改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備在低濃度生活污水處理中的應(yīng)用研究

王銀生，廖 侃，孫 亮，陳旭懷，戚廣賢，王建明，陳順權(quán)*

(1.廣東省林茂科技有限公司，廣東 廣州 511458；

伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速、各類生產(chǎn)工藝以及污水處理技術(shù)的不斷革新，城市地區(qū)的水環(huán)境污染情況已得到極大的緩解與控制[1]，而分散性的農(nóng)村生活污水處理問(wèn)題更為突出，目前廣大農(nóng)村地區(qū)的生活污水一般未經(jīng)處理直接排入附近溝渠或者河道并最終進(jìn)入江河等受納水體，導(dǎo)致整個(gè)地區(qū)的水環(huán)境污染呈現(xiàn)不斷加劇的趨勢(shì)[2-3]，這給農(nóng)村污水處理帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)，為確保農(nóng)村水源安全和農(nóng)民身體健康，農(nóng)村污水治理刻不容緩。目前對(duì)于生活污水處理工藝，主要涉及活性污泥法，厭氧好氧工藝法(A/O)，序批式活性污泥法(SBR)，膜生物反應(yīng)器法(MBR)等以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的升級(jí)組合工藝[4-7]。A/O 工藝集好氧和缺氧段為一體，厭氧段用于脫氮除磷，好氧段用于去除水中的有機(jī)物，該工藝對(duì)有機(jī)物及氨氮等的去除具有很好的效果，但是占地面積大，運(yùn)行能耗高；MBR工藝作為一種新型工藝，集成了膜分離與生物處理各自的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在城鎮(zhèn)污水處理與回用方面得到了廣泛的應(yīng)用[8-9]，但是在分散性較強(qiáng)的廣大農(nóng)村，由于受各種條件制約，該工藝的應(yīng)用受到限制。充分考慮到農(nóng)村污水分散實(shí)際現(xiàn)狀以及農(nóng)村生活污水濃度低、變化系數(shù)大、各時(shí)段排放水質(zhì)差別大等特點(diǎn)[10-11]，研究以低濃度農(nóng)村污水處理技術(shù)為導(dǎo)向，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)MBR一體化設(shè)備，建立適用于分散性的農(nóng)村生活污水處理的簡(jiǎn)單高效工藝及其裝備，對(duì)于推動(dòng)改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備在分散的農(nóng)村地區(qū)的規(guī)?；瘧?yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝備及其工藝流程

本試驗(yàn)采用改進(jìn)型的一體式MBR裝備，裝置內(nèi)采用自主研發(fā)的高性能內(nèi)襯增強(qiáng)PVDF中空纖維膜。生活污水流經(jīng)調(diào)節(jié)池，首先進(jìn)入一體化裝備厭氧段進(jìn)行厭氧處理，然后經(jīng)由底部溢流口進(jìn)入MBR膜池，厭氧池和MBR池隔板上方留空，利用膜池曝氣翻滾實(shí)現(xiàn)污泥的半回流。膜池內(nèi)部脈沖曝氣，日常開啟一臺(tái)風(fēng)機(jī)，間歇性開啟兩臺(tái)風(fēng)機(jī)以增大風(fēng)量，強(qiáng)化對(duì)膜絲的氣擦洗。膜池溶解氧保持在3.0 mg/L以上，用自吸泵抽吸產(chǎn)水，系統(tǒng)配置清洗泵以及加藥裝置，采用PLC自動(dòng)控制。

圖1 農(nóng)村生活污水處理工藝流程圖

圖2 一體化設(shè)備實(shí)物圖

1.2 水質(zhì)及其檢測(cè)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用水

試驗(yàn)所用的污水以廣州市南沙區(qū)某污水廠調(diào)節(jié)池水為研究對(duì)象，進(jìn)水口與污水處理設(shè)備出水口采樣按照同一時(shí)間點(diǎn)采樣，經(jīng)取樣測(cè)定其BOD5/COD>0. 3，污水的可生物降解性良好，采樣依據(jù)《地表水和污水檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)執(zhí)行，采樣后樣品根據(jù)《水質(zhì)采樣樣品保存和管理技術(shù)規(guī)定》(HJ493-2009)執(zhí)行，樣品采樣及其保存方法以及水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?、2所示。

表1 樣品采樣及其保存方法

表2 實(shí)測(cè)水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)

1.2.2 檢測(cè)方法及其依據(jù)

研究對(duì)水質(zhì)分析采用的方法如表3所示。

表3 水質(zhì)檢測(cè)方法

2 運(yùn)行結(jié)果及討論

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行概況

實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備處理低濃度農(nóng)村污水，裝備實(shí)際出水量均高于設(shè)計(jì)值，設(shè)備經(jīng)調(diào)試一周后穩(wěn)定運(yùn)行；設(shè)備運(yùn)行噪音為 61.3 dB(A)(由于水廠特殊環(huán)境，該項(xiàng)數(shù)值偏大，實(shí)際運(yùn)行噪聲小于該值)，設(shè)備出水指標(biāo)CODcr、NH3-N、TP平均值均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918-2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定后總體達(dá)標(biāo)率100%；設(shè)備正常運(yùn)行期間未發(fā)現(xiàn)令人不適氣味，運(yùn)行期間由于設(shè)置儲(chǔ)泥池，一體化設(shè)備未排泥，設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部全部設(shè)備由 PLC+觸摸屏控制，自動(dòng)化程度高，可無(wú)人值守。

