD负荷(约为340kg/(m·d))需要培养颗粒污泥，启动时具有高活性、沉降性能良好的颗粒污泥，且粒径较间较长EGSB大，强度较好，SRT较长为使污泥膨胀，采用出水循颗粒污泥床层充分膨胀，污泥与污水充分混合，可环，需要更高的动力用于处理低温低浓度废水具有三相分离器，使出水、沼气和污泥三相有效分离，使污泥在反应器中有效持留紧凑的空间结构使占地面积大为减少高径比较大，占地面积小，建设投资省动力消耗较大有机负荷率高，液体上升流速大，水力停留时间短应用领域有待开拓IC出水稳定，耐冲击负荷能力强颗粒污泥的强度相对较低适用范围广，可处理低、中、高浓度废水以及含有需增加附属处理设施毒物质的废水综合考虑厌氧反应器处理奶牛场废水的适用性、造价、处理效果、动力消耗等因素，确定选择UBF反应器替代现在的水压式沼气池作为宜昌市京都奶牛场废水厌氧处理反应器。经改进后的奶牛场废水处理工艺流程如图4－6。46n华中科技大学硕士学位论文图4－6改进后的奶牛场废水处理工艺流程图4.5宜昌市京都奶牛场废水处理工程经济分析4.5.1奶牛场废水处理工程投资估算1）估算范围奶牛场废水处理工程、奶牛场废水处理厌氧单元改造工程、附属建筑工程。2）编制依据①《全国统一市政工程预算定额湖北省统一基价表》；②《湖北省建筑工程预算定额统一基价表》；③《全国统一安装工程预算定额湖北省单位估价表》；④《全国市政工程投资估算指标》；⑤建设部《市政工程可行性研究投资估算编制办法》；⑥设备价格参考设备制造厂报价及类似设备价格。3）其他费用说明按照建设部[1996]628号文“关于发布《市政工程可行性研究投资估算编制办法》（试行）的通知”文件规定的计算方法和费率，结合本项目实际情况确定。①前期工作费：根据“国家计委关于印发建设项目前期工作咨询收费暂行规定的通知”（计价格[1999]1283号）计价标准取市场价。②勘查、测绘费和设计费：根据“国家计委、建设部关于发布《工程勘察设计收费管理规定》的通知”（计47n华中科技大学硕士学位论文价格[2002]10号）计价标准取市场价。③环境评估费：根据“国家计委、国家环境保护总局关于规范环境影响咨询收费有关问题的通知”（计价格〔2002〕125号）计价标准取市场价。④招标及服务费：根据“国家计委关于印发《招标代理服务收费管理暂行办法》的通知”（计价格[2002]1980号）计价标准取市场价。⑤工程监理费：根据“国家物价局、建设部关于发布工程建设监理费有关规定的通知”[1992]价费字479号计取。⑥职工培训费：按设定人员每人1000元计列。⑦施工图审查服务费：按设计费的10％计列。⑧竣工图编制费：按设计费的8％计列。⑨建设单位管理费：按当地现行收费标准计算计列。⑩联合试运转费：按设备购置的1％计列。4）投资估算及投资构成工程投资总额为81.57万元，投资构成情况见表4－5。表4－5投资分析表序号项目及费用名称金额（万元）占投资比例（％）1工程费用56.7776.881.1建筑工程10.2713.911.2设备购置42.2557.221.3安装工程4.255.752其他费用10.1213.713基本预备费5.357.244铺底流动资金1.602.175合计73.84100%48n华中科技大学硕士学位论文5）资金来源工程建设投资为72.24万元，经费全部由宜昌市京都奶牛场自筹。4.5.2奶牛场废水处理工程经济分析1）经济分析依据①国家计委[1993]530号《建设项目经济评价方法与参数》；②财政部《企业财务通则》、《企业会计准则》；③财政部（92）财工字第574号《工业企业财务制度》。2）基础数据①废水日处理处理规模：12吨。②固定资产投资：经估算，本工程建设投资为79.80万元，经费全部由宜昌市京都奶牛场自筹。③劳动定员：3人。④建设进度：工程建设期为1个月，建成后即可达到设计能力。3）经济效益计算及财务评价①成本计算基础数据动力价格：电价0.6元/千瓦时；场区给水取自井水，故不计水费。根据当地工资水平，职工工资按400元/人，月计列。固定资产折旧、无形资产和递延资产摊销分类计取，固定资产折旧采用平均年限法，残值率为5%。年大修理费、维修费用按设备费的2.5%计。计算期按15年考虑。②年成本估算经过计算，京都奶牛场年均废水处理总成本为4.2万元，年均单位处理成本为9.6元/吨，年运行成本为2.1万元，单位运行成本4.8元/吨。4.6本章小结（1）通过对京都奶牛场废水处理工程现场调试，培养驯化了SBR池中的微生物，SBR池已能正常运行。但由于前段水解酸化池和沼气池运行不正常，出水污染物浓49n华中科技大学硕士学位论文度高，导致SBR池出水污染指标偏，使后续水生植物池内生物生长不良。（2）针对目前奶牛场整个处理工艺存在的问题，提出工艺的改进措施：增设格栅除污机；选用先进的厌氧反应器替代现在的水压式沼气池。（3）通过比较不同类型的格栅和几种新型厌氧反应器，结合奶牛场废水特点，选择连续自动回转式格栅除污机和UBF厌氧反应器。