淺析ABRFS折板氣提工藝在鐵路中小車站污水處理中的應(yīng)用

李向東 , 宋珺 , 賈芳芳

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600;2. 鐵路總公司工程管理中心, 北京 100038)

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淺析ABRFS折板氣提工藝在鐵路中小車站污水處理中的應(yīng)用

李向東1, 宋珺2, 賈芳芳1

(1. 中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600;2. 鐵路總公司工程管理中心, 北京 100038)

闡述了當(dāng)前鐵路中小車站污水處理新工藝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、ABRFS工藝的原理及特點(diǎn)，分析了運(yùn)用該工藝在中試實(shí)驗(yàn)中的水質(zhì)處理效果，從中探討出該工藝較適宜應(yīng)用于鐵路中小車站污水的處理，供同行專家學(xué)者共同探討。

ABRFS折板氣提工藝；鐵路污水；中小車站

新建鐵路的中小型車站一般都遠(yuǎn)離市區(qū)，周邊無(wú)完善的排水管網(wǎng)。針對(duì)其污水量少、環(huán)保要求嚴(yán)的特點(diǎn)，鐵路的環(huán)保部門及環(huán)保設(shè)計(jì)人員嘗試了多種污水處理工藝，如SBR法、SMBR法、AO法及人工濕地等，但終因污水水量確定不很合理、污水水質(zhì)與工藝不相匹配、工藝流程復(fù)雜、設(shè)備設(shè)施多、投資和運(yùn)行成本高、剩余污泥產(chǎn)量大、維護(hù)要求高等問(wèn)題，都未取得預(yù)期的“無(wú)人值守”的效果[1-4]。因此，因地制宜地研發(fā)出一種或一類型適合鐵路中小車站的簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)、適用的污水處理工藝已成為鐵路環(huán)保部門當(dāng)前亟待研究解決的課題。

1 鐵路中小車站生活污水處理工藝的選擇

通過(guò)對(duì)鐵路中小車站生活污水處理站運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)狀的調(diào)研，新的污水處理工藝設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下特點(diǎn)：(1)出水應(yīng)盡可能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)規(guī)定的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)；(2)不使用上位機(jī)或PLC可編程序控制器等電氣設(shè)備來(lái)提高污水處理工藝的自動(dòng)化水平；(3)應(yīng)用流體力學(xué)優(yōu)化和簡(jiǎn)化污水處理工藝，盡可能減少對(duì)機(jī)械部件的使用與依賴，以實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”的要求。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美、日、歐洲等國(guó)家就采用分散式污水處理方式對(duì)鄉(xiāng)村的污水進(jìn)行治理并取得很好的成效，如日本的凈化槽技術(shù)、澳大利亞的“FILTER”(非爾脫)污水處理系統(tǒng)等[5-7]。我國(guó)分散式污水處理研究和應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，折板氣提曝氣生物處理技術(shù)(ABRFS)作為一種比較典型的污水處理工藝，處理后的出水水質(zhì)較為良好且穩(wěn)定。

ABRFS折板氣提曝氣生物處理技術(shù)，主要由折板厭氧區(qū)(ABR)與氣提接觸氧化區(qū)(FS)組成(詳見(jiàn)圖1)。

圖1 ABRFS裝置簡(jiǎn)圖

生活污水首先進(jìn)入由n個(gè)UASB組合的多通道旋流迷宮折板厭氧區(qū)(ABR)，從底部旋流進(jìn)水，使底質(zhì)污泥處于懸浮態(tài)，并形成顆粒污泥，厭氧菌與有機(jī)污染物充分混合，實(shí)現(xiàn)裝置生物處理效能的最大化。折板厭氧區(qū)(ABR)內(nèi)的微生物處于缺氧狀態(tài)，此時(shí)屬于兼性微生物，通過(guò)水解、酸化反應(yīng)，將污水中的有機(jī)固體及不易生物降解的有機(jī)物分解為小分子溶解性有機(jī)物，即將污水中的有機(jī)氨轉(zhuǎn)化分解為NH3-N，同時(shí)利用有機(jī)碳作為電子供體，將NO2-N、NO3-N轉(zhuǎn)化為N2，而且還可利用部分有機(jī)碳源和NH3-N合成新的細(xì)胞物質(zhì)。折板厭氧區(qū)可有效延續(xù)污水水解酸化流程，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，而且依靠原水中存在的較高濃度有機(jī)物，完成反硝化作用，最終完成脫氮功能。