2.2 水處理量及其經(jīng)濟(jì)性分析

評(píng)估期內(nèi)實(shí)際處理水量基本穩(wěn)定，設(shè)計(jì)處理量為50.0 t/d，實(shí)際處理水量為51.0～59.4 t/d，平均處理水量為57.2 t，最低處理量為設(shè)計(jì)處理量102.0%，最高處理量達(dá)到設(shè)計(jì)處理量118.8%，波動(dòng)適應(yīng)范圍約 2.0%～18.8%，設(shè)備處理的污水均由污水處理廠供給，設(shè)備主要耗電部件為風(fēng)機(jī)、計(jì)量泵、污水提升泵、產(chǎn)水泵、反洗泵、加藥泵，污泥的處理能耗暫不考慮，設(shè)備自身平均噸水能耗均值為0.858 kWh，另外穩(wěn)定運(yùn)行后藥劑投加量平均為1.7 kg/d，噸水運(yùn)行成本計(jì)算如下，衡算后綜合能耗以及整體運(yùn)行成本詳見圖3所示。

圖3 裝置噸水處理能耗及其運(yùn)行成本

運(yùn)行總體成本C=WE×CE+M×CM/(Q×1t/m3) (1)

式中：C，平均噸水處理成本，元/t；

We，設(shè)備自身平均噸水能耗，kWh/t；

CE，用電成本，取平均工業(yè)電價(jià)，0.58 元/kWh；

M，每日藥劑添加量；

CM，藥劑單價(jià)，按1000 元/t 算；

Q，平均每日水處理量，m3。

由圖3可知，噸水處理整體能耗跟噸水處理成本呈正相關(guān)趨勢(shì)，噸水處理整體能耗在0.79～1.00 kWh，噸水處理成本0.49～0.53元，平均噸水處理成本0.53元，藥劑成本在處理總成本中占比相對(duì)較小，能耗主要為風(fēng)機(jī)、水泵、加藥泵等耗電部件。一般情況下處理能耗以及噸水處理成本同處理水量呈負(fù)有關(guān)，該裝備設(shè)計(jì)水量為50 t/d，若處理水量進(jìn)一步增大，純水處理能耗及其成本將進(jìn)一步降低。此外，由于生活污水CODcr、NH3-N、TP數(shù)值偏低，經(jīng)過(guò)一體化裝備內(nèi)部厭氧-MBR工藝綜合處理，外加藥劑的化學(xué)除磷作用，完全滿足處理要求，此外，由表4對(duì)比可知，相比于其它工藝，一體化裝備因其具有更短的水力停留時(shí)間，占地小，采用的A-MBR工藝更為簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，相同規(guī)模處理量情況下，一體化裝備整體能耗更低，對(duì)于水量小、分散的低濃度農(nóng)村生活污水適用性更強(qiáng)。

表4 工藝對(duì)比分析[12-13]

2.3 系統(tǒng)處理效果分析

從圖4可知，改進(jìn)型MBR一體化反應(yīng)裝置的進(jìn)水CODcr 濃度范圍在77.9～180.2 mg/L之間，平均濃度值為112.2 mg/L，進(jìn)水濃度波動(dòng)性相對(duì)比較大；而產(chǎn)水CODcr呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，特別是在一體化反應(yīng)裝置運(yùn)行6 d后，系統(tǒng)運(yùn)行基本趨于穩(wěn)定，出水CODcr 濃度較低，數(shù)值穩(wěn)定在3.0～15.0 mg/L之間，平均CODcr 濃度為7.8 mg/L，平均去除率為92.9%，在一體化裝備運(yùn)行初期中，對(duì)CODcr去除率相對(duì)較低，該階段對(duì)有機(jī)物的去除作用以分離膜截留作用為主，而微生物降解去除作用相對(duì)較弱，后期由于采用污水處理廠活性污泥，膜池內(nèi)微生物對(duì)污水適應(yīng)能力較強(qiáng)，此外，膜組件代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的二沉池，截留生物系統(tǒng)的大量微生物菌群，促使系統(tǒng)的微生物菌群數(shù)量和生物種類的聚增，提高了污水處理能力和效率，從而使系統(tǒng)出水水質(zhì)和容積負(fù)荷都得到了大幅度的提高，膜池中保持較高的污泥濃度，微生物降解作用逐漸增強(qiáng)，最終微生物對(duì)有機(jī)污染物去除起主導(dǎo)作用，在微生物跟膜分離截留綜合作用下產(chǎn)水最終趨于穩(wěn)定。