（4）经估算，宜昌市京都奶牛场废水处理工程建设投资为72.24万元，为其固定资产的6.0%。（5）京都奶牛场废水处理年运行成本为2.1万元，单位运行成本4.8元/吨，为其年利润的1.3%。50n华中科技大学硕士学位论文5总结与展望5.1总结本论文以宜昌市京都奶牛场为研究背景，主要研究奶牛场废水这种高浓度有机含氮废水，通过奶牛场废水处理工艺选择、神经网络对SBR工艺处理奶牛场废水建模的研究、通过现场生物处理调试提出工艺改进措施并进行了奶牛场废水处理工程经济分析，主要得出以下一些结论：（1）通过分析各种废水处理技术，针对奶牛场废水水质特点，确定“厌氧－好氧－稳定塘联合处理”方案是适合宜昌市京都奶牛场废水处理的方案。能否有效地去除氨氮是整个处理工艺的难点，选择的SBR工艺和稳定塘工艺能实现氨氮的有效去除。（2）采用SBR工艺处理奶牛场废水厌氧消化液，通过建立人工神经网络模型，把进水COD、进水NH3-N、曝气阶段结束时的DO值、曝气阶段结束时的pH值作为网络的输入参数，出水COD、出水NH3-N作为网络的输出参数，预测出水水质。结果表明，采用BP模型对SBR反应器运行过程中pH值变化进行模拟是可行的。利用BP神经网络既可以对出水水质进行预测，也可以分析由于系统曝气量等因素改变造成的DO值、pH值变化与出水水质之间的关系。可以配合在线监测系统实现系统运行的模糊控制。（3）通过对京都奶牛场废水处理工程现场调试，培养驯化了SBR池中的微生物，SBR池已能正常运行。但由于前段水解酸化池和沼气池运行不正常，出水水质不能达标，必须对现在的厌氧处理单元进行改进。（4）提出工艺厌氧处理单元的改造措施，在工艺中增设连续自动回转式格栅除污机并选择UBF厌氧反应器替代现在的水压式沼气池。（5）经估算，宜昌市京都奶牛场废水处理工程建设投资为79.80万元，为其固定资产的6.7%；年运行成本为3.1万元，单位运行成本7.1元/吨，为其年利润的2%。投资费和运行费是奶牛场可以承受的。51n华中科技大学硕士学位论文5.2展望本论文研究还存在一些不足，提出的奶牛场废水“厌氧－好氧－稳定塘联合处理”方案需要在实践中进一步研究。并且到本人毕业答辩时，本研究课题尚未结题，下一步还有许多工作要完成，主要是以下几个方面。（1）在进行处理工艺比选时本文只做了定性分析，分析方法不够科学，考虑的因素不够全面。在下一步要采用层次分析法进行工艺比选，层次分析法将评价者对复杂系统的评价思维过程数学化，是一种定性和定量分析相结合的评价决策方法。（2）SBR法处理污水过程是典型的复杂动态工程系统，具有非线性、时变性和不确定性，下一步应采用可在线监测的实验装置进行SBR工艺运行模拟实验，通过改变工序运行时间，得出尽可能丰富的实时数据将BP人工神经网络模型优化完善。（3）奶牛场废水处理厌氧处理单元改造工程还在设计中，等施工完毕才能进行整个处理工艺联合调试。52n华中科技大学硕士学位论文致谢本文是在导师陈朱蕾教授的悉心指导下完成的。陈老师在课题研究工作设想，论文选题、构思和论文撰写等方面给予了很多具体的指导；同时也在我的学习和生活方面给予了大力支持和帮助。学生所取得的每一点进展和成绩无不凝聚着导师的心血。导师活跃的学术思想、渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精、孜孜不倦的敬业精神、为人师表的工作作风给我留下了深刻印象，并使我终身受益。感谢江娟老师，她在学习中给予了我极大的鼓励和指导，在生活上给予了我无微不至的关怀，在为人处事上给予我谆谆教诲，这此都使我深深的感动。感谢课题组全体成员给我创造了良好的学习和工作环境。感谢师姐刘婷博士在论文工作中给予的帮助。感谢甘露、章保、曹丽、唐素琴、杨青、喻文娟同学，他们在生活、学习及工作中都给予了无私的支持和帮助。同时感谢张雄、徐丽丽、黄丽娟等师弟师妹们的帮助。最后，衷心感谢我的父母在学习期间给予的大力支持和鼓励，使我顺利完成学业。汪理科华中科技大学2007年6月53n华中科技大学硕士学位论文参考文献[1]奶牛养殖已成为主要污染源[J].中小企业管理与科技，2005，9：36[2]张克强，高怀友.畜禽养殖业污染物处理与处置[M].北京：化学工业出版社，2004[3]杨朝飞主编.全国规模化畜禽养殖业污染情况调查及防治对策[M].北京：中国环境科学出版社，2002[4]邓喜红.规模化养猪场粪污治理概述[J].农业环境与发展，1999，16(2):4[5]杨朝飞.加强畜禽畜粪便污染防治迫在眉睫[J].环境保护，2000，(2)：32～35[6]董克虞.畜禽粪便对环境的污染及资源化途径[J].农业环境保护，1998，17(6):281～283[7]徐应明.畜禽养殖行业废水排放标准的研究[J].上海环境科学，1995，14(2)：27～30[8]上海市环境保护局.上海市环境状况公报.1999：30～33[9]周菁华，杨淑慧.规模化猪场废弃物系统处理研究[J].