污水回用處理工藝應(yīng)用于熱電配套項(xiàng)目的可行性分析

葛新杰，殷 潔

(北京京能新能源有限公司，北京 100028)

我國水資源相對匱乏，隨著水資源的不斷開采,我國的可利用水資源越來越少。燃煤發(fā)電項(xiàng)目不僅工業(yè)用水量大，同時(shí)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)和生活污水，隨著水資源的日益緊張和環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，燃煤電廠的節(jié)水減污勢在必行。但受各種條件限制，目前污水回用處理技術(shù)基建投資較高，出水水質(zhì)較差，水質(zhì)不穩(wěn)定，處理設(shè)施占地面積大，常規(guī)回用技術(shù)設(shè)備不宜小型化，或設(shè)備化后難于穩(wěn)定運(yùn)行。因此，開發(fā)與燃煤發(fā)電項(xiàng)目相配套的基建投資少、占地面積小、宜設(shè)備化、運(yùn)行管理簡便并符合項(xiàng)目回用水質(zhì)要求的污水回用工藝和設(shè)備意義重大。

1 項(xiàng)目概況

河北京安熱電項(xiàng)目北鄰首都南大門，地處河北省固安縣永定河畔。項(xiàng)目配套建設(shè)員工公寓、招待所、活動中心、固體廢物綜合處理工業(yè)園等生產(chǎn)及生活設(shè)施，這些配套設(shè)施受場地位置限制，相對獨(dú)立，距城市污水處理廠較遠(yuǎn)，且預(yù)測污水產(chǎn)生量較大，治理程度較低，會存在水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題。因此，在項(xiàng)目可研階段開展了配套項(xiàng)目污水回用的分析，研究了一種基建投資少、占地面積小、運(yùn)行管理簡便的污水回用技術(shù)工藝，將熱電配套項(xiàng)目產(chǎn)生的污水回用為配套項(xiàng)目水源之一，降低項(xiàng)目配套工程水耗、減少污水排放量，降低運(yùn)行成本。

2 污水回用水質(zhì)情況

2.1 污水水質(zhì)

配套項(xiàng)目研究的污水回用技術(shù)工藝的水源為分布式輕度污水源，主要是配套建設(shè)員工公寓、招待所、活動中心等生活設(shè)施所產(chǎn)生的輕度污水和部分廠區(qū)內(nèi)工業(yè)污水，如洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、廁所排水等，各種排水水質(zhì)見表1。該種水源受條件限制既不能隨污水管網(wǎng)進(jìn)行集中收集規(guī)模處理，隨意排放又會對環(huán)境造成污染。

表1 中水原水的水質(zhì) mg/L

住宅BODCODSS招待所BODCODSS辦公樓BODCODSS廁所200～260300～360250250300～360200300360～480250廚房500～800900～1 350250洗浴50～60120～13510040～50120～15080洗衣60～7090～12020070150～18015070～80120～150200

注：水樣取自某運(yùn)行熱電配套項(xiàng)目；表中BOD為五日化學(xué)需氧量，COD為重鉻酸鉀法化學(xué)需氧量，SS為懸浮性固體。

2.2 用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城市中水設(shè)施管理暫行辦法》，中水可用于廁所沖洗、綠地樹木澆灌、道路清潔、車輛沖洗、基建施工、噴水池以及可以接受其水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的其他用水，如冷卻水、景觀用水、消防用水[1]。達(dá)到上述用水要求，需要滿足用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[2]，即CJ/T 48-1999《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，見表2。

表2 用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目廁所沖洗和城市綠化洗車和掃除濁度/NTU105溶解性固體TDS/(mg·L-1)1 2001 000SS/(mg·L-1)105色度/度3030臭味無不快感覺無不快感覺pH6.5～9.06.5～9.0BOD5/(mg·L-1)1010重鉻酸鉀法化學(xué)需氧量CODCr/(mg·L-1)5050氨氮(以N計(jì))/(mg·L-1)2010總硬度(以CaCO3計(jì))/(mg·L-1)450450氯化物/(mg·L-1)350300陰離子表面活性劑LAS/(mg·L-1)1.00.5鐵/(mg·L-1)0.40.4錳/(mg·L-1)0.10.1總大腸菌群/(個(gè)·L-1)33