圖4 進(jìn)出水CODcr隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

從圖5可知，反應(yīng)裝置的進(jìn)水總磷濃度波動(dòng)比較小，濃度范圍在2. 02～3.76 mg/L 之間，平均濃度值為 2.73 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后產(chǎn)水總領(lǐng)含量在0.25～0.50 mg/L，系統(tǒng)中總磷平均去除率87.2%。在一體化裝備運(yùn)行過(guò)程中，由于考慮到總磷去除無(wú)法降低到0.50 mg/L以下，前期即通過(guò)添加化學(xué)藥劑進(jìn)行調(diào)控，一體化裝備運(yùn)行前6 d內(nèi)，總磷的含量迅速降低，總磷的降低是化學(xué)除磷和微生物生長(zhǎng)吸收部分磷的共同作用的結(jié)果，但是前期降低主要以化學(xué)除磷為主，隨著生化系統(tǒng)的馴化完善，生化系統(tǒng)穩(wěn)定后微生物對(duì)磷需求量逐漸減少，系統(tǒng)產(chǎn)水中總磷含量也逐步趨于穩(wěn)定，但是由于一體化裝備測(cè)試期間沒(méi)有排出剩余富磷污泥，造成一體化裝備后期系統(tǒng)中磷的部分累積，系統(tǒng)中總磷在后期在排放標(biāo)準(zhǔn)限值以下存在小幅波動(dòng)，為了確保產(chǎn)水總磷低于0.5 mg/L，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)化學(xué)藥劑調(diào)控進(jìn)行化學(xué)除磷，進(jìn)而確保出水穩(wěn)定，一體化裝備運(yùn)行藥劑日均投加量為1.7 kg。

圖5 進(jìn)出水總磷濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

從圖6可知，一體化裝備進(jìn)水相對(duì)穩(wěn)定，氨氮含量在13.38～25.39 mg/L之間，而產(chǎn)水氨氮含量呈現(xiàn)逐漸降低后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。進(jìn)水與產(chǎn)水氨氮平均值為18.39 mg/L與0.42 mg/L，平均去除率97.7%，系統(tǒng)對(duì)氨氮去除率較高，出水水質(zhì)穩(wěn)定。由于膜孔為微米級(jí)膜孔，膜的分離截留作用對(duì)氨氮的去除貢獻(xiàn)相對(duì)較小，對(duì)含氮有機(jī)物的去除主要是微生物新陳代謝的作用，通過(guò)前6 d的運(yùn)行調(diào)試，外加水廠自帶活性污泥的天然優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)很快實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行，此外，系統(tǒng)可以通過(guò)增加曝氣量跟曝氣時(shí)間，進(jìn)一步提升好氧硝化菌的生長(zhǎng)富集，增長(zhǎng)了氨氮與活性污泥中的微生物的接觸時(shí)間，提高了污水中氨氮的去除效率。

圖6 進(jìn)出水氨氮濃度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

由上圖7可知，改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備反應(yīng)裝置對(duì)低濃度農(nóng)村生活污水中 CODcr、NH3-N、TP的去除效果比較理想，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均去除率分別為92.9%、97.7%、87.2%，裝置運(yùn)行穩(wěn)定性較好，進(jìn)入處理系統(tǒng)的活性污泥由于采用水廠生化系統(tǒng)污泥，具有較好的適應(yīng)性，污泥沉降比(SV)保持在在30～40%，污泥濃度(MLSS)穩(wěn)定在4500～6000 mg /L左右，實(shí)現(xiàn)對(duì)供試污水污染物的高效處理，通過(guò)微生物降解、化學(xué)除磷以及膜法分離技術(shù)耦合，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度生活污水的高效低成本處理。

圖7 系統(tǒng)穩(wěn)定后對(duì)CODcr、NH3-N、TP的去除率隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

(1)改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備反應(yīng)裝置對(duì)低濃度農(nóng)村生活污水中CODcr、NH3-N、TP的去除效果比較理想，裝置運(yùn)行穩(wěn)定性較好，其出水的CODcr、NH3-N、TP平均值分別為7.83，0.42，0.35 mg/L，均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918 -2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

(2)改進(jìn)型MBR一體化設(shè)備處理低濃度農(nóng)村生活污水，具有穩(wěn)定的出水水質(zhì)和良好的經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)設(shè)備平均每日水處理量 57.2 t，設(shè)備自身平均噸水能耗 0.858 kWh，出水水質(zhì)三項(xiàng)指標(biāo)COD、NH3-N、TP平均去除率分別為92.9%，97.7%，87.2%，水質(zhì)排放達(dá)標(biāo)率為 100%，藥劑投加量1.7 kg/d，綜合平均噸水處理成本 0.53元。

(3)提出的適用于低濃度農(nóng)村生活污水處理的改進(jìn)型MBR一體化工藝及其裝備，同傳統(tǒng)的生化工藝相比，設(shè)備自動(dòng)化及智能化程度高，工藝簡(jiǎn)單易控，設(shè)備能耗低，占地面積小，易于在分散性較高的農(nóng)村生活污水中廣泛應(yīng)用。