接著生活污水進(jìn)入氣提接觸氧化區(qū)(FS)。氣提曝氣裝置是接觸氧化的的重要組成部分，由進(jìn)氣內(nèi)管、提水布水套管及頂部布水散水板構(gòu)成，采用氣提內(nèi)循環(huán)的方式布?xì)?、布水，風(fēng)機(jī)壓縮空氣進(jìn)入進(jìn)氣內(nèi)管，在底部形成壓力流將污水氣固液混合物壓入布水套管，并在其中充分混合充氧，然后氣水混合液射流至頂部散水板，向四周均勻散流布水，充氧后污水沿布水區(qū)經(jīng)生物填料載體區(qū)回流至底部，再氣提形成循環(huán)流。通過(guò)低曝氣風(fēng)壓、大氣水比的設(shè)置，混合液在模塊內(nèi)往復(fù)循環(huán)30～50次，污水好氧段總停留時(shí)間8～10h，氣水比在40～50∶1，使得污水經(jīng)歷無(wú)數(shù)次好氧、缺氧循環(huán)。由于接觸氧化法的微生物世代周期長(zhǎng)，有利于載體填料上微生物的自然選種優(yōu)化，附著在生物膜上和水中的好氧微生物種群豐富，避免了分段少的生物處理工藝中所存在的微生物之間的抗詰作用，通過(guò)不同階段多種微生物協(xié)同作用，同時(shí)完成硝化功能，對(duì)水中有機(jī)物進(jìn)行比較徹底的生物降解，提高了系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。同時(shí)氣提曝氣實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部污泥的循環(huán)，省去污泥回流設(shè)備，保證了填料上生物膜活性，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，隨時(shí)有老化生物膜形成脫落、新的生物膜生成更新，所產(chǎn)生剩余污泥量極少，且BOD去除效果比普通法可提高10%～15%。生化后的污水流到沉淀區(qū)，上升流速可達(dá)0.3～0.4mm/s，因此良好的水力條件使得泥水充分分離，好氧池出水澄清透明，除磷效果顯著。排泥采用氣提至污水提升泵井，再次進(jìn)入新的污水處理流程之中，如此反復(fù)循環(huán)。

2 ABRFS折板氣提曝氣生物污水處理工藝技術(shù)試驗(yàn)

2014年9月在北京某處建成小型的ABRFS折板氣提曝氣生活污水處理工程，該設(shè)備的工藝尺寸為3.0m×1.5m×2.2m(長(zhǎng)×寬×高)，污水處理水量為10m3/d。經(jīng)過(guò)活性污泥的培養(yǎng)馴化，11月初該套設(shè)備進(jìn)入了正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，分別于2014-12-11—2015-01-10(冬，水溫10～12℃)以及2015-06-11—2015-07-10(夏，水溫12～15℃)，對(duì)該工藝進(jìn)行了測(cè)試，主要對(duì)SS、COD、BOD5、氨氮(NH3-N)及磷酸鹽(TP)進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中又對(duì)五項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的夏冬季進(jìn)出水及去除率作了對(duì)比，如圖2～7所示。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)及其去除率情況

圖2 夏冬季進(jìn)出水SS和去除率變化

圖3 夏冬季進(jìn)出水COD和去除率變化

圖4 夏冬季進(jìn)出水BOD5和去除率變化

圖5 夏冬季進(jìn)出水氨氮和去除率變化

圖6 夏冬季進(jìn)出水總磷和去除率變化

圖7 進(jìn)出水各水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)夏冬季平均去除率變化

(1)SS的處理效果

對(duì)于SS的去除情況，由圖2分析可知，出水穩(wěn)定于平均值8.5mg/L，遠(yuǎn)低于《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的70mg/L，當(dāng)然不排除進(jìn)水本身SS值偏低。同時(shí)相應(yīng)的去除率曲線也隨進(jìn)水波動(dòng)而變，但冬夏季的平均去除率達(dá)84.8%，去除率較高。

(2)COD的處理效果

對(duì)于COD的去除情況，由圖3分析可知，進(jìn)水波動(dòng)較大，出水中期略有起伏，穩(wěn)定于均值29mg/L，平均去除率可達(dá)87.6%。相較于《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的100mg/L是足以達(dá)標(biāo)的。

(3)BOD5的處理效果

對(duì)于BOD5的去除情況，由圖4分析可知，進(jìn)水波動(dòng)幅度為52mg/L～237mg/L，出水維持穩(wěn)定，均值9.5mg/L，平均去除率可達(dá)91.4%?？蛇_(dá)《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的20mg/L。

(4)氨氮(NH3-N)的處理效果

對(duì)于氨氮的去除情況，由圖5分析可知，進(jìn)水波動(dòng)幅度較大，且冬夏波動(dòng)情況相似。出水波動(dòng)幅度為1.3mg/L～8.3mg/L，冬夏均值2.8mg/L，平均去除率可達(dá)87.1%?？蛇_(dá)《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的15mg/L。