3 污水回用處理工藝的確定

污水回用技術(shù)可以采用生化污水回用處理工藝、物化污水回用處理工藝和膜生物反應(yīng)器污水處理工藝。以生化處理為主的污水回用技術(shù)工藝適宜處理有機(jī)物含量較高的生活污水。以物化處理為主的污水回用技術(shù)工藝包括二級物化處理，前級以混凝或沙濾為主，后級為深度物化處理，適宜處理城市生活優(yōu)質(zhì)雜排水。膜生物反應(yīng)器污水處理工藝由于存在膜分離組件會發(fā)生污染堵塞和膜生物反應(yīng)器動力消耗過高的問題使該工藝在具體應(yīng)用中受到限制。傳統(tǒng)的污水回用處理工藝系統(tǒng)流程長，設(shè)備繁多，不易實(shí)現(xiàn)自動化，容積負(fù)荷低，出水水質(zhì)波動大，占地面積大，對周圍環(huán)境影響較大。膜生物反應(yīng)器污水處理工藝應(yīng)用過程中，膜污染嚴(yán)重、水處理成本過高[3]。

針對上述各處理工藝的特點(diǎn)，結(jié)合京安熱電配套項(xiàng)目實(shí)際情況，研究采用生化處理為主的處理方法，輔以膜組件的高效分離技術(shù)，通過對工藝控制參數(shù)的優(yōu)化，使出水在滿足《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)上，提高處理效率，降低動力消耗，延長膜分離組件的使用壽命，減小占地面積，降低水處理成本，簡化工藝流程，改善操作管理自動化程度。

工藝流程為進(jìn)水經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，由泵打入儲水箱，儲水箱出水再由泵打入生化反應(yīng)器，污水在反應(yīng)內(nèi)經(jīng)過生化反應(yīng)后，采用中空纖維膜組件進(jìn)行泥水分離，膜組件出水即為系統(tǒng)出水。

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用各設(shè)備及其連接示意見圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備及連接示意

4.2 監(jiān)測分析方法

試驗(yàn)項(xiàng)目的監(jiān)測因子有COD、BOD、NH3-N、大腸桿菌、SS、色度等，CODCr、BOD5、NH3-N、LAS、SS、色度的監(jiān)測分析方法主要采用CJ/T 49-1999《生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》中規(guī)定的方法，CODCr和BOD5還使用HACHCOD快速測定儀進(jìn)行分析監(jiān)測，大腸桿菌采用GB 5750-1985《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)法》的規(guī)定進(jìn)行監(jiān)測。

4.3 工藝參數(shù)控制

4.3.1 生化反應(yīng)流態(tài)的確定

生化反應(yīng)器采用完全混合式活性污泥法，工藝研究導(dǎo)流結(jié)構(gòu)采用折流板形式，有利于減小水流阻力，提高能源利用效率。采用隔流板時(shí)，膜穩(wěn)態(tài)通量穩(wěn)定控制在0.12 m3/(m2·d)，氣水比在160∶1～230∶1，連續(xù)運(yùn)行110 d未洗膜。

對有折流板的效果與無折流板情況和文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]研究結(jié)果進(jìn)行比較。將該試驗(yàn)采用折流板時(shí)的氣體消耗指標(biāo)設(shè)定為1，該項(xiàng)研究無折流板氣體消耗指標(biāo)為1.91，文獻(xiàn)[4]所采用工藝的氣體消耗指標(biāo)為4.57、文獻(xiàn)[5]為6.57，采用折流板結(jié)構(gòu)比無折流板結(jié)構(gòu)的反應(yīng)工藝節(jié)約氣體用量47%，與相比文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]所用工藝節(jié)約用氣量78%～85%，因此采用折流板結(jié)構(gòu)的工藝，可大大節(jié)約能源。

4.3.2 膜生物反應(yīng)器類型的確定

從處理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用的角度考慮，一體式膜生物反應(yīng)器具有較低的動力消耗，運(yùn)行費(fèi)用較低，因此一體式膜生物反應(yīng)器是本次研究的工藝基礎(chǔ)。