农业环境与发展，2001，67(1)：46～48[10]J.H.Jones，F.J.Olsen，J.J.PattersonandK.A.Rushing.Thepollutionpotentialofrainfallrunofffromadiaryliquidwastedisposalsite[J].AgriculturalWastes，1984，3(10)：177～186[11]K.V.Lo，P.H.LiaoandC.Chiu.Mesophilicanaerobicdigestionofamixtureofcheesewheyanddiarymanure[J].Biomass，1988，1(15)：45～53[12]M.C.Ramos，J.N.QuintonandS.F.Tyrrel.Effectsofcattlemanureonerosionratesandrunoffwaterpollutionbyfaecalcoliforms[J].JournalofEnvironmentalManagement，2006，1(78)：97～101[13]W.ReimannandI.Yeo.Ultrafiltrationofagriculturalwastewaterswithorganicandinorganicmembranes[J].Desalination，1997，6(3)：263～267[14]周海燕.矿化垃圾表征及其在畜禽废水处理中的应用研究[D].同济大学，2004[15]张正云等译.综合猪场粪水施于农田前的预处理[J].国外农业环境保护，1989，54n华中科技大学硕士学位论文(4)：33～34[16]诸惠昌，胡纪萃.新型废水处理工艺—人工湿地的设计方法[J].环境科学，1993，14(2)：39～43[17]高隽.人工神经网络原理及仿真实例[M].北京：机械工业出版社，2005[18]付建军.BP神经网络在UASB操作控制中的应用[D].西南交通大学，2006[19]钟义信等.智能理论与技术－人工智能与神经网络[M].北京:人民邮电出版社.1992[20]S.G.E.Sahely，DavidM.Bagley.Diagnosingupsetsinanaerobicwastewatertreatmentusingbayesianbeliefnetworks[J].JournalofEnvironmentalEngineering，2001，8：302～309[21]J00－HwaTay，XiyueZhang.Neuralfuzzymodelofanaerobicbiologicalwastewatertreatmentsystems[J].JournalofEnvironmentalEngineering，1999，12：1149～1159[22]LargusT，Angenentetal.Methanogenicpopulationdynamicsduringstartupofafull－scaleanaerobicsequencingbatchreactortreatingswinewaste，WaterResearch,2002，(36)：4648～4654[23]JamesA，Entryetal.Polyacrylamide+Al2(SO4)3andpolyacrylamide+CaOremovecoliformbacteriaandnutrientsfromswinewastewater.EnvironmentalPollution，2003，(121)：453～462[24]KazuyoshiSuzukietal.Removalofphosphate，magnesiumandcalciumfromswinewastewaterthroughcrystallizationenhancedbyaeration.WaterResearch，2002，(36)：2991～2998[25]NBERNETetal.Combinedanaerobic－aerobicSBRforthetreatmentofpiggerywastewater.WaterResearch，2000，34(2)：611～619[26]PYYangetal.Integratinganintermittentaeratorinaswinewastewatertreatmentsystemforland－limitedconditions.BioresourceTechnology，1999，(69)：191～198[27]PYYangetal.Integratingentrappedmixedmicrobialcell(EMMC)processforbiologicalremovalofcarbonandnitrogenfromdiluteswinewastewater.BioresourceTechnology，2003，(86)：245～25255n华中科技大学硕士学位论文[28]张自杰，林荣忱，金儒霖，排水工程（下）.