(5)磷酸鹽(TP)的處理效果

對(duì)于總磷的去除情況，由圖6分析可知，冬季相較于夏季進(jìn)水波動(dòng)幅度較大。出水均值0.8mg/L，平均去除率可達(dá)86.4%。明顯不達(dá)《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的0.5mg/L,但達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。故運(yùn)用該工藝去除小流量生活污水的總磷還需改進(jìn)。

(6)各水質(zhì)指標(biāo)處理效果對(duì)比

在冬夏季的兩個(gè)階段實(shí)驗(yàn)中，由圖7分析可知，小型ABRFS折板氣提曝氣生物處理工藝，對(duì)于SS、COD、BOD5、氨氮(NH3-N)及磷酸鹽(TP)去除率基本達(dá)到了預(yù)期的效果，其中尤以BOD5的去除率最高，冬夏季的去除率差別最大的是COD。

3 ABRFS折板氣提曝氣生物污水處理工藝可行性分析

從以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，ABRFS折板氣提曝氣生物污水處理工藝，對(duì)于SS、COD、BOD5、氨氮(NH3-N)及磷酸鹽(TP)具有顯著的處理效果。與目前鐵路中小車站常用的人工濕地、生物接觸氧化法、傳統(tǒng)活性污泥法、SBR法、MSBR法以及AO/A2O法相比，在工藝流程、運(yùn)行工況、日常維護(hù)、自動(dòng)化程度、占地面積以及出水水質(zhì)等諸多方面都具有優(yōu)勢(shì)，具體詳見(jiàn)表2。

表2 ABRFS法與鐵路傳統(tǒng)污水處理工藝主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

另外，從工程投資、日常污水處理費(fèi)用、耗電量以及占地指標(biāo)等方面也具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具體詳見(jiàn)表3。

表3 ABRFS法與鐵路傳統(tǒng)污水處理工藝主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

注：若考慮人工費(fèi)，生物接觸氧化法、傳統(tǒng)活性污泥法、SBR法、MSBR法、A/O或A2/O法污水處理工藝的單位污水處理費(fèi)用將超過(guò)1.5元/m3。

綜上可以看出，ABRFS折板氣提曝氣生物污水處理工藝最顯著的特點(diǎn)是占地小，單位污水用地僅0.8～2.0(m2/ m3)，可比大部分污水處理工藝減少很大的用地投資和占地限制。而在投資費(fèi)、處理費(fèi)和耗電費(fèi)更是可與經(jīng)濟(jì)性很強(qiáng)的人工濕地工藝相持平。加之從技術(shù)上達(dá)到了無(wú)人值守的要求，減輕了運(yùn)行管理的難度，人工費(fèi)降到最低。因此，ABRFS折板氣提曝氣生物污水處理工藝有著廣闊的前景和推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

ABRFS折板氣提法充分利用流體力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)的作用，僅需要羅茨風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，利用低曝氣風(fēng)壓、大氣水比的設(shè)置，讓氣水混合液在模塊內(nèi)往復(fù)循環(huán)使得污水經(jīng)歷多次好氧、缺氧循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)污水的脫氮除磷。實(shí)驗(yàn)表明該工藝對(duì)于中小流量生活污水處理效果顯著。雖然總磷未達(dá)到《綜合污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，但已達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行深入研究與改進(jìn)。

總的來(lái)看，ABRFS折板氣提曝氣生物處理工藝具有耐沖擊負(fù)荷(水力、有機(jī)物)強(qiáng)、污泥產(chǎn)生量少，操作簡(jiǎn)單易行、故障率低，運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小、投資省的特點(diǎn)。所以相較于其他相關(guān)污水處理工藝，從某種意義上講，ABRFS折板氣提曝氣生物處理工藝較適宜處理中小車站的生活污水，經(jīng)濟(jì)適用、簡(jiǎn)單高效、出水水質(zhì)良好且能較好達(dá)到“無(wú)人值守”的要求，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)皆可行。

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Application of ABRFS Technology in Sewage Treatment of Railway

LI Xiangdong1, SONG Jun2, JIA Fangfang1

(1.ChinaRailway5thSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.，Beijing102600，China; 2.EngineeringManagementCenterofChinaRailwayCompany，Beijing100038，China)

The design features of new sewage treatment process in small railway station was introduced, as well as principles and characteristics of ABRFS technology.Application of ABRFS technology in a pilot experiment was sketched,and explored that it is more appropriate for the sewage of small railway station.Meanwhile we are willing to discuss and improve the process with peer experts.

ABRFS technology; the wastewater of railway station; small railway station

2095-1671(2015)06-0251-05

2015-10-23；

2015-10-30

李向東(1963—)，男，山西交城人，高級(jí)工程師，從事鐵路給排水、環(huán)保設(shè)計(jì)及審核工作。

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