4.3.3 試驗(yàn)參數(shù)的確定

生化反應(yīng)器的容積，應(yīng)該由其承擔(dān)的去除有機(jī)負(fù)荷來決定[6]，生化反應(yīng)器的污泥負(fù)荷率為：

Ns=Q·(S0-Se)/(V·X)

(1)

式中：V為生化反應(yīng)器的有效容積；X為污泥體積質(zhì)量；S0為反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)物的體積質(zhì)量；Se相當(dāng)于反應(yīng)器出水有機(jī)物的體積質(zhì)量；Q為生化反應(yīng)器處理的日處理水量。

膜分離組件的分離性能以實(shí)際膜穩(wěn)態(tài)通量表示，即

Jv=Q/A

(2)

式中：Jv為實(shí)際運(yùn)行時(shí)的膜的穩(wěn)態(tài)通量；A為膜分離組件的膜面積。

由式(1)和式(2)可得

V=A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)

(3)

由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)膜的通量是不穩(wěn)定的，因此生化反應(yīng)器需要有一定的調(diào)節(jié)能力，以防止水位過高而溢出，需要對反應(yīng)器的有效容積進(jìn)行調(diào)整，所以以V=φ·A·Jv·(S0-Se)/(Ns·X)表示，其中φ>1。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理水量：72 L/d，根據(jù)上述參數(shù)的要求，反應(yīng)器的有效容積確定為13.7 L，考慮到膜分離組件的水量調(diào)節(jié)，取容積為15 L。水力停留時(shí)間為4.6 h。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 有機(jī)物的去除

啟動時(shí)，由于污泥體積質(zhì)量較低，僅為750 mg/L，進(jìn)水COD為440 mg/L，出水COD為50 mg/L，COD去除率為88.64%。隨著污泥體積質(zhì)量的提高，進(jìn)水COD變化范圍為205～480 mg/L，變化幅度達(dá)±40.1%時(shí)，出水COD也逐步下降，并穩(wěn)定在14～30 mg/L，優(yōu)于《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，COD的去除率在90.2%～94.9%，COD的去除率的變化幅度僅為±2.5%，說明污泥體積質(zhì)量的升高有利于有機(jī)物的去除，并且膜生物反應(yīng)器具有耐COD沖擊負(fù)荷的優(yōu)點(diǎn)。

BOD的去除效果與COD類似，進(jìn)水BOD在130～263 mg/L，變化幅度達(dá)±33.8%，而出水BOD為3.2～6.9 mg/L，去除效率為95.8%～97.9%，去除效率的變化幅度僅為±1.1%，比COD的去除率更加穩(wěn)定，完全達(dá)到了《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。

4.4.2 氨氮的去除

膜生物反應(yīng)器處理技術(shù)對氨氮的去除效果好于常規(guī)的活性污泥法，氨氮負(fù)荷也高于傳統(tǒng)的活性污泥法。根據(jù)常規(guī)的監(jiān)測，生活污水中氨氮的體積質(zhì)量一般為17～55 mg/L，出水氨氮的體積質(zhì)量為2.8～8 mg/L，氨氮的去除率在94%～97%，比傳統(tǒng)活性污泥法高出近一倍。

4.4.3 監(jiān)測結(jié)果

在以上生化工藝參數(shù)的優(yōu)化控制下，該工藝試驗(yàn)處理效果的監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)處理效果的監(jiān)測結(jié)果

進(jìn)水 出水去除效率標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)1標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)2pH6.5～96.5～9-CODCr/(mg·L-1)29210.696.40.210.21BOD/(mg·L-1)2306.097.40.600.60NH3-N/(mg·L-1)55.78.8584.10.440.86LAS4.660.31393.30.310.63濁度/度501-0.100.20色度/度-8-0.270.27溶解性固體/(mg·L-1)-600-總硬度(以CaCO3計(jì))/(mg·L-1)-420-總大腸菌群/(個(gè)·L-1)>24 000未檢出-臭味-無不快感覺-流量/(L·d-1)72-

注：標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)1中的標(biāo)準(zhǔn)為廁所沖洗類標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)2中的標(biāo)準(zhǔn)為洗車類標(biāo)準(zhǔn)。