北京：中国建筑工业出版社，1996[29]雷春英.ABR与改良SBR联合处理高氨氮高有机物含量废水的研究[D].天津大学，2003[30]任南琪，王爱杰.厌氧生物技术原理与应用.北京：化学工业出版社，2004[31]张杰.IC反应器处理猪粪废水条件下厌氧污泥颗粒化研究[D].河南农业大学，2004[32]吕炳南，陈志强.污水生物处理新技术[M].哈尔滨工业大学出版社，2005[33]郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术.北京：中国建筑工业出版社，1998[34]胡家骏，周群英.环境工程微生物学.北京：高等教育出版社[35]周少奇，周吉林.生物脱氮新技术研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2000，1(6)：11～17[36]杨朝晖，曾光明，李小明等.废水生物脱氮除磷机理与技术研究的进展[J].四川环境，2002，21(2)：25～29[37]娄金生，谢水波，何少华等.生物脱氮除磷原理与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2002[38]张忠波，陈吕军，胡纪萃.新型曝气生物滤池－Biostyr[J].给水排水，2000，26(6)：15～19[39]靳蕃.神经计算智能基础原理·方法[M].成都：西南交通大学出版社，2005[40]娄金生.水污染治理新工艺与设计[M].北京：海洋出版社，1999[41]张大群.新型格栅除污机的性能与特点[J].中国给水排水，1998，14(5)：32～34[42]孙剑辉，倪利晓.新型高效厌氧反应器UBF的研究进展[J]，环境污染治理技术与设备，2000，1(6)：20～24[43]GuiotSR，VanDerBergL.Performanceandbiomassretentionofanupflowanaerobicreactorcombiningasludgeblanketandfilter[J].BiotechnolLett,1984（6）：161～164[44]JuuEnChang.TreatmentofLandfillLeachatewithUpflowAnaerobicReactorcombiningaSludgeBedandaFilter.Wat.Sci.Tech.1989,21：133～143[45]MorvalL.ApplicationofUASB－reactorstoindustrialwastewatertreatment：performancedataandresultsingranulationcontrol[J].ActaBiotech.1991，11(5)：56n华中科技大学硕士学位论文409～418[46]钱易.现代废水处理技术.北京:中国科技出版社，1993[47]GuiotSR,vandenBergL.Performanceofanupflowanaerobicreactorcombiningasludgeblanketandafiltertreatingsugarwaste[J].BiotechnologyandBioengineering.1985，27(6)：800～806[48]LettingaG,etal.Anaerobictreatmentofsewageandlowstrengthwastewater[A].Proc.AnaerobicDigestion[C].Amsterdam：ElsevierBiomedicalPress.1981，271～291[49]LucasSeghezzo，GatzeLettinga，GrietjeZeeman，etal.Areview：theanaerobictreatmentofsewageinUASBandEGSBreactors[J].BioresouceThechnology.1998，65：175～190[50]王凯军.厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器[J].环境科学，1998，19(1)：94～98[51]BocaRaton.Newandbroaderapplicationsofanaerobicdigestion[J].CriticalReviewsinEnvironmentalScienceandTechnology.1999，29(2)：151～156[52]D.JeisonandR.Chamy.Comparisonofthebehaviourofexpandgranularsludgebed(EGSB)andupflo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