對比表2和表3可以看出，試驗(yàn)工藝的出水水質(zhì)達(dá)到了《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)污染指數(shù)均小于1。系統(tǒng)出水無需消毒處理，該工藝技術(shù)進(jìn)行分布式污水源的污水回用處理是可行的，可以直接作為熱電配套項(xiàng)目中的生活雜用水。

4.5 影響因素

4.5.1 膜分離過程對微生物性狀的影響

膜分離對生化反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥生物性狀有著重要的影響，會導(dǎo)致生物的組成和生物活性等產(chǎn)生許多新的特性。由于膜分離組件的高效截流作用，使得微生物菌膠團(tuán)得到完全截流，因此生化反應(yīng)器中的污泥體積質(zhì)量可以維持較高的水平。在進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷一定的情況下，混合液中底物消耗殆盡，混合液中的活細(xì)胞數(shù)量較少，只有少數(shù)細(xì)胞才能分裂繁殖，維持混合液的生態(tài)平衡。

4.5.2 pH值對氨氮硝化效果的影響

硝化反應(yīng)的最佳pH值為7.5～8.5，當(dāng)pH值低于7時(shí)，硝化反應(yīng)速率明顯降低，當(dāng)?shù)陀?和高于9.6時(shí)，硝化反應(yīng)將無法進(jìn)行。由于進(jìn)水氨氮體積質(zhì)量較高，隨著堿度補(bǔ)充的加大，出水氨氮有下降的趨勢，并在堿度補(bǔ)充體積質(zhì)量大于320 mg/L時(shí)，出水氨氮體積質(zhì)量能達(dá)到《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

該配套項(xiàng)目水處理工藝與常用水處理工藝的經(jīng)濟(jì)比較見表4。

表4 3種中水處理工藝的經(jīng)濟(jì)比較

項(xiàng)目兩級生化+過濾消毒管式膜生物反應(yīng)器該項(xiàng)目工藝主要構(gòu)筑物基建投資/萬元36.719.316.91主要設(shè)備、材料基建投資/萬元25.9018.2613.69總基建投資/萬元62.6127.5720.6膜組件投資/萬元05031單位處理水量的基建投資/(元·m-3·d-1)2 087919686.67單位處理水量的膜組件投資/(元·m-3·d-1)01 666.671 033.33單位處理水量的電力消耗/(kWh·m-3)0.652.360.924單位處理水量的藥劑消耗/(元·m-3)0.380.050.20單位處理水量的其他費(fèi)用/(元·m-3) 0.1500單位處理水量的處理成本/(元·m-3)1.541.811.322

注：膜的費(fèi)用計(jì)入運(yùn)行費(fèi)用。

由表4可以看出，本工藝的噸水投資為1 720元，兩級生化+過濾消毒工藝的噸水投資為2 087元，管式膜生物膜反應(yīng)器工藝的噸水投資為2 585.67元，因此該工藝的噸水總投資比兩級生化+過濾消毒工藝降級了17.6%，比管式膜生物反應(yīng)器工藝降低了33.5%。

從污水的處理成本方面看，該工藝水處理成本為1.322元/m3，比兩級生化+過濾消毒工藝降低14.2%，與京安熱電項(xiàng)目所在地生活用水水價(jià)1.98元/m3相比，采用該工藝處理后，回用水可節(jié)約支出33.3%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。將該處理工藝應(yīng)用于京安熱電配套項(xiàng)目后，以節(jié)水23×104m3/a測算，年可節(jié)約水費(fèi)45.54萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)論

a. 生化處理為主、輔以膜組件的高效分離技術(shù)處理的一般生活污水可達(dá)到《生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

b. 京安熱電配套生活具有應(yīng)用該污水回用處理工藝的可行性，可以采用用該工藝將配套工程中生活設(shè)施所產(chǎn)生的洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、廚房排水、廁所排水進(jìn)行處理后用于廁所沖洗、綠化澆灌、道路清潔、車輛沖洗、基建施工、噴水池、冷卻水、景觀用水和消防用水等。

c. 該工藝可以推廣到居民小區(qū)、賓館、飯店、學(xué)校、車站、高速公路服務(wù)器等場所的廁所沖洗、綠化、洗車、冷卻等用水。

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